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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】P2025009866
(43)【公開日】2025-01-20
(54)【発明の名称】イメージセンサ
(51)【国際特許分類】
H10F 39/12 20250101AFI20250109BHJP
H10F 39/18 20250101ALI20250109BHJP
【ＦＩ】
H01L27/146 D
H01L27/146 A
【審査請求】未請求
【請求項の数】10
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2024084496
(22)【出願日】2024-05-24
(31)【優先権主張番号】10-2023-0087268
(32)【優先日】2023-07-05
(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】100229448
【弁理士】
【氏名又は名称】中槇 利明
(72)【発明者】
【氏名】陳 暎究
(72)【発明者】
【氏名】金 永燦
(72)【発明者】
【氏名】李 承▲ひょん▼
(72)【発明者】
【氏名】黄 泰云
【テーマコード（参考）】
4M118
【Ｆターム（参考）】
4M118AA10
4M118AB01
4M118BA14
4M118CA03
4M118CA20
4M118CA22
4M118CA25
4M118CB01
4M118CB02
4M118CB03
4M118CB20
4M118DD04
4M118DD09
4M118FA06
4M118FA27
4M118FA28
4M118FA33
4M118FA38
4M118GB03
4M118GB07
4M118GB11
4M118GC08
4M118GC20
4M118GD04
4M118GD07
4M118HA22
4M118HA25
4M118HA30
(57)【要約】
【課題】イメージセンサを提供する。
【解決手段】本発明のイメージセンサは、第１のＰＤ領域及び第１のＰＤ領域に隣接して配置される第２のＰＤ領域を含む基板；第１のＰＤ領域に配置される第１面積の第１のＰＤ；第２のＰＤ領域に配置される第１面積より小さい第２面積の第２のＰＤ；基板上に配置され、第１のＰＤ領域を覆うマイクロレンズ；及び基板とマイクロレンズとの間に介在され、マイクロレンズと異なる屈折率の物質を含む光スプリッタ；を含み、光スプリッタは、第１のＰＤ領域上から第２のＰＤ領域上に延びうる。
【選択図】図５
【解決手段】本発明のイメージセンサは、第１のＰＤ領域及び第１のＰＤ領域に隣接して配置される第２のＰＤ領域を含む基板；第１のＰＤ領域に配置される第１面積の第１のＰＤ；第２のＰＤ領域に配置される第１面積より小さい第２面積の第２のＰＤ；基板上に配置され、第１のＰＤ領域を覆うマイクロレンズ；及び基板とマイクロレンズとの間に介在され、マイクロレンズと異なる屈折率の物質を含む光スプリッタ；を含み、光スプリッタは、第１のＰＤ領域上から第２のＰＤ領域上に延びうる。
【選択図】図５
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１のＰＤ（photodiode）領域及び前記第１のＰＤ領域に隣接して配置される第２のＰＤ領域を含む基板と、
前記第１のＰＤ領域に配置される第１面積の第１のＰＤと、
前記第２のＰＤ領域に配置される前記第１面積より小さい第２面積の第２のＰＤと、
前記基板上に配置され、前記第１のＰＤ領域を覆うマイクロレンズと、
前記基板と前記マイクロレンズとの間に介在され、前記マイクロレンズと異なる屈折率の物質を含む光スプリッタと、を含み、
前記光スプリッタは、前記第１のＰＤ領域上から前記第２のＰＤ領域上に延びる、イメージセンサ。
前記第１のＰＤ領域に配置される第１面積の第１のＰＤと、
前記第２のＰＤ領域に配置される前記第１面積より小さい第２面積の第２のＰＤと、
前記基板上に配置され、前記第１のＰＤ領域を覆うマイクロレンズと、
前記基板と前記マイクロレンズとの間に介在され、前記マイクロレンズと異なる屈折率の物質を含む光スプリッタと、を含み、
前記光スプリッタは、前記第１のＰＤ領域上から前記第２のＰＤ領域上に延びる、イメージセンサ。
【請求項2】
前記第１のＰＤ領域は、中心部及び前記中心部を取り囲むエッジ部分を含み、
前記光スプリッタの前記第２のＰＤ領域上での水平面積は、前記第１のＰＤ領域の前記エッジ部分上での水平面積よりも大きい、請求項１に記載のイメージセンサ。
前記光スプリッタの前記第２のＰＤ領域上での水平面積は、前記第１のＰＤ領域の前記エッジ部分上での水平面積よりも大きい、請求項１に記載のイメージセンサ。
【請求項3】
前記第１のＰＤ領域は、中心部及び前記中心部を取り囲むエッジ部分を含み、
前記光スプリッタの前記第１のＰＤ領域の前記中心部上での水平面積は、前記第１のＰＤ領域の前記エッジ部分上での水平面積よりも大きい、請求項１に記載のイメージセンサ。
前記光スプリッタの前記第１のＰＤ領域の前記中心部上での水平面積は、前記第１のＰＤ領域の前記エッジ部分上での水平面積よりも大きい、請求項１に記載のイメージセンサ。
【請求項4】
前記光スプリッタは、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、及び非晶質シリコンのうち、少なくともいずれか１つを含む、請求項１に記載のイメージセンサ。
【請求項5】
前記基板の上面と平行であり、前記第１のＰＤ領域の中心部上から前記第２のＰＤ領域の中心部上に向かう方向は、第１方向と定義され、
前記基板の上面と平行であり、前記第１方向と垂直な方向は、第２方向と定義され、
前記光スプリッタは、前記第１方向に行くにつれて前記第２方向への厚さが可変である、請求項１に記載のイメージセンサ。
前記基板の上面と平行であり、前記第１方向と垂直な方向は、第２方向と定義され、
前記光スプリッタは、前記第１方向に行くにつれて前記第２方向への厚さが可変である、請求項１に記載のイメージセンサ。
【請求項6】
前記第１のＰＤ領域と前記第２のＰＤ領域を互いに分離するＤＴＩ（Deep Trench Isolation）をさらに含み、
前記光スプリッタは、垂直方向で前記ＤＴＩの少なくとも一部とオーバーラップされる、請求項１に記載のイメージセンサ。
前記光スプリッタは、垂直方向で前記ＤＴＩの少なくとも一部とオーバーラップされる、請求項１に記載のイメージセンサ。
【請求項7】
前記マイクロレンズは、前記第１のＰＤ領域上で前記光スプリッタの少なくとも一部を露出させる開口を含み、
前記マイクロレンズは、平面視において、環（annular）状を有する、請求項１に記載のイメージセンサ。
前記マイクロレンズは、平面視において、環（annular）状を有する、請求項１に記載のイメージセンサ。
【請求項8】
第１のＰＤ領域と第２のＰＤ領域とが定義された基板と、
前記第１のＰＤ領域の前記基板内に配置された第１面積の第１のＰＤと、
前記第２のＰＤ領域の前記基板内に配置され、前記第１面積より小さい第２面積の第２のＰＤと、
前記基板上のカラーフィルタと、
前記基板と前記カラーフィルタとの間、または前記カラーフィルタ上に配置される光スプリッタと、を含み、
前記光スプリッタは、前記カラーフィルタと屈折率の異なる物質を含み、
前記光スプリッタは、垂直方向で前記第１のＰＤ領域の少なくとも一部及び前記第２のＰＤ領域の少なくとも一部とオーバーラップされる、イメージセンサ。
前記第１のＰＤ領域の前記基板内に配置された第１面積の第１のＰＤと、
前記第２のＰＤ領域の前記基板内に配置され、前記第１面積より小さい第２面積の第２のＰＤと、
前記基板上のカラーフィルタと、
前記基板と前記カラーフィルタとの間、または前記カラーフィルタ上に配置される光スプリッタと、を含み、
前記光スプリッタは、前記カラーフィルタと屈折率の異なる物質を含み、
前記光スプリッタは、垂直方向で前記第１のＰＤ領域の少なくとも一部及び前記第２のＰＤ領域の少なくとも一部とオーバーラップされる、イメージセンサ。
