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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022184756
(43)【公開日】2022-12-13
(54)【発明の名称】イメージセンサのピクセルアレイ及びその製造方法
(51)【国際特許分類】
H01L 27/146 20060101AFI20221206BHJP
H04N 5/369 20110101ALI20221206BHJP
【ＦＩ】
H01L27/146 D
H01L27/146 A
H04N5/369
【審査請求】未請求
【請求項の数】20
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022080781
(22)【出願日】2022-05-17
(31)【優先権主張番号】10-2021-0070552
(32)【優先日】2021-06-01
(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR
(31)【優先権主張番号】10-2021-0102325
(32)【優先日】2021-08-04
(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR
(71)【出願人】
【識別番号】390019839
【氏名又は名称】三星電子株式会社
【氏名又は名称原語表記】Ｓａｍｓｕｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．
【住所又は居所原語表記】１２９，Ｓａｍｓｕｎｇ－ｒｏ，Ｙｅｏｎｇｔｏｎｇ－ｇｕ，Ｓｕｗｏｎ－ｓｉ，Ｇｙｅｏｎｇｇｉ－ｄｏ，Ｒｅｐｕｂｌｉｃ ｏｆ Ｋｏｒｅａ
(74)【代理人】
【識別番号】100107766
【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 忠重
(74)【代理人】
【識別番号】100070150
【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 忠彦
(74)【代理人】
【識別番号】100135079
【弁理士】
【氏名又は名称】宮崎 修
(72)【発明者】
【氏名】琴 東旻
(72)【発明者】
【氏名】金 泰漢
(72)【発明者】
【氏名】金 範錫
(72)【発明者】
【氏名】朴 俊城
(72)【発明者】
【氏名】李 光熙
(72)【発明者】
【氏名】李 允基
【テーマコード（参考）】
4M118
5C024
【Ｆターム（参考）】
4M118AA05
4M118AA06
4M118AA09
4M118AB01
4M118BA14
4M118CA04
4M118CA33
4M118CA34
4M118CA35
4M118DB10
4M118DD04
4M118DD12
4M118EA01
4M118EA11
4M118EA14
4M118FA06
4M118FA25
4M118FA27
4M118FA28
4M118GA02
4M118GC08
4M118GC09
4M118GC14
4M118GD02
4M118GD04
4M118GD06
4M118GD07
5C024CY47
5C024EX43
5C024EX52
5C024GX02
(57)【要約】
【課題】 画像の品質を向上することができるイメージセンサのピクセルアレイ及びその製造方法を提供する。
【解決手段】 イメージセンサのピクセルアレイは、複数のピクセル群を含み、前記複数のピクセル群のそれぞれのピクセル群は、複数の単位ピクセルと、カラーフィルタと、複数のマイクロレンズとを含む。前記複数の単位ピクセルは、半導体基板に配置される光電変換素子をそれぞれ含み、互いに隣接する。前記カラーフィルタは、前記複数の単位ピクセルにより共有される。前記複数のマイクロレンズは、前記カラーフィルタ上に配置され、前記複数の単位ピクセルに含まれる前記光電変換素子に入射光をそれぞれ集光し、互いに異なるサイズを有する。マイクロレンズのサイズを調節して、単位ピクセルのセンス感度のバラつきを減少することで、イメージセンサにより撮像される画像の品質を向上することができる。
【選択図】 図１
【解決手段】 イメージセンサのピクセルアレイは、複数のピクセル群を含み、前記複数のピクセル群のそれぞれのピクセル群は、複数の単位ピクセルと、カラーフィルタと、複数のマイクロレンズとを含む。前記複数の単位ピクセルは、半導体基板に配置される光電変換素子をそれぞれ含み、互いに隣接する。前記カラーフィルタは、前記複数の単位ピクセルにより共有される。前記複数のマイクロレンズは、前記カラーフィルタ上に配置され、前記複数の単位ピクセルに含まれる前記光電変換素子に入射光をそれぞれ集光し、互いに異なるサイズを有する。マイクロレンズのサイズを調節して、単位ピクセルのセンス感度のバラつきを減少することで、イメージセンサにより撮像される画像の品質を向上することができる。
【選択図】 図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
複数のピクセル群を含み、
前記複数のピクセル群のそれぞれのピクセル群は、
半導体基板に配置される光電変換素子をそれぞれ含み、互いに隣接する複数の単位ピクセルと、
前記複数の単位ピクセルにより共有されるカラーフィルタと、
前記カラーフィルタ上に配置され、前記複数の単位ピクセルに含まれる前記光電変換素子に入射光をそれぞれ集光し、互いに異なるサイズを有する複数のマイクロレンズとを含むことを特徴とするイメージセンサのピクセルアレイ。
前記複数のピクセル群のそれぞれのピクセル群は、
半導体基板に配置される光電変換素子をそれぞれ含み、互いに隣接する複数の単位ピクセルと、
前記複数の単位ピクセルにより共有されるカラーフィルタと、
前記カラーフィルタ上に配置され、前記複数の単位ピクセルに含まれる前記光電変換素子に入射光をそれぞれ集光し、互いに異なるサイズを有する複数のマイクロレンズとを含むことを特徴とするイメージセンサのピクセルアレイ。
【請求項2】
前記複数のマイクロレンズのうち、それぞれのマイクロレンズのサイズは、前記複数の単位ピクセルのうち、前記それぞれのマイクロレンズに対応するそれぞれの単位ピクセルのセンス感度に反比例することを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサのピクセルアレイ。
【請求項3】
前記複数の単位ピクセルの平均センス感度よりも低いセンス感度を有する単位ピクセルに対応するマイクロレンズのサイズは、前記複数のマイクロレンズの平均サイズよりも大きく、
前記平均センス感度よりも高いセンス感度を有する単位ピクセルに対応するマイクロレンズのサイズは、前記平均サイズよりも小さいことを特徴とする請求項１又は２に記載のイメージセンサのピクセルアレイ。
前記平均センス感度よりも高いセンス感度を有する単位ピクセルに対応するマイクロレンズのサイズは、前記平均サイズよりも小さいことを特徴とする請求項１又は２に記載のイメージセンサのピクセルアレイ。
【請求項4】
前記複数の単位ピクセルは、第１のセンス感度を有する第１の単位ピクセルと、前記第１のセンス感度よりも低い第２のセンス感度を有する第２の単位ピクセルとを備え、
前記複数のマイクロレンズは、前記第１の単位ピクセルに含まれる前記光電変換素子に入射光を集光する第１のマイクロレンズと、前記第２の単位ピクセルに含まれる前記光電変換素子に入射光を集光する第２のマイクロレンズとを備え、
前記第１のマイクロレンズのサイズは、前記第２のマイクロレンズのサイズよりも小さいことを特徴とする請求項１又は２に記載のイメージセンサのピクセルアレイ。
前記複数のマイクロレンズは、前記第１の単位ピクセルに含まれる前記光電変換素子に入射光を集光する第１のマイクロレンズと、前記第２の単位ピクセルに含まれる前記光電変換素子に入射光を集光する第２のマイクロレンズとを備え、
前記第１のマイクロレンズのサイズは、前記第２のマイクロレンズのサイズよりも小さいことを特徴とする請求項１又は２に記載のイメージセンサのピクセルアレイ。
【請求項5】
前記複数のピクセル群は、前記ピクセルアレイの互いに異なる位置に配置され、同一のカラーのカラーフィルタをそれぞれ含む第１のピクセル群及び第２のピクセル群を含み、
前記第１のピクセル群に含まれる前記複数の単位ピクセルは、第１の群平均センス感度を有し、前記第２のピクセル群に含まれる前記複数の単位ピクセルは、前記第１の群平均センス感度よりも低い第２の群平均センス感度を有し、
前記第１のピクセル群に含まれる前記複数のマイクロレンズの第１の群平均サイズは、前記第２のピクセル群に含まれる前記複数のマイクロレンズの第２の群平均サイズよりも小さいことを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサのピクセルアレイ。
前記第１のピクセル群に含まれる前記複数の単位ピクセルは、第１の群平均センス感度を有し、前記第２のピクセル群に含まれる前記複数の単位ピクセルは、前記第１の群平均センス感度よりも低い第２の群平均センス感度を有し、
前記第１のピクセル群に含まれる前記複数のマイクロレンズの第１の群平均サイズは、前記第２のピクセル群に含まれる前記複数のマイクロレンズの第２の群平均サイズよりも小さいことを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサのピクセルアレイ。
【請求項6】
前記複数の単位ピクセルはいずれも、同一のサイズを有し、
前記複数のマイクロレンズのサイズは、前記複数の単位ピクセルのセンス感度にそれぞれ対応することを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサのピクセルアレイ。
前記複数のマイクロレンズのサイズは、前記複数の単位ピクセルのセンス感度にそれぞれ対応することを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサのピクセルアレイ。
【請求項7】
更に、前記複数の単位ピクセルに含まれる前記光電変換素子を電気的及び光学的に隔離するように、前記半導体基板の前面から後面まで垂直方向に延在して、前記半導体基板の内部に配置されるトレンチ構造体を含むことを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサのピクセルアレイ。
【請求項8】
前記トレンチ構造体のそれぞれのトレンチ構造体は、
前記半導体基板の前面から行われるフロントトレンチ工程により形成される上部トレンチ構造体と、
前記半導体基板の後面から行われるバックトレンチ工程により形成される下部トレンチ構造体とを含むことを特徴とする請求項７に記載のイメージセンサのピクセルアレイ。
前記半導体基板の前面から行われるフロントトレンチ工程により形成される上部トレンチ構造体と、
前記半導体基板の後面から行われるバックトレンチ工程により形成される下部トレンチ構造体とを含むことを特徴とする請求項７に記載のイメージセンサのピクセルアレイ。
