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特許7616833自動焦点イメージセンサのピクセルアレイ及びこれを含む自動焦点イメージセンサ
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2025-01-08
(45)【発行日】2025-01-17
(54)【発明の名称】自動焦点イメージセンサのピクセルアレイ及びこれを含む自動焦点イメージセンサ
(51)【国際特許分類】
H10F 39/18 20250101AFI20250109BHJP
H10F 39/12 20250101ALI20250109BHJP
【ＦＩ】
H01L27/146 A
H01L27/146 D
【請求項の数】
21
(21)【出願番号】P 2020099786
(22)【出願日】2020-06-09
(65)【公開番号】P2021022728
(43)【公開日】2021-02-18
【審査請求日】2023-05-30
(31)【優先権主張番号】10-2019-0090165
(32)【優先日】2019-07-25
(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR
(73)【特許権者】
【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】藤田 雅人
(72)【発明者】
【氏名】李 景鎬
【審査官】脇水 佳弘
(56)【参考文献】
【文献】米国特許出願公開第２０１５／０３７３２５５（ＵＳ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１９／１１１３７３（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１４－２０７３９０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１５－０５０３３１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１３－１７５４９４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００１－２３０４００（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｌ ２７／１４６
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
ゲート電極が配置される第１面及び前記第１面と対向する第２面を含む基板と、前記基板内に配置され、位相差を検出することに使われる複数の第１ピクセル及び映像を検出することに使われる複数の第２ピクセルを含む複数のピクセルと、
前記基板内に配置され、前記基板の前記第２面から垂直方向に延在されて前記複数のピクセルの各々を互いに分離させ、前記基板の前記第１面とは直接接触しない深い素子分離部と、
前記基板内に前記第１面と隣接するように配置され、前記複数の第１ピクセルのうち、少なくとも一部のみと隣接するように配置される複数の第１接地領域を含み、
前記第１接地領域に印加される接地電圧が、前記深い素子分離部と前記基板の前記第１面との間の空間を通じて、隣接した前記第２ピクセルに提供される、自動焦点イメージセンサのピクセルアレイ。
【請求項2】
前記複数の第１接地領域の個数は前記複数の第１ピクセルの個数と同一であり、前記複数の第１接地領域は前記複数の第１ピクセル全てと隣接するように配置されることを特徴とする、請求項１に記載の自動焦点イメージセンサのピクセルアレイ。
【請求項3】
前記複数の第１接地領域の個数は前記複数の第１ピクセルの個数より少なく、前記複数の第１接地領域は前記複数の第１ピクセルのうちの一部と隣接するように配置されることを特徴とする、請求項１に記載の自動焦点イメージセンサのピクセルアレイ。
【請求項4】
前記複数の第１接地領域は前記基板にドーピングされた不純物と同一導電型の第１不純物が前記基板より高い濃度でドーピングされて形成されることを特徴とする、請求項１に記載の自動焦点イメージセンサのピクセルアレイ。
【請求項5】
前記基板内に前記第１面と隣接するように配置され、前記複数の第２ピクセルのうちの一部のみと隣接するように配置される複数の第２接地領域をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の自動焦点イメージセンサのピクセルアレイ。
【請求項6】
前記複数の第２接地領域のサイズは前記複数の第１接地領域のサイズより小さいことを特徴とする、請求項５に記載の自動焦点イメージセンサのピクセルアレイ。
【請求項7】
前記複数の第２ピクセルはいずれも接地領域を含まないことを特徴とする、請求項１に記載の自動焦点イメージセンサのピクセルアレイ。
【請求項8】
前記基板上に配置され、前記複数の第２ピクセルに入射される光量より前記複数の第１ピクセルに入射される光量が少ないように光量を調節する遮光パターンをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の自動焦点イメージセンサのピクセルアレイ。
【請求項9】
光は前記基板の前記第２面を通じて入射され、前記遮光パターンは前記基板の前記第２面上に配置されることを特徴とする、請求項８に記載の自動焦点イメージセンサのピクセルアレイ。
【請求項10】
前記深い素子分離部はメッシュ（mesh）構造を有し、前記遮光パターンは前記深い素子分離部と重なるメッシュ構造を有し、前記複数の第２ピクセルより前記複数の第１ピクセルで広い面積を有することを特徴とする、請求項８に記載の自動焦点イメージセンサのピクセルアレイ。
【請求項11】
前記遮光パターンは、前記複数の第１ピクセルを部分的に露出させる複数の第１開口部を含むことを特徴とする、請求項１０に記載の自動焦点イメージセンサのピクセルアレイ。
【請求項12】
前記遮光パターン上に配置される複数のカラーフィルタと、前記複数のカラーフィルタ上に配置される複数のマイクロレンズをさらに含むことを特徴とする、請求項８に記載の自動焦点イメージセンサのピクセルアレイ。
【請求項13】