【請求項9】
前記光スプリッタは、前記カラーフィルタ上に配置される、請求項８に記載のイメージセンサ。
【請求項10】
前記光スプリッタは、前記基板と前記カラーフィルタとの間に介在される、請求項８に記載のイメージセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、イメージセンサに係り、特に、分割された(split)ＰＤ(Photo Diode)構造を有するイメージセンサに関する。
【背景技術】
【0002】
イメージセンサは、光を受光して電気信号を生成する半導体ベースのセンサであって、複数のピクセルを有するピクセルアレイや、ピクセルアレイを駆動し、イメージを生成するための回路などを含みうる。複数のピクセルは、外部の光に反応して電荷を生成するＰＤや、ＰＤが生成した電荷を電気信号に変換するピクセル回路などを含みうる。イメージセンサは、写真や動画を撮影するためのカメラ以外に、スマートフォン、タブレットＰＣ、ラップトップコンピュータ、テレビ、自動車などに幅広く適用されうる。最近、イメージセンサのダイナミックレンジを改善するために、分割されたＰＤ構造を有するイメージセンサの性能を向上させるための研究が進められている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
本発明の技術的思想が解決しようとする課題は、画質が改善されたイメージセンサを提供することである。
【0004】
また、本発明の技術的思想が解決しようとする課題は、前述した課題に制限されず、他の課題は、下記記載から通常の技術者に明確に理解されうる。
【課題を解決するための手段】
【0005】
前記課題を解決するために、本発明の技術的思想によるイメージセンサは、第１のＰＤ領域及び前記第１のＰＤ領域に隣接して配置される第２のＰＤ領域を含む基板；前記第１のＰＤ領域に配置される第１面積の第１のＰＤ；前記第２のＰＤ領域に配置される前記第１面積より小さい第２面積の第２のＰＤ；前記基板上に配置され、前記第１のＰＤ領域を覆うマイクロレンズ；及び前記基板と前記マイクロレンズとの間に介在され、前記マイクロレンズと異なる屈折率の物質を含む光スプリッタ；を含み、前記光スプリッタは、前記第１のＰＤ領域上から前記第２のＰＤ領域上に延びうる。
【0006】
また、本発明の技術的思想によるイメージセンサは、第１のＰＤ領域と第２のＰＤ領域が定義された基板；前記第１のＰＤ領域の前記基板内に配置された第１面積の第１のＰＤ；前記第２のＰＤ領域の前記基板内に配置され、前記第１面積より小さい第２面積の第２のＰＤ；前記基板上のカラーフィルタ；及び前記基板と前記カラーフィルタの間、または前記カラーフィルタ上に配置される光スプリッタ；を含み、前記光スプリッタは、前記カラーフィルタと屈折率の異なる物質を含み、前記光スプリッタは、垂直方向で前記第１のＰＤ領域の少なくとも一部及び前記第２のＰＤ領域の少なくとも一部とオーバーラップされうる。
【0007】
また、本発明の技術的思想によるイメージセンサは、第１のＰＤ領域及び前記第１のＰＤ領域に隣接して配置される第２のＰＤ領域を含む基板；前記第１のＰＤ領域に配置される第１面積の第１のＰＤ；前記第２のＰＤ領域に配置される前記第１面積より小さい第２面積の第２のＰＤ；前記第１のＰＤ領域と第２のＰＤ領域を互いに分離して前記基板を貫通するＤＴＩ（deep trench isolation）；前記基板上に配置され、前記第１のＰＤ領域を覆うマイクロレンズ；前記基板と前記マイクロレンズとの間に介在されるカラーフィルタ；前記基板と前記カラーフィルタの間、または前記カラーフィルタと前記マイクロレンズとの間に介在される光スプリッタ；及び前記基板下に配置され、絶縁膜及び前記絶縁膜内の導電配線を含む配線層；を含み、前記光スプリッタは、垂直方向で前記第１のＰＤ領域の少なくとも一部及び前記第２のＰＤ領域の少なくとも一部とオーバーラップされ、前記光スプリッタは、前記マイクロレンズ及び前記カラーフィルタと異なる屈折率を有する。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】本発明の一実施形態によるイメージセンサを含むイメージ処理装置を簡単に示すブロック構造図である。
【図2】本発明の一実施形態によるイメージセンサを含むイメージ処理装置を簡単に示す斜視図である。
【図3】本発明の一実施形態によるイメージセンサを含むイメージ処理装置を簡単に示す斜視図である。
【図4】本発明の一実施形態によるイメージセンサに含まれたピクセル回路を示す回路図である。
【図5】本発明の一実施形態によるイメージセンサの平面図である。
【図7】本発明の一実施形態によるイメージセンサの平面図である。
【図8】本発明の一実施形態によるイメージセンサの平面図である。
【図9】本発明の一実施形態によるイメージセンサの平面図である。
【図10】本発明の一実施形態によるイメージセンサの平面図である。
【図11】本発明の一実施形態によるイメージセンサの平面図である。
【図12】本発明の一実施形態によるイメージセンサの平面図である。
【図13】本発明の一実施形態によるイメージセンサの平面図である。
【図14】本発明の一実施形態によるイメージセンサの平面図である。
【図18】本発明の一実施形態によるイメージセンサの平面図である。
【図20】本発明の一実施形態によるイメージセンサの平面図である。
【図22】本発明の一実施形態によるイメージセンサの平面図である。
【図23】本発明の一実施形態によるイメージセンサの平面図である。
【図24】本発明の一実施形態によるイメージセンサの平面図である。
【図25】本発明の一実施形態によるイメージセンサの平面図である。
【図27】本発明の一実施形態によるイメージセンサの平面図である。
【図29】本発明の一実施形態によるイメージセンサの平面図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。図面上の同じ構成要素については、同じ参照符号を使用し、それらについての重複説明は省略する。
【0010】
図１は、本発明の一実施形態によるイメージセンサを含むイメージ処理装置を簡単に示すブロック構造図である。
【0011】
図１を参照すれば、本実施形態のイメージ処理装置１は、イメージセンサ１０、及びイメージプロセッサ２０を含みうる。イメージセンサ１０は、ピクセルアレイ１１、ロウドライバ１２、カラムドライバ１３、リードアウト回路１４及びタイミングコントローラ１５などを含みうる。
【0012】
イメージセンサ１０は、イメージプロセッサ２０から受信する制御命令によって動作し、撮影の対象である被写体から反射された光を電気信号に変換してイメージプロセッサ２０に出力しうる。イメージセンサ１０に含まれるピクセルアレイ１１は、複数のピクセルＰＸを含み、複数のピクセルＰＸそれぞれは、光を受光して電荷を生成するフォトダイオード(Photo-Diode：ＰＤ)を含みうる。一実施形態において、複数のピクセルＰＸそれぞれは、二以上のＰＤを含みうる。
【0013】
一方、複数のピクセルＰＸそれぞれは、ＰＤで生成された電荷から電気信号を生成するためのピクセル回路を含みうる。例えば、ピクセル回路は、転送(transfer)トランジスタ（ＴＲ）、駆動(Driving)ＴＲ、選択(select)ＴＲ、及びリセット(reset)ＴＲなどのピクセルＴＲを含みうる。１つのピクセルＰＸが２以上のＰＤを有する場合、各ピクセルＰＸは、２以上のＰＤそれぞれで生成された電荷を処理するためのピクセル回路を含みうる。すなわち、１つのピクセルＰＸが２以上のＰＤを有する場合、ピクセル回路は、転送ＴＲ、駆動ＴＲ、選択ＴＲ、及びリセットＴＲのうち、少なくとも１つを２個以上含みうる。
【0014】