【請求項9】
前記上部トレンチ構造体及び前記下部トレンチ構造体は、互いに異なる構造、又は互いに異なる組成を有することを特徴とする請求項８に記載のイメージセンサのピクセルアレイ。
【請求項10】
前記ピクセルアレイは、第１の水平方向、及び前記第１の水平方向と垂直な第２の水平方向に繰返し配列される単位パターンに分割され、
前記単位パターンのそれぞれは、２つ以上の前記ピクセル群を含むことを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサのピクセルアレイ。
前記単位パターンのそれぞれは、２つ以上の前記ピクセル群を含むことを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサのピクセルアレイ。
【請求項11】
前記単位パターンは、
２つの群の行及び２つの群の列のマトリックス状に配置される第１～第４のピクセル群を含み、
前記第１～第４のピクセル群のそれぞれは、
２つのピクセル行及び２つのピクセル列のマトリックス状に配置される４つの単位ピクセルを含むことを特徴とする請求項１０に記載のイメージセンサのピクセルアレイ。
２つの群の行及び２つの群の列のマトリックス状に配置される第１～第４のピクセル群を含み、
前記第１～第４のピクセル群のそれぞれは、
２つのピクセル行及び２つのピクセル列のマトリックス状に配置される４つの単位ピクセルを含むことを特徴とする請求項１０に記載のイメージセンサのピクセルアレイ。
【請求項12】
前記第１のピクセル群は、４つの赤色ピクセルを含み、
前記第２及び第３のピクセル群のそれぞれは、４つの緑色ピクセルを含み、
前記第４のピクセル群は、４つの青色ピクセルを含むことを特徴とする請求項１１に記載のイメージセンサのピクセルアレイ。
前記第２及び第３のピクセル群のそれぞれは、４つの緑色ピクセルを含み、
前記第４のピクセル群は、４つの青色ピクセルを含むことを特徴とする請求項１１に記載のイメージセンサのピクセルアレイ。
【請求項13】
前記単位パターンは、
２つの群の行及び２つの群の列のマトリックス状に配置される第１～第４のピクセル群を含み、
前記第１～第４のピクセル群のそれぞれは、
３つのピクセル行及び３つのピクセル列のマトリックス状に配置される９個の単位ピクセルを含むことを特徴とする請求項１０に記載のイメージセンサのピクセルアレイ。
２つの群の行及び２つの群の列のマトリックス状に配置される第１～第４のピクセル群を含み、
前記第１～第４のピクセル群のそれぞれは、
３つのピクセル行及び３つのピクセル列のマトリックス状に配置される９個の単位ピクセルを含むことを特徴とする請求項１０に記載のイメージセンサのピクセルアレイ。
【請求項14】
前記第１のピクセル群は、９個の赤色ピクセルを含み、
前記第２及び第３のピクセル群のそれぞれは、９個の緑色ピクセルを含み、
前記第４のピクセル群は、９個の青色ピクセルを含むことを特徴とする請求項１３に記載のイメージセンサのピクセルアレイ。
前記第２及び第３のピクセル群のそれぞれは、９個の緑色ピクセルを含み、
前記第４のピクセル群は、９個の青色ピクセルを含むことを特徴とする請求項１３に記載のイメージセンサのピクセルアレイ。
【請求項15】
前記単位パターンは、
第１の群の行、第２の群の行、第１の群の列、及び第２の群の列のマトリックス状に配置される第１～第４のピクセル群と、
前記第１の群の行、前記第２の群の行、第３の群の列、及び第４の群の列のマトリックス状に配置される第５～第８のピクセル群と、
第３の群の行、第４の群の行、前記第１の群の列、及び前記第２の群の列のマトリックス状に配置される第９～第１２のピクセル群と、
前記第３の群の行、前記第４の群の行、前記第３の群の列、及び前記第４の群の列のマトリックス状に配置される第１３～第１６のピクセル群を含むことを特徴とする請求項１０に記載のイメージセンサのピクセルアレイ。
第１の群の行、第２の群の行、第１の群の列、及び第２の群の列のマトリックス状に配置される第１～第４のピクセル群と、
前記第１の群の行、前記第２の群の行、第３の群の列、及び第４の群の列のマトリックス状に配置される第５～第８のピクセル群と、
第３の群の行、第４の群の行、前記第１の群の列、及び前記第２の群の列のマトリックス状に配置される第９～第１２のピクセル群と、
前記第３の群の行、前記第４の群の行、前記第３の群の列、及び前記第４の群の列のマトリックス状に配置される第１３～第１６のピクセル群を含むことを特徴とする請求項１０に記載のイメージセンサのピクセルアレイ。
【請求項16】
入射光により発生される光電荷を収集してセンス動作を行う複数のピクセル群を含むピクセルアレイと、
前記ピクセルアレイを行単位で駆動する行駆動部と、
前記ピクセルアレイ及び前記行駆動部を制御する制御部とを含み、
前記複数のピクセル群のそれぞれのピクセル群は、
半導体基板に配置される光電変換素子をそれぞれ含み、互いに隣接する複数の単位ピクセルと、
前記複数の単位ピクセルにより共有されるカラーフィルタと、
前記カラーフィルタ上に配置され、前記複数の単位ピクセルに含まれる前記光電変換素子に入射光をそれぞれ集光し、前記複数の単位ピクセルのセンス感度に対応するサイズを有する複数のマイクロレンズとを含むことを特徴とするイメージセンサ。
前記ピクセルアレイを行単位で駆動する行駆動部と、
前記ピクセルアレイ及び前記行駆動部を制御する制御部とを含み、
前記複数のピクセル群のそれぞれのピクセル群は、
半導体基板に配置される光電変換素子をそれぞれ含み、互いに隣接する複数の単位ピクセルと、
前記複数の単位ピクセルにより共有されるカラーフィルタと、
前記カラーフィルタ上に配置され、前記複数の単位ピクセルに含まれる前記光電変換素子に入射光をそれぞれ集光し、前記複数の単位ピクセルのセンス感度に対応するサイズを有する複数のマイクロレンズとを含むことを特徴とするイメージセンサ。
【請求項17】
前記複数のマイクロレンズのうち、それぞれのマイクロレンズのサイズは、前記複数の単位ピクセルのうち、前記それぞれのマイクロレンズに対応するそれぞれの単位ピクセルのセンス感度に反比例することを特徴とする請求項１６に記載のイメージセンサ。
【請求項18】
単位ピクセル及び均一なサイズを有する第１のマイクロレンズを含む第１のピクセルアレイを用いて、前記単位ピクセルのセンス感度を測定するステップと、
前記センス感度に対応する第２のマイクロレンズのサイズを決めるステップと、
前記単位ピクセル及び前記第２のマイクロレンズを含む第２のピクセルアレイを製造するステップとを含むことを特徴とするイメージセンサのピクセルアレイの製造方法。
前記センス感度に対応する第２のマイクロレンズのサイズを決めるステップと、
前記単位ピクセル及び前記第２のマイクロレンズを含む第２のピクセルアレイを製造するステップとを含むことを特徴とするイメージセンサのピクセルアレイの製造方法。
【請求項19】
前記マイクロレンズの前記センス感度に対応するサイズを決めるステップは、
同一のカラーの単位ピクセルのカラー別平均センス感度を決めるステップと、
前記カラー別平均センス感度に対する前記同一のカラーのそれぞれの単位ピクセルのセンス感度の割合を決めるステップと、
前記割合に反比例するように、前記それぞれの単位ピクセルに対応するそれぞれのマイクロレンズのサイズを決めるステップとを含むことを特徴とする請求項１８に記載のイメージセンサのピクセルアレイの製造方法。
同一のカラーの単位ピクセルのカラー別平均センス感度を決めるステップと、
前記カラー別平均センス感度に対する前記同一のカラーのそれぞれの単位ピクセルのセンス感度の割合を決めるステップと、
前記割合に反比例するように、前記それぞれの単位ピクセルに対応するそれぞれのマイクロレンズのサイズを決めるステップとを含むことを特徴とする請求項１８に記載のイメージセンサのピクセルアレイの製造方法。
【請求項20】
前記第２のピクセルアレイを製造するステップは、
前記センス感度に対応するサイズを有するマスクパターンを形成するステップと、
前記マスクパターンを用いて、リフロー工程及びエッチバック工程により、前記第２のマイクロレンズを形成するステップとを含むことを特徴とする請求項１８又は１９に記載のイメージセンサのピクセルアレイの製造方法。
前記センス感度に対応するサイズを有するマスクパターンを形成するステップと、
前記マスクパターンを用いて、リフロー工程及びエッチバック工程により、前記第２のマイクロレンズを形成するステップとを含むことを特徴とする請求項１８又は１９に記載のイメージセンサのピクセルアレイの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体集積回路に関し、より詳しくは、ピクセル間のセンス感度のバラつきを減少するイメージセンサのピクセルアレイ、及び当該ピクセルアレイの製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
ＣＭＯＳイメージセンサは、相補型金属酸化膜半導体(Complementary Metal-Oxide Semiconductor、CMOS)を用いた固体撮像素子である。ＣＭＯＳイメージセンサは、高電圧アナログ回路を有するＣＣＤイメージセンサと比較して、製造コストが低く、素子のサイズが小さいため、消費電力が少ないというメリットがあり、スマートフォン、デジタルカメラなどの携帯用機器を始めとした家電製品に主にＣＭＯＳイメージセンサが搭載されている。
【0003】
ＣＭＯＳイメージセンサを構成するピクセルアレイは、各ピクセルにフォトダイオードのような光電変換素子を含む。前記光電変換素子は、入射される光量により可変される電気信号を生成し、ＣＭＯＳイメージセンサは、前記電気信号を処理して、映像を合成する。最近、高解像度画像に対するニーズに応じて、ＣＭＯＳイメージセンサを構成するピクセルは、更なる小型化が求められている。このようなピクセルの小型化により、クロストーク(cross talk)によるピクセルのセンス感度のバラつきが増加している。クロストークは、マイクロレンズ及びカラーフィルタを通過して入射された光が、該当ピクセルではなく、隣接ピクセルに伝達される光学的なクロストークと、入射光により生成された光電荷が隣接ピクセルに伝達される電気的なクロストークとに分けられる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
前記のような問題点を解決するための本発明の目的は、ピクセル間のセンス感度のバラつきを減少するためのマイクロレンズを含むピクセルアレイ、及び当該ピクセルアレイを含むイメージセンサを提供することである。
【0005】
また、本発明の他の目的は、ピクセル間のセンス感度のバラつきを減少するためのマイクロレンズを含むピクセルアレイの製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0006】
前記目的を達成するために、本発明の実施形態例によるイメージセンサのピクセルアレイは、複数のピクセル群を含み、前記複数のピクセル群のそれぞれのピクセル群は、カラーフィルタと、複数のマイクロレンズとを含む。