前記深い素子分離部はメッシュ構造を有し、前記深い素子分離部のうちの一部は前記基板の前記第１面と直接接触するように延長されることを特徴とする、請求項１に記載の自動焦点イメージセンサのピクセルアレイ。
【請求項14】
前記複数のピクセルは前記複数の第１ピクセルのうちの一部及び前記複数の第２ピクセルのうちの一部を各々含む複数のピクセルグループに区分され、前記複数のピクセルグループが互いに分離されるように前記深い素子分離部のうちの一部は前記基板の前記第１面と直接接触するように延長されることを特徴とする、請求項１３に記載の自動焦点イメージセンサのピクセルアレイ。
【請求項15】
前記複数のピクセルグループが前記複数の第１接地領域のうちの少なくとも１つを含むように前記複数の第１接地領域が前記基板内に配置されることを特徴とする、請求項１４に記載の自動焦点イメージセンサのピクセルアレイ。
【請求項16】
前記深い素子分離部の深さは前記基板の厚さより小さいことを特徴とする、請求項１に記載の自動焦点イメージセンサのピクセルアレイ。
【請求項17】
前記深い素子分離部の内部に形成されるポリシリコンパターンをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の自動焦点イメージセンサのピクセルアレイ。
【請求項18】
前記複数のピクセルの各々は、入射光に基づいて光電変換を遂行する光電変換部と、
前記光電変換により前記光電変換部で収集された光電荷を蓄積するフローティングディフュージョン領域を含むことを特徴とする、請求項１に記載の自動焦点イメージセンサのピクセルアレイ。
【請求項19】
前記複数のピクセルのうち、互いに隣接する一部は前記フローティングディフュージョン領域を共有することを特徴とする、請求項１８に記載の自動焦点イメージセンサのピクセルアレイ。
【請求項20】
前記複数のピクセルのうちの前記複数の第２ピクセルに含まれる光電変換部のサイズは前記複数のピクセルのうちの前記複数の第１ピクセルに含まれる光電変換部のサイズより大きいことを特徴とする、請求項１８に記載の自動焦点イメージセンサのピクセルアレイ。
【請求項21】
入射光を感知して位相差情報及び映像情報を示す複数のアナログピクセル信号を発生するピクセルアレイと、前記ピクセルアレイの複数のコラムと連結され、前記複数のアナログピクセル信号を複数のディジタル信号に変換する複数のコラム駆動回路を含み、
前記ピクセルアレイは、
ゲート電極が配置される第１面及び前記第１面と対向する第２面を含む基板と、
前記基板内に配置され、位相差を検出することに使われる複数の第１ピクセル及び映像を検出することに使われる複数の第２ピクセルを含む複数のピクセルと、
前記基板内に配置され、前記基板の前記第２面から垂直方向に延在されて前記複数のピクセルの各々を互いに分離させ、前記基板の前記第１面とは直接接触しない深い素子分離部と、
前記基板内に前記第１面と隣接するように配置され、前記複数の第１ピクセルのうち、少なくとも一部のみと隣接するように配置される複数の第１接地領域を含み、
前記第１接地領域に印加される接地電圧が、前記深い素子分離部と前記基板の前記第１面との間の空間を通じて、隣接した前記第２ピクセルに提供される、自動焦点イメージセンサ。
【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関し、より詳しくは、自動焦点イメージセンサに含まれるピクセルアレイ及び前記ピクセルアレイを含む自動焦点イメージセンサに関する。
【背景技術】
【0002】
ＣＭＯＳ（complementary metal-oxide semiconductor）イメージセンサはＣＭＯＳプロセスを用いて製造されるイメージ撮像素子である。前記ＣＭＯＳイメージセンサは高電圧アナログ回路を含むＣＣＤ（charge-coupled device）イメージセンサと比較して製造コストが低く、ピクセル（pixel）のサイズが小さくて、電力消費が少ないという長所がある。また、ＣＭＯＳイメージセンサの性能が向上するにつれて、ＣＭＯＳイメージセンサはスマートフォン、タブレットＰＣ、またはディジタルカメラなどのモバイル電子装置で広く使われている。
【0003】
最近にはカメラのようなディジタル映像撮像装置で自動焦点調節機能が提供されており、これを実現するために撮影レンズの焦点調節状態を検出する必要がある。自動焦点調節機能のためにイメージセンサと別個に焦点検出のための素子を含む場合には、ディジタル映像撮像装置を製造するために費用が追加で増大するか、または全体装置のサイズが大きくなる問題が発生することがあり、したがって、映像撮像機能と自動焦点調節機能を共に遂行することができる自動焦点イメージセンサが研究されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
本発明の一目的は、ＦＷＣ（Full Well Capacity）特性が向上できる自動焦点イメージセンサのピクセルアレイを提供することにある。
【0005】
本発明の他の目的は、前記ピクセルアレイを含んでＦＷＣ特性が向上できる自動焦点イメージセンサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0006】
前記一目的を達成するために、本発明の実施形態に従う自動焦点イメージセンサのピクセルアレイは、基板、複数のピクセル、深い素子分離部、及び複数の第１接地領域を含む。前記基板は、ゲート電極が配置される第１面及び前記第１面と対向する第２面を含む。前記複数のピクセルは前記基板内に配置され、位相差を検出することに使われる複数の第１ピクセル及び映像を検出することに使われる複数の第２ピクセルを含む。前記深い素子分離部は前記基板内に配置され、前記基板の前記第２面から垂直方向に延在されて前記複数のピクセルの各々を互いに分離させ、前記基板の前記第１面とは直接接触しない。前記複数の第１接地領域は前記基板内に前記第１面と隣接するように配置され、前記複数の第１ピクセルのうち、少なくとも一部のみと隣接するように配置される。
【0007】
