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KR102009192B1 - 이미지 센서의 단위 픽셀 및 이를 포함하는 이미지 센서 - Google Patents

이미지 센서의 단위 픽셀 및 이를 포함하는 이미지 센서 Download PDF

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KR102009192B1
KR102009192B1 KR1020130012831A KR20130012831A KR102009192B1 KR 102009192 B1 KR102009192 B1 KR 102009192B1 KR 1020130012831 A KR1020130012831 A KR 1020130012831A KR 20130012831 A KR20130012831 A KR 20130012831A KR 102009192 B1 KR102009192 B1 KR 102009192B1
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KR
South Korea
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region
photoelectric conversion
floating diffusion
transfer gate
image sensor
Prior art date
Application number
KR1020130012831A
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English (en)
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KR20140100065A (ko
Inventor
이준택
정상일
김이태
양운필
Original Assignee
삼성전자주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Priority to US14/088,793 priority patent/US9159751B2/en
Priority to CN201410041492.9A priority patent/CN103972258B/zh
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Abstract

이미지 센서의 단위 픽셀은 광전 변환 영역, 플로팅 확산 영역 및 전송 게이트를 포함한다. 상기 광전 변환 영역은 반도체 기판에서 소자 분리 영역에 의하여 정의되는 액티브 영역 내에 형성되며, 입사광에 상응하는 광전하를 발생한다. 상기 플로팅 확산 영역은 상기 액티브 영역 내에 형성된다. 상기 전송 게이트는 상기 플로팅 확산 영역에 상기 광전하를 전달하기 위하여 상기 광전 변환 영역과 상기 플로팅 확산 영역에 인접하여 형성되며, 길이 방향인 제1 방향과 수직인 제2 방향의 중심선을 기준으로 하여 상기 제1 방향의 제1 부분과 제2 부분 중 적어도 하나의 부분이 상기 소자 분리 영역에 중첩하지 않도록 형성된다.

Description

이미지 센서의 단위 픽셀 및 이를 포함하는 이미지 센서{UNIT PIXEL OF IMAGE SENSOR AND IMAGE SENSOR INCLUDING THE SAME}
본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 이미지 센서의 단위 픽셀, 적어도 하나의 상기 단위 픽셀을 포함하는 이미지 센서에 관한 것이다.
이미지 센서는 외부에서 입사하는 광(이하, 입사광)을 전기 신호로 변환하는반도체 소자이며, CCD(charge coupled device) 이미지 센서와 CMOS(complementary metal oxide semiconductor) 이미지 센서로 분류될 수 있다. 최근에는 이미지 센서에 포함되는 픽셀들이 향상된 수광 효율 및 광 감도(sensitivity)를 가지도록 반도체 반도체 기판의 후면을 통하여 입사광을 수신하고 광전 변환을 수행하는 후면 수광 방식(backside illumination)의 이미지 센서가 사용되고 있다.
이에 따라, 본 발명의 일 목적은 다크 특성을 향상시킬 수 있는 이미지 센서의 단위 픽셀을 제공하는데 있다.
본 발명의 일 목적은 상기 단위 픽셀을 구비하는 이미지 센서를 제공하는데 있다.
상기 본 발명의 일 목적을 달성하기 위한 이미지 센서의 단위 픽셀은 광전 변환 영역, 플로팅 확산 영역 및 전송 게이트를 포함한다. 상기 광전 변환 영역은 반도체 기판에서 소자 분리 영역에 의하여 정의되는 액티브 영역 내에 형성되며, 입사광에 상응하는 광전하를 발생한다. 상기 플로팅 확산 영역은 상기 액티브 영역 내에 형성된다. 상기 전송 게이트는 상기 플로팅 확산 영역에 상기 광전하를 전달하기 위하여 상기 광전 변환 영역과 상기 플로팅 확산 영역에 인접하여 형성되며, 길이 방향인 제1 방향과 수직인 제2 방향의 중심선을 기준으로 하여 상기 제1 방향의 제1 부분과 제2 부분 중 적어도 하나의 부분이 상기 소자 분리 영역에 중첩하지 않도록 형성된다.
예시적인 실시예에 있어서, 상기 액티브 영역은 평면에서 보았을 때, 정사각형 또는 직사각형 모양의 일 꼭지점이 모따기된 모양을 갖는 제1 영역과 상기 모따기된 부분에서 상기 제2 방향으로 돌출되는 직사각형 모양의 제2 영역을 포함할 수 있다.
상기 중심선은 상기 제1 영역과 제2 영역을 상기 제2 방향으로 2등분하는 가상의 선이며, 상기 전송 게이트는 상기 중심선에 대하여 서로 대칭일 수 있다.
상기 전송 게이트는 상기 제1 부분과 상기 제2 부분이 모두 상기 소자 분리 영역에 중첩하지 않을 수 있다.
예시적인 실시예에 있어서, 상기 중심선은 상기 제1 영역과 상기 제2 영역을 상기 제2 방향으로 2등분하는 가상의 선이며, 상기 전송 게이트는 상기 중심선에 대하여 서로 비대칭일 수 있다.
상기 전송 게이트의 상기 제1 부분은 상기 소자 분리 영역과 부분적으로 중첩하고, 상기 제2 부분은 상기 소자 분리 영역과 중첩하지 않을 수 있다.
상기 전송 게이트의 상기 제2 부분은 상기 소자 분리 영역과 부분적으로 중첩하고, 상기 제1 부분은 상기 소자 분리 영역과 중첩하지 않을 수 있다.
예시적인 실시예에 있어서, 상기 광전 변환 영역은 상기 제1 영역 내에 형성될 수 있다.
예시적인 실시예에 있어서, 상기 플로팅 확산 영역은 상기 제2 영역 내에 형성될 수 있다.
예시적인 실시예에 있어서, 상기 광전 변환 영역은 상기 반도체 기판에 도핑된 불순물과 다른 타입의 불순물이 도핑되어 형성될 수 있다.
예시적인 실시예에 있어서, 상기 전송 게이트는 상기 반도체 기판의 제1 면 상에 형성될 수 있다.
상기 이미지 센서의 단위 픽셀은 상기 전송 게이트 상부에 상기 광전 변환 영역에 대응하여 형성되는 컬러 필터 및 상기 컬러 필터 상부에 상기 광전 변환 영역에 대응하여 형성되는 마이크로 렌즈를 더 포함할 수 있다.
예시적인 실시예에 있어서, 상기 전송 게이트는 상기 반도체 기판의 제1 면 상에 형성되고, 상기 이미지 센서의 단위 픽셀은 상기 반도체 기판의 상기 제1 면에 대향하는 제2 면 상에 상기 광전 변환 영역에 대응하여 형성되는 컬러 필터 및 상기 컬러 필터 상에 상기 광전 변환 영역에 대응하여 형성되는 마이크로 렌즈를 더 포함할 수 있다.
상기 본 발명의 일 목적을 달성하기 위한 이미지 센서의 단위 픽셀은 플로팅 확산 영역, 복수의 광전 변환 영역들 및 복수의 전송 게이트들을 포함한다. 상기 플로팅 확산 영역은 반도체 기판에서 소자 분리 영역에 의하여 정의되는 액티브 영역 내에 형성된다. 상기 복수의 광전 변환 영역들은 상기 액티브 영역 내에, 상기 플로팅 확산 영역을 공유하도록 형성되며, 입사광에 상응하는 광전하를 발생한다. 상기 복수의 전송 게이트들은 상기 플로팅 확산 영역에 상기 광전하를 전달하기 위하여 상기 광전 변환 영역들과 상기 플로팅 확산 영역에 인접하여 형성되고, 상기 복수의 전송 게이트들 각각은 길이 방향의 제1 방향과 수직인 제2 방향의 중심선을 기준으로 하여 상기 제1 방향의 제1 부분과 제2 부분 중 적어도 하나의 부분이 상기 소자 분리 영역에 중첩하지 않도록 형성된다.
예시적인 실시예에 있어서, 상기 복수의 광전 변환 영역들은 제1 광전 변환 영역과 제2 광전 변환 영역을 포함할 수 있다. 상기 액티브 영역은 상기 제1 광전 변환 영역이 형성되는 제1 영역; 상기 제2 광전 변환 영역이 형성되는 제2 영역; 및 상기 제1 영역과 상기 제2 영역에 인접하며, 상기 플로팅 확산 영역이 형성되는 제3 영역을 포함할 수 있다. 상기 전송 게이트들은 상기 제1 광전 변환 영역의 광전하를 상기 플로팅 확산 영역으로 전달하기 위한 제1 전송 게이트; 및 상기 제2 광전 변환 영역의 광전하를 상기 플로팅 확산 영역으로 전달하기 위한 제2 전송 게이트를 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 전송 게이트들에는 독출 모드에서 서로 다른 활성화 구간을 가지는 제1 및 제2 전송 제어 신호가 인가될 수 있다.
예시적인 실시예에 있어서, 상기 복수의 광전 변환 영역들은 2행 2열의 구조로 서로 인접하는 제1 내지 제4 광전 변환 영역들을 포함할 수 있다. 상기 액티브 영역은 상기 제1 광전 변환 영역이 형성되는 제1 영역; 상기 제2 광전 변환 영역이 형성되는 제2 영역; 상기 제3 광전 변환 영역이 형성되는 제3 영역; 상기 제4 광전 변환 영역이 형성되는 제4 영역; 및 상기 제1 내지 제4 영역들에 인접하며, 상기 플로팅 확산 영역이 형성되는 제5 영역을 포함할 수 있다.
상기 전송 게이트들은 상기 제1 광전 변환 영역의 광전하를 상기 플로팅 확산 영역으로 전달하기 위한 제1 전송 게이트; 상기 제2 광전 변환 영역의 광전하를 상기 플로팅 확산 영역으로 전달하기 위한 제2 전송 게이트; 상기 제3 광전 변환 영역의 광전하를 상기 플로팅 확산 영역으로 전달하기 위한 제3 전송 게이트; 및 상기 제4 광전 변환 영역의 광전하를 상기 플로팅 확산 영역으로 전달하기 위한 제4 전송 게이트를 포함할 수 있다.
상기 본 발명의 일 목적을 달성하기 위한 이미지 센서의 단위 픽셀은 광전 변환 영역, 복수의 플로팅 확산 영역들 및 복수의 전송 게이트들을 포함한다. 상기 광전 변환 영역은 반도체 기판에서 소자 분리 영역에 의하여 정의되는 액티브 영역 내에 형성되며, 피사체와의 거리를 검출하기 위한 제1 광전하와 상기 피사체의 컬러를 검출하기 위한 제2 광전하를 발생한다. 상기 복수의 플로팅 확산 영역들은 상기 액티브 영역 내에 형성된다. 상기 복수의 전송 게이트들은 상기 플로팅 확산 영역들에 상기 제1 및 제2 광전하들을 전달하기 위하여 상기 광전 변환 영역과 상기 플로팅 확산 영역들 각각에 인접하여 형성된다. 상기 복수의 전송 게이트들은 각각 길이 방향인 제1 방향과 수직인 제2 방향의 중심선을 기준으로 하여 상기 제1 방향의 제1 부분과 제2 부분 중 적어도 하나의 부분이 상기 소자 분리 영역에 중첩하지 않도록 형성된다.
예시적인 실시예에 있어서, 상기 액티브 영역은 평면에서 보았을 때, 정사각형의 네 꼭지점이 모따기된 8각형의 모양을 갖는 제1 영역; 및 상기 모따기된 부분들에서 상기 정사각형의 제1 및 제2 대각선 방향으로 돌출하는 동일한 직사각형 모양의 제2 내지 제5 영역들을 포함한다. 상기 제1 영역에는 상기 광전 변환 영역이 형성되고, 상기 제2 내지 제5 영역들에는 제1 내지 제4 플로팅 확산 영역들이 각각 형성될 수 있다.
상기 복수의 전송 게이트들은 상기 광전 변환 영역의 광전하를 상기 제1 플로팅 확산 영역으로 전달하기 위한 제1 전송 게이트; 상기 광전 변환 영역의 광전하를 상기 제2 플로팅 확산 영역으로 전달하기 위한 제2 전송 게이트; 상기 광전 변환 영역의 광전하를 상기 제3 플로팅 확산 영역으로 전달하기 위한 제3 전송 게이트; 상기 광전 변환 영역의 광전하를 상기 제4 플로팅 확산 영역으로 전달하기 위한 제4 전송 게이트를 포함할 수 있다. 상기 광전 변환 영역에 대하여 상기 제1 대각선 방향으로 대칭인 상기 제1 플로팅 확산 영역 및 제2 플로팅 확산 영역은 상기 제1 광전하에 기초하여 상기 피사체와의 거리를 검출하기 위한 적어도 하나의 깊이 신호를 생성할 수 있다. 상기 광전 변환 영역에 대하여 상기 제2 대각선 방향으로 대칭인 상기 제3 플로팅 확산 영역 및 제4 플로팅 확산 영역은 상기 제2 광전하에 기초하여 상기 피사체의 컬러를 검출하기 위한 컬러 신호를 생성할 수 있다.
상기 본 발명의 일 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는 픽셀 어레이 및 신호 처리부를 포함한다. 상기 픽셀 어레이는 복수의 단위 픽셀들을 포함하고, 입사광을 변환하여 전기 신호를 발생한다. 상기 신호 처리부는 상기 전기 신호를 처리하여 이미지 데이터를 발생한다. 상기 복수의 단위 픽셀들 각각은 반도체 기판에서 소자 분리 영역에 의하여 정의되는 액티브 영역 내에 형성되며, 상기 입사광에 상응하는 광전하를 발생하는 적어도 하나의 광전 변환 영역; 상기 액티브 영역 내에 형성되는 플로팅 확산 영역; 및 상기 플로팅 확산 영역에 상기 광전하를 전달하기 위하여 상기 적어도 하나의 광전 변환 영역과 상기 플로팅 확산 영역에 인접하여 형성되며, 길이 방향인 제1 방향과 수직인 제2 방향의 중심선을 기준으로 하여 상기 제1 방향의 제1 부분과 제2 부분 중 적어도 하나의 부분이 상기 소자 분리 영역에 중첩하지 않도록 형성되는 적어도 하나의 전송 게이트를 포함한다.
예시적인 실시예에 있어서, 상기 액티브 영역은 평면에서 보았을 때, 정사각형 또는 직사각형 모양의 일 꼭지점이 모따기된 모양을 갖는 제1 영역과 상기 모따기된 부분에서 상기 제2 방향으로 돌출되는 직사각형 모양의 제2 영역을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예에 있어서, 상기 적어도 하나의 광전 변환 영역은 제1 광전 변환 영역과 제2 광전 변환 영역을 포함하고, 상기 액티브 영역은 상기 제1 광전 변환 영역이 형성되는 제1 영역; 상기 제2 광전 변환 영역이 형성되는 제2 영역; 및 상기 제1 영역과 상기 제2 영역에 인접하며, 상기 플로팅 확산 영역이 형성되는 제3 영역을 포함하고, 상기 적어도 하나의 전송 게이트는 상기 제1 광전 변환 영역의 광전하를 상기 플로팅 확산 영역으로 전달하기 위한 제1 전송 게이트; 및 상기 제2 광전 변환 영역의 광전하를 상기 플로팅 확산 영역으로 전달하기 위한 제2 전송 게이트를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예에 있어서, 상기 적어도 하나의 광전 변환 영역은 2행 2열의 구조로 서로 인접하는 제1 내지 제4 광전 변환 영역들을 포함하고, 상기 액티브 영역은 상기 제1 광전 변환 영역이 형성되는 제1 영역; 상기 제2 광전 변환 영역이 형성되는 제2 영역; 상기 제3 광전 변환 영역이 형성되는 제3 영역; 상기 제4 광전 변환 영역이 형성되는 제4 영역; 및 상기 제1 내지 제4 영역들에 인접하며, 상기 플로팅 확산 영역이 형성되는 제5 영역을 포함하고, 상기 적어도 하나의 전송 게이트는 상기 제1 광전 변환 영역의 광전하를 상기 플로팅 확산 영역으로 전달하기 위한 제1 전송 게이트; 상기 제2 광전 변환 영역의 광전하를 상기 플로팅 확산 영역으로 전달하기 위한 제2 전송 게이트; 상기 제3 광전 변환 영역의 광전하를 상기 플로팅 확산 영역으로 전달하기 위한 제3 전송 게이트; 및 상기 제4 광전 변환 영역의 광전하를 상기 플로팅 확산 영역으로 전달하기 위한 제4 전송 게이트를 포함할 수 있다.