【0007】
前記複数の単位ピクセルは、半導体基板に配置される光電変換素子をそれぞれ含み、互いに隣接する。前記カラーフィルタは、前記複数の単位ピクセルにより共有される。前記複数のマイクロレンズは、前記カラーフィルタ上に配置され、前記複数の単位ピクセルに含まれる前記光電変換素子に入射光をそれぞれ集光し、互いに異なるサイズを有する。
【0008】
また、前記目的を達成するために、本発明の実施形態例によるイメージセンサは、入射光により発生される光電荷を収集してセンス動作を行う複数のピクセル群を含むピクセルアレイと、前記ピクセルアレイを行単位で駆動する行駆動部と、前記ピクセルアレイ及び前記行駆動部を制御する制御部とを含む。前記複数のピクセル群のそれぞれのピクセル群は、半導体基板に配置される光電変換素子をそれぞれ含み、互いに隣接する複数の単位ピクセルと、前記複数の単位ピクセルにより共有されるカラーフィルタと、前記カラーフィルタ上に配置され、前記複数の単位ピクセルに含まれる前記光電変換素子に入射光をそれぞれ集光し、前記複数の単位ピクセルのセンス感度に対応するサイズを有する複数のマイクロレンズとを含む。
【0009】
更に、前記目的を達成するために、本発明の実施形態例によるイメージセンサのピクセルアレイの製造方法は、単位ピクセル及び均一なサイズを有する第１のマイクロレンズを含む第１のピクセルアレイを用いて、前記単位ピクセルのセンス感度を測定するステップと、前記センス感度に対応する第２のマイクロレンズのサイズを決めるステップと、前記単位ピクセル及び前記第２のマイクロレンズを含む第２のピクセルアレイを製造するステップとを含む。
【発明の効果】
【0010】
本発明のピクセルアレイ、イメージセンサ、及びピクセルアレイの製造方法によると、マイクロレンズのサイズを調節して、単位ピクセルのセンス感度のバラつきを減少することで、イメージセンサにより撮像される画像の品質を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下、添付の図面を参照して、本発明の好適な実施形態例をより詳しく説明する。図面上の同一の構成要素に対しては、同一の参照符号を付し、同一の構成要素に関して重複する説明は、省略する。
【0013】
以下、半導体基板の前面及び後面に平行で且つ互いに交差する２つの方向をそれぞれ、第１の水平方向(DR1)及び第２の水平方向(DR2)と定義し、半導体基板の前面及び後面に実質的に垂直な方向を、垂直方向(DR3)と定義する。第１の水平方向(DR1)は、行方向に該当し、第２の水平方向(DR2)は、列方向に該当する。
【0014】
本発明の実施形態例によるイメージセンサのピクセルアレイは、半導体基板に形成され、後述するような複数のピクセル群を含む。本発明では、図示及び説明の便宜上、入射光が半導体基板の後面に入射するＢＳＩ(back－side illumination)に対応する構造を中心に説明するが、本発明の実施形態例はＢＳＩに限定されるものではなく、ＦＳＩ(front－side illumination)構造にも、本発明の実施形態例を適用することができる。一方、図面には、図示の便宜上、マイクロレンズが円状に示されているが、これに限定されるものではなく、マイクロレンズは、四角状、楕円状などのような様々な形状を有することができる。
【0015】
図１は、本発明の実施形態例によるイメージセンサのピクセルアレイに含まれるピクセル群のレイアウトを示す平面図であり、図２は、図１のピクセル群の垂直構造の一実施形態例を示す断面図である。図２は、図１のＡ－Ａ'線に沿う断面図である。図１及び２には、図示の便宜上、ピクセルアレイに含まれる複数のピクセル群のうちの１つのピクセル群(PXG)に対応する構造を示している。
【0016】
図１及び２に示しているように、ピクセルアレイは、垂直方向(DR3)に、半導体基板１００と、配線層２００と、光透過層３００とを含む。ＢＳＩ構造の場合、半導体基板１００は、配線層２００と光透過層３００の間に配置される。例えば、半導体基板１００は、互いに対向する前面１００ａ及び後面１００ｂを有し、配線層２００が、半導体基板１００の前面１００ａの上に配置され、光透過層３００が、半導体基板１００の後面１００ｂの下に配置される。
【0017】
ピクセル群(PXG)は、複数の単位ピクセル(PX11、PX12、PX21、PX22、つまりPX11～PX22)と、トレンチ構造体４００と、複数のマイクロレンズ(MLS11、MLS12、MLS21、 MLS22、つまりMLS11～MSL22)とを含む。
【0018】
図１には、図示及び説明の便宜上、２つのピクセル行(PR1、PR2)、及び２つのピクセル列(PC1、PC2)のマトリックス状に配置される４つの単位ピクセル(PX11～PX22)を含むピクセル群(PXG)が示されているが、１つの群の行(GR)に対応するピクセル行の数、及び１つの群の列(GC)に対応するピクセル列の数は、様々に決められる。すなわち、１つのピクセル群(PXG)に含まれる単位ピクセルの数は、様々に決められる。
【0019】
複数の単位ピクセル(PX11～PX22)は、半導体基板１００に配置される複数の光電変換素子(PD11、PD12、PD21、PD22、つまりPD11～PD22)をそれぞれ含み、互いに隣接する。外部より入射された光は、光電変換素子(PD11～PD22)で電気信号に変換される。
【0020】
トレンチ構造体４００は、複数の単位ピクセル(PX11～PX22)に含まれる光電変換素子(PD11～PD22)を電気的及び光学的に離隔するように、半導体基板１００の前面１００ａから後面１００ｂまで垂直方向(DR3)に延在して、半導体基板１００内に配置される。
【0021】
トレンチ構造体４００は、複数の光電変換素子(PD11、PD12、PD21、PD22)のそれぞれに入射される入射光、及び入射光により生成された光電荷が、隣接する単位ピクセルに入射されることを防止する。すなわち、トレンチ構造体４００は、複数の光電変換素子(PD11、PD12、PD21、PD22)間のクロストーク現象を防止する。
【0022】
光透過層３００は、カラーフィルタ(CF)、及び複数のマイクロレンズ(MLS11～MLS22)を含む。光透過層３００は、外部より入射される光を集光及びフィルタリングして、半導体基板１００に提供する。半導体基板１００の後面１００ｂ上に、複数の単位ピクセル(PX11～PX22)により共有されるカラーフィルタ(CF)が配置され、複数の単位ピクセル(PX11～PX22)にそれぞれ対応する複数のマイクロレンズ(MLS11～MLS22)が、カラーフィルタ(CF)上に配置される。また、半導体基板１００の後面１００ｂとカラーフィルタ(CF)の間に、第１の平坦化膜３１０が配置され、カラーフィルタ(CF)及び複数のマイクロレンズ(MLS11～MLS22)の間に、第２の平坦化膜３２０が配置される。
【0023】
カラーフィルタ(CF)は、赤色、緑色、又は青色のカラーフィルタを含む。これとは異なり、カラーフィルタは、シアン、マゼンタ、又は黄色(yellow)などのような他のカラーフィルタを含むことができる。それぞれのピクセル群(PXG)に含まれる複数の単位ピクセル(PX11～PX22)は、同一のカラーに該当する１つのカラーフィルタ(CF)を共有することができる。
【0024】
複数のマイクロレンズ(MLS11～MLS22)は、複数の単位ピクセル(PX11～PX22)に含まれる光電変換素子(PD11～PD22)に入射光をそれぞれ集光する。本発明の実施形態例により、複数のマイクロレンズ(MLS11～MLS22)は、複数の単位ピクセル(PX11～PX22)のセンス感度に対応するサイズを有する。
【0025】
一実施形態例において、複数のマイクロレンズ(MLS11～MLS22)のうち、それぞれのマイクロレンズのサイズは、複数の単位ピクセル(PX11～PX22)のうち、前記それぞれのマイクロレンズに対応するそれぞれの単位ピクセルのセンス感度に反比例する。
【0026】
一実施形態例において、複数の単位ピクセル(PX11～PX22)の群の平均センス感度よりも低いセンス感度を有する単位ピクセルに対応するマイクロレンズのサイズは、複数のマイクロレンズ(MLS11～MLS22)の群の平均サイズよりも大きく、前記平均センス感度よりも高いセンス感度を有する単位ピクセルに対応するマイクロレンズのサイズは、前記平均サイズよりも小さい。
【0027】
例えば、複数の単位ピクセル(PX11～PX22)は、第１のセンス感度を有する第１の単位ピクセル(PX11)、及び前記第１のセンス感度よりも低い第２のセンス感度を有する第２の単位ピクセル(PX12)を含む。
【0028】
複数のマイクロレンズ(MLS11～MLS12)は、第１の単位ピクセル(PX11)に含まれる第１の光電変換素子(PD11)に入射光を集光する第１のマイクロレンズ(MLS11)と、第２の単位ピクセル(PX12)に含まれる第２の光電変換素子(PD12)に入射光を集光する第２のマイクロレンズ(MLS12)とを含む。
【0029】
【0030】
複数の単位ピクセル(PX11～PX22)はいずれも、同一のサイズを有する。言い換えると、トレンチ構造体４００は、第１の水平方向(DR1)及び第２の水平方向にそれぞれ均一なピッチを有する格子状に具現される。また、複数の単位ピクセル(PX11～PX22)はいずれも、同一の工程により、同一の工程条件で形成される。そこで、複数の単位ピクセル(PX11～PX22)は、理想的にはいずれも同一のセンス感度を有するべきであるが、工程バラつきなどにより、単位ピクセル毎に互いに異なるセンス感度を有し得る。また、隣接する他のカラーフィルタに該当するピクセル群間のクロストークにより、それぞれのピクセル群内の単位ピクセルの位置によって、センス感度が異なる。
【0031】
併合した(Merged)カラーフィルタ構造を有している製品において、同一のカラーフィルタに該当する単位ピクセルのセンス感度は、理想的には同一であるべきであるが、周辺に位置した他のカラーフィルタに該当する単位ピクセルから受けるクロストークの影響が異なるため、同一のカラーフィルタに該当する単位ピクセルであっても、ピクセル間のセンス感度の差が生じることになり、この差が大きいほど、画質劣化に大きな影響を及ぼすことになる。
【0032】
本発明の実施形態例により、同一のカラーフィルタに該当する単位ピクセル間のセンス感度の差を減らすために、マイクロレンズのサイズを調節して、センス感度の差を補償することができる。図１には、図示及び説明の便宜上、４つの単位ピクセル(PX11～PX2)が、同一のカラーフィルタ(CF)を共有する実施形態例を示しているが、これに限定されるものではない。図９乃至図１２で説明するように、本発明の実施形態例は、２つ以上の単位ピクセルが同一のカラーフィルタを共有する全てのカラーフィルタアレイに適用可能である。
【0033】
このように、本発明の実施形態例によるピクセルアレイマイクロレンズのサイズを調節して、単位ピクセルのセンス感度バラつきを減少することで、イメージセンサにより撮像される画像の品質を向上することができる。