前記他の目的を達成するために、本発明の実施形態に従う自動焦点イメージセンサは、ピクセルアレイ及び複数のコラム駆動回路を含む。前記ピクセルアレイは入射光を感知して位相差情報及び映像情報を示す複数のアナログピクセル信号を発生する。前記複数のコラム駆動回路は前記ピクセルアレイの複数のコラムと連結され、前記複数のアナログピクセル信号を複数のディジタル信号に変換する。前記ピクセルアレイは、基板、複数のピクセル、深い素子分離部、及び複数の第１接地領域を含む。前記基板は、ゲート電極が配置される第１面及び前記第１面と対向する第２面を含む。前記複数のピクセルは前記基板内に配置され、位相差を検出することに使われる複数の第１ピクセル及び映像を検出することに使われる複数の第２ピクセルを含む。前記深い素子分離部は前記基板内に配置され、前記基板の前記第２面から垂直方向に延在されて前記複数のピクセルの各々を互いに分離させ、前記基板の前記第１面とは直接接触しない。前記複数の第１接地領域は前記基板内に前記第１面と隣接するように配置され、前記複数の第１ピクセルのうち、少なくとも一部のみと隣接するように配置される。
【0008】
前記一目的を達成するために、本発明の実施形態に従う自動焦点イメージセンサのピクセルアレイは、基板、複数のピクセル、深い素子分離部、及び複数の接地領域を含む。前記基板は、ゲート電極が配置される第１面及び前記第１面と対向する第２面を含む。前記複数のピクセルは前記基板内に配置され、位相差を検出し、映像を検出することに使われる。前記深い素子分離部は前記基板内に配置され、前記基板の前記第２面から垂直方向に延在されて前記複数のピクセルの各々を互いに分離させ、前記基板の前記第１面とは直接接触しない。前記複数の接地領域は前記基板内に前記第１面と隣接するように配置され、前記複数のピクセルのうち、少なくとも一部のみと隣接するように配置される。
【発明の効果】
【0009】
前記のような本発明の実施形態に従う自動焦点イメージセンサのピクセルアレイ及びこれを含む自動焦点イメージセンサでは、ＡＦ情報取得のための第１ピクセルと映像獲得のための第２ピクセルが１つのピクセルアレイ内に配置される構造を有し、暗電流改善目的のための第１接地領域が第１ピクセル内のみに配置され、第２ピクセル内には配置されないとしうる。これによって、ピクセルサイズが減少しても第２ピクセルに含まれる光電変換部を拡張することができ、したがって、ＦＷＣ特性が向上できる。
【0010】
本発明の実施形態は第１ピクセルのうちの一部のみに第１接地領域を配置する場合及び第２ピクセルのうちの一部に第２接地領域を追加配置する場合にも適用可能であり、１つのピクセルがＡＦ情報及び映像情報を共に獲得する場合にも適用可能でありうる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】本発明の実施形態に従う自動焦点イメージセンサのピクセルアレイを示す平面図である。
【図5】本発明の実施形態に従う自動焦点イメージセンサのピクセルアレイに含まれるピクセルの一例を示す回路図である。
【図16】本発明の実施形態に従う自動焦点イメージセンサのピクセルアレイを示す平面図である。
【図18】本発明の実施形態に従う自動焦点イメージセンサのピクセルアレイを示す平面図である。
【図20】本発明の実施形態に従う自動焦点イメージセンサのピクセルアレイを示す平面図である。
【図23】本発明の実施形態に従う自動焦点イメージセンサのピクセルアレイを示す平面図である。
【図25】本発明の実施形態に従う自動焦点イメージセンサのピクセルアレイを示す平面図である。
【図26】本発明の実施形態に従う自動焦点イメージセンサのピクセルアレイに含まれるピクセルの他の例を示す回路図である。
【図28】本発明の実施形態に従う自動焦点イメージセンサのピクセルアレイを示す平面図である。
【図31】本発明の実施形態に従う自動焦点イメージセンサのピクセルアレイの一例を示す断面図である。
【図32】本発明の実施形態に従う自動焦点イメージセンサを示すブロック図である。
【図33】本発明の実施形態に従う自動焦点イメージセンサを含む電子システムを示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下、添付した図面を参照して、本発明の好ましい実施形態をより詳細に説明する。図面上の同一な構成要素に対しては同一な参照符号を使用し、同一な構成要素に対して重複した説明は省略する。
【0013】
図１は、本発明の実施形態に従う自動焦点イメージセンサのピクセルアレイを示す平面図である。
【0014】
図１を参照すると、自動焦点イメージセンサのピクセルアレイ１００は複数のピクセル及び複数の第１接地領域ＧＲ１を含む。
【0015】
前記複数のピクセルは、複数の第１ピクセルＡＦＰ及び複数の第２ピクセルＮＰを含む。複数の第１ピクセルＡＦＰは位相差を検出することに使われて、自動焦点調節（Auto-Focus；ＡＦ）ピクセルということができる。複数の第２ピクセルＮＰは映像を検出することに使われて、一般（normal）ピクセルということができる。本発明の実施形態で、ＡＦ情報取得のためのピクセルＡＦＰと一般ピクセルＮＰが１つのピクセルアレイ１００内に配置できる。
【0016】
図７などを参照して後述するように、前記複数のピクセルは基板内に配置され、ピクセルアレイ１００は前記複数のピクセルの各々を互いに分離させる深い素子分離部を含む。
【0017】
複数の第１接地領域ＧＲ１は複数の第１ピクセルＡＦＰのうち、少なくとも一部のみと隣接するように配置される。図１の実施形態で、複数の第１接地領域ＧＲ１の個数は複数の第１ピクセルＡＦＰの個数と同一であり、複数の第１接地領域ＧＲ１は複数の第１ピクセルＡＦＰ全てと隣接するように配置できる。言い換えると、複数の第１ピクセルＡＦＰ全てが各々、複数の第１接地領域ＧＲ１のうちの１つを含むように具現できる。暗電流（dark current）を減少させるために複数の第１接地領域ＧＲ１には基準電圧（例えば、接地電圧）が印加できる。
【0018】
一実施形態で、複数の第１接地領域ＧＲ１はピクセルアレイ１００の全体に均一に、そして規則的に配列できる。
【0019】
前記複数のピクセルは、複数の第１ピクセルＡＦＰのうちの一部及び複数の第２ピクセルＮＰのうちの一部を各々含む複数のピクセルグループＰＧに区分できる。複数のピクセルグループＰＧは互いに交差（例えば、直交）する第１方向（ＤＲ１）及び第２方向（ＤＲ２）に沿って反復的に配置できる。複数のピクセルグループＰＧの各々は同一な個数の第１ピクセルＡＦＰを含むことができる。