本実施形態のイメージ処理装置１において、１つのピクセルＰＸは、２個のＰＤを含みうる。それにより、ピクセルＰＸは、分割された(split)ＰＤ構造を有する。また、本実施形態のイメージ処理装置１において、ピクセルＰＸは、１つのＰＤで生成された電荷を処理する第１ピクセル回路、及び他の１つのＰＤで生成された電荷を処理する第２ピクセル回路を含みうる。第１ピクセル回路と第２ピクセル回路それぞれは、複数の半導体素子を含みうる。第１ピクセル回路は、１つのＰＤで生成された電荷から第１ピクセル信号を生成して出力し、第２ピクセル回路は他の１つのＰＤで生成された電荷から第２ピクセル信号を生成して出力しうる。第１ピクセル信号と第２ピクセル信号それぞれは、リセット電圧とピクセル電圧を含みうる。
【0015】
ロウドライバ１２は、ピクセルアレイ１１を行(row)単位で駆動しうる。例えば、ロウドライバ１２は、各ピクセルＰＸの転送ＴＲを制御する転送制御信号、リセットＴＲを制御するリセット制御信号、選択ＴＲを制御する選択制御信号などを生成しうる。
【0016】
カラムドライバ１３は、相関二重サンプラ(Correlated Double Sampler：ＣＤＳ)、アナログ－デジタルコンバータ(Analog-to-Digital Converter：ＡＤＣ)などを含みうる。ＣＤＳは、ロウドライバ１２が供給する行選択信号によって選択される行に含まれるピクセルＰＸに連結されたカラムラインを介してピクセル信号を獲得するための相関二重サンプリングを遂行しうる。ＡＤＣは、相関二重サンプラの出力をデジタル信号に変換してリードアウト回路１４に伝達しうる。
【0017】
リードアウト回路１４は、デジタル信号を一時的に保存するラッチまたはバッファ回路や増幅回路などを含みうる。また、リードアウト回路１４は、カラムドライバ１３から受信したデジタル信号を処理してイメージデータを生成しうる。ロウドライバ１２、カラムドライバ１３及びリードアウト回路１４の動作タイミングは、タイミングコントローラ１５によって決定されうる。タイミングコントローラ１５は、イメージプロセッサ２０から伝送された制御命令によって動作しうる。イメージプロセッサ２０は、リードアウト回路１４が出力するイメージデータを処理してディスプレー装置などに出力するか、メモリなどの保存装置に保存しうる。また、本実施形態のイメージ処理装置１が自律走行車両に搭載される場合、イメージプロセッサ２０は、イメージデータを信号処理して自律走行車両を制御するメインコントローラなどに伝送しうる。
【0018】
【0019】
図２を参照すれば、本実施形態のイメージ処理装置２は、積層された複数のチップを含みうる。例えば、イメージ処理装置２は、センシング領域ＳＡを備えた上部チップ４０、ロジック回路領域ＬＣを備えた中間チップ５０、及びメモリ領域ＭＣとダミー領域ＤＣを備えた下部チップ６０を含みうる。一部実施形態において、上部チップ４０と中間チップ５０は、ウェーハレベルで互いに積層され、下部チップ６０は、チップレベルで中間チップ５０の下部に付着されうる。
【0020】
上部チップ４０は、複数のピクセルＰＸが配置されたセンシング領域ＳＡと、センシング領域ＳＡ周辺の第１パッド領域ＰＡ１を含みうる。第１パッド領域ＰＡ１には、複数の上部パッドＰＡＤが配置されうる。複数の上部パッドＰＡＤは、ビア(via)などを介して中間チップ５０の第２パッド領域ＰＡ２に配置されたパッドに連結されてロジック回路領域ＬＣのロジック回路に連結されうる。
【0021】
複数のピクセルＰＸそれぞれは、光を受光して電荷を生成するＰＤや、ＰＤで生成された電荷を電気信号に変換するピクセル回路などを含みうる。ＰＤは、有機ＰＤ、または半導体ＰＤなどを含みうる。一部実施形態において、複数のピクセルＰＸそれぞれは、複数の半導体ＰＤを含みうる。ピクセル回路は、ＰＤで生成された電荷を電気信号に変換するための複数のピクセルＴＲを含みうる。
【0022】
中間チップ５０は、ロジック回路が配置されたロジック回路領域ＬＣとロジック回路領域ＬＣ周辺の第２パッド領域ＰＡ２を含みうる。ロジック回路領域ＬＣのロジック回路は、上部チップ４０に配置されたピクセル回路を駆動するための回路、例えば、ロウドライバ、カラムドライバ、及びタイミングコントローラなどを含みうる。ロジック回路領域ＬＣのロジック回路は、第１及び第２パッド領域ＰＡ１、ＰＡ２のパッド、及びビアを介してピクセル回路に連結されうる。
【0023】
下部チップ６０は、メモリ領域ＭＣとダミー領域ＤＣを含みうる。一部実施形態において、ダミー領域ＤＣは、省略されうる。また、一部実施形態において、下部チップ６０は、パッケージ構造を有する。例えば、メモリ領域ＭＣとダミー領域ＤＣそれぞれがチップに製造され、密封材に共に密封されることにより、下部チップ６０は、２個のチップを備えたパッケージ構造を有する。メモリ領域ＭＣには、ダイナミックランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ）素子、またはスタティックランダムアクセスメモリ（ＳＲＡＭ）素子のようなメモリ素子が配置されうる。しかし、メモリ領域ＭＣに配置されたメモリ素子がＤＲＡＭ素子、またはＳＲＡＭ素子に限定されるものではない。ダミー領域ＤＣには、メモリ素子が配置されない。ダミー領域ＤＣは、データを保存する機能ではない、上部のチップ５０、６０を支持する機能が行える。メモリ領域ＭＣのメモリ素子は、バンプや貫通電極などを介して中間チップ５０のロジック回路領域ＬＣのロジック回路のうち、少なくとも一部と電気的に連結されうる。
【0024】
図３を参照すれば、本実施形態のイメージ処理装置３は、上部チップ７０と下部チップ８０を含みうる。上部チップ７０は、複数のピクセルＰＸが提供されるセンシング領域ＳＡ、複数のピクセルＰＸを駆動するための素子が提供されるロジック回路領域ＬＣ、及びセンシング領域ＳＡとロジック回路領域ＬＣ周辺のパッド領域ＰＡを含みうる。パッド領域ＰＡには、複数の上部パッドＰＡＤが配置され、複数の上部パッドＰＡＤは、ビアなどを介して下部チップ８０に設けられたメモリ領域ＭＣのメモリ素子と連結されうる。下部チップ８０は、メモリ領域ＭＣとダミー領域ＤＣを含みうる。下部チップ８０は、図２のイメージ処理装置２の下部チップ６０と実質的に同一でもある。それにより、下部チップ８０に係わる詳細な説明は省略する。
【0025】
図４は、本発明の一実施形態によるイメージセンサに含まれるピクセル回路を示す回路図である。
【0026】
図４を参照すれば、本実施形態のイメージセンサ１００のピクセル回路は、第１のＰＤ ＬＰＤ、第２のＰＤ ＳＰＤ、第１転送ＴＲ ＴＸ１、第２転送ＴＲ ＴＸ２、第１フローティングディフュージョン(Floating Diffusion)ＦＤ１、第２のＦＤ ＦＤ２、第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２、リセットＴＲ ＲＸ、駆動ＴＲ ＤＸ、選択ＴＲ ＳＸ、メタルキャパシタＭｃａｐ、キャパシタＥＸＣ及びデュアル変換利得ＴＲ ＤＣＧを含みうる。
【0027】
第１のＰＤ ＬＰＤ及び第２のＰＤ ＳＰＤは、ｎ型不純物領域とｐ型不純物領域を含むフォトダイオードでもある。イメージセンサ１００のピクセル回路によれば、第１のＰＤ ＬＰＤ及び第２のＰＤ ＳＰＤで生成された電荷を用いて電気信号を出力することができる。第１のＰＤ ＬＰＤは、例えば、第２のＰＤ ＳＰＤより数～数十倍のサイズを有する。ここで、サイズは、水平面積を意味する。それにより、図５及び図６などから分かるように、第１のＰＤ ＬＰＤは、第２のＰＤ ＳＰＤより数～数十倍大きい受光面積を有する。
【0028】
第１のＰＤ ＬＰＤは、第１転送ＴＲ ＴＸ１を介して第１のＦＤ ＦＤ１に連結されうる。第１転送ＴＲ ＴＸ１は、ロウドライバから伝達される転送制御信号に基づいて第１のＰＤ ＬＰＤに蓄積された電荷を第１のＦＤ ＦＤ１に伝達しうる。第１のＰＤ ＬＰＤは、電子を主電荷キャリアとして生成しうる。
【0029】
第２のＰＤ ＳＰＤは、第２転送ＴＲ ＴＸ２を介して第２のＦＤ ＦＤ２に連結されうる。第２転送ＴＲ ＴＸ２は、ロウドライバから伝達される転送制御信号に基づいて、第２のＰＤ ＳＰＤに蓄積された電荷を第２のＦＤ ＦＤ２に伝達しうる。第２のＰＤ ＳＰＤも電子を主電荷キャリアとして生成しうる。具体的に、第２のＰＤ ＳＰＤで生成された電荷は、第２転送ＴＲ ＴＸ２がオンになるとき、第２のＦＤ ＦＤ２に移動しうる。第２のＰＤ ＳＰＤは、第２転送ＴＲ ＴＸ２がオフになっている間に、光に反応して電荷を生成し、第２転送ＴＲ ＴＸ２がオンになる度に第２のＰＤ ＳＰＤで生成された電荷が第２のＦＤ ＦＤ２に移動して蓄積されうる。