【0034】
配線層２００は、複数の光電変換素子(PD11、PD12、PD21、PD22)と電気的に連結されるロジックトランジスタ、及び前記ロジックトランジスタに連結される配線を含む。複数の光電変換素子(PD11、PD12、PD21、PD22)で変換された電気信号は、配線層２００で信号処理される。前記配線は、層間絶縁膜を介して積層され、配線の配列は、複数の光電変換素子(PD11、PD12、PD21、PD22)の配列によらずに配置されることができる。すなわち、前記配線は、複数の光電変換素子(PD11、PD12、PD21、PD22)の上部を横切ることもできる。
【0035】
半導体基板１００は、第１の導電型(例えば、ｐ型)のバルク(bulk)シリコン基板上に、第１の導電型のエピタキシャル層が形成された基板とすることができ、イメージセンサの製造工程中にバルクシリコン基板が取り除かれて、ｐ型エピタキシャル層だけが残留する基板であってもよい。また、半導体基板１００は、第１の導電型のウェルを含むバルク半導体基板であってもよい。これとは異なり、半導体基板１００は、ｎ型エピタキシャル層、バルクシリコン基板、ＳＯＩ基板など、様々な形状の基板を適用することができる。
【0036】
半導体基板１００には、少なくとも１つのフローティングディフュージョン領域が形成され、半導体基板１００の前面１００ａ上において、光電変換素子(PD11～PD22)のそれぞれとフローティングディフュージョン領域の間に転送ゲートが形成される。光電変換素子(PD11～PD22)は、半導体基板１００と反対の第２の導電型(例えば、ｎ型)の不純物がドープされた不純物領域である。一例として、光電変換素子(PD11～PD22)は、半導体基板１００の前面１００ａと隣接し、後面１００ｂと離隔される。より詳しくは、光電変換素子(PD11～PD22)は、第２の導電型(例えば、ｎ型)の不純物を、半導体基板１００の前面１００ａにイオン注入して形成する。光電変換素子(PD11～PD22)は、前面１００ａに隣接した領域と、後面１００ｂに隣接した領域の間に、不純物濃度の差を有してもよく、これにより、半導体基板１００の前面１００ａと後面１００ｂの間に、電位勾配を有し得る。
【0037】
第１の導電型の半導体基板１００と光電変換素子(PD11～PD22)のそれぞれは、一対のフォトダイオードを構成する。すなわち、第１の導電型の半導体基板１００と光電変換素子(PD11～PD22)のそれぞれの接合(junction)により、フォトダイオードが形成される。フォトダイオードを構成する光電変換素子(PD11～PD22)は、入射光の強さに比例して、光電荷を生成及び蓄積することができる。これに加えて、フォトダイオードは、光電変換素子の表面にｐ型不純物が浅くドープされたｐ型不純物領域(図示せず)を更に含むことができる。
【0038】
図３は、本発明の実施形態例によるセンス感度の調節を説明するための図である。
【0039】
図３に示しているように、第１の単位ピクセル(PX11)は、第１のセンス感度を有し、第２の単位ピクセル(PX12)は、前記第１のセンス感度よりも低い第２のセンス感度を有する。この場合、第１の単位ピクセル(PX11)に対応する第１のマイクロレンズ(MLS11)の第１のサイズ(SZ11)は、第２の単位ピクセル(PX12)に対応する第２のマイクロレンズ(MLS12)の第２のサイズ(SZ12)よりも小さい。
【0040】
この場合、相対的に小さい第１のサイズ(SZ11)の第１のマイクロレンズ(MLS11)により、第１の光電変換素子(PD11)で集光される入射光の強さは、相対的に大きい第２のサイズ(SZ12)の第２のマイクロレンズ(MLS12)により、第２の光電変換素子(PD12)で集光される入射光の強さよりも小さくなる。そこで、第１の単位ピクセル(PX11)の第１のセンス感度は、相対的に減少し、また、第２の単位ピクセル(PX12)の第２のセンス感度は、相対的に増加することになり、結果として、第１の単位ピクセル(PX11)及び第２の単位ピクセル(PX12)のセンス感度バラつきを減少することができる。
【0041】
図４ａ～図４ｃは、本発明の実施形態例によるピクセルアレイの製造過程を示す図である。以下、図１及び２と重複する説明は、省略する。また、その他の構成要素は、当業者に知られた任意の製造過程により形成可能であり、以下では、図４ａ～図４ｃを参照して、マイクロレンズの製造過程のみを説明する。
【0042】
図４ａに示しているように、第２の平坦化膜３２０上に、マイクロレンズを形成するための物質層３３０を形成する。物質層３３０は、所定の屈折率を有する物質、例えば、ポリイミド、SiN、SiO2、SiON、HfOx、TiO2、Al2O3などの物質からなる。一部の実施形態例では、第２の平坦化膜３２０は、省略可能であり、この場合、物質層３３０は、カラーフィルタ(CF)上に形成される。
【0043】
以後、物質層３３０上に、前述したようなセンス感度に対応するサイズを有するマスクパターンを形成する。例えば、第１の単位ピクセル(PX11)は、第１のセンス感度を有し、第２の単位ピクセル(PX12)は、前記第１のセンス感度よりも低い第２のセンス感度を有する。この場合、図４ａに示しているように、第１の単位ピクセル(PX11)に対応する第１のマスクパターン(MPTT11)の第１のサイズ(SZ11)は、第２の単位ピクセル(PX12)に対応する第２のマスクパターン(MPTT12)の第２のサイズ(SZ12)よりも小さい。
【0044】
マスクパターン(MPTT11、MPTT12)は、フォト工程により形成し、感光性レジストで形成する。図４ａに示しているように、第１のマスクパターン(MPTT11)は、第１のピクセル(PX11)に対応する位置に、第２のマスクパターン(MPTT12)は、第２のピクセル(PX12)に対応する位置に、互いに離隔して形成される。
【0045】
図４ｂに示しているように、マスクパターン(MPTT11、MPTT12)を形成した後、リフロー工程により、リフローパターン(RPTT11、RPTT12)を形成する。リフロー工程は、例えば、ステッパを用いたブランク露光、及び熱工程により行う。図４ｂに示しているように、リフロー工程により形成されたリフローパターン(RPTT11、RPTT12)は、半球と同様な形状を有し、互いに空間的に離隔している。
【0046】
図４ｃに示しているように、リフローパターン(RPTT11、RPTT12)をマスクとして、エッチバック工程を行い、マイクロレンズ(MLS11、MLS12)を形成する。エッチバック工程は、リフローパターン(RPTT11、RPTT12)が完全に除去されるまで行われる。これらのリフローパターン(RPTT11、RPTT12)を用いたエッチバック工程により、マイクロレンズ(MLS11、MLS12)は、上部に膨らむ構造を有する。言い換えると、エッチバック工程により、リフローパターン(RPTT11、RPTT12)の形状が物質層３３０にそのまま転写されることで、リフローパターン(RPTT11、RPTT12)と同様な形状のマイクロレンズ(MLS11、MLS12)が形成される。
【0047】
このように、単位ピクセル(PX11、PX12)のセンス感度に対応するサイズ(SZ11、SZ12)を有するマスクパターン(MPTT11、MPTT12)を形成し、これらのマスクパターン(MPTT11、MPTT12)を用いて、リフロー工程及びエッチバック工程により、単位ピクセル(PX11、PX12)のセンス感度に対応するサイズ(SZ11、SZ12)を有するマイクロレンズ(MLS11、MLS12)を形成する。
【0048】
図５ａ及び図５ｂは、本発明の実施形態例によるイメージセンサのピクセルアレイに含まれるトレンチ構造体の実施形態例を示す断面図である。図５ａ及び図５ｂは、図１のＡ－Ａ'線に沿う断面図である。図５ａ及び図５ｂには、図示の便宜上、ピクセルアレイに含まれる複数のピクセル群のうち、１つのピクセル群(PXG1、PXG2)に対応する構造を示している。以下、図１及び２と重複する説明は、省略する。
【0049】
トレンチ構造体４００は、半導体基板(１００; 例えば、シリコン)よりも屈折率の低い絶縁物質からなり、１つ又は複数の絶縁膜を含む。例えば、トレンチ構造体４００は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、アンドープポリシリコン膜、空気、又はこれらの組み合わせからなることができる。
【0050】
このようなトレンチ構造体４００は、半導体基板１００の前面１００ａ及び/又は後面１００ｂをパターニングして、深いトレンチを形成した後、深いトレンチ内に絶縁物質を埋め込んで形成する。
【0051】
トレンチ構造体４００は、複数の単位ピクセル(PX11～PX22)に含まれる光電変換素子(PD11～PD22)を電気的及び光学的に隔離するように、半導体基板１００の前面１００ａから後面１００ｂまで垂直方向(DR3)に延在して、半導体基板１００内に配置される。
【0052】
一実施形態例において、図５ａに示しているように、トレンチ構造体４００のそれぞれは、トレンチの両側面が透明誘電体４２０でコートされ、前記トレンチの中央部が、透明誘電体４２０と異なる物質４１０で満たされる。例えば、透明誘電体４２０は、酸化物であり、中央の物質４１０は、窒化物である。すなわち、トレンチ構造体４００のそれぞれは、水平方向にＯＮＯ(oxide－nitride－oxide)構造を有する。他の実施形態例において、トレンチ構造体４００のそれぞれは、トレンチの全部が透明誘電体４２０で満たされる。
【0053】
一実施形態例において、図５ｂに示しているように、トレンチ構造体４００のそれぞれは、半導体基板１００の前面１００ａから行われるフロントトレンチ工程により形成される上部トレンチ構造体４００ｔと、半導体基板１００の後面１００ｂから行われるバックトレンチ工程により形成される下部トレンチ構造体４００ｂとを含む。
【0054】
実施形態例により、上部トレンチ構造体４００ｔ及び下部トレンチ構造体４００ｂは、互いに異なる構造又は互いに異なる組成を有する。例えば、図５ｂに示しているように、上部トレンチ構造体４００ｔは、両側面が透明誘電体４２０でコートされ、前記トレンチの中央部が、透明誘電体４２０と異なる物質４１０で満たされ、下部トレンチ構造体４００ｂはいずれも、透明誘電体４３０で満たされる。
【0055】
図６は、本発明の実施形態例によるイメージセンサを示すブロック図である。
【0056】
図６に示しているように、イメージセンサ６００は、ピクセルアレイ６２０と、行駆動部６３０と、アナログ－デジタル変換(ADC)部６４０と、列駆動部６５０と、制御部６６０と、基準電圧発生器(REF)６７０とを含む。
【0057】
ピクセルアレイ６２０は、カラムライン(COL)にそれぞれ結合され、入射光を感知して、カラムライン(COL)を介して、アナログ信号を発生する複数のピクセル７００を含む。複数のピクセルは、複数の行と複数の列からなるマトリックス状に配列される。ピクセルアレイ６２０は、図９乃至図１２を参照して後述するように、様々な単位パターンが、第１の水平方向(DR1)及び第２の水平方向(DR2)に繰返し配列される構造を有する。