【0020】
図１では１つのピクセルグループＰＧが４＊４個のピクセルを含み、特に２つの第１ピクセルＡＦＰ及び１４個の第２ピクセルＮＰを含むものとして図示したが、本発明はこれに限定されず、ピクセルグループの構造は実施形態によって変更できる。
【0021】
本発明の実施形態に従う自動焦点イメージセンサのピクセルアレイ１００は、ＡＦ情報取得のための第１ピクセルＡＦＰと映像獲得のための第２ピクセルＮＰが１つのピクセルアレイ１００内に配置される構造を有し、暗電流改善目的のための第１接地領域ＧＲ１が第１ピクセルＡＦＰ内のみに配置され、第２ピクセルＮＰ内には配置されないとしうる。これによって、ピクセルサイズが減少しても（pixel size shrink）第２ピクセルＮＰに含まれる光電変換部を拡張することができ、したがって、ＦＷＣ（Full Well Capacity）特性が向上できる。
【0022】
図２は、図１の自動焦点イメージセンサのピクセルアレイの一部の概略的なレイアウトを示す平面図である。図示の便宜上、図２は図１のピクセルアレイ１００に含まれる１つのピクセルグループＰＧのレイアウトを示す。
【0023】
図１及び図２を参照すると、自動焦点イメージセンサのピクセルアレイ１００は焦点検出領域１１及び映像検出領域１３を含むことができる。焦点検出領域１１は位相差を検出することに使われる互いに隣接した第１のＡＦピクセル２１Ｒ及び第２のＡＦピクセル２１Ｌを含むことができる。映像検出領域１３は映像を検出することに使われる一般ピクセル２３を含むことができる。
【0024】
焦点検出領域１１及び映像検出領域１３上には複数のカラーフィルタを含むカラーフィルタアレイが配置できる。例えば、前記カラーフィルタアレイは、Ｒ（赤色）、Ｇ（緑色）、及びＢ（青色）で構成されるベイヤー（Bayer）パターンアレイでありうる。但し、本発明はこれに限定されず、前記カラーフィルタアレイは補色系（例えば、マゼンタ、シアン、及びイエローを用いる系）を採用するか、またはＷ（白色または透明）フィルタをさらに含むこともできる。ＡＦピクセル２１Ｒ、２１Ｌ上に配置されるカラーフィルタは色を具現するために使われるものではなく、単にカラーフィルタアレイ製造工程の便宜上、ＡＦピクセル２１Ｒ、２１Ｌ上にカラーフィルタが配置できる。前記カラーフィルタアレイ上には複数のマイクロレンズ３５を含むマイクロレンズアレイが配置できる。
【0025】
一方、図示してはいないが、実施形態に従って焦点検出領域１１のＡＦピクセル２１Ｒ、２１Ｌ上に配置されるカラーフィルタが省略されることもできる。
【0026】
前記複数のカラーフィルタの下に少なくともＡＦピクセル２１Ｒ、２１Ｌの受光量を制御する遮光パターンが配置できる。これによって、前記遮光パターンはＡＦピクセル２１Ｒ、２１Ｌ上に形成される複数の第１開口部３１を含むことができる。また、前記遮光パターンは一般ピクセル２３上に形成される複数の第２開口部３３をさらに含むことができる。第１開口部３１の面積は第２開口部３３の面積より小さいとしうる。例えば、第１開口部３１の面積は第２開口部３３の面積の約５０％でありえ、第１開口部３１は光が入射される光軸（light axis）に対して一方に偏して配置できる。隣接する第１及び第２のＡＦピクセル２１Ｒ、２１Ｌの第１開口部３１は互いに左右対称に配置できる。前記遮光パターンの第１開口部３１は、ＡＦピクセル２１Ｒ、２１Ｌに入射される光量が一般ピクセル２３に入射される光量より小さくなるように調節する役割をする。
【0027】
【0028】
図３、図４ａ、及び図４ｂを参照すると、映像撮像装置（または、映像処理装置）のレンズ５１を通過した入射光は複数のマイクロレンズ（例えば、図２のマイクロレンズ３５）を含むマイクロレンズアレイ５４を通過して第１のＡＦピクセルＲと第２のＡＦピクセルＬに誘導される。第１のＡＦピクセルＲと第２のＡＦピクセルＬの一部にはレンズ５１の瞳５２、５３から入射する光を制限するマスクまたは制限された開口部５７、５８（例えば、図２の第１開口部３１）が備えられる。そして、レンズ５１の瞳のうち、レンズ５１の光軸５０より上にある瞳５２からの光は第２のＡＦピクセルＬに誘導され、レンズ５１の光軸５０より下にある瞳５３からの光は第１のＡＦピクセルＲに誘導される。マスクまたは開口部５７、５８を通して、マイクロレンズアレイ５４により瞳５２、５３の位置で逆投影される範囲の光をＡＦピクセルＲ、Ｌが受光することを瞳分割という。
【0029】
瞳分割されたピクセル出力をマイクロレンズアレイ５４に沿って第１のＡＦピクセルＲと第２のＡＦピクセルＬのアレイが連続した出力を描けば、図４ａ及び図４ｂのようになる。図４ａ及び図４ｂで、横軸は第１のＡＦピクセルＲと第２のＡＦピクセルＬの位置であり、縦軸は第１のＡＦピクセルＲと第２のＡＦピクセルＬの出力値である。第１のＡＦピクセルＲと第２のＡＦピクセルＬの出力値を見ると、互いに同一な形状であることが分かる。しかしながら、位置、即ち位相は互いに異なる。これは、撮影レンズ５１の偏心した瞳５２、５３からの光の結像位置が異なるためである。したがって、焦点が合わない場合は図４ａのように位相がずれており、焦点が合った場合は図４ｂのように同一な位置に結像される。また、これから焦点差の方向も判定できる。被写体（object）の前に焦点が合った場合は前ピン（front-focusing）といい、前ピンの場合、第１のＡＦピクセルＲの出力値の位相は合焦（focused state）位相より左にシフトし、第２のＡＦピクセルＬの出力値の位相は合焦位相より右にシフトする。反対に、被写体の後ろに焦点が合った場合は後ピン（back-focusing）といい、後ピンの場合、第１のＡＦピクセルＲの出力値の位相は合焦位相より右にシフトし、第２のＡＦピクセルＬの出力値の位相は合焦位相より左にシフトする。第１のＡＦピクセルＲと第２のＡＦピクセルＬの出力値の位相の間のシフト量（shift amount）は焦点の間の偏差量で換算することができる。
【0030】
図５は、本発明の実施形態に従う自動焦点イメージセンサのピクセルアレイに含まれるピクセルの一例を示す回路図である。
【0031】