본 발명에 실시예들에 따르면, 픽셀 어레이에 포함되는 복수의 단위 픽셀들 각각은 전송 게이트의 길이 방향의 양 측 중 적어도 하나가 소자 분리 영역과 중첩하지 않도록 형성되어 전기장에 의한 노이즈성 전자의 발생을 억제함으로써 다크 특성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 나타내는 블록도이다.
도 2는 도 1의 CMOS 이미지 센서의 광전 변환부에 포함된 단위 픽셀의 일 예를 나타내는 회로도이다.
도 3은 도 1의 이미지 센서의 광전 변환부에 포함된 단위 픽셀의 일 예를 나타내는 평면도이다.
도 4는 I-I'에 의해 절단된 도 3의 단위 픽셀의 일 예를 나타내는 단면도이다.
도 5는 II-II'에 의해 절단된 도 3의 단위 픽셀의 일 예를 나타내는 단면도이다.
도 6은 도 1의 이미지 센서에 포함된 단위 픽셀의 전위 레벨을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 단위 픽셀에서 전송 게이트와 액티브 영역과의 관계를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 단위 픽셀에서 전송 게이트와 액티브 영역과의 관계를 나타낸다.
도 9는 도 8의 전송 게이트의 모양을 나타낸다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 단위 픽셀에서 전송 게이트와 액티브 영역과의 관계를 나타낸다.
도 11은 도 10의 전송 게이트의 모양을 나타낸다.
도 12 및 도 13은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 단위 픽셀에서 전송 게이트와 액티브 영역과의 관계를 나타낸다.
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 픽셀의 단면도를 나타낸다.
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 픽셀의 단면도를 나타낸다.
도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서에 포함되는 단위 픽셀의 평면도이다.
도 17은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서에 포함되는 단위 픽셀의 평면도이다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 16의 단위 픽셀의 등가 회로도이다.
도 19는 도 18의 단위 픽셀을 포함하는 이미지 센서의 동작을 나타내는 타이밍도이다.
도 20은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서에 포함되는 단위 픽셀의 평면도이다.
도 21은 본 발명의 실시예들에 따른 단위 픽셀을 포함하는 이미지 센서의 다른 예를 나타내는 블록도이다.
도 22는 본 발명의 실시예들에 따른 단위 픽셀을 포함하는 이미지 센서의 다른 예를 나타내는 블록도이다.
도 23은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서에 포함되는 단위 픽셀의 평면도이다.
도 24는 도 23의 단위 픽셀에서 액티브 영역을 나타내는 평면도이다.
도 25는 도 23의 단위 픽셀의 회로도를 나타낸다.
도 26은 도 25의 단위 픽셀의 동작을 나타내는 타이밍도이다.
도 27은 본 발명의 실시예들에 따른 모바일 기기를 나타내는 평면도이다.
도 28은 도 27의 모바일 기기의 일 예를 나타내는 블록도이다.
도 29는 도 27의 모바일 기기에 포함되는 3차원 이미지 센서의 일 예를 나타내는 블록도이다.
도 30은 도 27의 모바일 기기에 포함되는 2차원 이미지 센서의 일 예를 나타내는 블록도이다.
도 31은 본 발명의 실시예들에 따른 모바일 기기의 다른 예를 나타내는 평면도이다.
도 32는 도 31의 모바일 기기의 일 예를 나타내는 블록도이다.
도 33은 본 발명의 실시예들에 따른 모바일 기기의 다른 예를 나타내는 평면도이다.
도 34는 도 33의 모바일 기기의 일 예를 나타내는 블록도이다.
도 35는 도 34의 모바일 기기에 포함되는 이미지 센서의 일 예를 나타내는 블록도이다.
도 36 및 도 37은 도 35의 이미지 센서에 포함되는 센싱부의 예들을 나타내는 도면들이다.
도 38은 본 발명의 실시예들에 따른 모바일 기기에서 사용되는 인터페이스의 일 예를 나타내는 블록도이다.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
한편, 어떤 실시예가 달리 구현 가능한 경우에 특정 블록 내에 명기된 기능 또는 동작이 순서도에 명기된 순서와 다르게 일어날 수도 있다. 예를 들어, 연속하는 두 블록이 실제로는 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 관련된 기능 또는 동작에 따라서는 상기 블록들이 거꾸로 수행될 수도 있다.
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.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 나타내는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 이미지 센서(100)는 광전 변환부(110) 및 신호 처리부(120)를 포함한다. 여기서 이미지 센서(100)는 CMOS(complementary metal oxide semiconductor) 이미지 센서일 수 있다.
광전 변환부(110)는 입사광을 전기적 신호로 변환한다. 광전 변환부(110)는 단위 픽셀들이 매트릭스 형태로 배치된 픽셀 어레이(111)를 포함할 수 있다. 픽셀 어레이(111)에 포함된 상기 단위 픽셀들은 도 2 내지 도 5, 도 7 내지 도 18, 도 20 및 도 23 내지 도 25의 예를 참조하여 후술하도록 한다. 실시예에 따라서, 광전 변환부(110)는 적외선 필터 및/또는 컬러 필터를 더 포함할 수 있다.
신호 처리부(120)는 로우 드라이버(121), 상관 이중 샘플링(correlated double sampling; CDS)부(122), 아날로그-디지털 변환(analog-to-digital converting; ADC)부(123) 및 타이밍 컨트롤러(129)를 포함할 수 있다.
로우 드라이버(121)는 픽셀 어레이(111)의 각 로우(row)에 연결되고, 상기 각 로우를 구동하는 구동 신호를 생성한다. 예를 들어, 로우 드라이버(121)는 픽셀 어레이(111)에 포함된 복수의 단위 픽셀들을 로우 단위로 구동할 수 있다.
CDS부(122)는 커패시터, 스위치 등을 이용하여 상기 단위 픽셀들의 리셋 상태를 나타내는 기준 전압과 입사광에 상응하는 신호 성분을 나타내는 출력 전압의 차이를 구하여 상관 이중 샘플링을 수행하고 유효한 신호 성분에 상응하는 아날로그 샘플링 신호를 출력한다. CDS부(122)는 픽셀 어레이(111)의 컬럼 라인들과 각각 연결된 복수의 CDS 회로들을 포함하고, 상기 유효한 신호 성분에 상응하는 아날로그 샘플링 신호를 각 컬럼마다 출력할 수 있다.
ADC부(123)는 상기 유효한 신호 성분에 상응하는 아날로그 이미지 신호를 디지털 이미지 신호로 변환한다. ADC부(123)는 기준 신호 생성기(124), 비교부(125), 카운터(126) 및 버퍼부(127)를 포함한다. 기준 신호 생성기(124)는 기준 신호 예컨대, 일정한 기울기를 갖는 램프 신호를 생성하고, 상기 램프 신호를 비교부(125)에 기준 신호로서 제공한다. 비교부(125)는 CDS부(122)로부터 각 컬럼마다 출력되는 아날로그 샘플링 신호와 기준 신호 생성기(124)로부터 발생되는 램프 신호를 비교하여 유효한 신호 성분에 따른 각각의 천이 시점을 갖는 비교 신호들을 출력한다. 카운터(126)는 카운팅 동작을 수행하여 카운팅 신호를 생성하고, 상기 카운팅 신호를 버퍼부(127)에 제공한다. 버퍼부(127)는 컬럼 라인들과 각각 연결된 복수의 래치 회로들 예컨대, SRAM(static random access memory)들을 포함하고, 각 비교 신호의 천이에 응답하여 카운터(126)로부터 출력되는 카운팅 신호를 각 컬럼마다 래치하며, 래치된 카운팅 신호를 이미지 데이터로서 출력한다.
실시예에 따라서, ADC부(123)는 CDS부(122)에서 출력된 샘플링 신호들을 가산하는 가산 회로를 더 포함할 수 있다. 또한 버퍼부(127)는 복수의 싱글 라인 버퍼(single line buffer)들을 더 포함할 수 있다.
타이밍 컨트롤러(129)는 로우 드라이버(121), CDS부(122), 및 ADC부(123)의 동작 타이밍을 제어할 수 있다. 타이밍 컨트롤러(129)는 로우 드라이버(121), CDS부(122), ADC부(123)에 타이밍(timing) 신호 및 제어 신호를 제공할 수 있다.
CMOS 이미지 센서의 동작 모드는 크게 광 집적 모드(integration mode)와 독출 모드(readout mode)로 구분될 수 있다. 상기 광 집적 모드 동안에는 CMOS 이미지 센서의 셔터가 개방되어 입사광에 의해 전자-전공 쌍(electron-hole pair)과 같은 전하 캐리어가 상기 광전 변환 영역에 생성되어 피사체의 이미지에 관한 정보가 수집된다. 상기 광 집적 모드 후의 독출 모드 동안에는 상기 셔터가 폐쇄되고 전하 캐리어의 형태로 수집된 상기 피사체의 이미지에 관한 정보가 전기적인 이미지 출력 신호로 변환된다.
도 2는 도 1의 CMOS 이미지 센서의 광전 변환부에 포함된 단위 픽셀의 일 예를 나타내는 회로도이다.
도 2를 참조하면, 단위 픽셀(200)은 광전 변환 소자(210) 및 신호 생성 회로(212)를 포함할 수 있다.
광전 변환 소자(210)는 광전 변환을 수행한다. 즉, 광전 변환 소자(210)는 상기 광 집적 모드 동안 입사광을 변환하여 전하들을 생성한다. 일 실시예에서, 광전 변환 소자(210)는 포토 다이오드, 포토 트랜지스터, 포토 게이트 및 핀드 포토 다이오드(pinned photo diode, PPD) 중 하나 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있다.
신호 생성 회로(212)는 광전 변환에 의해 생성된 전하들에 기초하여 전기적 신호를 생성한다. 단위 픽셀(200)은 신호 생성 회로(212)에 포함되는 트랜지스터들의 개수에 따라 1-트랜지스터 구조, 3-트랜지스터 구조, 4-트랜지스터 구조 및 5-트랜지스터 구조 등으로 구분될 수 있으며, 복수의 픽셀들이 일부 트랜지스터를 공유하는 구조를 가질 수도 있다. 도 3에는 하나의 예시로서 4-트랜지스터 구조가 도시되어 있다. 즉, 신호 생성 회로(212)는 전송 트랜지스터(220), 리셋 트랜지스터(240), 드라이브 트랜지스터(250) 및 선택 트랜지스터(260)를 포함할 수 있으며, 플로팅 확산 노드(230)를 포함할 수 있다.
전송 트랜지스터(220)는 광전 변환 소자(210)와 연결된 제1 단자, 플로팅 확산 노드(230)와 연결된 제2 단자 및 전송 신호(TX)가 인가되는 게이트를 포함할 수 있다. 리셋 트랜지스터(240)는 전원 전압(VDD)이 인가되는 제1 단자, 플로팅 확산 노드(230)와 연결된 제2 단자 및 리셋 신호(RST)가 인가되는 게이트를 포함할 수 있다. 드라이브 트랜지스터(250)는 전원 전압(VDD)이 인가되는 제1 단자, 플로팅 확산 노드(230)와 연결된 게이트 및 제2 단자를 포함할 수 있다. 선택 트랜지스터(260)는 상기 드라이브 트랜지스터(250)의 제2 단자와 연결된 제1 단자, 선택 신호(SEL)가 인가되는 게이트 및 출력 신호(VOUT)를 제공하는 제2 단자를 포함할 수 있다. 드라이브 트랜지스터(250) 및 선택 트랜지스터(260)는 출력부(270)를 구성할 수 있다.
도 2에서는 4-트랜지스터 구조의 단위 픽셀(200)을 도시하였지만, 실시예에 따라서 단위 픽셀은 광전 변환 소자(210) 및 플로팅 확산 노드(230)를 포함하는 임의의 구조를 가질 수 있다.
도 3은 도 1의 이미지 센서의 광전 변환부에 포함된 단위 픽셀의 일 예를 나타내는 평면도이다.
도 3을 참조하면, 단위 픽셀(200a)은 광전 변환 영역(210a), 플로팅 확산 영역(230a) 및 전송 게이트(220a)를 포함할 수 있다. 또한 단위 픽셀(200a)은 리셋 게이트(240a), 리셋 드레인 영역(245a) 및 출력부(270a)를 더 포함할 수 있다. 또한 단위 픽셀(220a)은 광전 변환 영역(210a)보다 상부에 형성되면 반도체 기판(201a)에 도핑된 불순물과 동일한 타입의 불순물이 반도체 기판(201a)보다 높은 농도로 도핑된 불순물 영역(251a)을 더 포함할 수 있다.
반도체 기판(201a)은 소자 분리 영역(203a)에 의하여 정의되는 제1 및 제2 액티브 영역들(205a, 208a)을 포함할 수 있다. 광전 변환 영역(210a), 플로팅 확산 영역(230a) 및 리셋 드레인(245a)은 상기 제1 액티브 영역(205a)에 형성될 수 있다. 광전 변환 영역(210a)은 제1 액티브 영역(205a)의 내부에 형성된다. 예를 들어, 광전 변환 영역(210a)은 입사 광자(incident photon)에 의해 생성된 전자-전공 쌍 중 전자를 수집할 수 있다. 설명의 편의상, 도 3에서는 광전 변환 영역(210a)을 포토 다이오드(photo diode)로 도시하였으나, 광전 변환 영역(210a)은 포토 다이오드, 포토 트랜지스터(photo transistor), 포토 게이트(photo gate), 핀드 포토 다이오드(pinned photo diode; PPD), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
불순물 영역(215a)은 p형 불순물이 상대적으로 높은 농도로 도핑되어 형성될 수 있으며, 어두운 상태에서 발생된 전자가 불순물 영역(215a) 내의 정공들과 결합하여 소멸됨으로써, 암 전류의 발생이 억제될 수 있다. 실시예에 따라서 불순물 영역(215a)은 생략될 수 있다.
전송 게이트(220a)는 반도체 기판(201a)의 상부에 형성되며, 플로팅 확산 영역(230a)에 상기 광전하를 전달하기 위하여 광전 변환 영역(210a)과 상기 플로팅 확산 영역(230a)에 인접하여 형성되며, 길이 방향인 제1 방향과 수직인 제2 방향의 중심선을 기준으로 하여 상기 제1 방향의 제1 부분과 제2 부분 중 적어도 하나의 부분이 상기 소자 분리 영역에 중첩하지 않도록 형성될 수 있다.