【0058】
行駆動部６３０は、ピクセルアレイ６２０の各行に連結され、前記各行を駆動する駆動信号を生成する。例えば、行駆動部６３０は、ピクセルアレイ６２０に含まれる前記複数のピクセルを行単位で駆動する。
【0059】
アナログ-デジタル変換部６４０は、ピクセルアレイ６２０の各カラム(column、列)に連結され、ピクセルアレイ６２０から出力されるアナログ信号を、デジタル信号に変換する。アナログ-デジタル変換部６４０は、複数のアナログ－デジタルコンバータ６４１を含み、各カラムライン(COL)に出力されるアナログ信号を並列に(すなわち、同時に)、デジタル信号に変換するカラムＡＤＣを行う。
【0060】
また、アナログ－デジタル変換部６４０は、有効信号成分を抽出するための１つの相関二重サンプリング(correlated double sampling; CDS)部を含む。
【0061】
一実施形態例において、前記相関二重サンプリング部は、リセット成分を示すアナログリセット信号と、画像成分を示すアナログ画像信号の差に基づいて、前記有効画像成分を抽出するアナログダブルサンプリング(Analog Double Sampling)を行う。
【0062】
他の実施形態例において、前記相関二重サンプリング部は、前記アナログリセット信号と前記アナログ画像信号をデジタル信号にそれぞれ変換した後、前記有効画像成分として、２つのデジタル信号の差を抽出するデジタルダブルサンプリング(Digital Double Sampling)を行う。
【0063】
また、他の実施形態例において、前記相関二重サンプリング部は、前記アナログダブルサンプリング及び前記デジタルダブルサンプリングをいずれも行うデュアル相関二重サンプリングを行う。
【0064】
列駆動部６５０は、アナログ－デジタル変換部６４０からのデジタル信号を、出力データ(Dout)として順次出力する。
【0065】
制御部６６０は、行駆動部６３０、アナログ－デジタル変換部６４０、列駆動部６５０、及び基準信号生成部６７０を制御する。制御部６６０は、行駆動部６３０、アナログ－デジタル変換部６４０、列駆動部６５０、及び基準信号生成部６７０の動作に求められるクロック信号、タイミングコントロール信号などのような制御信号を提供する。一実施形態例において、制御部６６０は、ロジック制御回路、位相固定ループ(Phase Lock Loop; PLL)回路、タイミング制御回路、及び通信インタフェース回路などを含む。
【0066】
基準信号生成部６７０は、逐次増加又は減少する電圧レベルを有する基準信号又はランプ信号を発生して、アナログ－デジタル変換部６４０に提供する。
【0067】
図７は、本発明の実施形態例によるイメージセンサに含まれる単位ピクセルの一実施形態例を示す回路図である。
【0068】
図７に示しているように、単位ピクセル７００ａは、光電変換素子として、フォトダイオード(PD)を含み、データ読み出しのための転送トランジスタ(TX)、リセットトランジスタ(RX)、ドライブトランジスタ(DX)、及び選択トランジスタ(SX)を含む。
【0069】
例えば、フォトダイオード(PD)は、ｐ型半導体基板に形成されるｎ型領域を含み、前記ｎ型領域と前記ｐ型基板がｐ－ｎ接合フォトダイオードである。フォトダイオード(PD)は、外部から光(例えば、可視光線又は赤外線)を受信し、受信された光に基づいて、光電荷(Photo Charge)を生成する。
【0070】
実施形態例により、単位ピクセル７００ａは、フォトダイオード(PD)と共に、又はフォトダイオード(PD)に代えて、フォトトランジスタ、フォトゲート、ピンドフォトダイオードなどを含む。
【0071】
フォトダイオード(PD)で生成された光電荷は、転送トランジスタ(TX)を介して、フローティングディフュージョン領域(FD)に転送される。例えば、転送制御信号(TG)が第１のレベル(例えば、ハイレベル)を有すると、転送トランジスタ(TX)がターンオンされ、フォトダイオード(PD)で生成された光電荷は、ターンオンされた転送トランジスタ(TX)を介して、フローティングディフュージョン領域(FD)に転送される。
【0072】
ドライブトランジスタ(DX)は、ソースフォロワーバッファ増幅器(Source Follower buffer Amplifier)の役割を果たして、フローティングディフュージョン領域(FD)に充電された電荷に対応する信号を増幅することができる。選択トランジスタ(SX)は、選択信号(SEL)に応答して、前記増幅された信号、すなわち、ピクセル信号(Vpix)をカラムライン(COL)に転送する。
【0073】
フローティングディフュージョン領域(FD)は、リセットトランジスタ(RX)によりリセットされる。例えば、リセットトランジスタ(RX)は、リセット信号(RS)に応答して、フローティングディフュージョン領域(FD)に保存されている光電荷を、相関二重サンプリング(CDS)動作のための一定の周期として放電する。
【0074】
図７には、１つのフォトダイオード(PD)と、４つのトランジスタ(TX、RX、DX、SX)とを備える単位ピクセルを示しているが、これに限定されるものではない。
【0075】
図８は、本発明の実施形態例によるイメージセンサのセンス動作を示すタイミング図である。
【0076】
図８には、１つのピクセルに対するセンス動作に対応して行われるセンス区間(tRPR)が示されている。このようなセンス動作は、同一の転送制御信号(TG)に対応する複数のピクセルに対して、並列的に同時に行われる。
【0077】
図６乃至図８に示しているように、時間ｔ１で、行駆動部６３０は、論理ハイレベルに活性化された行選択信号(SEL)をピクセルアレイ６２０に提供して、ピクセルアレイ６２０に含まれる複数のピクセル行のうち、１つのピクセル行を選択する。
【0078】
時間ｔ２で、行駆動部６３０は、前記選択されたピクセル行に、リセット制御信号(RS)を提供し、制御部６６０は、論理ハイレベルを有するアップダウン制御信号(UD)を、アナログ－デジタルコンバータ６４１に含まれる複数のカウンタに提供する。この時、ピクセルアレイ６２０が出力するピクセル信号(Vpix)は、リセット成分を示す第１のアナログ信号となる。
【0079】
時間ｔ３で、制御部６６０は、論理ハイレベルを有するカウントイネーブル信号(CNT_EN)を、基準信号生成部６７０に提供し、基準信号生成部６７０は、基準信号(Vref)の電圧レベルを、一定のサイズの勾配(a)で減少させ始める。また、制御部６６０は、複数のカウンタに、カウントクロック信号(CLKC)を提供し、複数のカウンタのそれぞれは、カウントクロック信号(CLKC)に同期して、ダウンカウント動作を開始する。
【0080】
時間ｔ４で、基準信号(Vref)とピクセル信号(Vpix)の電圧レベルが等しくなり、アナログ－デジタルコンバータ６４１に含まれる比較器より出力される比較信号(CMP)は、論理ローレベルに遷移し、ダウンカウント動作が終わる。この時、カウンタには、リセット成分(Vrst)に該当するカウント値(-2)が保存される。
【0081】
時間ｔ５で、カウントイネーブル信号(CNT_EN)が、論理ローレベルに非活性化されると、基準信号生成部６７０は、ディセーブルされる。時間ｔ３から時間ｔ５の区間は、リセット成分(Vrst)をカウントするための最大区間を示し、イメージセンサの特性により、適切なクロックサイクルの数に該当するように設定される。
【0082】
時間ｔ６で、行駆動部６３０は、前記選択されたピクセル行に転送制御信号(TG)を提供し、制御部６６０は、論理ローレベルを有するアップダウン制御信号(UD)を、カウンタに提供する。この時、ピクセルアレイ６２０が出力するピクセル信号(Vpix)は、前記入射光による画像成分を示す第２のアナログ信号となる。
【0083】
時間ｔ７で、制御部６６０は、再度、論理ハイレベルを有するカウントイネーブル信号(CNT_EN)を、基準信号生成部６７０に提供し、基準信号生成部６７０は、基準電圧(Vref)の電圧レベルを、時間ｔ３と同一のサイズの勾配(a)で減少し始める。また、制御部６６０は、カウンタにカウントクロック信号(CLKC)を提供し、カウンタのそれぞれは、カウントクロック信号(CLKC)に同期して、アップカウント動作を開始する。
【0084】
時間ｔ８で、基準信号(Vref)とピクセル信号(Vpix)の電圧レベルが等しくなり、比較器から出力される比較信号(CMP)は、論理ローレベルに遷移して、アップカウント動作が終わる。最終的に、カウンタには、リセット成分(Vrst=2)を示す第１のアナログ信号と、入射光による画像成分(Vrst+Vsig=17)を示す第２のアナログ信号の差に対応するデジタル値(Vsig=15)が保存され、デジタル値(Vsig=15)は、前記入射光の有効成分を示すデジタル信号(DS)として出力される。
【0085】
時間ｔ９で、カウントイネーブル信号(CNT_EN)が論理ローレベルに非活性化されると、基準信号生成部６７０は、ディセーブルされる。時間ｔ７から時間ｔ９の区間は、画像成分(Vrst+Vsig)をカウントするための最大区間を示し、イメージセンサの特性によって、適切なクロックサイクルの数に該当するように設定される。
【0086】
時間ｔ１０で、行駆動部６３０は、論理ローレベルに非活性化された行選択信号(SEL)を、ピクセルアレイ６２０に提供して、前記選択されたピクセル行の選択を解除する。また、カウンタのそれぞれは、保存されたカウント値をリセットする。
【0087】
以後、イメージセンサ６００は、他の行に対して、前記説明した動作を繰返しながら、行単位でデジタル信号を出力する。
【0088】
【0089】
図９は、本発明の実施形態例によるピクセルアレイのレイアウトを示す平面図である。
【0090】
図９に示しているように、図６のイメージセンサ６００に含まれるピクセルアレイ６２０は、第１の水平方向(DR1)、及び第１の水平方向(DR1)に垂直な第２の水平方向(DR2)に繰返して配列される単位パターン(UPTT)に分割される。単位パターン(UPTT)は、前述したように、複数の単位ピクセルが１つのカラーフィルタを共有するピクセル群を、２つ以上含む。
【0091】
一実施形態例において、単位パターン(UPTT)は、いずれも同一である。この場合、それぞれの単位パターン(UPTT)は、更に小さい単位に分割できない最小単位のパターンに該当する。他の実施形態例において、単位パターン(UPTT)は、互いに異なる２つ以上のパターンを含み、互いに異なるパターンが、第１の水平方向(DR1)及び/又は第２の水平方向(DR2)に規則的に配置される。
【0092】
以下、図１０ａ乃至図１２を参照して、様々なカラーフィルタの配列及び様々なピクセル群に該当する単位パターンの実施形態例を説明する。一部の実施形態例では、後述するパターンを、第１の水平方向(DR1)及び/又は第２の水平方向(DR2)に反転するか、垂直方向(DR3)を中心に９０度又は１８０度分だけ、回転することもできる。
【0093】