図５を参照すると、ピクセルまたは単位ピクセル６００は光電変換部６１０及び信号生成部６１２を含む。図１に図示した第１ピクセルＡＦＰ及び第２ピクセルＮＰは、図２を参照して前述したように互いに異なるサイズの開口部が形成されることを除外すれば、同一なピクセル構造及び回路構造を有することができる。
【0032】
光電変換部６１０は、光電変換を遂行する。即ち、光電変換部６１０は光積分モード（integration mode）で入射光を変換して光電荷を発生する。単位ピクセル６００を含むイメージセンサがＣＭＯＳイメージセンサの場合、前記光積分モードで、ＣＭＯＳイメージセンサのシャッターが開放されて入射光により電子－正孔対のような電荷キャリアが光電変換部６１０に生成されて被写体の映像に関する情報が収集される。
【0033】
信号生成部６１２は、読出モード（readout mode）で、前記光電変換により生成された光電荷に基づいてアナログピクセル信号（ＶＰ）を発生する。単位ピクセル６００を含むイメージセンサがＣＭＯＳイメージセンサの場合、前記光積分モード後の前記読出モードで前記シャッターが閉鎖され、電荷キャリアの形態に収集された前記被写体の映像に関する情報に基づいてアナログピクセル信号（ＶＰ）が発生する。図５では４－トランジスタ構造の信号生成部６１２を例示した。
【0034】
具体的に、信号生成部６１２は転送トランジスタ６２０、リセットトランジスタ６４０、ドライブトランジスタ６５０、及び選択トランジスタ６６０を含むことができ、フローティングディフュージョンノード６３０を含むことができる。転送トランジスタ６２０は光電変換部６１０とフローティングディフュージョンノード６３０の間に連結され、転送信号（ＴＸ）が印加されるゲートを含むことができる。リセットトランジスタ６４０は電源電圧（ＶＤＤ）とフローティングディフュージョンノード６３０の間に連結され、リセット信号（ＲＸ）が印加されるゲートを含むことができる。ドライブトランジスタ６５０は電源電圧（ＶＤＤ）と選択トランジスタ６６０の間に連結され、フローティングディフュージョンノード６３０と連結されたゲートを含むことができる。選択トランジスタ６６０はドライブトランジスタ６５０とアナログピクセル信号（ＶＰ）を出力する出力端子の間に連結され、選択信号（ＳＥＬ）が印加されるゲートを含むことができる。
【0035】
実施形態に従って図２６を参照して後述するように、複数の光電変換部が１つの信号生成部を共有する構造で具現されることもできる。
【0036】
図６は、図１の自動焦点イメージセンサのピクセルアレイの一部の下部レイアウトを示す平面図である。図７は、図６の自動焦点イメージセンサのピクセルアレイがＡ－Ａ’により切断された一例を示す断面図である。図示の便宜上、図６は図１のピクセルアレイ１００に含まれる１つのピクセルグループＰＧの上方半分のレイアウトを示す。
【0037】
図１、図６、及び図７を参照すると、自動焦点イメージセンサのピクセルアレイ１００は、基板１０１、複数のピクセルＡＦＰ、ＮＰ、深い素子分離部１１０、及び複数の第１接地領域ＧＲ１ １１５を含む。ピクセルアレイ１００は、光電変換部ＰＤ、フローティングディフュージョン領域ＦＤ、転送ゲートＴＧ、コンタクトＣ１、Ｃ２、信号配線Ｌ１、Ｌ２、ゲート絶縁膜１２１、第１乃至第３層間絶縁膜１２３、１２５、１２７、第１パッシベーション膜１２９、固定電荷膜１３１、第１及び第２絶縁膜１３３、１３５、遮光パターン１４０、第２パッシベーション膜１４１、平坦化膜１４３、カラーフィルタ１４５、及びマイクロレンズ３５をさらに含むことができる。
【0038】
基板１０１は互いに対向する第１面１０１ａ及び第２面１０１ｂを含む。第１面１０１ａの上にゲート電極（例えば、転送ゲートＴＧ）及び配線（例えば、信号配線Ｌ１、Ｌ２）が配置される。第２面１０１ｂ上に遮光パターン１４０、カラーフィルタ１４５、及びマイクロレンズ３５などが配置され、光が第２面１０１ｂを通じて入射される。例えば、第１面１０１ａは前面で、第２面１０１ｂは後面であり、ピクセルアレイ１００を含む自動焦点イメージセンサは基板１０１の後面を通じて入射される入射光に応答して動作する後面受光方式のイメージセンサ（backside illuminated image sensor；ＢＩＳ）でありうる。
【0039】
後面受光方式のイメージセンサはマイクロレンズ３５から光電変換部ＰＤまでの距離が相対的に短く、ゲート電極及び配線に起因する光の乱反射または遮られることがないので、相対的に向上した受光効率及び光感度を有することができる。また、第１面１０１ａ上に配置される信号配線Ｌ１、Ｌ２の配置に制約がなく、光電変換部ＰＤと重なるように配置できる。
【0040】
複数のピクセルＡＦＰ、ＮＰは基板１０１内に配置され、位相差を検出することに使われる複数の第１ピクセルＡＦＰ及び映像を検出することに使われる複数の第２ピクセルＮＰを含む。図２を参照して前述した焦点検出領域１１内のＡＦピクセル２１Ｒ、２１Ｌ及び映像検出領域１３内の一般ピクセル２３が、それぞれ、複数の第１ピクセルＡＦＰ及び複数の第２ピクセルＮＰに対応することができる。複数のピクセルＡＦＰ、ＮＰの各々は光電変換部ＰＤ、フローティングディフュージョン領域ＦＤ、転送ゲートＴＧなどを含むことができる。
【0041】
光電変換部ＰＤは図５の光電変換部６１０に対応し、基板１０１の第１及び第２面１０１ａ、１０１ｂの両方に隣接するように配置され、入射光に基づいて光電変換を遂行して光電荷を発生することができる。例えば、光電変換部ＰＤには入射光に相応する電子－正孔対（electron-hole pair）が生成され、光電変換部ＰＤはこのような電子または正孔を各々収集することができる。便宜上、光電変換部ＰＤをフォトダイオード（photo diode）と説明したが、光電変換部ＰＤはフォトダイオード、フォトトランジスタ（photo transistor）、フォトゲート（photo gate）、ピンドフォトダイオード（pinned photo diode；ＰＰＤ）、またはこれらの組合せを含むことができる。
【0042】