플로팅 확산 영역(230a)은 제1 액티브 영역(205a) 내에 형성되며, 전송 게이트(220a)에 의하여 전송된 광전하들을 축적할 수 있다.
리셋 게이트(240a)는 반도체 기판(201a)의 상부에 형성된다. 리셋 게이트(240a)는 전원 전압(VDD)이 인가되는 리셋 드레인(245a)과 플로팅 확산 영역(230a) 사이에 배치될 수 있다. 리셋 게이트(240a)는 리셋 신호(RST)에 기초하여 플로팅 확산 영역(230a)을 전원 전압(VDD)으로 리셋시킬 수 있다. 플로팅 확산 영역(230a)과 출력부(270a)는 콘택부(미도시)에 의하여 전기적으로 연결될 수 있다.
출력부(270a)는 반도체 기판(201a)의 상부에 형성되며, 플로팅 확산 영역(230a)에 축적된 전하들에 상응하는 전기적인 신호들을 출력할 수 있다. 예를 들어, 출력부(270a)는 플로팅 확산 영역(230a)의 전압을 증폭하는 드라이브 트랜지스터(250a), 및 드라이브 트랜지스터(250a)에 의해 증폭된 전압을 컬럼 라인으로 출력하는 선택 트랜지스터(260a)를 포함할 수 있다. 드라이브 트랜지스터(250a) 및 선택 트랜지스터(260a)의 드레인 및 소스 영역들은 제2 액티브 영역(208a) 내에 형성될 수 있다.
도 4는 I-I'에 의해 절단된 도 3의 단위 픽셀의 일 예를 나타내는 단면도이다.
도 4를 참조하면, 광전 변환 영역(210a)은 반도체 기판(201a)에서 소자 분리 영역(203a)에 의하여 정의되는 액티브 영역(205a) 내부에 형성될 수 있다. 예를 들어, 광전 변환 영역(210a)은 이온 주입 공정을 수행하여 형성될 수 있다. 실시예에 따라서, 광전 변환 영역(210a)은 복수의 도핑 영역들이 적층된 형태로 형성될 수 있다.
도시하지는 않았지만, 반도체 기판(201a)은 벌크 실리콘 기판 및 상기 벌크 기판 상에 형성된 에피택셜 층(epitaxial layer)을 포함할 수 있다. 상기 에피택셜 층은 상기 벌크 기판 상에 게이트들(220a, 240a)이 놓이는(overlain) 표면 방향으로 점차적으로 낮은 농도로 도핑되어 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 광전 변환 영역(210a)에 주입된 불순물과 반도체 기판(201a)에 도핑된 불순물은 서로 다른 종류일 수 있다.
소자 분리 영역(203a)은 STI(Shallow Trench Isolation) 또는 LOCOS(LOCal Oxidation of Silicon) 공정을 이용한 FOX(Field OXide)일 수 있다.
플로팅 확산 영역(230a)은 액티브 영역(203a) 내부에 형성되며, 플로팅 확산 영역(230a) 상에는 도 3의 출력부(270a)와의 전기적인 연결을 위한 콘택부가 형성될 수 있다.
전송 게이트(220a)는 반도체 기판(201a) 상부의 광전 변환 영역(210a)과 플로팅 확산 영역(230a) 사이에 배치될 수 있다. 전송 게이트(220a) 상에는 전송 신호(TX)가 인가되는 콘택이 형성될 수 있다. 리셋 게이트(240a)는 반도체 기판(201a) 상부의 플로팅 확산 영역(230a)과 리셋 드레인(245a) 사이에 배치될 수 있다. 리셋 게이트(240a) 상에는 리셋 신호(RST)가 인가되는 콘택이 형성될 수 있으며, 리셋 드레인(245a) 상에는 전원 전압(VDD)이 인가되는 콘택이 형성될 수 있다.
한편 도시하지는 않았지만, 상기 게이트들 및 콘택부들은 반도체 기판(201a)의 상부에 형성된 절연층(미도시) 내에 포함될 수 있다.
도 5는 II-II'에 의해 절단된 도 3의 단위 픽셀의 일 예를 나타내는 단면도이다.
도 5를 참조하면, 전송 게이트(220a)는 길이 방향에서 소자 분리 영역(230a)과 서로 중첩되지 않도록 형성될 수 있다. 반도체 기판(201a)의 액티브 영역(205a)에는 접지 전압이 인가되고, 전송 게이트(220a)에는 동작 모드에 따라서 네거티브 레벨의 전송 신호(TX)나 파지티브 레벨의 전송 신호(TX)가 인가된다. 음의 전송 신호(TX)나 양의 전송 신호(TX)가 인가되면, 소자 분리 영역(280a)에 인접한 영역(280a)에 전기장이 집중될 수 있는데 도 5와 같이 전송 게이트(220a)가 길이 방향에서 소자 분리 영역(230a)과 서로 중첩하지 않도록 형성되면 영역(280a)에서 전기장의 영향을 최소화할 수 있다. 종래의 단위 픽셀 구조에서는 전송 게이트(220a)가 길이 방향에서 소자 분리 영역(280a)에 중첩하도록 형성되었다. 이 경우에 전송 게이트(220a)에 네거티브 또는 파지티브 레벨의 전송 신호(TX)가 인가되면, 전기장의 세기가 가장 높은 부분은 전송 게이트(220a)와 소자 분리 영역(280a)과 액티브 영역(205a)이 서로 중첩하는 영역(280a)이다. 영역(280a)에서 발생되는 전기장의 세기가 증가하면, 광전 변환 영역(210a)에는 입사광에 의한 광전하 이외에 노이즈성 전자들이 발생하게 되어 단위 픽셀(200a)의 다크 특성을 열화시키게 된다. 하지만 본 발명에서는 전송 게이트(220a)는 길이 방향에서 소자 분리 영역(280a)과는 중첩하지 않고 액티브 영역(205a)에만 형성하여, 영역(280a)에서 발생하는 전기장의 세기를 최소화하여 노이즈성 전자의 발생을 최대한 억제할 수 있다. 따라서 단위 픽셀(200a)의 다크 특성을 향상시킬 수 있다.
도 5에서는 전송 게이트(220a)가 길이 방향의 양 측에서 소자 분리 영역(230a)과 서로 중첩하지 않았지만, 다른 실시예에서는 전송 게이트(220a)는 길이 방향의 양 측 중 적어도 한 측에서 소자 분리 영역(230a)과 서로 중첩하지 않도록 형성될 수 있다.
도 6은 도 1의 이미지 센서에 포함된 단위 픽셀의 전위 레벨을 나타내는 도면이다.
도 6은 도 3의 단위 픽셀의 광 집적 모드 동안의 전위 레벨을 나타내는 도면이다.
도 6에서 V1은 접지 전압 또는 접지 전압 보다 낮은 음의 레벨을 갖질 수 있으며, V2는 전원 전압 레벨일 수 있다. 또한 도 6에서 CASE1은 종래의 단위 픽셀 구조에서의 전위 레벨을 나타내고 CASE2는 본 실시예에 따른 전위 레벨을 나타낸다.
도 6을 참조하면, 종래의 단위 픽셀 구조에서는 전기장의 영향으로 광전 변환 영역(210a)에 노이즈성 전자들이 발생하여 광전 변환 영역(210a)의 전위가 CASE1에서와 같이 더 낮아지고 영역(280a)의 전위도 더 낮아지는 것을 알 수 있다. 하지만 본 실시예에 따르면, 도 5에서와 같은 구조를 채택하여 전기장의 세기를 최소화하여 노이즈성 전자의 발생을 억제하여 전위가 CASE2에서와 같아지고 영역(280a)에서도 CASE2에서와 같이 전위를 높일 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 단위 픽셀에서 전송 게이트와 액티브 영역과의 관계를 나타낸다.
도 7을 참조하면, 액티브 영역(205a)은 제1 영역(207a) 및 제2 영역(209a)을 포함할 수 있다. 제1 영역(207a)은 평면에서 보았을 때, 직사각형 또는 정사각형 모양의 일 꼭지점이 길이 방향인 제1 방향(D1)으로 모따기된 모양을 갖는다. 제2 영역(209a)은 제1 영역(207a)의 모따기된 부분(208a)에서 제1 방향(D1)에 수직인 제2 방향(D2)으로 돌출되는 직사각형 모양을 갖는다. 광전 변환 영역(210a)은 제1 영역(207a)에 제1 영역(207a)과 유사한 형태를 갖도록 형성되고, 플로팅 확산 영역(220a)은 제2 영역(209a)에 형성된다. 전송 게이트(220a)는 제1 영역(207a)과 제2 영역(209a)에 걸쳐서 형성된다. 전송 게이트(220a)는 제1 영역(207a)과 제2 영역(209a)을 제2 영역(229a)을 제2 방향(D2)으로 2등분하는 가상의 선인 중심선(CL)을 기준으로 하여 제1 부분과 제2 부분으로 나뉠 수 있다. 도 7의 실시예에서는 전송 게이트(220a)는 상기 중심선(CL)에 대하여 서로 대칭이며, 제1 부분과 제2 부분이 모두 소자 분리 영역(230a)과 중첩하지 않도록 형성된다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 단위 픽셀에서 전송 게이트와 액티브 영역과의 관계를 나타낸다.
도 9는 도 8의 전송 게이트의 모양을 나타낸다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 전송 게이트(220b)는 중심선(CL)에 대하여 서로 비대칭적으로 형성된다. 전송 게이트(220b)는 중심선(CL)을 기준으로 하여 제1 부분(221b)과 제2 부분(222b)으로 나뉘는데, 제2 부분(222b)이 소자 분리 영역(230a)과 부분적으로 중첩하도록 형성된다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 단위 픽셀에서 전송 게이트와 액티브 영역과의 관계를 나타낸다.
도 11은 도 10의 전송 게이트의 모양을 나타낸다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 전송 게이트(220c)는 중심선(CL)에 대하여 서로 비대칭적으로 형성된다. 전송 게이트(220c)는 중심선(CL)을 기준으로 하여 제1 부분(221c)과 제2 부분(222c)으로 나뉘는데, 제1 부분(222c)이 소자 분리 영역(230a)과 부분적으로 중첩하도록 형성된다.
도 12 및 도 13은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 단위 픽셀에서 전송 게이트와 액티브 영역과의 관계를 나타낸다.
도 12 및 도 13을 참조하면, 전송 게이트들(220d, 220e)은 중심선(CL)에 대하여 서로 비대칭적으로 형성된다.
전송 게이트(220d)의 제2 부분이 소자 분리 영역(230a)과 부분적으로 중첩하도록 형성되고 전송 게이트(220e)의 제1 부분이 소자 분리 영역(230a)과 부분적으로 중첩하도록 형성된다.
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 픽셀의 단면도를 나타낸다.
도 14의 단위 픽셀은 도 4의 단위 픽셀에 컬러 필터와 마이크로 렌즈가 더 포함되는 전면 수광 방식(frontside illumination)의 실시예를 나타낸다.
도 4 및 도 14를 참조하면, 단위 픽셀(220b)에서 전송 게이트(220a)와 리셋 게이트(240a)는 반도체 기판(201a)의 제1 면(전면, 202a) 상에 형성된다. 단위 픽셀(220a)은 상기 반도체 기판(201a)의 제1 면(202a) 상에 전송 게이트(220a)와 리셋 게이트(240a)를 커버(cover)하는 적어도 하나의 층간 절연막(291a), 층간 절연막(291a) 상에 형성되는 평탄화층(292a), 상기 평탄화층(292a) 상에 형성되는 컬러 필터(293a) 및 상기 컬러 필터(293a) 상에 형성되는 마이크로 렌즈(294a)를 더 포함할 수 있다.
층간 절연막(291a)에는 각 소자들의 전기적인 라우팅 및/또는 차광 기능을 위한 배선층 및 콘택과 비아들이 형성될 수 있다. 컬러 필터(293a)는 평탄화층(292a) 상에 광전 변환 영역(210a)에 대응하여 형성될 수 있다. 컬러 필터(293a)는 매트릭스 형태로 배열된 컬러 필터 어레이에 포함될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 컬러 필터 어레이는 레드 필터(red filter), 그린 필터(green filter) 및 블루 필터(blue filter)를 포함하는 베이어 패턴(Bayer pattern)을 가질 수 있다. 즉, 컬러 필터(165)는 상기 레드 필터, 상기 그린 필터 및 상기 블루 필터 중 하나일 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 컬러 필터 어레이는 옐로우 필터(yellow filter), 마젠타 필터(magenta filter) 및 시안 필터(cyan filter)를 포함할 수 있다. 즉, 컬러 필터(165)는 상기 옐로우 필터, 상기 마젠타 필터 및 상기 시안 필터 중 하나일 수 있다. 또한, 상기 컬러 필터 어레이는 화이트 필터를 추가적으로 구비할 수 있다.
마이크로 렌즈(294a)는 컬러 필터(293a) 상에 광전 변환 영역(210a)에 대응하여 형성될 수 있다. 마이크로 렌즈(294a)는 마이크로 렌즈(294a)에 입사되는 입사광이 광전 변환 영역(210a)에 집광될 수 있도록 상기 입사광의 경로를 조절할 수 있다. 또한, 마이크로 렌즈(294a)는 매트릭스 형태로 배열된 마이크로 렌즈 어레이에 포함될 수 있다.
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 단위 픽셀의 단면도를 나타낸다.
도 15의 단위 픽셀은 도 4의 단위 픽셀에 컬러 필터와 마이크로 렌즈가 더 포함되는 후면 수광 방식(backside illumination)의 실시예를 나타낸다.
도 4 및 도 15를 참조하면, 단위 픽셀(200c)에서 전송 게이트(220a)와 리셋 게이트(240a)는 반도체 기판(201a)의 제1 면(전면, 202a) 상에 형성된다. 단위 픽셀(220c)은 반도체 기판(201a)의 제1 면(202a)에 대향하는 제2 면(후면, 204a) 상에 형성되는 보호층(292b), 입사광(INCIDENT LIGHT)을 광전 변환 영역(201a)에 제공하기 위한 컬러 필터(293b) 및 마이크로 렌즈(294b)를 더 포함할 수 있다. 후면 수광 방식의 이미지 센서는 마이크로 렌즈(294b)로부터 광전 변환 영역(210a)까지의 거리가 상대적으로 짧으며, 복수의 게이트 구조물들(220a, 240a) 및 복수의 배선들(미도시)에 기인하는 광의 난반사 또는 가려짐이 없기 때문에 상대적으로 향상된 수광 효율 및 광 감도를 가질 수 있다.
보호층(292b)은 반도체 기판(201a)의 제1 면(202a)에 대향하는 제2 면(예를 들어, 후면(204a)) 상에 형성되며, 상기 제2 불순물이 반도체 기판(201a)보다 높은 농도로 도핑될 수 있다. 불순물 영역(215a)과 유사하게, 보호층(292b)은 반도체 기판(201a)의 제2 면(204a) 부근의 암 전류의 발생을 억제하기 위하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 보호층(292b)은 p형 불순물이 상대적으로 높은 농도로 도핑되어 형성될 수 있으며, 어두운 상태에서 발생된 전자가 보호층(292b) 내의 정공들과 결합하여 소멸됨으로써, 암 전류의 발생이 억제될 수 있다.