【0030】
一実施形態において、第１スイッチＳＷ１と第２のＦＤ ＦＤ２を用いて、第１のＰＤ ＬＰＤで生成された電荷の変換利得(Conversion Gain：ＣＧ)、またはピクセルの容量を調節しうる。第１スイッチＳＷ１は、ＴＲとして具現されうる。例えば、第１スイッチＳＷ１をオンにして、第１のＦＤ ＦＤ１と第２のＦＤ ＦＤ２とを合わせることにより、ピクセルの容量を増加させ、ダイナミックレンジ(Dynamic Range：ＤＲ)を増加させ、ＣＧを変更させうる。すなわち、本実施形態のイメージセンサ１００は、ダブルＣＧ構造を有しうる。
【0031】
また、第２のＰＤ ＳＰＤで生成された電荷は、メタルキャパシタＭｃａｐに保存されうる。メタルキャパシタＭｃａｐと第２のＦＤ ＦＤ２との間に第２スイッチＳＷ２が配置されうる。第２スイッチＳＷ２も、第１スイッチＳＷ１のようにＴＲとして具現されうる。それにより、メタルキャパシタＭｃａｐは、第２転送ＴＲ ＴＸ２及び第２スイッチＳＷ２の動作に応答して電荷を保存しうる。一実施形態によって、第２スイッチＳＷ２は、提供されない。実施形態によって、第２スイッチＳＷ２がない場合、メタルキャパシタＭｃａｐは、第２転送ＴＲ ＴＸ２の動作に応答して電荷を保存しうる。
【0032】
一方、メタルキャパシタＭｃａｐと第１のＦＤ ＦＤ１との間には、第１スイッチＳＷ１と第２スイッチＳＷ２が配置されうる。それにより、第１スイッチＳＷ１と第２スイッチＳＷ２のオン／オフ動作によってメタルキャパシタＭｃａｐの電荷が第１のＦＤ ＦＤ１に移動しうる。前述したように、第２のＰＤ ＳＰＤは、第１のＰＤ ＬＰＤと比較して相対的に小さい受光面積を有し、第２のＰＤ ＳＰＤの電荷をメタルキャパシタＭｃａｐに移して保存する方式で第２のＰＤ ＳＰＤの飽和を防止しうる。
【0033】
本実施形態のイメージセンサ１００において、第２のＰＤ ＳＰＤは、イメージセンサのダイナミックレンジを改善するために用いられうる。すなわち、メタルキャパシタＭｃａｐを用いて高照度でも飽和されずに電荷を保存して出力可能にしうる。
【0034】
駆動ＴＲ ＤＸは、第１のＦＤ ＦＤ１に蓄積される電荷によってソースフォロワバッファ増幅器(Source Follower Buffer Amplifier)として動作しうる。駆動ＴＲ ＤＸは、第１のＦＤ ＦＤ１に蓄積された電荷を増幅させて選択ＴＲ ＳＸに信号を伝達しうる。具体的に、第１のＦＤ ＦＤ１が駆動ＴＲ ＤＸのゲートに連結され、リセットＴＲ ＲＸと駆動ＴＲ ＤＸのソースに電源電圧ＶＤＤが連結されうる。選択ＴＲ ＳＸのドレインにカラムラインが連結されて電圧Ｖｏｕｔが出力されうる。選択ＴＲ ＳＸは、ロウドライバから入力される選択制御信号によって動作し、スイッチング及びアドレッシング動作を遂行することができる。ロウドライバから選択制御信号が選択ＴＲ ＳＸのゲートに印加されると、選択ＴＲ ＳＸに連結されたカラムラインを介して電圧Ｖｏｕｔが出力されうる。電圧Ｖｏｕｔは、カラムラインに連結されたカラムドライバ及びリードアウト回路によって検出されうる。
【0035】
カラムドライバ及びリードアウト回路は、第１のＦＤ ＦＤ１に電荷が蓄積されていない状態でリセット電圧を検出し、第１のＦＤ ＦＤ１に電荷が蓄積された状態でピクセル電圧を検出しうる。本実施形態のイメージセンサ１００は、例えば、図１で例示したカラムドライバ１３に含まれたＣＤＳを用いて、リセット電圧とピクセル電圧との差を計算してイメージデータを生成しうる。
【0036】
デュアル変換利得ＴＲ ＤＣＧは、キャパシタＥＸＣと連結されうる。第１のＦＤ ＦＤ１は、デュアル変換利得ＴＲ ＤＣＧのオン（ｏｎ）またはオフ（ｏｆｆ）状態によってキャパシタＥＸＣと連結されるか、または連結されない。これにより、第１のＦＤ ＦＤ１のキャパシタンス(capacitance)を調節することができる。デュアル変換利得ＴＲ ＤＣＧをオフにする場合、第１のＦＤ ＦＤ１のキャパシタンスが減少してＣＧが増加することにより、低光量状況でイメージセンサ１００の性能が向上しうる。一方、デュアル変換利得ＴＲ ＤＣＧをオンにする場合、第１のＦＤ ＦＤ１のキャパシタンスが増加して電荷保存容量(full well capacity)が増加することにより、高光量状況において、イメージセンサ１００の性能が向上しうる。このようにデュアル変換利得ＴＲ ＤＣＧは、低光量及び高光量状況から流動的にオン/オフを調節することにより、イメージセンサ１００の画質を改善する機能を遂行しうる。
【0037】
第１のＰＤ ＬＰＤと第２のＰＤ ＳＰＤは、カラムラインを共有することができる。それにより、第１のＰＤ ＬＰＤの電荷に対応する第１ピクセル電圧がカラムラインを介して出力される間に、第２のＰＤ ＳＰＤは、カラムラインと分離しうる。例えば、第１ピクセル電圧がカラムラインに出力される間、第２転送ＴＲ ＴＸ２及び第１スイッチＳＷ１のうち、少なくとも１つをオフにし、第２のＰＤ ＳＰＤをカラムラインと分離しうる。第１のＰＤ ＬＰＤの電荷を用いて第１ピクセル電圧を生成し、カラムラインに出力するために、第１転送ＴＲ ＴＸ１がオンになり、第１のＰＤ ＬＰＤで生成された電荷が第１のＦＤ ＦＤ１に蓄積されうる。
【0038】
同様に、第２のＰＤ ＳＰＤの電荷に対応する第２ピクセル電圧をカラムラインに出力する間、第１のＰＤ ＬＰＤは、カラムラインと分離されうる。例えば、第２ピクセル電圧がカラムラインに出力される間、第１転送ＴＲ ＴＸ１がオフになり、第１のＰＤ ＬＰＤをカラムラインと分離させうる。第２のＰＤ ＳＰＤの電荷を用いて第２ピクセル電圧を生成し、カラムラインに出力するために、第２転送ＴＲ ＴＸ２及び第１スイッチＳＷ１がオンになり、第１のＦＤ ＦＤ１及び第２のＦＤ ＦＤ２が互いに連結されうる。第２のＰＤ ＳＰＤの電荷は、第１のＦＤ ＦＤ１及び第２のＦＤ ＦＤ２に蓄積されて駆動ＴＲ ＤＸによって電圧に変換されうる。
【0039】
【0040】
図５及び図６を参照すれば、イメージセンサ１００は、基板１０１、第１のＰＤ ＬＰＤ、第２のＰＤ ＳＰＤ、深い素子分離部(Deep Trench Isolation：ＤＴＩ)１３０、メタル格子１７２、カラーフィルタ１７０、光スプリッタＬＳ、マイクロレンズ１８０、及び配線層２００を含みうる。
【0041】
基板１０１は、シリコンを含みうる。しかし、基板１０１の材質がシリコンに限定されるものではない。例えば、基板１０１は、ゲルマニウム（Ｇｅ）のような単元素半導体や、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、ヒ化インジウム（ＩｎＡｓ）、またはリン化インジウム（ＩｎＰ）のような化合物半導体を含みうる。
【0042】
複数個の単位ピクセルＰＸｕが第１方向Ｘと第２方向Ｙに沿って、２次元アレイ構造に配置されうる。本明細書において、第１方向Ｘは、基板１０１の上面と平行な一方向と定義され、第２方向Ｙは、基板１０１の上面と平行であり、第１方向Ｘと垂直な方向と定義される。
【0043】
複数個の単位ピクセルＰＸｕそれぞれは、１つの第１のＰＤ領域ＡＲ１と、１つの第１のＰＤ領域ＡＲ１に対応する１つの第２のＰＤ領域ＡＲ２を含みうる。例えば、単位ピクセルＰＸｕは、１つの第１のＰＤ領域ＡＲ１と、前記１つの第１のＰＤ領域ＡＲ１の左側上部に配置された１つの第２のＰＤ領域ＡＲ２を含みうる。複数個の単位ピクセルＰＸｕは、ＤＴＩ １３０構造によって互いに分離されうる。第１のＰＤ領域ＡＲ１と第２のＰＤ領域ＡＲ２は、ＤＴＩ １３０構造によって互いに分離されうる。
【0044】
一実施形態において、複数個の単位ピクセルＰＸｕは、Ｆｒｏｎｔ－ＤＴＩ構造によって互いに分離されうる。
【0045】