図１０ａ乃至図１２において、赤色フィルタに対応する単位ピクセルを赤色ピクセル(R)、緑色フィルタに対応する単位ピクセルを緑色ピクセル(G)、青色フィルタに対応する単位ピクセルを青色ピクセル(B)、黄色フィルタに対応する単位ピクセルを黄色ピクセル(Y)、シアンフィルタに対応する単位ピクセルをシアンピクセル(C)という。白色ピクセル(W)は、カラーフィルタが備えられていない単位ピクセルに該当する。ピクセル群(PXGij)において、iは群の行のインデックスを、jは群の列のインデックスを示す。それぞれのピクセル群(PXG)に含まれる単位ピクセルは、１つのカラーフィルタ(CF)を共有する。
【0094】
【0095】
図１０ａ乃至図１０ｅに示しているように、４＊４サイズの単位パターン(UPTT1～UPTT5)のそれぞれは、２つの群の行(GR1、GR2)、及び２つの群の列(GC1、GC2)のマトリックス状に配置される第１～第４のピクセル群(PXG11～PXG22)を含む。第１の～第４のピクセル群(PXG11～PXG22)のそれぞれは、２つのピクセル行及び２つのピクセル列のマトリックス状に配置される４つの単位ピクセルを含む。
【0096】
一実施形態例において、図１０ａの単位パターン(UPTT1)のように、第１のピクセル群(PXG11)は、４つの赤色ピクセル(R)を含み、第２及び第３のピクセル群(PXG12、PXG21)のそれぞれは、４つの緑色ピクセル(G)を含み、第４のピクセル群(PXG22)は、４つの青色ピクセル(B)を含む。
【0097】
一実施形態例において、図１０ｂの単位パターン(UPTT2)のように、第１～第４のピクセル群(PXG11～PXG22)のそれぞれは、４つの白色ピクセル(W)を含む。
【0098】
一実施形態例において、図１０ｃの単位パターン(UPTT3)のように、第１のピクセル群(PXG11)は、４つの赤色ピクセル(R)を含み、第２のピクセル群(PXG12)は、４つの緑色ピクセル(G)を含み、第３のピクセル群(PXG21)は、４つの白色ピクセル(W)を含み、第４のピクセル群(PXG22)は、４つの青色ピクセル(B)を含む。
【0099】
一実施形態例において、図１０ｄの単位パターン(UPTT4)のように、第１のピクセル群(PXG11)は、４つの赤色ピクセル(R)を含み、第２及び第３のピクセル群(PXG12、PXG21)のそれぞれは、４つの黄色ピクセル(Y)を含み、第４のピクセル群(PXG22)は、４つの青色ピクセル(B)を含む。
【0100】
一実施形態例において、図１０ｅの単位パターン(UPTT5)のように、第１のピクセル群(PXG11)は、４つの赤色ピクセル(R)を含み、第２及び第３のピクセル群(PX12、PX21)のそれぞれは、４つの黄色ピクセル(Y)を含み、第４のピクセル群(PXG22)は、４つのシアンピクセル(C)を含む。
【0101】
【0102】
図１１ａに示しているように、８＊８サイズの単位パターン(UPTT6)は、２つの群の行(GR1、GR2)、及び２つの群の列(GC1、GC2)のマトリックス状に配置される第１～第４のピクセル群(PXG11～PXG22)を含む。第１～第４のピクセル群(PXG11～PXG22)のそれぞれは、４つのピクセル行及び４つのピクセル列のマトリックス状に配置される１６個の単位ピクセルを含む。
【0103】
一実施形態例において、図１１ａの単位パターン(UPTT6)のように、第１のピクセル群(PXG11)は、１６個の赤色ピクセル(R)を含み、第２及び３ピクセル群(PXG12、PXG21)のそれぞれは、１６個の緑色ピクセル(G)を含み、第４のピクセル群(PXG22)は、１６個の青色ピクセル(B)を含む。
【0104】
図１１ｂ及び１１ｃに示しているように、８＊８サイズの単位パターン(UPTT7、UPTT8)のそれぞれは、第１～第４の群の行(GR1～GR4)、及び第１～第４の群の列(GC1～GC4)のマトリックス状に配置される第１～第１６のピクセル群(PXG11～PXG44)を含む。
【0105】
第１～第４のピクセル群(PXG11、PXG12、PXG21、PXG22)は、第１の群の行(GR1)、第２の群の行(GR2)、第１の群の列(GC1)、及び第２の群の列(GC2)のマトリックス状に配置される。第５～第８のピクセル群(PXG13、PXG14、PXG23、PXG24)は、第１の群の行(GR1)、第２の群の行(GR2)、第３の群の列(GC3)、及び第４の群の列(GC4)のマトリックス状に配置される。第９～第１２のピクセル群(PXG31、PXG32、PXG41、PXG42)は、第３の群の行(GR3)、第４の群の行(GR4)、第１の群の列(GC1)、及び第２の群の列(GC2)のマトリックス状に配置される。第１３～第１６のピクセル群(PXG33、PXG34、PXG43、PXG44)は、第３の群の行(GR3)、第４の群の行(GR4)、第３の群の列(GC3)、及び第４の群の列(GC4)のマトリックス状に配置される。
【0106】
第１～第１６のピクセル群(PXG11～PXG44)のそれぞれは、２つのピクセル行及び２つのピクセル列のマトリックス状に配置される４つの単位ピクセルを含む。
【0107】
一実施形態例において、図１１ｂの単位パターン(UPTT7)のように、第１、第４、第５、第８、第９、第１２、第１３、及び第１６のピクセル群(PXG11、PXG22、PXG13、PXG24、PXG31、PXG42、PXG33、PXG44)のそれぞれは、４つの白色ピクセル(W)を含み、第２及び第３のピクセル群(PXG12、PXG21)のそれぞれは、４つの赤色ピクセル(R)を含み、第６、第７、第１０、及び第１１のピクセル群(PXG14、PXG23、PXG32、PXG41)のそれぞれは、４つの緑色ピクセル(G)を含み、第１４及び第１５のピクセル群(PXG34、PXG43)のそれぞれは、４つの青色ピクセル(B)を含む。
【0108】
一実施形態例において、図１１ｃの単位パターン(UPTT8)のように、第１、第４、第５、第８、第９、第１２、第１３、及び第１６のピクセル群(PXG11、PXG22、PXG13、PXG24、PXG31、PXG42、PXG33、PXG44)のそれぞれは、４つの白色ピクセル(W)を含み、第３の及び第１５のピクセル群(PXG21、PXG43)のそれぞれは、４つの赤色ピクセル(R)を含み、第２、第６、第１０、及び第１４のピクセル群(PXG12、PXG14、PXG32、PXG34)のそれぞれは、４つの緑色ピクセル(G)を含み、第７及び第１１のピクセル群(PXG23、PXG41)のそれぞれは、４つの青色ピクセル(B)を含む。
【0109】
【0110】
図１２に示しているように、６＊６サイズの単位パターン(UPTT9)は、２つの群の行(GR1、GR2)及び２つの群の列(GC1、GC2)のマトリックス状に配置される第１～第４のピクセル群(PXG11～PXG22)を含む。第１～第４のピクセル群(PXG11～PXG22)のそれぞれは、３つのピクセル行及び３つのピクセル列のマトリックス状に配置される９つの単位ピクセルを含む。
【0111】
一実施形態例において、図１２の単位パターン(UPTT9)のように、第１のピクセル群(PXG11)は、９つの赤色ピクセル(R)を含み、第２及び３のピクセル群(PXG12、PXG21)のそれぞれは、９つの緑色ピクセル(G)を含み、第４のピクセル群(PXG22)は、９つの青色ピクセル(B)を含む。
【0112】
図１３は、本発明の実施形態例によるイメージセンサのピクセルアレイの製造方法を示すシーケンス図であり、図１４は、本発明の実施形態例によるピクセルアレイの製造方法のための単位ピクセルのセンス感度測定の一実施形態例を示す図である。
【0113】
【0114】
例えば、図１４に示しているように、面光源１０を用いて、一定の照度を有する入射光を生成し、イメージセンサの光学レンズ又はモジュールレンズ２０を用いて、第１のピクセルアレイ３０に均一な強さの入射光を照射することができる。第１のピクセルアレイ３０に含まれるマイクロレンズ３１及び単位ピクセル(PX、32)はいずれも、均一なサイズを有する。
【0115】
前記センス感度に対応する第２のマイクロレンズのサイズを決める(Ｓ２００)。
【0116】
一実施形態例において、同一のカラーの単位ピクセルのカラー別平均センス感度を決め、前記カラー別平均センス感度に基づいて、マイクロレンズのサイズを決める。一実施形態例において、前記平均センス感度に対する前記同一のカラーのそれぞれの単位ピクセルのセンス感度の割合を決め、前記割合に反比例するように、前記それぞれの単位ピクセルに対応するそれぞれのマイクロレンズのサイズを決める。
【0117】
前記単位ピクセル及び前記第２のマイクロレンズを含む第２のピクセルアレイを製造する(Ｓ３００)。図４ａ乃至図４ｃで説明したように、単位ピクセル３２のセンス感度に対応するサイズを有するマスクパターンを形成し、前記マスクパターンを用いて、リフロー工程及びエッチバック工程により、前記第２のマイクロレンズを形成する。
【0118】
図１５は、本発明の実施形態例によるセンス感度バラつきの減少を示す図である。
【0119】
図１５において、横軸は、ピクセルアレイ内における同一のカラーに該当するピクセル群の位置を示し、縦軸は、同一のカラーのピクセル群の全体平均センス感度に対するそれぞれのピクセル群の群平均センス感度の割合、又は同一のカラーのピクセル群に対応するマイクロレンズの全体平均サイズに対するそれぞれのピクセル群の群平均サイズの割合を示す。
【0120】
図１５には、均一なサイズを有する第１のマイクロレンズを含む第１のピクセルアレイを用いて、測定された群平均センス感度を示す第１のセンス感度分布５１、本発明の実施形態例により、センス感度に対応するサイズを有する第２のマイクロレンズを含む第２のピクセルアレイの群平均サイズを示すサイズ分布５２、及び前記第２のマイクロレンズを含む第２のピクセルアレイを用いて、測定された群平均センス感度を示す第２のセンス感度分布５３が示されている。
【0121】
ピクセルアレイに含まれる複数のピクセル群は、前記ピクセルアレイの互いに異なる位置に配置され、同一のカラーのカラーフィルタをそれぞれ含む第１のピクセル群及び第２のピクセル群を含む。
【0122】
【0123】
この場合、前記第１のピクセル群に含まれる複数の単位ピクセルは、第１の群平均センス感度を有し、前記第２のピクセル群に含まれる複数の単位ピクセルは、前記第１の群平均センス感度よりも低い第２の群平均センス感度を有する。
【0124】
図１５に示しているように、第２のピクセルアレイに含まれるマイクロレンズのサイズ分布５２は、割合が０である水平線を中心に、第１のピクセルアレイの第１のセンス感度分布５１と対称をなす。言い換えると、前記第１のピクセル群に含まれる複数のマイクロレンズの第１の群平均サイズは、前記第２のピクセル群に含まれる複数のマイクロレンズの第２の群平均サイズよりも小さい。
【0125】
図１５に示しているように、第１のピクセルアレイの第１のセンス感度分布５１と比較して、第２のピクセルアレイの第２のセンス感度分布５３は、割合が０である水平線に収束することが分かり、結果として、第２のピクセルアレイのセンス感度バラつきが減少することができる。