컬러 필터(293b)는 반도체 기판(201b)의 제2 면(204a) 상에, 즉 보호층(292b) 상에 광전 변환 영역(210a)에 대응하여 형성될 수 있다. 컬러 필터(293b)는 매트릭스 형태로 배열된 컬러 필터 어레이에 포함될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 컬러 필터 어레이는 레드 필터(red filter), 그린 필터(green filter) 및 블루 필터(blue filter)를 포함하는 베이어 패턴(Bayer pattern)을 가질 수 있다. 즉, 컬러 필터(293b)는 상기 레드 필터, 상기 그린 필터 및 상기 블루 필터 중 하나일 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 컬러 필터 어레이는 옐로우 필터(yellow filter), 마젠타 필터(magenta filter) 및 시안 필터(cyan filter)를 포함할 수 있다. 즉, 컬러 필터(165)는 상기 옐로우 필터, 상기 마젠타 필터 및 상기 시안 필터 중 하나일 수 있다. 또한, 상기 컬러 필터 어레이는 화이트 필터를 추가적으로 구비할 수 있다.
마이크로 렌즈(294b)는 컬러 필터(293b) 상에 광전 변환부(115)에 대응하여 형성될 수 있다. 마이크로 렌즈(294b)는 마이크로 렌즈(294b)에 입사되는 입사광이 광전 변환 영역(210a)에 집광될 수 있도록 상기 입사광의 경로를 조절할 수 있다. 또한, 마이크로 렌즈(294b)는 매트릭스 형태로 배열된 마이크로 렌즈 어레이에 포함될 수 있다.
한편, 도시하지는 않았지만, 보호층(292b)과 컬러 필터(293b) 사이에 반사 방지층(미도시)이 더 형성될 수 있다. 상기 반사 방지층은 상기 입사광이 반도체 기판(201a)의 후면(204a)에서 반사되는 것을 방지할 수 있다. 실시예에 따라서, 상기 반사 방지층은 굴절률이 서로 다른 물질들이 교번하여 적층함으로써 형성될 수 있으며, 이러한 경우에 굴절률이 서로 다른 물질들이 교번하여 많이 적층될수록 상기 반사 방지층의 투과율이 향상될 수 있다.
도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서에 포함되는 단위 픽셀의 평면도이다.
도 16을 참조하면, 이미지 센서의 단위 픽셀(300a)은 반도체 기판(301a)에서 소자 분리 영역(303a)에 의하여 정의되는 액티브 영역(305a) 내에 형성되는 플로팅 확산 영역(330a)과 플로팅 확산 영역(330a)을 공유하도록 형성되는 복수의 광전 변환 영역들(310a, 315a) 및 상기 플로팅 확산 영역(330a)에 광전하를 전달하기 위한 복수의 전송 게이트들(320a, 325a)을 포함한다.
액티브 영역(305a)은 제1 내지 제3 영역들(306a, 307a, 308a)을 포함할 수 있다. 제1 영역(306a)과 제2 영역(307a)은 각각 도 7을 참조하여 설명한 바와 유사하게, 평면에서 보았을 때, 직사각형 또는 정사각형 모양의 일 꼭지점이 길이 방향인 제1 방향으로 모따기된 모양을 갖는다. 제3 영역(308a)은 제1 영역(306a)과 제2 영역(307a)의 모따기된 부분에서 제1 방향과 수직인 제2 방향으로 돌출된 직사각형 모양의 부분적으로 중첩된 모양을 갖는다. 제1 영역(306a)에는 제1 광전 변환 영역(310a)이 형성되고, 제2 영역(307a)에는 제2 광전 변환 영역(315a)이 형성된다. 제3 영역(308a)에는 플로팅 확산 영역(330a)과 리셋 드레인(345a)이 형성된다. 제1 전송 게이트(320a)는 제1 광전 변환 영역(310a)과 플로팅 확산 영역(330a)에 인접하여 형성되고, 길이 방향의 양 측이 소자 분리 영역(303a)과 중첩하지 않도록 형성된다. 제2 전송 게이트(325a)는 제2 광전 변환 영역(315a)과 플로팅 확산 영역(330a)에 인접하여 형성되고, 길이 방향의 양 측이 소자 분리 영역(303a)과 중첩하지 않도록 형성된다. 리셋 게이트(340a)는 플로팅 확산 영역(330a)과 리셋 드레인(345a) 사이에 형성될 수 있다. 도 16의 실시예에서는 제1 및 제2 전송 게이트(320a, 325a)의 길이 방향의 양 측이 모두 소자 분리 영역(303a)과 중첩되지 않았으나, 다른 실시예에서는 도 8 내지 도 13을 참조하여 설명한 바와 같이 제1 및 제2 전송 게이트(320a, 325a)의 길이 방향의 양 측 중 어느 한 측이 소자 분리 영역(303a)과 중첩하도록 형성될 수 있다. 또한 도 16의 실시예에서는 열 방향의 광전 변환 영역들(310a, 315a)이 플로팅 확산 영역(330a)을 공유하였으나, 다른 실시예에서는 행 방향의 두 개의 광전 변환 영역들이 플로팅 확산 영역을 공유할 수 있다.
도 17은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센서에 포함되는 단위 픽셀의 평면도이다.
도 17을 참조하면, 이미지 센서의 단위 픽셀(300b)은 반도체 기판(301b)에서 소자 분리 영역(303b)에 의하여 정의되는 액티브 영역(305b) 내에 형성되는 플로팅 확산 영역(FD)과 플로팅 확산 영역(FD)을 공유하도록 형성되는 복수의 광전 변환 영역들(310b, 315b) 및 상기 플로팅 확산 영역(FD)에 광전하를 전달하기 위한 복수의 전송 게이트들(320b, 325b)을 포함한다.
액티브 영역(305b)은 제1 내지 제3 영역들(306b, 307b, 308b)을 포함할 수 있다. 제1 영역(306b)과 제2 영역(307b)은 각각 도 7을 참조하여 설명한 바와 유사하게, 평면에서 보았을 때, 직사각형 또는 정사각형 모양의 일 꼭지점이 길이 방향인 제1 방향으로 모따기된 모양을 갖는다. 제3 영역(308b)은 제1 영역(306b)과 제2 영역(307b)의 모따기된 부분에서 제1 방향과 수직인 제2 방향으로 돌출된 직사각형 모양이 서로 중첩된 모양을 갖는다. 제1 영역(306b)에는 제1 광전 변환 영역(310b)이 형성되고, 제2 영역(307b)에는 제2 광전 변환 영역(315b)이 형성된다. 제3 영역(308b)에는 플로팅 확산 영역(FD)이 형성된다. 제1 전송 게이트(320b)는 제1 광전 변환 영역(310b)과 플로팅 확산 영역(FD)에 인접하여 형성되고, 길이 방향의 양 측이 소자 분리 영역(303b)과 중첩하지 않도록 형성된다. 제2 전송 게이트(325b)는 제2 광전 변환 영역(315b)과 플로팅 확산 영역(FD)에 인접하여 형성되고, 길이 방향의 양 측이 소자 분리 영역(303b)과 중첩하지 않도록 형성된다. 즉, 제1 광전 변환 영역(310b)과 제2 광전 변환 영역(315b)은 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 플로팅 확산 영역(FD)을 공유한다. 도 17의 실시예에서는 제1 및 제2 전송 게이트(320b, 325b)의 길이 방향의 양 측이 모두 소자 분리 영역(303a)과 중첩되지 않았으나, 다른 실시예에서는 도 8 내지 도 13을 참조하여 설명한 바와 같이 제1 및 제2 전송 게이트(320b, 325b)의 길이 방향의 양 측 중 어느 한 측이 소자 분리 영역(303a)과 중첩하도록 형성될 수 있다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 16의 단위 픽셀의 등가 회로도이다.
도 18에서는 도 16의 단위 픽셀(300a)의 등가 회로를 나타내었으나, 도 17의 단위 픽셀(300b)의 등가 회로도 도 18의 회로와 실질적으로 동일할 수 있다.
도 18을 참조하면, 단위 픽셀(300a)은 제1 및 제2 포토 다이오드(310, 315) 및 신호 생성 회로(317a)를 포함할 수 있다.
제1 및 제2 광전 변환 영역(310a, 315a)을 나타내는 제1 및 제2 포토 다이오드(310, 315)는 광 집적 모드 동안에 입사광을 변환하여 전하들을 생성하는 광전 변환을 수행한다. 신호 생성 회로(317a)는 광전 변환에 의해 생성된 전하들에 기초하여 전기적 신호를 생성한다. 신호 생성 회로(317a)는 제1 및 제2 전송 트랜지스터(320a, 325a), 리셋 트랜지스터(340a), 드라이브 트랜지스터(350a) 및 선택 트랜지스터(317a)를 포함할 수 있으며, 플로팅 확산 노드(FD)를 포함할 수 있다. 드라이브 트랜지스터(350a) 및 선택 트랜지스터(360a)는 출력부(370a)를 구성할 수 있다.
제1 전송 트랜지스터(320a)의 게이트에는 제1 전송 신호(TX1)가 인가되고, 제2 전송 트랜지스터(325a)의 게이트에는 제2 전송 신호(TX2)가 인가될 수 있다. 리셋 트랜지스터(340a)의 게이트에는 리셋 신호(340a)가 인가되고, 리셋 트랜지스터(340a)와 드라이브 트랜지스터(350a)에는 전원 전압(VDD)이 연결될 수 있다. 선택 트랜지스터(360a)의 게이트에는 선택 신호(SEL)가 인가되고, 선택 트랜지스터(360a)의 소스에서는 출력 신호(VOUT)를 제공할 수 있다.
도 19는 도 18의 단위 픽셀을 포함하는 이미지 센서의 동작을 나타내는 타이밍도이다.
즉 도 19는 도 1의 이미지 센서(100)의 픽셀 어레이(111)에 포함되는 복수의 픽셀들 각각이 도 18의 단위 픽셀을 포함하는 경우의 이미지 센서의 동작을 나타낸다.
이하, 도 1, 도 16, 도 18 및 도 19를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서의 동작을 상세히 설명한다.
도 1의 이미지 센서(100)는 제1 모드(시간 t1 내지 t7) 및 제2 모드(시간 t7 내지 t20)로 동작할 수 있다. 상기 제1 모드는 피사체의 이미지에 관한 정보가 수집되는 광 집적 모드일 수 있고, 상기 제2 모드는 상기 피사체의 이미지에 관한 정보가 전기적인 이미지 출력 신호로 변환되는 독출 모드일 수 있다.
시간 t1 내지 t2에서, 상기 광 집적 모드가 시작되기 이전에 전송 게이트들(320a, 325a)에 인가되는 제1 및 제2 전송 신호들(TX1, TX2)이 활성화된다. 시간 t2에서, 제1 및 제2 전송 신호들(TX1, TX2)이 비활성화되고 이미지 센서(100)의 셔터가 개방되며, 따라서 상기 광 집적 모드가 시작된다. 상기 광 집적 모드 동안 이미지 센서(100)의 각 픽셀들은 제1 및 제2 광전 변환 영역들(310a, 315a)에서 입사광을 변환하여 전하들을 생성한다. 한편, 상기 광 집적 모드 동안 리셋 게이트(340a)에 인가되는 리셋 신호(RST)는 활성화 상태를 계속 유지하여 플로팅 확산 영역(FD)의 리셋 상태를 계속 유지한다.
시간 t7에서 리셋 신호(RST)가 비활성화됨과 동시에 선택 트랜지스터(360a)에 인가되는 선택 신호(SEL)가 활성화되어 단위 픽셀들이 선택되며, 따라서 상기 독출 모드가 시작된다.
시간 t4 내지 t5에서 리셋 신호(RST)가 다시 활성화되어 플로팅 확산 영역(FD)이 전원 전압(VDD) 레벨로 활성화되고 플로팅 확산 영역(FD)의 잡음 레벨이 시간 t6 내지 t7에서 출력 신호(VOUT), 즉 기준 신호로서 샘플링된다. 시간 t8 내지 t9에서 제1 전송 신호(TX1)가 활성화되고 제1 광전 변환 영역(310a)에 축적된 전하가 플로팅 확산 영역(FD)으로 전송되고, 시간 t10 내지 t11에서 플로팅 확산 영역(FD)에 전송된 전하가 출력 신호(VOUT), 즉 제1 출력 신호로서 샘플링된다. 시간 t12 내지 t13에서 리셋 신호(RST)가 다시 활성화되어 플로팅 확산 영역(FD)이 전원 전압(VDD) 레벨로 리셋시킨다. 시간 t14 내지 t15에서 제2 전송 신호(TX2)가 활성화되고 제2 광전 변환 영역(315a)에 축적된 전하가 플로팅 확산 영역(FD)으로 전송되고, 시간 t16 내지 t17에서 플로팅 확산 영역(FD)에 전송된 전하가 출력 신호(VOUT), 즉 제2 출력 신호로서 샘플링된다. 시간 t18 내지 t19에서 리셋 신호(RST)가 다시 활성화되어 플로팅 확산 영역(FD)이 전원 전압(VDD) 레벨로 리셋시키고, 시간 t20에서 선택 신호(SEL)가 비활성화되고 상기 독출 모드가 종료된다. 즉, 도 18의 단위 픽셀을 포함하는 이미지 센서에서는 독출 모드에서 제1 및 제2 전송 게이트들(320a, 325a)에 서로 다른 활성화 구간을 가지는 제1 및 제2 전송 신호들(TX1, TX2)이 인가된다.
이미지 센서(100)에 포함된 신호 처리부(120)는 상기 독출 모드 동안 생성된 기준 신호와 제1 및 제2 출력 신호에 기초하여 상기 입사광에 상응하는 최종적인 이미지 신호를 생성한다.
CDS부(122)는 상기 기준 신호 및 상기 제1 출력 신호에 대해 상관 이중 샘플링을 수행하여 제1 샘플링 신호를 생성하며, 상기 기준 신호 및 상기 제2 출력 신호에 대해 상관 이중 샘플링을 수행하여 제2 샘플링 신호를 생성한다. 예를 들어, CDS부(122)는 상기 제1 출력 신호에서 상기 기준 신호를 감산하여 상기 제1 샘플링 신호를 생성할 수 있고, 상기 제2 출력 신호에서 상기 기준 신호를 감산하여 상기 제2 샘플링 신호를 생성할 수 있다.
ADC부(123)는 상기 제1 및 제2 샘플링 신호들을 가산하고 디지털 변환하여 상기 이미지 신호를 생성한다. ADC부(123)는 버퍼부(127)에 상기 제1 및 제2 샘플링 신호들을 가산하기 이전에 상기 제1 샘플링 신호를 저장하는 버퍼들을 포함할 수 있다.
도 20은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서에 포함되는 단위 픽셀의 평면도이다.
도 20을 참조하면, 이미지 센서의 단위 픽셀(400)은 반도체 기판(401)에서 소자 분리 영역(402)에 의하여 정의되는 액티브 영역(403) 내에 형성되는 플로팅 확산 영역(FD)과 플로팅 확산 영역(FD)을 공유하도록 형성되는 복수의 광전 변환 영역들(410, 420, 430, 440) 및 상기 플로팅 확산 영역(FD)에 광전하를 전달하기 위한 복수의 전송 게이트들(415, 425, 435, 445)을 포함한다.