平面視において、第１のＰＤ領域ＡＲ１は、八角形状を有し、第２のＰＤ領域ＡＲ２は、長方形状を有する。一方、第２のＰＤ領域ＡＲ２は隣接する４個の第１のＰＤ領域ＡＲ１の間に配置されうる。さらに具体的に、１つの第２のＰＤ領域ＡＲ２は、４個の第１のＰＤ領域ＡＲ１によって取り囲まれる。また、第１のＰＤ領域ＡＲ１の８辺のうち、４辺に４個の第２のＰＤ領域ＡＲ２が交互に隣接して配置されうる。
【0046】
以上、第１のＰＤ領域ＡＲ１が八角形状を有し、第２のＰＤ領域ＡＲ２が長方形状を有する実施形態について説明した。しかし、本実施形態のイメージセンサ１００において、複数個の単位ピクセルＰＸｕそれぞれを構成する第１のＰＤ領域ＡＲ１と第２のＰＤ領域ＡＲ２の形態が前述した形態に限定されるものではない。例えば、第１のＰＤ領域ＡＲ１は、長方形状または六角形状を有する。一方、第２のＰＤ領域ＡＲ２は、長方形状でもある。しかし、第２のＰＤ領域ＡＲ２が第１のＰＤ領域ＡＲ１の内部に配置されうる。その場合、第２のＰＤ領域ＡＲ２は、円、楕円、長方形以外の多角形など多様な形態を有しうる。第１のＰＤ領域ＡＲ１と第２のＰＤ領域ＡＲ２それぞれの形態は、実施しようとするイメージセンサ１００の設計によっても異なる。
【0047】
第１のＰＤ領域ＡＲ１において、基板１０１内に第１のＰＤ ＬＰＤが配置され、第２のＰＤ領域ＡＲ２において、基板１０１内に第２のＰＤ ＳＰＤが配置されうる。一方、第１のＰＤ領域ＡＲ１と第２のＰＤ領域ＡＲ２は、ＤＴＩ １３０によって互いに分離されうる。
【0048】
ＤＴＩ １３０が基板１０１を垂直方向に貫通しうる。ＤＴＩ １３０が基板１０１を貫通する構造に形成されることにより、傾斜して入射される光によるピクセル間のクロストーク(crosstalk)が防止されうる。また、第１のＰＤ ＬＰＤと第２のＰＤ ＳＰＤそれぞれがＤＴＩ １３０にほぼ隣接して形成され、それにより、受光面積が広がり、フィルファクタ(fill factor)が向上しうる。
【0049】
ＤＴＩ １３０は、導電層１３２と絶縁層１３４を含みうる。導電層１３２は、例えば、ポリシリコン、または不純物がドーピングされたポリシリコンを含みうる。しかし、導電層１３２の材質が前記物質に限定されるものではない。例えば、導電層１３２は、金属、金属シリサイド、金属含有導電物質などを含みうる。絶縁層１３４は、導電層１３２の外部を取り囲み、導電層１３２を基板１０１から絶縁させうる。絶縁層１３４は、例えば、シリコン酸化物、シリコン窒化物及びシリコン酸窒化物のような酸化物や窒化物を含みうる。しかし、絶縁層１３４の材質が前記物質に限定されるものではない。
【0050】
基板１０１の上面上には、カラーフィルタ１７０が配置されうる。カラーフィルタ１７０は、基板１０１の上面を覆う。カラーフィルタ１７０は、レッドフィルタ、ブルーフィルタ、及びグリーンフィルタのうち、いずれか１つを含みうる。一実施形態において、カラーフィルタ１７０は、省略されうる。カラーフィルタ１７０が省略される場合、カラーフィルタ１７０があった位置には、光を透過させる透明な他の構成が含まれうる。カラーフィルタ１７０が省略される場合、イメージセンサ１００は、赤外線感知センサとして活用されうる。
【0051】
基板１０１とカラーフィルタ１７０との間にメタル格子１７２が配置されうる。メタル格子１７２は、垂直方向でＤＴＩ １３０とオーバーラップされうる。メタル格子１７２の垂直厚さは、カラーフィルタ１７０の垂直厚さよりも薄い。しかし、本発明は、それに制限されず、メタル格子１７２の垂直厚さは、カラーフィルタ１７０の垂直厚さと同一であってもよい。前記垂直厚さは、基板１０１の上面に垂直な方向への厚さを意味する。
【0052】
メタル格子１７２は、複数個のカラーフィルタ１７０を分離する。メタル格子１７２は、ＤＴＩ １３０と共に、カラーフィルタ１７０に入射された光が隣接した単位ピクセルＰＸｕのＰＤに伝達されることを防止しうる。これにより、イメージセンサ１００の複数個の単位ピクセルＰＸｕの間のクロストークの発生が減少しうる。メタル格子１７２は、金属及び／または金属窒化物のような導電物質を含みうる。例えば、メタル格子１７２は、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、及び／またはチタン窒化物（ＴｉＮ）を含みうる。しかし、メタル格子１７２の材質がＷ、Ｔｉ、及びＴｉＮに限定されるものではない。メタル格子１７２上には、低屈折率物質からなる格子構造がさらに形成されうる。
【0053】
カラーフィルタ１７０上に光スプリッタＬＳが配置されうる。平面視において、光スプリッタＬＳは、長方形状を有する。光スプリッタＬＳは、平面視において、第１のＰＤ領域ＡＲ１の中心から第２のＰＤ領域ＡＲ２の中心に向かう方向に延びる長軸を有する。スプリッタＬＳは、第１のＰＤ ＬＰＤ上から第２のＰＤ ＳＰＤ上に、断絶される部分なしに延びうる。光スプリッタＬＳは、垂直方向で第１のＰＤ ＬＰＤの少なくとも一部とオーバーラップされ、垂直方向で第２のＰＤ ＳＰＤの少なくとも一部とオーバーラップされうる。
【0054】
光スプリッタＬＳは、カラーフィルタ１７０及びマイクロレンズ１８０と屈折率の異なる物質を含みうる。例えば、光スプリッタＬＳは、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、及び／または非晶質シリコンを含みうる。
【0055】
カラーフィルタ１７０上において、マイクロレンズ１８０が垂直方向で第１のＰＤ領域ＡＲ１とオーバーラップされうる。マイクロレンズ１８０は、垂直方向で第１のＰＤ領域ＡＲ１の全部とオーバーラップされ、垂直方向で第２のＰＤ領域ＡＲ２の一部とオーバーラップされうる。第２のＰＤ領域ＡＲ２の他の一部は、垂直方向でマイクロレンズ１８０とオーバーラップされない。
【0056】
第１のＰＤ領域ＡＲ１上において、マイクロレンズ１８０は、カラーフィルタ１７０及び光スプリッタＬＳを覆う。第２のＰＤ領域ＡＲ２上において、マイクロレンズ１８０は、カラーフィルタ１７０の少なくとも一部及び光スプリッタＬＳの少なくとも一部を覆いうる。したがって、カラーフィルタ１７０の上面の一部及び光スプリッタＬＳの上面の一部は、マイクロレンズ１８０から外部に露出されうる。または、第２のＰＤ領域ＡＲ２上において、マイクロレンズ１８０が光スプリッタＬＳの全部を覆いうる。これは、実施しようとするイメージセンサ１００の設計によっても異なる。マイクロレンズ１８０は、ドーム形状または半球形状を有する。
【0057】
一実施形態において、第２のＰＤ領域ＡＲ２上において、マイクロレンズ１８０がカラーフィルタ１７０及び光スプリッタＬＳを完全に覆うか、またはカラーフィルタ１７０及び光スプリッタＬＳそれぞれの少なくとも一部を覆わない。マイクロレンズ１８０の水平面積は異なりうる。これは、実施しようとするイメージセンサ１００の設計によっても異なる。
【0058】
マイクロレンズ１８０は、透明で光を透過させうる。マイクロレンズ１８０は、ポリマーのような有機物質を含みうる。例えば、マイクロレンズ１８０は、フォトレジスト物質または熱硬化性樹脂を含みうる。
【0059】
外部の光は、マイクロレンズ１８０を透過しうる。マイクロレンズ１８０を透過した光は、カラーフィルタ１７０を介して第１のＰＤ ＬＰＤに行くか、または光スプリッタＬＳに入射されうる。光スプリッタＬＳに行った一部光は、光スプリッタＬＳとマイクロレンズ１８０との境界面及び光スプリッタＬＳとカラーフィルタ１７０との境界面で反復的に反射しうる。そのような方式によって、光スプリッタＬＳに行った一部光は第１のＰＤ ＬＰＤ上から第２のＰＤ ＳＰＤ上に進みうる。第２のＰＤ ＳＰＤ上に進んだ光は、光スプリッタＬＳを介して第２のＰＤ ＳＰＤに入射されうる。すなわち、光スプリッタＬＳは、その名称のように第１のＰＤ領域ＡＲ１上に入射された光を第２のＰＤ領域ＡＲ２に分配する機能を遂行しうる。
【0060】