【0126】
【0127】
図１６に示しているように、電子装置１０００は、カメラモジュール群１１００と、アプリケーションプロセッサ１２００と、ＰＭＩＣ１３００と、外部メモリ１４００とを含む。
【0128】
カメラモジュール群１１００は、複数のカメラモジュール１１００ａ、１１００ｂ、１１００ｃを含む。図面には、３つのカメラモジュール１１００ａ、１１００ｂ、１１００ｃが配置された実施形態例が示されているが、これに限定されるものではない。他の実施形態例において、カメラモジュール群１１００は、２つのカメラモジュールだけを含むように変形して実施可能である。また、他の実施形態例において、カメラモジュール群１１００は、ｎ個(nは、４以上の自然数)のカメラモジュールを含むように変形して実施可能である。
【0129】
以下、図１７を参照して、カメラモジュール１１００ｂの詳細構成について、より具体的に説明するが、他のカメラモジュール１１００ａ、１１００ｂに対しても、同様に適用される。
【0130】
図１７に示しているように、カメラモジュール１１００ｂは、プリズム１１０５と、光路折り畳み要素(Optical Path Folding Element；OPFE)１１１０と、アクチュエータ１１３０と、画像センシング装置１１４０と、記憶部１１５０とを含む。
【0131】
プリズム１１０５は、光反射物質の反射面１１０７を含み、外部から入射される光(L)の経路を変える。
【0132】
他の実施形態例において、プリズム１１０５は、第１の方向(X)に入射される光(L)の経路を、第１の方向(X)に垂直な第２の方向(Y)に変更可能である。また、プリズム１１０５は、光反射物質の反射面１１０７を、中心軸１１０６を中心にＡ方向に回転するか、中心軸１１０６をＢ方向に回転して、第１の方向(X)に入射される光(L)の経路を、垂直の第２の方向(Y)に変更することができる。この時、ＯＰＦＥ１１１０も、第１の方向(X)及び第２の方向(Y)に垂直な第３の方向(Z)に移動することができる。
【0133】
他の実施形態例において、図示しているように、プリズム１１０５のＡ方向の最大回転角度は、プラス(＋)Ａ方向には、１５度(degree)以下であり、マイナス(－)Ａ方向には、１５度よりも大きいが、これに限定されるものではない。
【0134】
他の実施形態例において、プリズム１１０５は、プラス(＋)又はマイナス(－)Ｂ方向に２０度前後、又は１０度から２０度、又は１５度から２０度の間で移動し、ここで、移動角度は、プラス(＋)又はマイナス(－)Ｂ方向に同一の角度で移動するか、１度前後の範囲でほぼ類似した角度まで移動する。
【0135】
他の実施形態例において、プリズム１１０５は、光反射物質の反射面１１０７を、中心軸１１０６の延在方向と平行な第３の方向(例えば、Ｚ方向)に移動することができる。
【0136】
ＯＰＦＥ１１１０は、例えば、ｍ(ここで、ｍは自然数)個の群よりなる光学レンズを含む。ｍ個のレンズは、第２の方向(Y)に移動して、カメラモジュール１１００ｂの光学ズーム倍率(optical zoom ratio)を変更する。例えば、カメラモジュール１１００ｂの基本光学ズーム倍率をＺとすると、ＯＰＦＥ１１１０に含まれたｍ個の光学レンズを移動する場合、カメラモジュール１１００ｂの光学ズーム倍率は、３Ｚ、又は５Ｚ、又は５Ｚ以上の光学ズーム倍率に変更される。
【0137】
アクチュエータ１１３０は、ＯＰＦＥ１１１０又は光学レンズ(以下、光学レンズと称する)を特定の位置に移動する。例えば、アクチュエータ１１３０は、正確な感知のために、イメージセンサ１１４２が光学レンズの焦点距離(focal length)に位置するように、光学レンズの位置を調整することができる。
【0138】
画像センシング装置１１４０は、イメージセンサ１１４２と、制御ロジック１１４４と、メモリ１１４６とを含む。イメージセンサ１１４２は、光学レンズにより提供される光(L)を用いて、センシング対象の画像を感知する。制御ロジック１１４４は、カメラモジュール１１００ｂの全般的な動作を制御する。例えば、制御ロジック１１４４は、制御信号ライン(CSLb)を介して提供された制御信号により、カメラモジュール１１００ｂの動作を制御する。
【0139】
メモリ１１４６は、キャリブレーションデータ１１４７のようなカメラモジュール１１００ｂの動作に必要な情報を保存する。キャリブレーションデータ１１４７は、カメラモジュール１１００ｂが外部から提供された光(L)を用いて、画像データを生成することに必要な情報を含む。キャリブレーションデータ１１４７は、例えば、回転度(degree of rotation)に関する情報、焦点距離(focal length)に関する情報、光学軸(optical axis)に関する情報などを含む。カメラモジュール１１００ｂが、光学レンズの位置によって焦点距離が変わるマルチステート(multi state)カメラのタイプである場合、キャリブレーションデータ１１４７は、光学レンズの各位置別(又はステート別)焦点距離値と、オートフォーカス(auto focusing)に関する情報を含む。
【0140】
記憶部１１５０は、イメージセンサ１１４２により感知された画像データを保存する。記憶部１１５０は、画像センシング装置１１４０の外に配置され、画像センシング装置１１４０を構成するセンサチップとスタックされた(ｓtacked)形状である。他の実施形態例において、記憶部１１５０は、ＥＥＰＲＯＭ(Electrically Erasable Programmable Read－Only Memory)で具現されるが、これに限定されるものではない。
【0141】
図１６及び図１７に示しているように、他の実施形態例において、複数のカメラモジュール１１００ａ、１１００ｂ、１１００ｃのそれぞれは、アクチュエータ１１３０を含む。これにより、複数のカメラモジュール１１００ａ、１１００ｂ、１１００ｃのそれぞれは、その内部に含まれたアクチュエータ１１３０の動作による互いに同一又は異なるキャリブレーションデータ１１４７を含む。
【0142】
他の実施形態例において、複数のカメラモジュール１１００ａ、１１００ｂ、１１００ｃのうちの１つのカメラモジュール(例えば、１１００ｂ)は、前述したプリズム１１０５とＯＰＦＥ１１１０を含む折り畳みレンズ(folded lens)タイプのカメラモジュールであり、残りのカメラモジュール(例えば、１１００ａ、１１００ｂ)は、プリズム１１０５とＯＰＦＥ１１１０が含まれない鉛直(vertical)状のカメラモジュールであるが、これに限定されるものではない。
【0143】
他の実施形態例において、複数のカメラモジュール１１００ａ、１１００ｂ、１１００ｃのうちの１つのカメラモジュール(例えば、１１００ｃ)は、例えば、ＩＲ(Infrared Ray)を用いて、デプス(depth)情報を抽出する鉛直状のデプスカメラ(depth camera)である。この場合、アプリケーションプロセッサ１２００は、このようなデプスカメラから提供された画像データと、他のカメラモジュール(例えば、１１００ａ又は１１００ｂ)から提供された画像データとを併合(merge)して、３次元デプス画像(3D depth image)を生成することができる。
【0144】
他の実施形態例において、複数のカメラモジュール１１００ａ、１１００ｂ、１１００ｃの少なくとも２つのカメラモジュール(例えば、１１００ａ、１１００ｂ)は、互いに異なる観測視野(Field of View、視野角)を有する。この場合、例えば、複数のカメラモジュール１１００ａ、１１００ｂ、１１００ｃの少なくとも２つのカメラモジュール(例えば、１１００ａ、１１００ｂ)の光学レンズが互いに異なるが、これに限定されるものではない。
【0145】
また、他の実施形態例において、複数のカメラモジュール１１００ａ、１１００ｂ、１１００ｃのそれぞれの視野角は、互いに異なる。この場合、複数のカメラモジュール１１００ａ、１１００ｂ、１１００ｃのそれぞれに含まれた光学レンズも、互いに異なるが、これに限定されるものではない。
【0146】
他の実施形態例において、複数のカメラモジュール１１００ａ、１１００ｂ、１１００ｃのそれぞれは、互いに物理的に分離して配置される。すなわち、１つのイメージセンサ１１４２のセンス領域を、複数のカメラモジュール１１００ａ、１１００ｂ、１１００ｃが分割して使用することではなく、複数のカメラモジュール１１００ａ、１１００ｂ、１１００ｃのそれぞれの内部に、独立したイメージセンサ１１４２が配置される。
【0147】
再度、図１６を参照すると、アプリケーションプロセッサ１２００は、画像処理装置１２１０と、メモリコントローラ１２２０と、内部メモリ１２３０とを含む。アプリケーションプロセッサ１２００は、複数のカメラモジュール１１００ａ、１１００ｂ、１１００ｃと分離される。例えば、アプリケーションプロセッサ１２００と複数のカメラモジュール１１００ａ、１１００ｂ、１１００ｃは、別の半導体チップに互いに分離される。
【0148】
画像処理装置１２１０は、複数のサブ画像プロセッサ１２１２ａ、１２１２ｂ、１２１２ｃと、画像生成器１２１４と、カメラモジュールコントローラ１２１６とを含む。
【0149】
画像処理装置１２１０は、複数のカメラモジュール１１００ａ、１１００ｂ、１１００ｃの数に対応する複数のサブ画像プロセッサ１２１２ａ、１２１２ｂ、１２１２ｃを含む。
【0150】
それぞれのカメラモジュール１１００ａ、１１００ｂ、１１００ｃから生成された画像データは、互いに分離した画像信号ライン(ISLa、ISLb、ISLc)を介して、対応するサブ画像プロセッサ１２１２ａ、１２１２ｂ、１２１２ｃに提供される。例えば、カメラモジュール１１００ａから生成された画像データは、画像信号ライン(ISLa)を介して、サブ画像プロセッサ１２１２ａに提供され、カメラモジュール１１００ｂから生成された画像データは、画像信号ライン(ISLb)を介して、サブ画像プロセッサ１２１２ｂに提供され、カメラモジュール１１００ｃから生成された画像データは、画像信号ライン(ISLc)を介して、サブ画像プロセッサ１２１２ｃに提供される。このような画像データの転送は、例えば、ＭＩＰＩ(Mobile Industry Processor Interface)に基づくカメラシリアルインタフェース(CSI; Camera Serial Interface)を用いて実行可能であるが、これに限定されるものではない。
【0151】
一方、他の実施形態例において、１つのサブ画像プロセッサが、複数のカメラモジュールに対応するように配置される。例えば、サブ画像プロセッサ１２１２ａとサブ画像プロセッサ１２１２ｃが、図示しているように、互いに分離して具現されるものではなく、１つのサブ画像プロセッサに統合して具現され、カメラモジュール１１００ａとカメラモジュール１１００ｃから提供された画像データは、選択素子(例えば、マルチフレクサ)などにより選択された後、統合されたサブ画像プロセッサに提供される。
【0152】