액티브 영역(403)은 제1 내지 제5 영역들(404, 405, 406, 407, 408)을 포함할 수 있다. 제1 내지 제4 영역들(404, 405, 406, 407)은 각각 도 7을 참조하여 설명한 바와 유사하게, 평면에서 보았을 때, 직사각형 또는 정사각형 모양의 일 꼭지점이 길이 방향인 제1 방향으로 모따기된 모양을 갖는다. 제5 영역(408)은 제1 내지 제4 영역들(404, 405, 406, 407) 각각의 모따기된 부분에서 제1 방향과 수직인 제2 방향으로 돌출된 직사각형 모양이 부분적으로 중첩된 모양을 갖는다. 제1 영역(404)에는 제1 광전 변환 영역(410)이 형성되고, 제2 영역(405)에는 제2 광전 변환 영역(420)이 형성되고, 제3 영역(406)에는 제3 광전 변환 영역(430)이 형성되고, 제4 영역(407)에는 제4 광전 변환 영역(440)이 형성되고, 제5 영역(408)에는 플로팅 확산 영역(FD)이 형성된다. 제1 전송 게이트(415)는 제1 광전 변환 영역(410)과 플로팅 확산 영역(FD)에 인접하여 형성되고, 길이 방향의 양 측이 소자 분리 영역(402)과 중첩하지 않도록 형성된다. 제2 전송 게이트(425)는 제2 광전 변환 영역(420)과 플로팅 확산 영역(FD)에 인접하여 형성되고, 길이 방향의 양 측이 소자 분리 영역(402)과 중첩하지 않도록 형성된다. 제3 전송 게이트(435)는 제1 광전 변환 영역(430)과 플로팅 확산 영역(FD)에 인접하여 형성되고, 길이 방향의 양 측이 소자 분리 영역(402)과 중첩하지 않도록 형성된다. 제4 전송 게이트(445)는 제4 광전 변환 영역(440)과 플로팅 확산 영역(FD)에 인접하여 형성되고, 길이 방향의 양 측이 소자 분리 영역(402)과 중첩하지 않도록 형성된다. 도 20의 실시예에서는 제1 내지 제4 전송 게이트들(415, 425, 435, 445) 각각의 길이 방향의 양 측이 모두 소자 분리 영역(402)과 중첩되지 않았으나, 다른 실시예에서는 도 8 내지 도 13을 참조하여 설명한 바와 같이 제1 내지 제4 전송 게이트들(415, 425, 435, 445) 각각의 길이 방향의 양 측 중 어느 한 측이 소자 분리 영역(402)과 중첩하도록 형성될 수 있다. 도 20의 실시예에서는 2 행 2열의 광전 변환 영역들이 그 중심에 플로팅 확산 영역(FD)을 공유한다.
도 21은 본 발명의 실시예들에 따른 단위 픽셀을 포함하는 이미지 센서의 다른 예를 나타내는 블록도이다.
도 21을 참조하면, 이미지 센서(100b)는 광전 변환부(110), 신호 처리부(120b) 및 발광 장치(640)를 포함한다. 신호 처리부(120b)는 로우 드라이버(121b), ADC부(123b) 및 타이밍 컨트롤러(129b)를 포함한다. ADC부(123b)는 기준 신호 생성기(124b), 비교부(125b) 및 카운터(126b)를 포함한다.
이미지 센서(100b)는 컬럼 라인들과 각각 연결된 복수의 카운터들을 포함하는 카운터부(125b)에 의해 고속 동작을 수행할 수 있고, 또한 디지털 더블 샘플링을 수행할 수 있다.
픽셀 어레이(111)로부터 출력된 아날로그 신호는, 비교부(125b) 및 카운터부(126b)를 포함하는 ADC부(123b)에 의해 디지털 신호로 변환된다. 비교부(125b) 및 카운터부(126b)는 픽셀 어레이(111)로부터 각 컬럼마다 출력되는 아날로그 신호를 병렬적으로 처리하도록 컬럼 라인들과 각각 연결된 복수의 비교기들 및 복수의 카운터들을 포함할 수 있다.
픽셀 어레이(111)는 복수의 단위 픽셀들을 포함하는데, 단위 픽셀들 각각은 도 3 내지 도 18 및 도 20을 참조하여 설명한 단위 픽셀들 중 하나를 채용할 수 있다. 따라서, 픽셀 어레이(111)는 전송 게이트의 길이 방향의 양 측 중 적어도 하나가 소자 분리 영역과 중첩하지 않도록 형성되어 전기장에 의한 노이즈성 전자의 발생을 억제함으로써 다크 특성을 향상시킬 수 있다.
도 22는 본 발명의 실시예들에 따른 단위 픽셀을 포함하는 이미지 센서의 다른 예를 나타내는 블록도이다.
도 22를 참조하면, 이미지 센서(100c)는 광전 변환부(110), 신호 처리부(120c) 및 발광 장치(140)를 포함한다. 신호 처리부(120c)는 로우 드라이버(121c), CDS부(122c), 멀티플렉서(131), ADC(123c) 및 타이밍 컨트롤러(129c)를 포함한다.
CDS부(122c)는 커패시터, 스위치 등을 이용하여 상기 단위 픽셀들의 리셋 상태를 나타내는 기준 전압과 입사광에 상응하는 신호 성분을 나타내는 출력 전압의 차이를 구하여 상관 이중 샘플링을 수행하고 유효한 신호 성분에 상응하는 아날로그 샘플링 신호를 출력한다. CDS부(122c)는 픽셀 어레이(111)의 컬럼 라인들과 각각 연결된 복수의 CDS 회로들을 포함하고, 상기 유효한 신호 성분에 상응하는 아날로그 샘플링 신호를 각 컬럼마다 출력할 수 있다. 멀티플렉서(131)는 칼럼 라인들을 통하여 전달된 신호 성분에 상응하는 아날로그 샘플링 신호를 순차적으로 출력한다. ADC(123)는 각 아날로그 샘플링 신호를 디지털 전압으로 변환하여 영상 및/또는 거리 데이터를 생성한다.
픽셀 어레이(111)는 복수의 단위 픽셀들을 포함하는데, 단위 픽셀들 각각은 도 3 내지 도 18 및 도 20을 참조하여 설명한 단위 픽셀들 중 하나를 채용할 수 있다. 따라서, 픽셀 어레이(111)는 전송 게이트의 길이 방향의 양 측 중 적어도 하나가 소자 분리 영역과 중첩하지 않도록 형성되어 전기장에 의한 노이즈성 전자의 발생을 억제함으로써 다크 특성을 향상시킬 수 있다.
도 23은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서에 포함되는 단위 픽셀의 평면도이다.
도 24는 도 23의 단위 픽셀에서 액티브 영역을 나타내는 평면도이다.
도 23 및 도 24를 참조하면, 이미지 센서의 단위 픽셀(500)은 반도체 기판(501)에서 소자 분리 영역(503)에 의하여 정의되는 액티브 영역(504) 내에 형성되는 광전 변환 영역(510)과 광전 변환 영역(510)을 공유하도록 형성되는 복수의 플로팅 확산 영역들(525, 535, 545, 555) 및 플로팅 확산 영역들(525, 535, 545, 555) 각각에 광전하를 전달하기 위한 복수의 전송 게이트들(520, 530, 540, 550)을 포함한다.
액티브 영역(504)은 제1 내지 제5 영역들(505, 506, 507, 508, 509)을 포함할 수 있다. 제1 영역(505)은 평면에서 보았을 때 정사각형의 네 꼭지점이 각각 모따기된 8각형의 모양을 갖는다. 제2 내지 제5 영역들(506, 507, 508, 509)은 각각 모따기된 변들 각각에서 길이 방향인 제1 방향에 수직인 제2 방향으로 돌출된 직사각형 또는 정사각형 모양을 갖는다. 제1 영역(505)에는 광전 변환 영역(510)이 형성되고, 제2 영역(506)에는 제1 플로팅 확산 영역(525)이 형성되고, 제3 영역(507)에는 제2 플로팅 확산 영역(535)이 형성되고, 제4 영역(508)에는 제3 플로팅 확산 영역(545)이 형성되고, 제5 영역(509)에는 제4 플로팅 확산 영역(555)이 형성된다.
제1 전송 게이트(520)는 광전 변환 영역(510)과 제1 플로팅 확산 영역(525)에 인접하여 형성되고, 길이 방향의 양 측이 소자 분리 영역(503)과 중첩하지 않도록 형성된다. 제2 전송 게이트(530)는 광전 변환 영역(510)과 제2 플로팅 확산 영역(535)에 인접하여 형성되고, 길이 방향의 양 측이 소자 분리 영역(503)과 중첩하지 않도록 형성된다. 제3 전송 게이트(540)는 광전 변환 영역(510)과 제3 플로팅 확산 영역(545)에 인접하여 형성되고, 길이 방향의 양 측이 소자 분리 영역(503)과 중첩하지 않도록 형성된다. 제4 전송 게이트(550)는 광전 변환 영역(510)과 제4 플로팅 확산 영역(555)에 인접하여 형성되고, 길이 방향의 양 측이 소자 분리 영역(503)과 중첩하지 않도록 형성된다. 도 23의 실시예에서는 제1 내지 제4 전송 게이트들(520, 530, 540, 550) 각각의 길이 방향의 양 측이 모두 소자 분리 영역(503)과 중첩되지 않았으나, 다른 실시예에서는 도 8 내지 도 13을 참조하여 설명한 바와 같이 제1 내지 제4 전송 게이트들(520, 530, 540, 550) 각각의 길이 방향의 양 측 중 어느 한 측이 소자 분리 영역(503)과 중첩하도록 형성될 수 있다. 또한, 제 3 플로팅 확산 영역(545)과 제4 플로팅 확산 영역(555)은 서로 연결되어 동일한 플로팅 확산 노드(FD5)를 구성할 수 있다.
제1 플로팅 확산 영역(525)과 제2 플로팅 확산 영역(535)에서는 이미지 센서의 제1 동작 모드 동안에 광전 변환 영역(510)에 의하여 생성된 제1 광전하에 기초하여 피사체와의 거리를 검출하는데 사용되는 적어도 하나의 깊이 신호(Vout1, Vout3)를 생성하고, 제3 플로팅 확산 영역(545)과 제4 플로팅 확산 영역(555)에서는 이미지 센서의 제2 동작 모드 동안에 광전 변환 영역(510)에 의하여 생성된 제2 광전하에 기초하여 피사체의 컬러를 검출하는데 사용되는 컬러 신호(Vout5)를 생성할 수 있다.
도 25는 도 23의 단위 픽셀의 회로도를 나타낸다.
도 25를 참조하면, 단위 픽셀(500)은 광전 변환 영역(510)으로 구성되는 포토 다이오드(PD), 깊이 신호 생성부(560) 및 컬러 신호 생성부(570)를 포함할 수 있다. 포토 다이오드(PD), 깊이 신호 생성부(560) 및 컬러 신호 생성부(570)는 연결 노드(NC)에서 서로 연결된다.
깊이 신호 생성부(560)는 연결 노드(NC)에 연결되는 전송 트랜지스터(520), 리셋 트랜지스터(526), 선택 트랜지스터(527) 및 드라이브 트랜지스터(528)를 포함한다. 깊이 신호 생성부(560)는 또한 연결 노드(NC)에 연결되는 전송 트랜지스터(530), 리셋 트랜지스터(536), 선택 트랜지스터(537) 및 드라이브 트랜지스터(538)를 포함한다. 전송 트랜지스터(520)는 연결 노드(NC)와 플로팅 확산 노드(525) 사이에 연결되고 게이트로는 전송 신호(TX1)가 인가된다. 리셋 트랜지스터(526)는 플로팅 확산 노드(525)와 전원 전압(VDD) 사이에 연결되고 게이트에는 리셋 신호(RST1)가 인가된다. 드라이브 트랜지스터(528)는 전원 전압(VDD)과 선택 트랜지스터(527) 사이에 연결되고 게이트는 플로팅 확산 노드(525)에 연결된다. 선택 트랜지스터(527)는 드라이브 트랜지스터(528)에 연결되는 제1 단자와 깊이 신호(Vout1)를 제공하는 제2 단자 및 선택 신호(SEL1)를 인가받는 게이트를 구비한다. 전송 트랜지스터(530)는 연결 노드(NC)와 플로팅 확산 노드(525) 사이에 연결되고 게이트로는 전송 신호(TX3)가 인가된다. 리셋 트랜지스터(536)는 플로팅 확산 노드(535)와 전원 전압(VDD) 사이에 연결되고 게이트에는 리셋 신호(RST3)가 인가된다. 드라이브 트랜지스터(538)는 전원 전압(VDD)과 선택 트랜지스터(537) 사이에 연결되고 게이트는 플로팅 확산 노드(535)에 연결된다. 선택 트랜지스터(537)는 드라이브 트랜지스터(538)에 연결되는 제1 단자와 깊이 신호(Vout3)를 제공하는 제2 단자 및 선택 신호(SEL3)를 인가받는 게이트를 구비한다. 따라서 깊이 신호 생성부(560)는 포토 다이오드(D1)를 이용하여 제1 광전하여 기초하여 피사체와의 거리를 검출하는데 사용되는 깊이 신호(Vout1, Vout3)를 생성할 수 있다.
컬러 신호 생성부(570)는 전송 트랜지스터들(540, 550), 리셋 트랜지스터(546), 선택 트랜지스터(547) 및 드라이브 트랜지스터(548)를 포함한다. 전송 트랜지스터들(540, 550)은 연결 노드(NC)와 플로팅 확산 노드(545) 사이에 연결되고 게이트로는 전송 신호(TX5)가 인가된다. 리셋 트랜지스터(546)는 플로팅 확산 노드(535)와 전원 전압(VDD) 사이에 연결되고 게이트에는 리셋 신호(RST5)가 인가된다. 드라이브 트랜지스터(548)는 전원 전압(VDD)과 선택 트랜지스터(547) 사이에 연결되고 게이트는 플로팅 확산 노드(545)에 연결된다. 선택 트랜지스터(547)는 드라이브 트랜지스터(548)에 연결되는 제1 단자와 컬러 신호(Vout5)를 제공하는 제2 단자 및 선택 신호(SEL5)를 인가받는 게이트를 구비한다. 따라서 컬러 신호 생성부(570)는 포토 다이오드(PD)를 이용하여 제2 광전하에 기초하여 피사체의 컬러를 검출하는데 사용되는 컬러 신호(Vout5)를 생성할 수 있다.
도 26은 도 25의 단위 픽셀의 동작을 나타내는 타이밍도이다.
도 25 및 도 26을 참조하면, 제1 동작 모드(D1)에서 포토 다이오드(PD)는 피사체로부터 반사된 광신호를 수신하여 제1 광전하를 생성할 수 있다. 제1 동작 모드(D1)의 제1 시간 동안(TP1) 전송 신호(TX1)가 활성화되면, 포토 다이오드(PD)에서 생성된 광전하가 플로팅 확산 노드(525)로 전송되고, 플로팅 확산 노드(525)는 전송된 제광전하를 저장하여 깊이 신호(Vout1)를 제공할 수 있다. 제1 동작 모드(D1)의 제2 시간 동안(TP3) 전송 신호(TX3)가 활성화되면, 포토 다이오드(PD)에서 생성된 광전하가 플로팅 확산 노드(535)로 전송되고, 플로팅 확산 노드(535)는 전송된 광전하를 저장하여 깊이 신호(Vout3)를 제공할 수 있다. 도 1의 신호 처리부(120)는 제1 동작 모드(D1) 동안에 플로팅 확산 노드들(525, 535)에서 출력되는 깊이 신호들(Vout1, Vout3)에 기초하여 피사체와의 거리를 측정할 수 있다.