転送ゲートＴＧは図５の転送トランジスタ６２０に対応し、基板１０１の第１面１０１ａ上にゲート絶縁膜１２１を介して配置され、光電変換部ＰＤで収集された前記光電荷をフローティングディフュージョン領域ＦＤに伝達することができる。フローティングディフュージョン領域ＦＤは図５のフローティングディフュージョンノード６３０に対応し、基板１０１の第１面１０１ａと隣接するように配置され、前記光電変換により光電変換部ＰＤで収集された光電荷を蓄積することができる。フローティングディフュージョン領域ＦＤに伝達された光電荷の電荷量に基づいてＡＦ情報及び／又は映像情報が生成できる。
【0043】
深い素子分離部１１０は基板１０１内に配置され、基板１０１を貫通するように基板１０１の第２面１０１ｂから垂直方向に延びて複数のピクセルＡＦＰ、ＮＰの各々を互いに分離させ、基板１０１の第１面１０１ａとは直接接触しない。深い素子分離部１１０は断面図上で基板１０１の第１及び第２面１０１ａ、１０１ｂに垂直な方向に延びながら両端部を有し、１つの端部は第２面１０１ｂと直接接触して同一平面上に位置するが、他の１つの端部は第１面１０１ａと同一平面上に位置しないとしうる。これによって、深い素子分離部１１０の深さは基板１０１の厚さより小さいとしうる。深い素子分離部１１０は平面図上でメッシュ（mesh）構造を有することができる。
【0044】
深い素子分離部１１０は相対的に深く形成されるＤＴＩ（deep trench isolation）構造を有することができる。例えば、ピクセルアレイ１００を含む自動焦点イメージセンサが後面受光方式のイメージセンサの場合に、深い素子分離部１１０は基板１０１の後面から延びるＢＤＴＩ（back DTI）構造を有することができる。
【0045】
複数の第１接地領域１１５は基板１０１内に第１面１０１ａと隣接するように配置され、複数の第１ピクセルＡＦＰのうち、少なくとも一部のみと隣接するように配置される。例えば、複数の第１接地領域１１５は複数の第１ピクセルＡＦＰ全てに含まれるように配置できる。複数の第２ピクセルＮＰ全てが接地領域を含まないとしうる。深い素子分離部１１０が第１面１０１ａと直接接触しないので、複数の第１ピクセルＡＦＰ内の複数の第１接地領域１１５に印加される接地電圧は深い素子分離部１１０と第１面１０１ａの間の空間を通じて隣接した複数の第２ピクセルＮＰに提供されることができ、したがって、複数の第２ピクセルＮＰは接地領域を含まなくても安定的に動作することができる。
【0046】
基板１０１の第１面１０１ａは第１層間絶縁膜１２３で覆われることができる。第１層間絶縁膜１２３をコンタクトＣ１が貫通することができる。コンタクトＣ１はフローティングディフュージョン領域ＦＤと接することができる。第１層間絶縁膜１２３上には信号配線Ｌ１が配置できる。信号配線Ｌ１はコンタクトＣ１と接することができる。第１層間絶縁膜１２３と信号配線Ｌ１は第２層間絶縁膜１２５で覆われることができる。第１及び第２層間絶縁膜１２３、１２５をコンタクトＣ２が貫通することができる。コンタクトＣ２は第１接地領域１１５と接することができる。第２層間絶縁膜１２５上には信号配線Ｌ２が配置できる。信号配線Ｌ２はコンタクトＣ２と接することができる。第２層間絶縁膜１２５と信号配線Ｌ２は第３層間絶縁膜１２７で覆われることができる。第３層間絶縁膜１２７は第１パッシベーション膜１２９で覆われることができる。
【0047】
詳細に図示してはいないが、図５のリセットトランジスタ６４０、ドライブトランジスタ６５０、及び選択トランジスタ６６０を形成するための構成要素が基板１０１の第１面１０１ａ上に、及び／又は基板１０１内に第１面１０１ａと隣接するように追加配置されることができ、このような構成要素と連結されるコンタクト及び信号配線が層間絶縁膜１２３、１２５、１２７の間に追加配置できる。
【0048】
基板１０１の第２面１０１ｂ上には固定電荷膜１３１が配置できる。例えば、固定電荷膜１３１は負の固定電荷を有することができる。固定電荷膜１３１により第２面１０１ｂの周辺に正孔の蓄積（hole accumulation）が発生し、これによって暗電流の発生及びホワイトスポット（white spot）を効果的に減少させることができる。固定電荷膜１３１上には第１絶縁膜１３３と第２絶縁膜１３５が順次に積層できる。
【0049】
第２絶縁膜１３５上には（即ち、基板１０１の第２面１０１ｂ上には）遮光パターン１４０が配置できる。遮光パターン１４０は複数の第２ピクセルＮＰに入射される光量より複数の第１ピクセルＡＦＰに入射される光量が少なくなるように光量を調節することができる。例えば、遮光パターン１４０は焦点検出領域１１のみに配置できる。遮光パターン１４０は平面図上で深い素子分離部１１０と重なるメッシュ構造を有していてもよく、複数の第２ピクセルＮＰ上より複数の第１ピクセルＡＦＰ上で広い面積を有することができる。遮光パターン１４０は、複数の第１ピクセルＡＦＰを部分的に露出させる複数の第１開口部３１を含むことができる。
【0050】
一方、図示してはいないが、実施形態に従って遮光パターン１４０は複数の第２開口部３３を形成するために映像検出領域１３上にも一部配置できる。
【0051】
遮光パターン１４０上には第２パッシベーション膜１４１がコンフォーマルに積層できる。第２パッシベーション膜１４１上には平坦化膜１４３が配置できる。平坦化膜１４３上には複数のカラーフィルタ１４５を含むカラーフィルタアレイが配置され、前記カラーフィルタアレイ上には複数のマイクロレンズ３５を含むマイクロレンズアレイが配置できる。マイクロレンズ３５はマイクロレンズ３５に入射される入射光が光電変換部ＰＤに集光できるように前記入射光の経路を調節することができる。
【0052】
一実施形態で、前記カラーフィルタアレイはレッドフィルタ、グリーンフィルタ、及びブルーフィルタを含むベイヤーパターンを有することができる。他の実施形態で、前記カラーフィルタアレイはイエローフィルタ、マゼンタフィルタ、及びシアンフィルタを含むことができる。また、前記カラーフィルタアレイはホワイトフィルタを追加的に備えることができる。
【0053】
図示してはいないが、平坦化膜１４３とカラーフィルタ１４５との間に反射防止層がさらに形成できる。前記反射防止層は前記入射光が基板１０１の第２面１０１ｂで反射されることを防止することができる。実施形態に従って、前記反射防止層は屈折率が互いに異なる物質が交互に積層することによって形成されることができ、このような場合に屈折率が互いに異なる物質が交互に多く積層されるほど前記反射防止層の透過率が向上できる。