もし、光スプリッタＬＳが提供されず、第１のＰＤ領域ＡＲ１を覆うマイクロレンズ１８０と第２のＰＤ領域ＡＲ２を覆うマイクロレンズ１８０とがそれぞれ別個に提供されるならば、２つのマイクロレンズ１８０は、互いにその高さが異なることになる。マイクロレンズ１８０は、ドーム形状または半球形状を有するためである。その場合、基板１０１の上面に垂直な方向を基準に２つのマイクロレンズ１８０に入射される光の角度が大きくなったとき、第１のＰＤ領域ＡＲ１と第２のＰＤ領域ＡＲ２で発生するビネッティング(Vignetting)の程度が異なるので、第１のＰＤ ＬＰＤと第２のＰＤ ＳＰＤでの相対照度(Relative Illumination)が異なりうる。また、イメージセンサ１００において第１のＰＤ ＬＰＤと第２のＰＤ ＳＰＤが１つの単位ピクセルＰＸｕを構成する点を考慮したとき、第１のＰＤ ＬＰＤと第２のＰＤ ＳＰＤの位置差によってオプティカルセンター(optical center)が一致しなくなる問題が発生する。そして、オプティカルセンターの不一致は、第１のＰＤ ＬＰＤと第２のＰＤ ＳＰＤとの色分離現象を引き起こしうる。また、２つのマイクロレンズ１８０の高さが異なる場合、入射光の角度が増加するほど、第１のＰＤ ＬＰＤのマイクロレンズが第２のＰＤ ＳＰＤのマイクロレンズを遮蔽することになり、第１のＰＤ ＬＰＤと第２のＰＤ ＳＰＤとの角度別光特性が異なる問題が発生しうる。
【0061】
本発明の概念によるイメージセンサ１００は、第１のＰＤ ＬＰＤ及び第２のＰＤ ＳＰＤを含む基板１０１、基板１０１上の光スプリッタＬＳ、及び光スプリッタＬＳ上のマイクロレンズ１８０を含みうる。光スプリッタＬＳは、マイクロレンズ１８０と屈折率の異なる物質を含みうる。これにより、第１のＰＤ ＬＰＤ上に入射された光がマイクロレンズ１８０を介して光スプリッタＬＳに入射され、光スプリッタＬＳを介して第２のＰＤ ＳＰＤに入射されうる。したがって、単位ピクセルＰＸｕで１つのマイクロレンズ１８０のみを配置することができるので、複数個のマイクロレンズ１８０の高さ差によって発生する問題点が解決されうる。上記のような理由によって、イメージセンサ１００の画質が改善されうる。
【0062】
基板１０１の下部には、ピクセル回路が配置されうる。図示されていないピクセル回路は、図６の紙面(paper plane)に垂直方向に内側や外側部分に配置されうる。図示されたピクセル回路のみをさらに具体的に説明すれば、第１のＰＤ領域ＡＲ１の基板１０１の下部に、第１転送ＴＲ（図４のＴＸ１）のゲートＴＧ１及び第１のＦＤ ＦＤ１が配置されうる。第２のＰＤ領域ＡＲ２の基板１０１の下部に、第２転送ＴＲ（図４のＴＸ２）のゲートＴＧ２及び第２のＦＤ ＦＤ２が配置されうる。
【0063】
第１転送ＴＲ（図４のＴＸ１）のゲートＴＧ１及び第２転送ＴＲ（図４のＴＸ２）のゲートＴＧ２は、垂直構造を有する。それにより、第１転送ＴＲ（図４のＴＸ１）のゲートＴＧ１は、垂直方向に基板１０１の下部を貫通して延びて第１のＰＤ ＬＰＤに連結されうる。第２転送ＴＲ（図４のＴＸ２）のゲートＴＧ２は、垂直方向に基板１０１の下部を貫通して延びて第２のＰＤ ＳＰＤに連結されうる。第１転送ＴＲ（図４のＴＸ１）のゲートＴＧ１及び第２転送ＴＲ（図４のＴＸ２）のゲートＴＧ２は、例えば、ドーピングされたシリコンのような導電物質からなりうる。
【0064】
図示していないが、リセットＴＲ（図４のＲＸ）のゲート、駆動ＴＲ（図４のＤＸ）のゲート及び選択ＴＲ（図４のＳＸ）のゲートは、水平構造を有する。それにより、水平構造のゲートは、基板１０１の下面上に配置されうる。
【0065】
一方、基板１０１の下面部分には、複数の高濃度ドーピング領域１４０が配置されうる。複数の高濃度ドーピング領域１４０は、第１のＦＤ ＦＤ１、第２のＦＤ ＦＤ２、及びピクセルＴＲのソース／ドレイン領域を含みうる。例えば、第１転送ＴＲ（図４のＴＸ１）のゲートＴＧ１側面の高濃度ドーピング領域１４０は、第１のＦＤ ＦＤ１を構成しうる。同様に、第２転送ＴＲ（図４のＴＸ２）のゲートＴＧ２側面の高濃度ドーピング領域１４０は、第２のＦＤ ＦＤ２を構成しうる。図示されていないが、駆動ＴＲ（図４のＤＸ）のゲート及び選択ＴＲ（図４のＳＸ）のゲートの両方側面の高濃度ドーピング領域１４０は、駆動ＴＲ（図４のＤＸ）と選択ＴＲ（図４のＳＸ）のソース／ドレイン領域を構成しうる。
【0066】
基板１０１の下面上に配線層２００が配置されうる。配線層２００は、絶縁膜２０２及び絶縁膜２０２内の導電配線２０４を含みうる。導電配線２０４は、第１転送ＴＲ（図４のＴＸ１）のゲートＴＧ１、第２転送ＴＲ（図４のＴＸ２）のゲートＴＧ２、第１のＦＤ ＦＤ１、及び第２のＦＤ ＦＤ２と連結されうる。導電配線２０４は、図６で図示されていないピクセル回路とも連結されうる。
【0067】
【0068】
図７ないし図１３を参照すれば、光スプリッタＬＳの平面形状は多様に変形されうる。図７を参照すれば、イメージセンサ１００ａの光スプリッタＬＳ１の第２のＰＤ領域ＡＲ２上での水平面積は、第１のＰＤ領域ＡＲ１のエッジ部分上での水平面積よりも大きくなる。第１のＰＤ領域ＡＲ１のエッジ部分は、第１のＰＤ領域ＡＲ１の中心部を取り囲む部分としうる。一実施形態において、光スプリッタＬＳ１は、第２のＰＤ領域ＡＲ２を全部覆いうる。光スプリッタＬＳ１の第２のＰＤ領域ＡＲ２上での水平面積が第１のＰＤ領域ＡＲ１のエッジ部分上での水平面積よりも大きい場合、第２のＰＤ領域ＡＲ２上に行った光のうち第２のＰＤ ＳＰＤに入射される比率が増加しうる。したがって、第２のＰＤ ＳＰＤへの光伝達効率が増加して第２のＰＤ ＳＰＤの感度が向上しうる。
【0069】
図８及び図９を参照すれば、イメージセンサ１００ｂ、１００ｃの光スプリッタＬＳ２、ＬＳ３の第２のＰＤ領域ＡＲ２上での水平面積は、第１のＰＤ領域ＡＲ１のエッジ部分上での水平面積よりも大きくなる。第１のＰＤ領域ＡＲ１のエッジ部分は、第１のＰＤ領域ＡＲ１の中心部を取り囲む部分としうる。一実施形態において、光スプリッタＬＳ２、ＬＳ３は、第２のＰＤ領域ＡＲ２を全部覆いうる。
【0070】
また、光スプリッタＬＳ２、ＬＳ３の第１のＰＤ領域ＡＲ１の中心部上での水平面積は、第１のＰＤ領域ＡＲ１のエッジ部分上での水平面積よりも大きくなる。例えば、光スプリッタＬＳ２、ＬＳ３は、第１のＰＤ領域ＡＲ１の中心部上で方形の平面形状を有する。この際、方形のコーナー方向は、多様に変形されうる。図８のように方形の横辺が第１方向Ｘまたは第２方向Ｙと平行であってもよい。または、図９のように、方形の横辺が基板（図６の１０１）の上面と平行であり、第１方向Ｘ及び第２方向Ｙと交差する任意の方向と平行であってもよい。一実施形態において、図９のように、方形は、菱形を有する。但し、本発明は、それに制限されず、第１のＰＤ領域ＡＲ１の中心部上で、光スプリッタＬＳ２、ＬＳ３は、円、楕円、及び多角形など多様な平面形状を有する。
【0071】
その場合、光スプリッタＬＳ２、ＬＳ３に入射される光量が増加して第１のＰＤ領域ＡＲ１上に入射された光のうち、第２のＰＤ領域ＡＲ２上に行く比率が大きくなる。したがって、第２のＰＤ ＳＰＤの感度が向上しうる。
【0072】
図１０を参照すれば、イメージセンサ１００ｄは、光スプリッタＬＳ４を含みうる。第１のＰＤ領域ＡＲ１の中心部上での光スプリッタＬＳ４の水平面積は、第１のＰＤ領域ＡＲ１のエッジ部分上での光スプリッタＬＳ４の水平面積よりも大きくなる。第１のＰＤ領域ＡＲ１のエッジ部分は、第１のＰＤ領域ＡＲ１の中心部を取り囲む部分としうる。図５で説明したように、光スプリッタＬＳ４は、垂直方向で第２のＰＤ領域ＡＲ２の一部とオーバーラップされうる。光スプリッタＬＳ４は、第２のＰＤ領域ＡＲ２の少なくとも一部は覆わない。例えば、光スプリッタＬＳ４は、第１のＰＤ領域ＡＲ１の中心部上で方形の平面形状を有する。但し、本発明は、それに制限されず、第１のＰＤ領域ＡＲ１の中心部上で、光スプリッタＬＳ４は、円、楕円、及び多角形など多様な平面形状を有する。
【0073】
図１１及び図１２を参照すれば、イメージセンサ１００ｅの光スプリッタＬＳ５、ＬＳ６の厚さＴＴは、第１のＰＤ領域ＡＲ１の中心部から第２のＰＤ領域ＡＲ２の中心部に向かう方向に行くにつれて可変であってもよい。
【0074】