제2 동작 모드(D3)에서 포토 다이오드(PD)는 피사체에서 발생된 빛 에너지에 기초하여 제2 광전하를 생성할 수 있다. 제2 동작 모드(D3)에서 전송 신호(TX5, TX7)가 활성화되면 플로팅 확산 노드(545)에는 제2 광전하가 전달되어 저장되고 플로팅 확산 노드(545)는 저장된 제2 광전하에 기초하여 컬러 신호(Vout5)를 제공할 수 있다. 도 1의 신호 처리부(120)는 제2 동작 모드(D3) 동안에 플로팅 확산 노드(545)에서 출력되는 컬러 신호(Vout5)에 기초하여 피사체의 컬러를 검출할 수 있다.
도 23 내지 도 25의 단위 픽셀을 포함하는 이미지 센서에서는 입체 이미지 생성시 깊이 신호와 컬러 신호를 동일한 포토 다이오드를 이용하여 생성함으로써 픽셀 및 시스템의 크기를 감소시킬 수 있고, 전송 게이트들 각각의 길이 방향의 양 측 중 적어도 하나가 소자 분리 영역과 중첩하지 않도록 형성되어 전기장에 의한 노이즈성 전자의 발생을 억제함으로써 다크 특성을 향상시킬 수 있다.
도 27은 본 발명의 실시예들에 따른 모바일 기기를 나타내는 평면도이다.
도 27을 참조하면, 모바일 기기(600)는 3차원 이미지 센서(700), 2차원 이미지 센서(800) 및 디스플레이 장치(641)를 포함한다. 모바일 기기(600)는 터치 스크린(644), 버튼들(643, 645), 마이크(647) 및 스피커(648)를 더 포함할 수 있다.
3차원 이미지 센서(700)는 모바일 기기(600)의 제1 면(예를 들어, 전면)에 장착되며, 피사체의 근접 여부를 감지하는 제1 센싱 및 상기 피사체에 대한 거리 정보를 획득하여 상기 피사체의 움직임을 인식(gesture recognition)하는 제2 센싱을 수행한다. 3차원 이미지 센서(700)는 복수의 거리 픽셀들을 구비하는 제1 센싱부(710) 및 적외선 광 또는 근적외선 광을 방출하는 광원부(740)를 포함할 수 있다.
2차원 이미지 센서(800)는 모바일 기기(600)의 상기 제1 면에 장착되며, 상기 피사체에 대한 컬러 영상 정보를 획득하는 제3 센싱을 수행할 수 있다. 2차원 이미지 센서(600)는 복수의 컬러 픽셀들을 구비하는 제2 센싱부(810)를 포함할 수 있다.
도 27의 실시예에서, 3차원 이미지 센서(700) 및 2차원 이미지 센서(800)는 두 개의 분리된 집적 회로 칩들로 제조될 수 있다. 즉, 모바일 기기(600)는 두 개의 센싱 모듈들을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 복수의 거리 픽셀들 및 상기 복수의 컬러 픽셀들은 두 개의 분리된 픽셀 어레이들을 형성할 수 있다.
디스플레이 장치(641)는 모바일 기기(600)의 상기 제1 면에 장착되며, 상기 제1 센싱의 결과, 상기 제2 센싱의 결과 및 상기 제3 센싱의 결과를 표시한다.
본 발명의 실시예들에 따른 모바일 기기(600)에서 3차원 이미지 센서(700) 및 2차원 이미지 센서(800)에 구비되는 픽셀 어레이들에 구비되는 단위 픽셀은 도 3 내지 도 18 및 도 20을 참조하여 설명한 단위 픽셀들 중 하나를 채용할 수 있다. 따라서, 픽셀 어레이들에서는 전송 게이트의 길이 방향의 양 측 중 적어도 하나가 소자 분리 영역과 중첩하지 않도록 형성되어 전기장에 의한 노이즈성 전자의 발생을 억제함으로써 다크 특성을 향상시킬 수 있다.
도 28은 도 27의 모바일 기기의 일 예를 나타내는 블록도이다.
도 28을 참조하면, 모바일 기기(600)는 어플리케이션 프로세서(610), 통신부(620), 메모리 장치(630), 3차원 이미지 센서(700), 2차원 이미지 센서(800), 사용자 인터페이스(640) 및 파워 서플라이(650)를 포함한다. 실시예에 따라서, 모바일 기기(600)는 휴대폰(Mobile Phone), 스마트 폰(Smart Phone), 태블릿(Tablet) PC, 노트북(Laptop Computer), 개인 정보 단말기(Personal Digital Assistant; PDA), 휴대형 멀티미디어 플레이어(Portable Multimedia Player; PMP), 디지털 카메라(Digital Camera), 음악 재생기(Music Player), 휴대용 게임 콘솔(Portable Game Console), 네비게이션(Navigation) 시스템 등과 같은 임의의 모바일 기기일 수 있다.
어플리케이션 프로세서(610)는 모바일 기기(600)를 구동하기 위한 운영 체제(Operating System; OS)를 실행할 수 있다. 또한, 어플리케이션 프로세서(610)는 인터넷 브라우저, 게임, 동영상 등을 제공하는 다양한 어플리케이션들을 실행할 수 있다. 실시예에 따라서, 어플리케이션 프로세서(610)는 하나의 프로세서 코어(Single Core)를 포함하거나, 복수의 프로세서 코어들(Multi-Core)을 포함할 수 있다. 또한, 실시예에 따라서, 어플리케이션 프로세서(610)는 내부 또는 외부에 위치한 캐시 메모리(Cache Memory)를 더 포함할 수 있다.
통신부(620)는 외부 장치와 통신을 수행할 수 있다. 예를 들어, 통신부(620)는 범용 직렬 버스(Universal Serial Bus; USB) 통신, 이더넷(Ethernet) 통신, 근거리 무선 통신(Near Field Communication; NFC), 무선 식별(Radio Frequency Identification; RFID) 통신, 이동 통신(Mobile Telecommunication), 메모리 카드 통신 등을 수행할 수 있다. 예를 들어, 통신부(620)는 베이스밴드 칩 셋(Baseband Chipset)을 포함할 수 있고, GSM, GPRS, WCDMA, HSxPA 등의 통신을 지원할 수 있다.
메모리 장치(630)는 어플리케이션 프로세서(610)에 의해 처리되는 데이터를 저장하거나, 동작 메모리(Working Memory)로서 작동할 수 있다. 또한, 메모리 장치(630)는 모바일 기기(600)를 부팅하기 위한 부트 이미지(boot image), 모바일 기기(600)를 구동하기 위한 상기 운영 체제와 관련된 파일 시스템(file system), 모바일 기기(600)와 연결되는 외부 장치와 관련된 장치 드라이버(device driver), 모바일 기기(600)에서 실행되는 상기 어플리케이션 등을 저장할 수 있다. 예를 들어, 메모리 장치(630)는 DRAM(Dynamic Random Access Memory), SRAM(Static Random Access Memory), 모바일 DRAM, DDR SDRAM, LPDDR SDRAM, GDDR SDRAM, RDRAM 등과 같은 휘발성 메모리를 포함할 수도 있고, EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), 플래시 메모리(Flash Memory), PRAM(Phase Change Random Access Memory), RRAM(Resistance Random Access Memory), NFGM(Nano Floating Gate Memory), PoRAM(Polymer Random Access Memory), MRAM(Magnetic Random Access Memory), FRAM(Ferroelectric Random Access Memory) 등과 같은 비휘발성 메모리를 포함할 수도 있다.
3차원 이미지 센서(700)는 상기 제1 센싱 및 상기 제2 센싱을 수행할 수 있다. 2차원 이미지 센서(800)는 상기 제3 센싱을 수행할 수 있다.
사용자 인터페이스(640)는 키패드, 버튼, 터치 스크린(도 27의 644)과 같은 하나 이상의 입력 장치, 및/또는 스피커(도 27의 648), 디스플레이 장치(도 27의 641)와 같은 하나 이상의 출력 장치를 포함할 수 있다. 파워 서플라이(650)는 모바일 기기(600)의 동작 전압을 공급할 수 있다.
모바일 기기(600) 또는 모바일 기기(600)의 구성요소들은 다양한 형태들의 패키지를 이용하여 실장될 수 있는데, 예를 들어, PoP(Package on Package), BGAs(Ball grid arrays), CSPs(Chip scale packages), PLCC(Plastic Leaded Chip Carrier), PDIP(Plastic Dual In-Line Package), Die in Waffle Pack, Die in Wafer Form, COB(Chip On Board), CERDIP(Ceramic Dual In-Line Package), MQFP(Plastic Metric Quad Flat Pack), TQFP(Thin Quad Flat-Pack), SOIC(Small Outline Integrated Circuit), SSOP(Shrink Small Outline Package), TSOP(Thin Small Outline Package), TQFP(Thin Quad Flat-Pack), SIP(System In Package), MCP(Multi Chip Package), WFP(Wafer-level Fabricated Package), WSP(Wafer-Level Processed Stack Package) 등과 같은 패키지들을 이용하여 실장될 수 있다.
도 29는 도 27의 모바일 기기에 포함되는 3차원 이미지 센서의 일 예를 나타내는 블록도이다.
도 29를 참조하면, 3차원 이미지 센서(700)는 센싱부(710), 로우 구동부(RD)(720), 아날로그-디지털 변환(Analog-to-Digital Converting; ADC)부(730), 광원부(740), 디지털 신호 처리(Digital Signal Processing; DSP)부(750) 및 제어부(760)를 포함할 수 있다.
광원부(740)는 소정의 파장을 가진 광(TX)(예를 들어, 적외선 또는 근적외선)을 출력할 수 있다. 광원부(740)는 동작 모드에 따라서 선택적으로 활성화되거나 다른 휘도의 광을 방출할 수 있다.
광원부(740)는 광원(741) 및 렌즈(743)를 포함할 수 있다. 광원(741)은 광(TL)을 발생할 수 있다. 예를 들어, 광원(741)은 발광 다이오드(light emitting diode, LED), 레이저 다이오드 등으로 구현될 수 있다. 일 실시예에서, 광원(741)은 세기가 주기적으로 변하도록 변조된 광을 발생할 수 있다. 예를 들어, 방출되는 광(TL)의 세기는 연속적인 펄스들을 가지는 펄스 파, 사인 파, 코사인 파 등과 같은 형태를 가지도록 변조될 수 있다. 다른 실시예에서, 광원(741)은 세기가 일정한, 변조되지 않은 광을 발생할 수 있다. 렌즈(743)는 광원(741)에서 방출된 광(TL)을 피사체(780)에 집중시킬 수 있다.
센싱부(710)는 피사체(780)에서 반사되어 되돌아온 광(RX)을 수신하고 수신된 광(RX)을 전기적인 신호로 변환할 수 있다. 일 실시예에서, 수신된 광(RX)은 광원부(740)에서 방출되는 적외선 또는 근적외선(TL)에 기초하여 발생될 수 있다. 다른 실시예에서, 수신된 광(RX)은 주변 광(ambient light)에 포함되는 적외선 또는 근적외선에 기초하여 발생될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 수신된 광(RX)은 주변 광에 포함되는 가시광선에 기초하여 발생될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 수신된 광(RX)은 적외선 또는 근적외선 및 가시광선 모두에 기초하여 발생될 수 있다.
센싱부(710)는 복수의 거리 픽셀들(depth pixel)(711)을 포함할 수 있다. 복수의 거리 픽셀들(711)은 동작 모드에 따라서 일부 또는 전부가 활성화될 수 있다. 복수의 거리 픽셀들(711)은 픽셀 어레이의 형태로 배치되며, 3차원 이미지 센서(700)로부터 피사체(780)까지의 거리에 대한 정보를 제공할 수 있다. 예를 들어, 적외선 필터 또는 근적외선 필터가 복수의 거리 픽셀들(711) 상에 형성될 수 있다. 복수의 거리 픽셀들(711)에서는 전송 게이트의 길이 방향의 양 측 중 적어도 하나가 소자 분리 영역과 중첩하지 않도록 형성되어 전기장에 의한 노이즈성 전자의 발생을 억제함으로써 다크 특성을 향상시킬 수 있다.
로우 구동부(720)는 센싱부(710)의 각 로우에 연결되고, 상기 각 로우를 구동하는 구동 신호를 생성할 수 있다. 예를 들어, 로우 구동부(720)는 센싱부(710)에 포함되는 복수의 거리 픽셀들(711)을 로우 단위로 구동할 수 있다.
ADC부(730)는 센싱부(710)의 각 컬럼에 연결되고, 센싱부(710)로부터 출력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다. 일 실시예에서, ADC부(730)는 복수의 아날로그-디지털 변환기들을 포함하며, 각 컬럼 라인마다 출력되는 아날로그 신호들을 병렬로(즉, 동시에) 디지털 신호들로 변환하는 컬럼 ADC를 수행할 수 있다. 다른 실시예에서, ADC부(730)는 단일의 아날로그-디지털 변환기를 포함하며, 상기 아날로그 신호들을 순차적으로 디지털 신호들로 변환하는 단일 ADC를 수행할 수 있다.
실시예에 따라서, ADC부(730)는 유효 신호 성분을 추출하기 위한 상관 이중 샘플링(Correlated Double Sampling; CDS)부를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 CDS부는 리셋 성분을 나타내는 아날로그 리셋 신호와 신호 성분을 나타내는 아날로그 데이터 신호의 차이에 기초하여 상기 유효 신호 성분을 추출하는 아날로그 더블 샘플링(Analog Double Sampling)을 수행할 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 CDS부는 상기 아날로그 리셋 신호와 상기 아날로그 데이터 신호를 디지털 신호들로 각각 변환한 후 상기 유효 신호 성분으로서 두 개의 디지털 신호의 차이를 추출하는 디지털 더블 샘플링(Digital Double Sampling)을 수행할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 상기 CDS부는 상기 아날로그 더블 샘플링 및 상기 디지털 더블 샘플링을 모두 수행하는 듀얼 상관 이중 샘플링을 수행할 수 있다.
DSP부(750)는 ADC부(730)로부터 출력된 디지털 신호를 수신하고, 상기 디지털 신호에 대하여 이미지 데이터 처리를 수행할 수 있다. 예를 들어, DSP부(750)는 이미지 보간(Image Interpolation), 색 보정(Color Correction), 화이트 밸런스(White Balance), 감마 보정(Gamma Correction), 색 변환(Color Conversion) 등을 수행할 수 있다.
제어부(760)는 로우 구동부(720), ADC부(730), 광원부(740) 및 DSP부(750)를 제어할 수 있다. 제어부(760)는 로우 구동부(720), ADC부(730), 광원부(740) 및 DSP부(750)의 동작에 요구되는 클럭 신호, 타이밍 컨트롤 신호 등과 같은 제어 신호들을 공급할 수 있다. 일 실시예에서, 제어부(760)는 로직 제어 회로, 위상 고정 루프(Phase Lock Loop; PLL) 회로, 타이밍 제어 회로 및 통신 인터페이스 회로 등을 포함할 수 있다.
도 30은 도 27의 모바일 기기에 포함되는 2차원 이미지 센서의 일 예를 나타내는 블록도이다.