【0054】
【0055】
図８ａを参照すると、互いに対向する第１及び第２面１０１ａ、１０１ｂを有する基板１０１を設ける。基板１０１は半導体基板であり、例えばＰ型シリコン基板でありうる。
【0056】
図８ｂを参照すると、基板１０１内に光電変換部ＰＤ、フローティングディフュージョン領域ＦＤ、及び第１接地領域ＧＲ１を形成する。例えば、イオン注入（ion implantation）工程を用いて光電変換部ＰＤ、フローティングディフュージョン領域ＦＤ、及び第１接地領域ＧＲ１を設けることができる。例えば、光電変換部ＰＤ及びフローティングディフュージョン領域ＦＤは基板１０１と反対導電型であるＮ型の不純物でドーピングされ、第１接地領域ＧＲ１は基板１０１と同一導電型であるＰ型の不純物でドーピングされ、基板１０１より高い濃度でドーピングできる。
【0057】
フローティングディフュージョン領域ＦＤ及び第１接地領域ＧＲ１は第１面１０１ａに隣接するように形成できる。光電変換部ＰＤは第１及び第２面１０１ａ、１０１ｂの両方に隣接するように形成され、この際、フローティングディフュージョン領域ＦＤ及び第１接地領域１１５が第１面１０１ａと隣接するように配置されるので、光電変換部ＰＤの第１面１０１ａと隣接した部分の幅（または、面積）は第２面１０１ｂと隣接した部分の幅より小さいとしうる。ＦＷＣは第１面１０１ａと隣接した部分で最も大きいので、光電変換部ＰＤの第１面１０１ａと隣接した部分を大きく形成することがＦＷＣ特性向上に有利でありうる。
【0058】
実施形態に従って、光電変換部ＰＤは２つ以上のドーピング領域が積層された形態に形成されることもでき、フローティングディフュージョン領域ＦＤは光電変換部ＰＤより高い濃度でドーピングされることもできる。
【0059】
図８ｃを参照すると、第１面１０１ａ上にゲート絶縁膜１２１及び転送ゲートＴＧを形成し、第１層間絶縁膜１２３を形成して第１面１０１ａを覆う。図８ｄを参照すると、第１層間絶縁膜１２３を貫通するコンタクトＣ１を形成し、第１層間絶縁膜１２３上に信号配線Ｌ１を形成し、第１層間絶縁膜１２３上に第２層間絶縁膜１２５を形成する。また、第１及び第２層間絶縁膜１２３、１２５を貫通するコンタクトＣ２を形成し、第２層間絶縁膜１２５上に信号配線Ｌ２を形成し、第２層間絶縁膜１２５上に第３層間絶縁膜１２７と第１パッシベーション膜１２９を順次に形成する。
【0060】
例えば、転送ゲートＴＧはポリシリコン、金属及び／又は金属化合物を使用してゲート導電膜を積層した後、積層されたゲート導電膜をパターニングして形成できる。コンタクトＣ１、Ｃ２及び信号配線Ｌ１、Ｌ２は、銅、タングステン、チタニウム、アルミニウムなどの金属を含む導電物質を積層し、パターニングする方式により形成できる。層間絶縁膜１２３、１２５、１２７は、シリコン酸化物（ＳｉＯｘ）、シリコン酸窒化物（ＳｉＯｘＮｙ）、シリコン窒化物（ＳｉＮｘ）、ゲルマニウム酸窒化物（ＧｅＯｘＮｙ）、ゲルマニウムシリコン酸化物（ＧｅＳｉｘＯｙ）または高誘電率を有する物質を使用して形成できる。一方、このような高誘電率物質には、ハフニウム酸化物（ＨｆＯｘ）、ジルコニウム酸化物（ＺｒＯｘ）、アルミニウム酸化物（ＡｌＯｘ）、タンタリウム酸化物（ＴａＯｘ）、ハフニウムシリケート（ＨｆＳｉｘ）、ジルコニウムシリケート（ＺｒＳｉｘ）などを挙げることができる。また、層間絶縁膜１２３、１２５、１２７は前述した物質のうち、２つ以上の選択された物質からなる多層構造で形成されることもできる。
【0061】
図８ｅを参照すると、第２面１０１ｂが上になるように基板１０１をひっくり返して、第２面１０１ｂに対してバックグラインディング工程を進行して第２面１０１ｂに隣接した基板１０１の一部を除去する。例えば、基板１０１の後面に対するグラインディング工程は機械的な方式及び／又は化学的な方式により遂行できる。機械的な方式は後面にポリッシングパッドを接触させて摩擦を起こす方式により遂行されることができ、化学的な方式はスラリー（slurry）という化学物質をポリッシングパッドと後面との間に投入して反応させる方式により遂行できる。
【0062】
また、図８ｅに図示したように、基板１０１をひっくり返して基板１０１の一部を除去した以後に、基板１０１内に深い素子分離部１１０を形成する。深い素子分離部１１０は絶縁物質を含み、例えばシリコン酸化膜を含むことができる。基板１０１の第２面１０１ｂから深い素子分離部１１０を設けるための絶縁物質を形成することによって、深い素子分離部１１０の一端部は第２面１０１ｂと直接接触し、他端部は第１面１０１ａと直接接触しないとしうる。
【0063】
一実施形態で、深い素子分離部１１０は入射光に対して基板１０１より小さな屈折率を有する絶縁物質で形成できる。この場合、マイクロレンズ３５により生成される前記入射光の漏洩成分が深い素子分離部１１０の表面で全反射されて隣接ピクセルに到達することが遮断され、前記漏洩成分が深い素子分離部１１０により反射された反射成分が光電変換部ＰＤに到達することができる。また、深い素子分離部１１０が前記絶縁物質で形成されることによって、前記入射光により発生した電荷キャリアが拡散により前記隣接ピクセルに到達することが遮断できる。
【0064】
一実施形態で、深い素子分離部１１０は、互いに異なるエネルギーを用いて複数の回数、前記絶縁物質が注入されて形成されることができ、上記のように注入が多数回遂行されることによって深い素子分離部１１０は表面がでこぼこした構造を有することができる。
【0065】
図８ｆを参照すると、第２面１０１ｂ上に固定電荷膜１３１、第１及び第２絶縁膜１３３、１３５、及び遮光パターン１４０を順次に形成する。例えば、固定電荷膜１３１は、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、アルミニウム（Ａｌ）、タンタリウム（Ｔａ）、チタニウム（Ｔｉ）、イットリウム（Ｙ）、及びランタノイドなどの金属元素が酸化された金属酸化物（metal oxide）を使用して形成されることができ、膜内に少なくとも一部が結晶化された領域を有することができる。例えば、固定電荷膜１３１はハフニウム酸化膜またはアルミニウムフッ化膜でありうる。例えば、第１絶縁膜１３３はシリコン酸化膜でありえ、第２絶縁膜１３５はシリコン窒化膜でありうる。例えば、遮光パターン１４０は不透明な金属からなることができる。