図１１を参照すれば、イメージセンサ１００ｅの光スプリッタＬＳ５の厚さＴＴは、第１のＰＤ領域ＡＲ１の中心部から第２のＰＤ領域ＡＲ２の中心部に向かう方向に行くほど大きくなる。光スプリッタＬＳ５の厚さＴＴは、基板（図６の１０１）の上面と平行であり、第１のＰＤ領域ＡＲ１の中心部から第２のＰＤ領域ＡＲ２の中心部に向かう方向と垂直な方向への厚さを意味する。一実施形態において、光スプリッタＬＳ５の厚さＴＴは、第１のＰＤ領域ＡＲ１の中心部から第２のＰＤ領域ＡＲ２の中心部に向かう方向に行くほど一定に大きくなる。図１１では、光スプリッタＬＳ５の側壁を直線に図示したが、本発明は、それに制限されない。光スプリッタＬＳ５の側壁は、曲線形態を有してもよい。
【0075】
図１２を参照すれば、イメージセンサ１００ｆの光スプリッタＬＳ６の厚さＴＴは、第１のＰＤ領域ＡＲ１の中心部から第２のＰＤ領域ＡＲ２の中心部に向かう方向に行くほど減少しうる。光スプリッタＬＳ６の厚さＴＴは、基板（図６の１０１）の上面と平行であり、第１のＰＤ領域ＡＲ１の中心部から第２のＰＤ領域ＡＲ２の中心部に向かう方向と垂直な方向への厚さを意味する。一実施形態において、光スプリッタＬＳ６の厚さＴＴは、第１のＰＤ領域ＡＲ１の中心部から第２のＰＤ領域ＡＲ２の中心部に向かう方向に行くほど一定に減少しうる。図１２では、光スプリッタＬＳ６の側壁を直線に図示したが、本発明は、それに制限されない。光スプリッタＬＳ６の側壁は、曲線形態を有してもよい。
【0076】
図１３を参照すれば、イメージセンサ１００ｇの光スプリッタＬＳ７は、第２のＰＤ領域ＡＲ２を全部覆いうる。光スプリッタＬＳ７の厚さＴＴは、第１のＰＤ領域ＡＲ１の中心部から第２のＰＤ領域ＡＲ２の中心部まで一定になる。光スプリッタＬＳ７の厚さＴＴは、基板（図６の１０１）の上面と平行であり、第１のＰＤ領域ＡＲ１の中心部から第２のＰＤ領域ＡＲ２の中心部に向かう方向と垂直な方向への厚さを意味する。
【0077】
図１４は、本発明の一実施形態によるイメージセンサの平面図である。図１５は、本発明の一実施形態によるイメージセンサの図面であって、図１４のＢ－Ｂ’線に沿って見た断面図である。以下、図５及び図６を参照して説明したところと重複説明は省略し、相違点についてのみ詳述する。
【0078】
図１４及び図１５を参照すれば、イメージセンサ１００ｈの第１のＰＤ領域ＡＲ１と第２のＰＤ領域ＡＲ２との境界面にあるメタル格子１７２の少なくとも一部が省略されうる。光スプリッタＬＳと垂直方向でオーバーラップされる部分で、メタル格子１７２が省略されうる。一方、平面視において、メタル格子１７２は、光スプリッタＬＳと離隔されうる。その場合、メタル格子１７２の高さが高いとしても、光スプリッタＬＳを介して第２のＰＤ領域ＡＲ２上に円滑に光が進みうる。したがって、第２のＰＤ ＳＰＤの感度が向上しうる。
【0079】
図１６は、本発明の一実施形態によるイメージセンサの図面であって、図５のＡ－Ａ’線に沿って見た断面図である。図１７は、本発明の一実施形態によるイメージセンサの図面であって、図５のＡ－Ａ’線に沿って見た断面図である。以下、図５及び図６を参照して説明したところと重複説明は省略し、違いについてのみ詳述する。
【0080】
図１６を参照すれば、イメージセンサ１００ｉの光スプリッタＬＳは基板１０１とカラーフィルタ１７０の間に介在されうる。光スプリッタＬＳは、基板１０１の上面を直接覆いうる。光スプリッタＬＳは、第１のＰＤ領域ＡＲ１と第２のＰＤ領域ＡＲ２との境界にあるメタル格子１７２の少なくとも一部を覆いうる。マイクロレンズ１８０と光スプリッタＬＳは、互いに離隔されうる。カラーフィルタ１７０が光スプリッタＬＳの上面及び側面を覆いうる。その場合、光スプリッタＬＳを介した円滑な光の進行のために、第１のＰＤ領域ＡＲ１と第２のＰＤ領域ＡＲ２との境界にあるメタル格子１７２の少なくとも一部は省略されうる。
【0081】
図１７を参照すれば、イメージセンサ１００ｊは、図６でのイメージセンサ１００のメタル格子１７２の代わりに、第１メタル格子１７３と第２メタル格子１７４を含みうる。第１メタル格子１７３は、図６でのメタル格子１７２のうち、第１のＰＤ領域ＡＲ１と第２のＰＤ領域ＡＲ２との境界面に配置された部分に対応しうる。第２メタル格子１７４は、図６でのメタル格子１７２で第１メタル格子１７３を除いた残り部分としうる。第１メタル格子１７３は、光スプリッタＬＳによって覆われる部分でもあり、第２メタル格子１７４は、光スプリッタＬＳによって覆われない部分でもある。但し、第２メタル格子は、図６でのメタル格子１７２と異なるように、第１部分１７５及び第２部分１７６を含みうる。第１部分１７５と第２部分１７６は、互いに異なる屈折率の物質を含みうる。第１メタル格子１７３は、第１部分１７５と同じ物質を含みうる。第２部分１７６は、金属ではない低屈折率の絶縁体または半導体材料としうる。
【0082】
イメージセンサ１００ｊの光スプリッタＬＳは、図１６でのイメージセンサ１００ｉの光スプリッタＬＳのように、基板１０１とカラーフィルタ１７０との間に介在されうる。光スプリッタＬＳは、基板１０１の上面を直接覆いうる。光スプリッタＬＳは、第１メタル格子１７３の少なくとも一部を覆いうる。マイクロレンズ１８０と光スプリッタＬＳは、互いに離隔されうる。カラーフィルタ１７０が光スプリッタＬＳの上面及び側面を覆いうる。
【0083】
光スプリッタＬＳは、第２部分１７６と同じ物質を含みうる。これにより、第１メタル格子１７３及び第２メタル格子１７４を形成するとき、光スプリッタＬＳも共に形成しうる。すなわち、イメージセンサ１００ｊの製造工程が容易になる。
【0084】
図１８は、本発明の一実施形態によるイメージセンサの平面図である。図１９は、本発明の一実施形態によるイメージセンサの図面であって、図１８のＣ－Ｃ’線に沿って見た断面図である。以下、図５及び図６を参照して説明したところと重複説明は省略し、違いについてのみ詳述する。
【0085】
図１８及び図１９を参照すれば、イメージセンサ１００ｋは、第２のＰＤ領域ＡＲ２上の充填材１７８及び遮光膜ＬＳＦをさらに含みうる。充填材１７８は、基板１０１の上面上に配置されうる。充填材１７８は、光スプリッタＬＳ側面に配置されうる。充填材１７８は、遮光膜ＬＳＦと基板１０１との間に介在されうる。充填材１７８は、シリコン酸化物、シリコン窒化物、及び／またはシリコン酸窒化物のような絶縁物質を含みうる。または充填材は、カラーフィルタ１７０と同じ物質を含みうる。
【0086】
遮光膜ＬＳＦが光スプリッタＬＳ及び充填材１７８上に配置されうる。遮光膜ＬＳＦは、第２のＰＤ領域ＡＲ２を覆いうる。遮光膜ＬＳＦの上面の垂直レベルは、カラーフィルタ１７０の上面の垂直レベルと同一であってもよいし、低くてもよいし、高くてもよい。マイクロレンズ１８０は、遮光膜ＬＳＦの一部を覆いうる。遮光膜ＬＳＦは、Ｗ、Ａｌ、及び／またはＣｕのような金属を含みうる。
【0087】
遮光膜ＬＳＦの存在によって第２のＰＤ ＳＰＤへの直接的な光の流入を防止しうるので、カラーフィルタ１７０が第１のＰＤ領域ＡＲ１上にのみ提供されうる。これにより、第２のＰＤ領域ＡＲ２に伝達される光量をさらに効果的に調節しうるので、第２のＰＤ ＳＰＤの感度を容易に調節しうる。
【0088】
図２０は、本発明の一実施形態によるイメージセンサの平面図である。図２１は、本発明の一実施形態によるイメージセンサの図面であって、図２０のＤ－Ｄ’線に沿って見た断面図である。以下、図５及び図６を参照して説明したところと重複説明は省略し、違いについてのみ詳述する。
【0089】
図２０及び図２１を参照すれば、イメージセンサ１００ｌのマイクロレンズ１８０は、開口１８０Ｈを含みうる。平面視において、開口１８０Ｈは、マイクロレンズ１８０の中心部（または、第１のＰＤ領域ＡＲ１の中心部）に形成されうる。マイクロレンズ１８０は、ドーナツ状(donut)を有する。平面視において、マイクロレンズ１８０は、環状(annular)を有する。第１のＰＤ領域ＡＲ１上で光スプリッタＬＳの少なくとも一部が開口１８０Ｈから外部に露出されうる。一方、第１のＰＤ領域ＡＲ１上で光スプリッタＬＳの少なくとも一部が垂直方向で開口１８０Ｈとオーバーラップされうる。
【0090】
開口１８０Ｈを除いたマイクロレンズ１８０の断面形状は、円の一部となりうる。一実施形態において、マイクロレンズ１８０の断面形状は半円としうる。