도 30을 참조하면, 2차원 이미지 센서(800)는 센싱부(810), 로우 구동부(820), ADC부(830), DSP부(850) 및 제어부(860)를 포함할 수 있다.
센싱부(810)는 입사광(예를 들어, 가시광선)을 전기적인 신호로 변환할 수 있다. 제2 센싱부(810)는 복수의 컬러 픽셀들(811)을 포함할 수 있다. 복수의 컬러 픽셀들(811)은 픽셀 어레이의 형태로 배치되며, 피사체에 대한 컬러 영상 정보를 제공할 수 있다. 예를 들어, 레드 필터, 그린 필터 및 그린 필터가 복수의 컬러 픽셀들(811) 상에 형성될 수 있다. 다른 예에서, 옐로우 필터, 시안 필터 및 마젠타 필터가 복수의 컬러 픽셀들(811) 상에 형성될 수 있다. 복수의 거리 픽셀들(811)에서는 전송 게이트의 길이 방향의 양 측 중 적어도 하나가 소자 분리 영역과 중첩하지 않도록 형성되어 전기장에 의한 노이즈성 전자의 발생을 억제함으로써 다크 특성을 향상시킬 수 있다.
로우 구동부(820)는 센싱부(810)의 각 로우에 연결되고, 상기 각 로우를 구동하는 구동 신호를 생성할 수 있다. ADC부(830)는 센싱부(810)의 각 컬럼에 연결되고, 제2 센싱부(810)로부터 출력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다. 실시예에 따라서, ADC부(830)는 유효 신호 성분을 추출하기 위한 CDS부를 포함할 수 있다. DSP부(850)는 ADC부(830)로부터 출력된 디지털 신호를 수신하고, 상기 디지털 신호에 대하여 이미지 데이터 처리를 수행할 수 있다. 제어부(860)는 로우 구동부(820), ADC부(830) DSP부(850)를 제어할 수 있다.
도 31은 본 발명의 실시예들에 따른 모바일 기기의 다른 예를 나타내는 평면도이다.
도 31을 참조하면, 모바일 기기(900)는 이미지 센서(910) 및 디스플레이 장치(641)를 포함한다. 모바일 기기(900)는 터치 스크린(644), 버튼들(643, 645), 마이크(647) 및 스피커(648)를 더 포함할 수 있다.
이미지 센서(910)는 모바일 기기(900)의 제1 면(예를 들어, 전면)에 장착되며, 피사체의 근접 여부를 감지하는 제1 센싱, 상기 피사체에 대한 거리 정보를 획득하여 상기 피사체의 움직임을 인식(gesture recognition)하는 제2 센싱 및 상기 피사체에 대한 컬러 영상 정보를 획득하는 제3 센싱을 수행한다. 이미지 센서(910)는 복수의 거리 픽셀들을 구비하는 제1 센싱부(710), 적외선 광 또는 근적외선 광을 방출하는 광원부(740) 및 복수의 컬러 픽셀들을 구비하는 제2 센싱부(810)를 포함할 수 있다.
도 31의 실시예에서, 3차원 이미지 센서 및 2차원 이미지 센서는 하나의 집적 회로 칩으로 제조될 수 있다. 즉, 모바일 기기(900)는 하나의 센싱 모듈을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 복수의 거리 픽셀들 및 상기 복수의 컬러 픽셀들은 두 개의 분리된 픽셀 어레이들을 형성할 수 있다. 복수의 거리 픽셀들 및 상기 복수의 컬러 픽셀들에서는 각각 전송 게이트의 길이 방향의 양 측 중 적어도 하나가 소자 분리 영역과 중첩하지 않도록 형성되어 전기장에 의한 노이즈성 전자의 발생을 억제함으로써 다크 특성을 향상시킬 수 있다.
디스플레이 장치(641)는 모바일 기기(900)의 상기 제1 면에 장착되며, 상기 제1 센싱의 결과, 상기 제2 센싱의 결과 및 상기 제3 센싱의 결과를 표시한다.
도 31의 모바일 기기(900)는 3차원 이미지 센서 및 2차원 이미지 센서가 하나의 집적 회로 칩으로 제조되는 것을 제외하면 도 27의 모바일 기기(600)와 실질적으로 동일할 수 있다.
도 32는 도 31의 모바일 기기의 일 예를 나타내는 블록도이다.
도 32를 참조하면, 모바일 기기(900)는 어플리케이션 프로세서(610), 통신부(620), 메모리 장치(630), 이미지 센서(910), 사용자 인터페이스(640) 및 파워 서플라이(650)를 포함한다.
도 28의 모바일 기기(600)와 비교하였을 때, 도 32의 모바일 기기(900)는 3차원 이미지 센서(700) 및 2차원 이미지 센서(800)가 통합된 하나의 이미지 센서(910)를 포함할 수 있다.
이미지 센서(910)는 상기 제1 센싱, 상기 제2 센싱 및 상기 제3 센싱을 수행할 수 있다. 예를 들어, 이미지 센서(910)는 상기 제1 센싱을 먼저 수행하고, 상기 제1 센싱의 결과에 기초하여 제2 센싱 및 상기 제3 센싱 중 적어도 하나를 수행할 수 있다.
도 33은 본 발명의 실시예들에 따른 모바일 기기의 다른 예를 나타내는 평면도이다.
도 33을 참조하면, 모바일 기기(1100)는 이미지 센서(1105) 및 디스플레이 장치(641)를 포함한다. 모바일 기기(1100)는 터치 스크린(644), 버튼들(643, 645), 마이크(647) 및 스피커(648)를 더 포함할 수 있다.
이미지 센서(1105)는 모바일 기기(1100)의 제1 면(예를 들어, 전면)에 장착되며, 피사체의 근접 여부를 감지하는 제1 센싱, 상기 피사체에 대한 거리 정보를 획득하여 상기 피사체의 움직임을 인식(gesture recognition)하는 제2 센싱 및 상기 피사체에 대한 컬러 영상 정보를 획득하는 제3 센싱을 수행한다. 이미지 센서(1100)는 복수의 거리 픽셀들 및 복수의 컬러 픽셀들을 구비하는 센싱부(1110), 및 적외선 광 또는 근적외선 광을 방출하는 광원부(1140)를 포함할 수 있다.
도 33의 실시예에서, 3차원 이미지 센서 및 2차원 이미지 센서는 하나의 집적 회로 칩으로 제조될 수 있다. 즉, 모바일 기기(1100)는 하나의 센싱 모듈을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 복수의 거리 픽셀들 및 상기 복수의 컬러 픽셀들은 하나의 픽셀 어레이를 형성할 수 있다. 즉, 이미지 센서(1105)는 3차원 컬러 이미지 센서일 수 있으며, 예를 들어 RGBZ 센서일 수 있다. 복수의 거리 픽셀들 및 상기 복수의 컬러 픽셀들에서는 각각 전송 게이트의 길이 방향의 양 측 중 적어도 하나가 소자 분리 영역과 중첩하지 않도록 형성되어 전기장에 의한 노이즈성 전자의 발생을 억제함으로써 다크 특성을 향상시킬 수 있다.
디스플레이 장치(641)는 모바일 기기(1100)의 상기 제1 면에 장착되며, 상기 제1 센싱의 결과, 상기 제2 센싱의 결과 및 상기 제3 센싱의 결과를 표시한다.
도 33의 모바일 기기(1100)는 3차원 이미지 센서 및 2차원 이미지 센서가 하나의 집적 회로 칩으로 제조되고 복수의 거리 픽셀들 및 복수의 컬러 픽셀들이 하나의 픽셀 어레이를 형성하는 것을 제외하면 도 27의 모바일 기기(600)와 실질적으로 동일할 수 있다.
도 34는 도 33의 모바일 기기의 일 예를 나타내는 블록도이다.
도 34를 참조하면, 모바일 기기(1100)는 어플리케이션 프로세서(610), 통신부(620), 메모리 장치(630), 이미지 센서(1105), 사용자 인터페이스(640) 및 파워 서플라이(650)를 포함한다.
도 28의 모바일 기기(600)와 비교하였을 때, 도 33의 모바일 기기(1100)는 3차원 이미지 센서 및 2차원 이미지 센서가 통합되고 복수의 거리 픽셀들 및 복수의 컬러 픽셀들이 하나의 픽셀 어레이를 형성하는 3차원 컬러 이미지 센서(1105)를 포함할 수 있다.
이미지 센서(1105)는 상기 제1 센싱, 상기 제2 센싱 및 상기 제3 센싱을 수행할 수 있다. 예를 들어, 이미지 센서(1105)는 상기 제1 센싱을 먼저 수행하고, 상기 제1 센싱의 결과에 기초하여 제2 센싱 및 상기 제3 센싱 중 적어도 하나를 수행할 수 있다.
도 35는 도 34의 모바일 기기에 포함되는 이미지 센서의 일 예를 나타내는 블록도이다. 도 36 및 도 37은 도 35의 이미지 센서에 포함되는 센싱부의 예들을 나타내는 도면들이다.
도 35를 참조하면, 이미지 센서(1105)는 센싱부(1110), 제1 로우 구동부(1120a), 제2 로우 구동부(1120b), 제1 ADC부(1130a), 제2 ADC부(1130b), 광원부(1140), DSP부(1150) 및 제어부(1160)를 포함할 수 있다.
광원부(1140)는 소정의 파장을 가진 광(TL)(예를 들어, 적외선 또는 근적외선)을 출력할 수 있다. 광원부(1140)는 동작 모드에 따라서 선택적으로 활성화되거나 다른 휘도의 광을 방출할 수 있다. 광원부(1140)는 광(TL)을 발생하는 광원(1141) 및 방출된 광(TL)을 피사체(780)에 집중시키는 렌즈(1143)를 포함할 수 있다.
센싱부(1110)는 피사체(780)에서 반사되어 되돌아온 광(RX)을 수신하고 수신된 광(RX)을 전기적인 신호로 변환하여 거리 정보를 제공할 수 있다. 또한 센싱부(1110)는 입사광(예를 들어, 가시광선)을 전기적인 신호로 변환하여 컬러 영상 정보를 제공할 수 있다.
센싱부(1110)는 복수의 거리 픽셀들 및 복수의 컬러 픽셀들을 포함할 수 있다. 실시예에 따라서, 센싱부(1110)는 다양한 개수 비 및 사이즈 비로 거리 픽셀들 및 컬러 픽셀들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 36에 도시된 것처럼 센싱부(1110a)는 거리 픽셀들(1111a) 및 컬러 픽셀들(1113a)을 포함할 수도 있고, 도 37에 도시된 것처럼 센싱부(1110b)는 거리 픽셀들(1111b) 및 컬러 픽셀들(1113b)을 포함할 수도 있다. 또한 센싱부(1110b)는 도 23의 단위 픽셀들을 포함할 수도 있다. 일 실시예에서, 적외선(또는 근적외선) 필터가 상기 거리 픽셀들 상에 형성되고, 컬러 필터(예를 들어, 레드, 그린 및 블루 필터들)가 상기 컬러 픽셀들 상에 형성될 수 있다. 복수의 거리 픽셀들 및 상기 복수의 컬러 픽셀들 또는 도 23의 픽셀들에서는 각각 전송 게이트의 길이 방향의 양 측 중 적어도 하나가 소자 분리 영역과 중첩하지 않도록 형성되어 전기장에 의한 노이즈성 전자의 발생을 억제함으로써 다크 특성을 향상시킬 수 있다.
제1 로우 구동부(1120a)는 상기 컬러 픽셀들의 각 로우에 연결되고, 상기 컬러 픽셀들의 각 로우를 구동하는 제1 구동 신호를 생성할 수 있다. 제2 로우 구동부(1120b)는 상기 거리 픽셀들의 각 로우에 연결되고, 상기 거리 픽셀들의 각 로우를 구동하는 제2 구동 신호를 생성할 수 있다. 제1 ADC부(1130a)는 상기 컬러 픽셀들의 각 컬럼에 연결되고, 상기 컬러 픽셀들의 각 컬럼으로부터 출력되는 제1 아날로그 신호를 제1 디지털 신호로 변환할 수 있다. 제2 ADC부(1130b)는 상기 거리 픽셀들의 각 컬럼에 연결되고, 상기 거리 픽셀들의 각 컬럼으로부터 출력되는 제2 아날로그 신호를 제2 디지털 신호로 변환할 수 있다. DSP부(1150)는 제1 및 제2 ADC부들(1130a, 1130b)로부터 출력된 제1 및 제2 디지털 신호들을 수신하고, 상기 제1 및 제2 디지털 신호들에 대하여 이미지 데이터 처리를 수행할 수 있다. 제어부(1160)는 제1 로우 구동부(1120a), 제2 로우 구동부(1120b), 제1 ADC부(1130a), 제2 ADC부(1130b), 광원부(1140) 및 DSP부(1150)를 제어할 수 있다.
도 38은 본 발명의 실시예들에 따른 모바일 기기에서 사용되는 인터페이스의 일 예를 나타내는 블록도이다.
도 38을 참조하면, 모바일 기기(2000)는 MIPI 인터페이스를 사용 또는 지원할 수 있는 데이터 처리 장치(예를 들어, 휴대폰, 개인 정보 단말기, 휴대형 멀티미디어 플레이어, 스마트 폰 등)로 구현될 수 있고, 어플리케이션 프로세서(2110), 이미지 센서(2140) 및 디스플레이(2150) 등을 포함할 수 있다.
어플리케이션 프로세서(2110)의 CSI 호스트(2112)는 카메라 시리얼 인터페이스(Camera Serial Interface; CSI)를 통하여 이미지 센서(2140)의 CSI 장치(2141)와 시리얼 통신을 수행할 수 있다. 일 실시예에서, CSI 호스트(2112)는 광 디시리얼라이저(DES)를 포함할 수 있고, CSI 장치(2141)는 광 시리얼라이저(SER)를 포함할 수 있다. 어플리케이션 프로세서(2110)의 DSI 호스트(2111)는 디스플레이 시리얼 인터페이스(Display Serial Interface; DSI)를 통하여 디스플레이(2150)의 DSI 장치(2151)와 시리얼 통신을 수행할 수 있다. 일 실시예에서, DSI 호스트(2111)는 광 시리얼라이저(SER)를 포함할 수 있고, DSI 장치(2151)는 광 디시리얼라이저(DES)를 포함할 수 있다.
또한, 모바일 기기(2000)는 어플리케이션 프로세서(2110)와 통신을 수행할 수 있는 알에프(Radio Frequency; RF) 칩(2160)을 더 포함할 수 있다. 모바일 기기(2000)의 PHY(2113)와 RF 칩(2160)의 PHY(2161)는 MIPI(Mobile Industry Processor Interface) DigRF에 따라 데이터 송수신을 수행할 수 있다. 또한, 어플리케이션 프로세서(2110)는 PHY(2161)의 MIPI DigRF에 따른 데이터 송수신을 제어하는 DigRF MASTER(2114)를 더 포함할 수 있고, RF 칩(2160)은 DigRF MASTER(2114)를 통하여 제어되는 DigRF SLAVE(2162)를 더 포함할 수 있다.
한편, 모바일 기기(2000)는 지피에스(Global Positioning System; GPS)(2120), 스토리지(2170), 마이크(2180), 디램(Dynamic Random Access Memory; DRAM)(2185) 및 스피커(2190)를 포함할 수 있다. 또한, 모바일 기기(2000)는 초광대역(Ultra WideBand; UWB)(2210), 무선랜(Wireless Local Area Network; WLAN)(2220) 및 와이맥스(Worldwide Interoperability for Microwave Access; WIMAX)(2230) 등을 이용하여 통신을 수행할 수 있다. 다만, 모바일 기기(2000)의 구조 및 인터페이스는 하나의 예시로서 이에 한정되는 것이 아니다.