それぞれのサブ画像プロセッサ１２１２ａ、１２１２ｂ、１２１２ｃに提供された画像データは、画像生成器１２１４に提供される。画像生成器１２１４は、画像生成情報(Generating Information)又はモード信号(Mode Signal)により、それぞれのサブ画像プロセッサ１２１２ａ、１２１２ｂ、１２１２ｃから提供された画像データを用いて、出力画像を生成する。
【0153】
具体的に、画像生成器１２１４は、画像生成情報又はモード信号により、互いに異なる視野角を有するカメラモジュール１１００ａ、１１００ｂ、１１００ｃから生成された画像データのうちの少なくとも一部を併合して、出力画像を生成する。また、画像生成器１２１４は、画像生成情報又はモード信号により、互いに異なる視野角を有するカメラモジュール１１００ａ、１１００ｂ、１１００ｃから生成された画像データのうちのいずれか１つを選択して、出力画像を生成する。
【0154】
他の実施形態例において、画像生成情報は、ズーム信号(zoom signal or zoom factor)を含む。また、他の実施形態例において、モード信号は、例えば、ユーザから選択されたモードに基づく信号である。
【0155】
画像生成情報が、ズーム信号(ズームファクター)であり、それぞれのカメラモジュール１１００ａ、１１００ｂ、１１００ｃが互いに異なる観測視野(視野角)を有する場合、画像生成器１２１４は、ズーム信号の種類によって、互いに異なる動作を行うことができる。例えば、ズーム信号が第１の信号である場合、カメラモジュール１１００ａから出力された画像データと、カメラモジュール１１００ｃから出力された画像データとを並合した後、併合された画像信号と、併合に使用しないカメラモジュール１１００ｂから出力された画像データを用いて、出力画像を生成することができる。もし、ズーム信号が第１の信号と異なる第２の信号である場合、画像生成器１２１４は、このような画像データの併合を行わず、それぞれのカメラモジュール１１００ａ、１１００ｂ、１１００ｃから出力された画像データのうちのいずれか１つを選択して、出力画像を生成する。しかし、これに限定されるものではなく、必要に応じて、画像データを処理する方法は、変形して実施することができる。
【0156】
他の実施形態例において、画像生成器１２１４は、複数のサブ画像プロセッサ１２１２ａ、１２１２ｂ、１２１２ｃの少なくとも１つから、露出時間が相違する複数の画像データを受信し、複数の画像データに対して、ＨＤＲ(high dynamic range)処理を行うことで、ダイナミックレンジが増加した併合された画像データを生成することができる。
【0157】
カメラモジュールコントローラ１２１６は、それぞれのカメラモジュール１１００ａ、１１００ｂ、１１００ｃに制御信号を提供する。カメラモジュールコントローラ１２１６から生成された制御信号は、互いに分離した制御信号ライン(CSLa、CSLb、CSLc)を介して、対応するカメラモジュール１１００ａ、１１００ｂ、１１００ｃに提供される。
【0158】
複数のカメラモジュール１１００ａ、１１００ｂ、１１００ｃのいずれか１つは、ズーム信号を含む画像生成情報又はモード信号により、マスタ(master)カメラ(例えば、１１００ｂ)と指定され、残りのカメラモジュール(例えば、１１００ａ、１１００ｃ)は、スレーブ(slave)カメラと指定される。これらの情報は、制御信号に含まれ、互いに分離した制御信号ライン(CSLa、CSLb、CSLc)を介して、対応するカメラモジュール１１００ａ、１１００ｂ、１１００ｃに提供される。
【0159】
ズームファクター又は動作モード信号により、マスタ及びスレーブとして動作するカメラモジュールが変わる。例えば、カメラモジュール１１００ａの視野角が、カメラモジュール１１００ｂの視野角よりも広く、ズームファクターの低いズーム倍率を示す場合、カメラモジュール１１００ｂがマスタとして動作し、カメラモジュール１１００ａがスレーブとして動作する。これとは反対に、ズームファクターの高いズーム倍率を示す場合、カメラモジュール１１００ａがマスタとして動作し、カメラモジュール１１００ｂがスレーブとして動作する。
【0160】
他の実施形態例において、カメラモジュールコントローラ１２１６からそれぞれのカメラモジュール１１００ａ、１１００ｂ、１１００ｃに提供される制御信号は、シンクイネーブル信号(sync enable)信号を含む。例えば、カメラモジュール１１００ｂがマスタカメラであり、カメラモジュール１１００ａ、１１００ｃがスレーブカメラである場合、カメラモジュールコントローラ１２１６は、カメラモジュール１１００ｂにシンクイネーブル信号を転送する。このようなシンクイネーブル信号を提供されたカメラモジュール１１００ｂは、提供されたシンクイネーブル信号を基に、シンク信号(sync signal)を生成し、生成されたシンク信号を、シンク信号ライン(SSL)を介して、カメラモジュール１１００ａ、１１００ｃに提供する。カメラモジュール１１００ｂと、カメラモジュール１１００ａ、１１００ｃは、このようなシンク信号に同期化して、画像データを、アプリケーションプロセッサ１２００に転送する。
【0161】
他の実施形態例において、カメラモジュールコントローラ１２１６から複数のカメラモジュール１１００ａ、１１００ｂ、１１００ｃに提供される制御信号は、モード信号によるモード情報を含む。このようなモード情報に基づいて、複数のカメラモジュール１１００ａ、１１００ｂ、１１００ｃは、感知速度に関して、第１の動作モード及び第２の動作モードで動作する。
【0162】
複数のカメラモジュール１１００ａ、１１００ｂ、１１００ｃは、第１の動作モードで、第１の速度で画像信号を生成(例えば、第１のフレームレートの画像信号を生成)し、これを第１の速度よりも高い第２の速度で符号化(例えば、第１のフレームレートよりも高い第２のフレームレートの画像信号を符号化)し、符号化された画像信号を、アプリケーションプロセッサ１２００に転送する。この時、第２の速度は、第１の速度の３０倍以下である。
【0163】
アプリケーションプロセッサ１２００は、受信された画像信号、言い換えると、符号化された画像信号を内部に備えるメモリ１２３０、又はアプリケーションプロセッサ１２００外のストレージ１４００に保存し、以後、メモリ１２３０又はストレージ１４００から符号化された画像信号を読み出して復号化し、復号化された画像信号に基づいて、生成される画像データをディスプレイすることができる。例えば、画像処理装置１２１０の複数のサブプロセッサ１２１２ａ、１２１２ｂ、１２１２ｃのうち、対応するサブプロセッサが復号化を行うことができ、また、復号化された画像信号に対して、画像処理を行うことができる。
【0164】
複数のカメラモジュール１１００ａ、１１００ｂ、１１００ｃは、第２の動作モードで、第１の速度よりも低い第３の速度で画像信号を生成(例えば、第１のフレームレートよりも低い第３のフレームレートの画像信号を生成)し、画像信号をアプリケーションプロセッサ１２００に転送する。アプリケーションプロセッサ１２００に提供される画像信号は、符号化しない信号である。アプリケーションプロセッサ１２００は、受信される画像信号に対して、画像処理を行うか、又は画像信号をメモリ１２３０又はストレージ１４００に保存する。
【0165】
ＰＭＩＣ１３００は、複数のカメラモジュール１１００ａ、１１００ｂ、１１００ｃのそれぞれに電力、例えば電源電圧を供給する。例えば、ＰＭＩＣ１３００は、アプリケーションプロセッサ１２００の制御下で、パワー信号ライン(PSLa)を介して、カメラモジュール１１００ａに第１の電力を供給し、パワー信号ライン(PSLb)を介して、カメラモジュール１１００ｂに第２の電力を供給し、パワー信号ライン(PSLc)を介して、カメラモジュール１１００ｃに第３の電力を供給する。
【0166】
ＰＭＩＣ１３００は、アプリケーションプロセッサ１２００からの電力制御信号(PCON)に応答して、複数のカメラモジュール１１００ａ、１１００ｂ、１１００ｃのそれぞれに対応する電力を生成し、また、電力のレベルを調整する。電力制御信号(PCON)は、複数のカメラモジュール１１００ａ、１１００ｂ、１１００ｃの動作モード別に電力調整信号を含むことができる。例えば、動作モードは、低電力モード(low power mode)を含み、この時、電力制御信号(PCON)は、低電力モードで動作するカメラモジュール及び設定される電力レベルに関する情報を含む。複数のカメラモジュール１１００ａ、１１００ｂ、１１００ｃのそれぞれに提供される電力のレベルは、互いに同一であるか、互いに相違する。また、電力のレベルは、動的に変更可能である。
【0167】
以上で説明したように、本発明の実施形態例によるピクセルアレイ、イメージセンサ、及びピクセルアレイの製造方法は、マイクロレンズのサイズを調節して、単位ピクセルのセンス感度バラつきを減少することで、イメージセンサにより撮像される画像の品質を向上することができる。
【産業上の利用可能性】
【0168】
本発明の実施形態例は、イメージセンサを含む装置及びシステムに有用に利用可能である。特に、本発明の実施形態例は、コンピュータ、ノート型パソコン(laptop)、携帯電話、スマートフォン、ＭＰ３プレイヤ、ＰＤＡ(Personal Digital Assistants)、ＰＭＰ(Portable Multimedia Player)、デジタルＴＶ、デジタルカメラ、ポータブルゲームコンソール、ナビゲーション機器、ウェアラブル機器、ＩｏＴ(internet of things;)機器、ＩｏＥ(internet of everything:)機器、e－ブック(e－book)、ＶＲ(virtual reality)機器、ＡＲ(augmented reality)機器、自律走行装置などのような電子機器に更に有用に適用可能である。
【0169】
前記では、本発明を好適な実施形態例を参照して説明したが、当該技術分野における熟練した当業者は、下記の特許請求の範囲に記載された本発明の思想及び領域から逸脱しない範囲内で、本発明を様々に修正及び変更できることを理解するだろう。
【符号の説明】
【0170】
１００ 半導体基板
１００ａ 半導体基板の前面
１００ｂ 半導体基板の後面
２００ 配線層
３００ 光透過層
４００ トレンチ構造体
６００ イメージセンサ
６２０ ピクセルアレイ
６３０ 行駆動部
６４０ アナログ－デジタル変換部
６５０ 列駆動部
６６０ 制御部
７００ ピクセル
１００ａ 半導体基板の前面
１００ｂ 半導体基板の後面
２００ 配線層
３００ 光透過層
４００ トレンチ構造体
６００ イメージセンサ
６２０ ピクセルアレイ
６３０ 行駆動部
６４０ アナログ－デジタル変換部
６５０ 列駆動部
６６０ 制御部
７００ ピクセル
【図1】
【図2】
【図3】
【図4a】
【図4b】
【図4c】
【図5a】
【図5b】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10a】
【図10b】
【図10c】
【図10d】
【図10e】
【図11a】
【図11b】
【図11c】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】