【0091】
開口１８０Ｈが第１のＰＤ領域ＡＲ１の中心部に形成されることにより、第１のＰＤ領域ＡＲ１上で光スプリッタＬＳに入射される光量が減少しうる。すなわち、開口１８０Ｈを形成することで、第２のＰＤ ＳＰＤに伝達される光量を調節しうる。
【0092】
図２２は、本発明の一実施形態によるイメージセンサの平面図である。図２３は、本発明の一実施形態によるイメージセンサの平面図である。図２４は、本発明の一実施形態によるイメージセンサの平面図である。以下、図２０及び図２１を参照して説明したところと重複説明は省略し、違いについてのみ詳述する。
【0093】
図２２、図２３、及び図２４を参照すれば、イメージセンサ１００ｍ、１００ｎ、１００ｏのマイクロレンズ１８０に形成された開口１８０Ｈの位置は多様に変更されうる。例えば、図２２のようにマイクロレンズ１８０の開口１８０Ｈが第１のＰＤ領域ＡＲ１の中心部よりも第２のＰＤ領域ＡＲ２に近く形成されうる。または、図２３のようにマイクロレンズ１８０の開口１８０Ｈが第１のＰＤ領域ＡＲ１の中心部から第２のＰＤ領域ＡＲ２と遠くなる方向に離れて形成されうる。これにより、開口１８０Ｈと垂直方向でオーバーラップされる光スプリッタＬＳの面積が大きくなるか、または減少する。または、図２４のように、光スプリッタＬＳの長さを減少させつつ、開口１８０Ｈの平面的位置も、光スプリッタＬＳの少なくとも一部と垂直方向でオーバーラップされうる。前述したような開口１８０Ｈの位置の決定及び光スプリッタＬＳの距離の調節を通じて、第２のＰＤ ＳＰＤに伝達される光量を調節しうる。
【0094】
図２５は、本発明の一実施形態によるイメージセンサの平面図である。図２６は、本発明の一実施形態によるイメージセンサの図面であって、図２５のＥ－Ｅ’線に沿って見た断面図である。以下、図５及び図６を参照して説明したところと重複説明は省略し、違いについてのみ詳述する。
【0095】
図２５及び図２６を参照すれば、イメージセンサ１００ｐは、図５及び図６での光スプリッタＬＳの代わりに、第１スプリッタ部分ＬＳ８及び第２スプリッタ部分ＬＳ９を含みうる。第１スプリッタ部分ＬＳ８は、第１のＰＤ領域ＡＲ１上で基板１０１とカラーフィルタ１７０との間に介在されうる。第２スプリッタ部分ＬＳ９は、第２のＰＤ領域ＡＲ２上で基板１０１とカラーフィルタ１７０との間に介在されうる。第１スプリッタ部分ＬＳ８は、三角形の断面形状を有する。第２スプリッタ部分ＬＳ９は、円柱、楕円柱、四角柱、または多角柱などの形状を有する。第１スプリッタ部分ＬＳ８は、プリズム(prism)の機能を遂行する。すなわち、第１のＰＤ領域ＡＲ１上に入射された光が第１スプリッタ部分ＬＳ８に伝達され、第１スプリッタ部分ＬＳ８の内部で光が反射及び屈折して第２のＰＤ領域ＡＲ２上の第２スプリッタ部分ＬＳ９に伝達されうる。第２スプリッタ部分ＬＳ９に伝達された光は、反射及び屈折して第２のＰＤ ＳＰＤに伝達されうる。第１スプリッタ部分ＬＳ８と第２スプリッタ部分ＬＳ９は、図５及び図６での光スプリッタＬＳが含む物質と同じ物質を含みうる。
【0096】
図２７は、本発明の一実施形態によるイメージセンサの平面図である。図２８は、本発明の一実施形態によるイメージセンサの図面であって、図２７をＦ－Ｆ’線に沿って見た断面図である。以下、図５及び図６を参照して説明したところと重複説明は省略し、違いについてのみ詳述する。
【0097】
図２７及び図２８を参照すれば、イメージセンサ１００ｑの光スプリッタＬＳは、メサ(mesa)形状の構造物ＬＳａ、ＬＳｂ、ＬＳｃ、ＬＳｄを含みうる。この際、イメージセンサ１００ｑは、マイクロレンズ１８０を含まない。メサ形状は、上面が平坦であり、側面が直角または急な図形の形状を意味する。例えば、メサ形状は、円柱を含みうる。図２６において、構造物ＬＳａ、ＬＳｂ、ＬＳｃ、ＬＳｄの平面形状は、円で図示したが、それに制限されない。構造物ＬＳａ、ＬＳｂ、ＬＳｃ、ＬＳｄは、それぞれ楕円、三角形、方形、及び／または多角形などの多様な形状を有する。したがって、メサ形状は、楕円柱、三角柱、四角柱、及び／または多角柱などの多様な形状を有する。
【0098】
構造物ＬＳａ、ＬＳｂ、ＬＳｃ、ＬＳｄそれぞれは、互いに離隔されうる。構造物ＬＳａ、ＬＳｂ、ＬＳｃ、ＬＳｄ間の離隔距離は、自由に調節されうる。構造物ＬＳａ、ＬＳｂ、ＬＳｃ、ＬＳｄそれぞれの水平面積も自由に調節されうる。構造物ＬＳａ、ＬＳｂ、ＬＳｃ、ＬＳｄ間の離隔距離及び構造物ＬＳａ、ＬＳｂ、ＬＳｃ、ＬＳｄそれぞれの水平面積を調節することで、第１のＰＤ領域ＡＲ１に入射された光を反射及び屈折を介して第２のＰＤ領域ＡＲ２上に伝達させうる。すなわち、構造物ＬＳａ、ＬＳｂ、ＬＳｃ、ＬＳｄの形状及び距離を調節することで、イメージセンサ１００ｑの光スプリッタＬＳは、図５及び図６での光スプリッタＬＳのような機能（光分配機能）を遂行しうる。
【0099】
【0100】
図２９は、本発明の一実施形態によるイメージセンサの平面図である。図３０は、本発明の一実施形態によるイメージセンサの図面であって、図２９をＧ－Ｇ’線に沿って見た断面図である。以下、図５及び図６を参照して説明したところと重複説明は省略し、違いについてのみ詳述する。
【0101】
図２９及び図３０を参照すれば、図５及び図６の光スプリッタＬＳは省略されうる。その代わりに、イメージセンサ１００ｒのマイクロレンズ１８０の内部にボイドＶＤが形成されうる。ボイドＶＤは、マイクロレンズ１８０内部の空き空間としうる。一実施形態において、ボイドＶＤは、エアギャップ(airgap)を含みうる。ボイドＶＤの内部には、気体原子または分子が含まれる。ボイドＶＤの屈折率は、マイクロレンズ１８０及びカラーフィルタ１７０の屈折率と異なりうる。
【0102】
マイクロレンズ１８０に入射された光は、ボイドＶＤ内部に入射され、前記光は、ボイドＶＤとマイクロレンズ１８０との境界面、及びボイドＶＤとカラーフィルタ１７０との境界面で反射を繰り返し、第１のＰＤ ＬＰＤ上から第２のＰＤ ＳＰＤ上に進みうる。第２のＰＤ ＳＰＤ上に進んだ光は、ボイドＶＤを通過して第２のＰＤ ＳＰＤに入射されうる。これにより、イメージセンサ１００ｒのボイドＶＤは、図５及び図６での光スプリッタＬＳのような機能を遂行する。すなわち、イメージセンサ１００ｒのボイドＶＤは、第１のＰＤ領域ＡＲ１上に入射された光を、第２のＰＤ領域ＡＲ２に分配する機能を遂行する。
【0103】
ボイドＶＤの形状は、多様としうる。図２９及び図３０では、ボイドＶＤの平面及び断面形状を長方形と示されているが、本発明は、それに制限されない。ボイドＶＤの平面及び／または断面形状は、円、楕円、及び多角形など多様な形状に変更しうる。例えば、ボイドＶＤは、半球状であってもよい。これは、実施しようとするイメージセンサ１００ｒの設計によっても異なる。
【0104】
以上、本発明を図面に図示された実施形態に基づいて説明したが、これは、例示的なものに過ぎず、当該技術分野の通常の知識を有する者であれば、それらから多様な変形及び均等な他の実施形態が可能であるという点を理解するであろう。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は、特許請求の範囲の技術的思想によって決定されねばならない。
【符号の説明】
【0105】
１００ イメージセンサ
１０１ 基板
１３０ 深い素子分離部（ディープトレンチアイソレーション）
１７０ カラーフィルタ
１７２ メタル格子
１８０ マイクロレンズ
２００ 配線層
ＬＳ 光スプリッタ
ＰＸｕ 単位ピクセル
ＬＰＤ 第１のＰＤ
ＳＰＤ 第２のＰＤ
ＡＲ１ 第１のＰＤ領域
ＡＲ２ 第２のＰＤ領域
１０１ 基板
１３０ 深い素子分離部（ディープトレンチアイソレーション）
１７０ カラーフィルタ
１７２ メタル格子
１８０ マイクロレンズ
２００ 配線層
ＬＳ 光スプリッタ
ＰＸｕ 単位ピクセル
ＬＰＤ 第１のＰＤ
ＳＰＤ 第２のＰＤ
ＡＲ１ 第１のＰＤ領域
ＡＲ２ 第２のＰＤ領域
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】
【図30】