본 발명은 다양한 분야의 이미지 센서 및 이미지 시스템에서 이용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명은 휴대폰(Mobile Phone), 스마트 폰(Smart Phone), 개인 정보 단말기(personal digital assistant; PDA), 휴대형 멀티미디어 플레이어(portable multimedia player; PMP), 디지털 카메라(Digital Camera), 캠코더(Camcoder), 개인용 컴퓨터(Personal Computer; PC), 서버 컴퓨터(Server Computer), 워크스테이션(Workstation), 노트북(Laptop), 디지털 TV(Digital Television), 셋-탑 박스(Set-Top Box), 음악 재생기(Music Player), 휴대용 게임 콘솔(Portable Game Console), 네비게이션(Navigation) 시스템, 스마트 카드(Smart Card), 프린터(Printer) 등에 유용하게 이용될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 것이다. 상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (20)

  1. 반도체 기판에서 소자 분리 영역에 의하여 정의되는 액티브 영역 내에 형성되며, 입사광에 상응하는 광전하를 발생하는 광전 변환 영역;
    상기 액티브 영역 내에 형성되는 플로팅 확산 영역; 및
    상기 플로팅 확산 영역에 상기 광전하를 전달하기 위하여 상기 광전 변환 영역과 상기 플로팅 확산 영역에 인접하여 형성되며, 길이 방향인 제1 방향과 수직인 제2 방향의 중심선을 기준으로 하여 상기 제1 방향의 제1 부분과 제2 부분 중 적어도 하나의 부분이 상기 소자 분리 영역에 중첩하지 않도록 형성되는 전송 게이트를 포함하고,
    상기 액티브 영역은 평면에서 보았을 때, 정사각형 또는 직사각형 모양의 일 꼭지점이 모따기된 모양을 갖는 제1 영역과 상기 모따기된 부분에서 상기 제2 방향으로 돌출되는 직사각형 모양의 제2 영역을 포함하고,
    상기 전송 게이트는 상기 제1 영역과 상기 제2 영역에 적어도 부분적으로 중첩되어 형성되고,
    상기 전송 게이트의 상기 제1 부분과 상기 제2 부분 중 상기 소자 분리 영역에 중첩하지 않는 상기 적어도 하나의 부분은 상기 제1 영역 내에 형성되는 제3 부분과 상기 제2 영역 내에 형성되는 제4 부분을 포함하는 이미지 센서의 단위 픽셀.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 중심선은 상기 제1 영역과 제2 영역을 상기 제2 방향으로 2등분하는 가상의 선이며,
    상기 전송 게이트는 상기 중심선에 대하여 서로 대칭인 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 단위 픽셀.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전송 게이트는 상기 제1 부분과 상기 제2 부분이 모두 상기 소자 분리 영역에 중첩하지 않는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 단위 픽셀.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 중심선은 상기 제1 영역과 상기 제2 영역을 상기 제2 방향으로 2등분하는 가상의 선이며,
    상기 전송 게이트는 상기 중심선에 대하여 서로 비대칭인 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 단위 픽셀.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 전송 게이트의 상기 제1 부분은 상기 소자 분리 영역과 부분적으로 중첩하고, 상기 제2 부분은 상기 소자 분리 영역과 중첩하지 않는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 단위 픽셀.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 전송 게이트의 상기 제2 부분은 상기 소자 분리 영역과 부분적으로 중첩하고, 상기 제1 부분은 상기 소자 분리 영역과 중첩하지 않는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 단위 픽셀.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 광전 변환 영역은 상기 제1 영역 내에 형성되고,
    상기 플로팅 확산 영역은 상기 제2 영역 내에 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 단위 픽셀.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 광전 변환 영역은 상기 반도체 기판에 도핑된 불순물과 다른 타입의 제1 불순물이 도핑되어 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 단위 픽셀.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 전송 게이트는 상기 반도체 기판의 제1 면 상에 형성되고,
    상기 이미지 센서의 단위 픽셀은
    상기 전송 게이트 상부에 형성되는 컬러 필터; 및
    상기 컬러 필터 상부에 형성되는 마이크로 렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 단위 픽셀.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 전송 게이트는 상기 반도체 기판의 제1 면 상에 형성되고,
    상기 반도체 기판의 상기 제1 면에 대향하는 제2 면 상에 상기 광전 변환 영역에 대응하여 형성되는 컬러 필터; 및
    상기 컬러 필터 상에 상기 광전 변환 영역에 대응하여 형성되는 마이크로 렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 단위 픽셀.
  11. 반도체 기판에서 소자 분리 영역에 의하여 정의되는 액티브 영역 내에 형성되는 플로팅 확산 영역;
    상기 액티브 영역 내에, 상기 플로팅 확산 영역을 공유하도록 형성되며, 입사광에 상응하는 광전하를 발생하는 복수의 광전 변환 영역들; 및
    상기 플로팅 확산 영역에 상기 광전하를 전달하기 위하여 상기 광전 변환 영역들과 상기 플로팅 확산 영역에 인접하여 형성되는 복수의 전송 게이트들을 포함하고, 상기 전송 게이트들 각각은 길이 방향의 제1 방향과 수직인 제2 방향의 중심선을 기준으로 하여 상기 제1 방향의 제1 부분과 제2 부분 중 적어도 하나의 부분이 상기 소자 분리 영역에 중첩하지 않도록 형성되고,
    상기 액티브 영역은 상기 복수의 광전 변환 영역들에 대등되는 복수의 영역들 및 상기 플로팅 확산 영역에 대응되는 공유 영역을 포함하고,
    상기 복수의 영역들 각각은 평면에서 보았을 때, 정사각형 또는 직사각형 모양의 일 꼭지점이 모따기된 모양을 가지는 제1 서브 영역과, 상기 모따기된 부분에서 상기 제2 방향으로 돌출되어 상기 공유 영역과 인접하는, 직사각형 모양의 제2 서브 영역을 포함하고,
    상기 전송 게이트들 각각은 상기 제1 서브 영역과 상기 제2 서브 영역에 적어도 부분적으로 중첩되어 형성되고,
    상기 전송 게이트들 각각의 상기 제1 부분과 상기 제2 부분 중 상기 소자 분리 영역에 중첩하지 않는 상기 적어도 하나의 부분은 상기 제1 서브 영역 내에 형성되는 제3 부분과 상기 제2 서브 영역 내에 형성되는 제4 부분을 포함하는 이미지 센서의 단위 픽셀.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 복수의 광전 변환 영역들은 제1 광전 변환 영역과 제2 광전 변환 영역을 포함하고,
    상기 액티브 영역은,
    상기 제1 광전 변환 영역이 형성되는 제1 영역;
    상기 제2 광전 변환 영역이 형성되는 제2 영역; 및
    상기 제1 영역과 상기 제2 영역에 인접하며, 상기 플로팅 확산 영역이 형성되는 제3 영역을 포함하고,
    상기 전송 게이트들은,
    상기 제1 광전 변환 영역의 광전하를 상기 플로팅 확산 영역으로 전달하기 위한 제1 전송 게이트; 및
    상기 제2 광전 변환 영역의 광전하를 상기 플로팅 확산 영역으로 전달하기 위한 제2 전송 게이트를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 전송 게이트들에는 독출 모드에서 서로 다른 활성화 구간을 가지는 제1 및 제2 전송 제어 신호가 인가되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 단위 픽셀.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 복수의 광전 변환 영역들은 2행 2열의 구조로 서로 인접하는 제1 내지 제4 광전 변환 영역들을 포함하고,
    상기 액티브 영역은,
    상기 제1 광전 변환 영역이 형성되는 제1 영역;
    상기 제2 광전 변환 영역이 형성되는 제2 영역;
    상기 제3 광전 변환 영역이 형성되는 제3 영역;
    상기 제4 광전 변환 영역이 형성되는 제4 영역; 및
    상기 제1 내지 제4 영역들에 인접하며, 상기 플로팅 확산 영역이 형성되는 제5 영역을 포함하고,
    상기 전송 게이트들은,
    상기 제1 광전 변환 영역의 광전하를 상기 플로팅 확산 영역으로 전달하기 위한 제1 전송 게이트;
    상기 제2 광전 변환 영역의 광전하를 상기 플로팅 확산 영역으로 전달하기 위한 제2 전송 게이트;
    상기 제3 광전 변환 영역의 광전하를 상기 플로팅 확산 영역으로 전달하기 위한 제3 전송 게이트; 및
    상기 제4 광전 변환 영역의 광전하를 상기 플로팅 확산 영역으로 전달하기 위한 제4 전송 게이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 단위 픽셀.
  14. 반도체 기판에서 소자 분리 영역에 의하여 정의되는 액티브 영역 내에 형성되며, 피사체와의 거리를 검출하기 위한 제1 광전하와 상기 피사체의 컬러를 검출하기 위한 제2 광전하를 발생하는 광전 변환 영역;
    상기 액티브 영역 내에 형성되는 복수의 플로팅 확산 영역들; 및
    상기 플로팅 확산 영역들에 상기 제1 및 제2 광전하들을 전달하기 위하여 상기 광전 변환 영역과 상기 플로팅 확산 영역들 각각에 인접하여 형성되는 복수의 전송 게이트들을 포함하고, 상기 복수의 전송 게이트들 각각은 길이 방향인 제1 방향과 수직인 제2 방향의 중심선을 기준으로 하여 상기 제1 방향의 제1 부분과 제2 부분 중 적어도 하나의 부분이 상기 소자 분리 영역에 중첩하지 않도록 형성되는 이미지 센서의 단위 픽셀.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 액티브 영역은 평면에서 보았을 때, 정사각형의 네 꼭지점이 모따기된 8각형의 모양을 갖는 제1 영역; 및
    상기 모따기된 부분들에서 상기 정사각형의 제1 및 제2 대각선 방향으로 돌출하는 동일한 직사각형 모양의 제2 내지 제5 영역들을 포함하고,
    상기 제1 영역에는 상기 광전 변환 영역이 형성되고,
    상기 제2 내지 제5 영역들에는 제1 내지 제4 플로팅 확산 영역들이 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 단위 픽셀.
  16. 제15항에 있어서, 상기 복수의 전송 게이트들은
    상기 광전 변환 영역의 광전하를 상기 제1 플로팅 확산 영역으로 전달하기 위한 제1 전송 게이트;
    상기 광전 변환 영역의 광전하를 상기 제2 플로팅 확산 영역으로 전달하기 위한 제2 전송 게이트;
    상기 광전 변환 영역의 광전하를 상기 제3 플로팅 확산 영역으로 전달하기 위한 제3 전송 게이트;
    상기 광전 변환 영역의 광전하를 상기 제4 플로팅 확산 영역으로 전달하기 위한 제4 전송 게이트를 포함하고,
    상기 광전 변환 영역에 대하여 제1 대각선 방향으로 대칭인 상기 제1 플로팅 확산 영역 및 제2 플로팅 확산 영역은 상기 제1 광전하에 기초하여 상기 피사체와의 거리를 검출하기 위한 적어도 하나의 깊이 신호를 생성하고,
    상기 광전 변환 영역에 대하여 제2 대각선 방향으로 대칭인 상기 제3 플로팅 확산 영역 및 제4 플로팅 확산 영역은 상기 제2 광전하에 기초하여 상기 피사체의 컬러를 검출하기 위한 컬러 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서의 단위 픽셀.
  17. 복수의 단위 픽셀들을 포함하고, 입사광을 변환하여 전기 신호를 발생하는 픽셀 어레이; 및
    상기 전기 신호를 처리하여 이미지 데이터를 발생하는 신호 처리부를 포함하고,
    상기 복수의 단위 픽셀들 각각은,
    반도체 기판에서 소자 분리 영역에 의하여 정의되는 액티브 영역 내에 형성되며, 상기 입사광에 상응하는 광전하를 발생하는 적어도 하나의 광전 변환 영역;
    상기 액티브 영역 내에 형성되는 플로팅 확산 영역; 및
    상기 플로팅 확산 영역에 상기 광전하를 전달하기 위하여 상기 적어도 하나의 광전 변환 영역과 상기 플로팅 확산 영역에 인접하여 형성되며, 길이 방향인 제1 방향과 수직인 제2 방향의 중심선을 기준으로 하여 상기 제1 방향의 제1 부분과 제2 부분 중 적어도 하나의 부분이 상기 소자 분리 영역에 중첩하지 않도록 형성되는 적어도 하나의 전송 게이트를 포함하고,
    상기 액티브 영역은 평면에서 보았을 때, 정사각형 또는 직사각형 모양의 일 꼭지점이 모따기된 모양을 갖는 제1 영역과 상기 모따기된 부분에서 상기 제2 방향으로 돌출되는 직사각형 모양의 제2 영역을 포함하고,
    상기 전송 게이트는 상기 제1 영역과 상기 제2 영역에 적어도 부분적으로 중첩되어 형성되고,
    상기 전송 게이트의 상기 제1 부분과 상기 제2 부분 중 상기 소자 분리 영역에 중첩하지 않는 상기 적어도 하나의 부분은 상기 제1 영역 내에 형성되는 제3 부분과 상기 제2 영역 내에 형성되는 제4 부분을 포함하는 이미지 센서.
  18. 삭제
  19. 제17항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 광전 변환 영역은 제1 광전 변환 영역과 제2 광전 변환 영역을 포함하고,
    상기 액티브 영역은,
    상기 제1 광전 변환 영역이 형성되는 제1 영역;
    상기 제2 광전 변환 영역이 형성되는 제2 영역; 및
    상기 제1 영역과 상기 제2 영역에 인접하며, 상기 플로팅 확산 영역이 형성되는 제3 영역을 포함하고,
    상기 적어도 하나의 전송 게이트는,
    상기 제1 광전 변환 영역의 광전하를 상기 플로팅 확산 영역으로 전달하기 위한 제1 전송 게이트; 및
    상기 제2 광전 변환 영역의 광전하를 상기 플로팅 확산 영역으로 전달하기 위한 제2 전송 게이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 광전 변환 영역은 2행 2열의 구조로 서로 인접하는 제1 내지 제4 광전 변환 영역들을 포함하고,
    상기 액티브 영역은,
    상기 제1 광전 변환 영역이 형성되는 제1 영역;
    상기 제2 광전 변환 영역이 형성되는 제2 영역;
    상기 제3 광전 변환 영역이 형성되는 제3 영역;
    상기 제4 광전 변환 영역이 형성되는 제4 영역; 및
    상기 제1 내지 제4 영역들에 인접하며, 상기 플로팅 확산 영역이 형성되는 제5 영역을 포함하고,
    상기 적어도 하나의 전송 게이트는,
    상기 제1 광전 변환 영역의 광전하를 상기 플로팅 확산 영역으로 전달하기 위한 제1 전송 게이트;
    상기 제2 광전 변환 영역의 광전하를 상기 플로팅 확산 영역으로 전달하기 위한 제2 전송 게이트;
    상기 제3 광전 변환 영역의 광전하를 상기 플로팅 확산 영역으로 전달하기 위한 제3 전송 게이트; 및
    상기 제4 광전 변환 영역의 광전하를 상기 플로팅 확산 영역으로 전달하기 위한 제4 전송 게이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
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