【0066】
後面受光方式のイメージセンサは製造工程上、基板１０１の第２面１０１ｂに存在する表面欠陥（surface defect）によりノイズが発生することがあり、固定電荷膜１３１が形成される場合に基板１０１の第２面１０１ｂの周辺に蓄積された正孔を用いて前記のような表面欠陥をパッシベーション（passivation）することができる。例えば、暗い状態で発生した電子（即ち、暗電流）が前記蓄積された正孔と結合することによって、暗電流の発生が減少できる。したがって、向上した受光効率及び光感度を有することができる。
【0067】
以後に、図７を参照して前述したように遮光パターン１４０上に第２パッシベーション膜１４１、平坦化膜１４３、複数のカラーフィルタ１４５、及び複数のマイクロレンズ３５を順次に形成する。例えば、カラーフィルタ１４５は染色工程、顔料分散工程、印刷工程などを用いて形成できる。例えば、光透過性フォトレジストを用いて光電変換部ＰＤに対応するパターンを形成し、前記パターンをリフローさせて一定の曲率を有して前記入射光が提供される方向に向けて凸な形態を有するマイクロレンズ３５を形成することができる。
【0068】
【0069】
【0070】
絶縁膜１１１はポリシリコンパターン１１３を囲むことができる。ポリシリコンパターン１１３は深い素子分離部１１０ａ内に、即ち絶縁膜１１１の内部に形成できる。例えば、ポリシリコンパターン１１３は、ポリシリコン、金属及び／又は金属化合物を使用して形成できる。ポリシリコンパターン１１３は基板１０１をなすシリコンとほぼ同じ熱膨張率を有するので、物質の熱膨脹率の差により発生する物理的応力を減らすことができる。実施形態に従って、ポリシリコンパターン１１３が形成された以後に絶縁膜１１１が形成されることもでき、絶縁膜１１１が形成された以後にポリシリコンパターン１１３が形成されることもできる。
【0071】
図１０を参照すると、深い素子分離部１１０ｂが固定電荷膜１３１及び第１絶縁膜１３３を含んで具現されることを除外すれば、図７の実施形態と実質的に同一でありうる。例えば、固定電荷膜１３１はハフニウム酸化膜でありうる。第１絶縁膜１３３はシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜でありうる。固定電荷膜１３１は第２面１０１ｂだけでなく、光電変換部ＰＤの側面を全て覆いかぶせるように形成されて暗電流特性をより改善させることができる。
【0072】
図１１を参照すると、深い素子分離部１１０の一部１１０ｇが変更されることを除外すれば、図７の実施形態と実質的に同一でありうる。例えば、深い素子分離部１１０のうちの一部１１０ｇは基板１０１の第１面１０１ａと直接接触するように延長できる。
【0073】
一実施形態で、図１を参照して前述したように複数のピクセルは複数の第１ピクセルＡＦＰのうちの一部及び複数の第２ピクセルＮＰのうちの一部を各々含む複数のピクセルグループＰＧに区分され、複数のピクセルグループＰＧが互いに分離されるように深い素子分離部１１０のうちの一部１１０ｇは基板１０１の第１面１０１ａと直接接触するように延長できる。この場合、複数のピクセルグループＰＧが複数の第１接地領域ＧＲ１のうちの少なくとも１つを含むように複数の第１接地領域ＧＲ１が基板１０１内に配置できる。深い素子分離部１１０のうちの一部１１０ｇが基板１０１の第１面１０１ａと直接接触する場合に、複数の第１接地領域１１５に印加される接地電圧が隣接したピクセルに提供できないことがあり、したがって、複数のピクセルグループＰＧが深い素子分離部１１０のうちの一部１１０ｇにより互いに分離される場合には複数のピクセルグループＰＧの各々が複数の第１接地領域ＧＲ１のうち、少なくとも１つを含まなければ安定的に動作できない。
【0074】
図１２を参照すると、深い素子分離部が第１サブ深い素子分離部１１０ｇ１及び第２サブ深い素子分離部１１０ｇ２を含んで具現されることを除外すれば、図７の実施形態と実質的に同一でありうる。第１サブ深い素子分離部１１０ｇ１は、図７の深い素子分離部１１０と実質的に同一でありうる。第２サブ深い素子分離部１１０ｇ２は図１１の深い素子分離部１１０の一部１１０ｇと実質的に同一でありうる。例えば、第１サブ深い素子分離部１１０ｇ１は基板１０１の第２面１０１ｂから絶縁物質を形成して設けられ、第２サブ深い素子分離部１１０ｇ２は基板１０１の第１面１０１ａから絶縁物質を形成して設けられる。
【0075】
図１３を参照すると、浅い素子分離部１５０をさらに含んで具現されることを除外すれば、図７の実施形態と実質的に同一でありうる。浅い素子分離部１５０は、相対的に浅く形成されるＳＴＩ（shallow trench isolation）構造を有することができる。浅い素子分離部１５０は光電変換部ＰＤとフローティングディフュージョン領域ＦＤ及び第１接地領域ＧＲ１を分離することができる。例えば、基板１０１をエッチングして浅いトレンチを形成し、これを埋込絶縁膜で詰めることによって浅い素子分離部１５０を形成することができる。
【0076】
図１４を参照すると、光電変換部ＰＤの構造が変更されることを除外すれば、図７の実施形態と実質的に同一でありうる。光電変換部ＰＤの側面が深い素子分離部１１０と離隔する図７の実施形態とは異なり、図１４の実施形態では光電変換部ＰＤの側面が深い素子分離部１１０と全体的に接するように形成されることができ、これによって光電変換部ＰＤのサイズが増加することができる。
【0077】
図１５を参照すると、光電変換部ＰＤの一部の構造が変更されることを除外すれば、図７の実施形態と実質的に同一でありうる。図１５の実施形態で、複数の第２ピクセルＮＰ（即ち、一般ピクセル２３）に含まれる光電変換部ＰＤのサイズは複数の第１ピクセルＡＦＰ（即ち、ＡＦピクセル２１Ｒ、２１Ｌ）に含まれる光電変換部ＰＤのサイズより大きいとしうる。前述したように、複数の第２ピクセルＮＰは接地領域を包含せず、したがって、接地領域が形成されない部分だけ光電変換部ＰＤのサイズを増加させることができる。
【0078】
一方、図７、図９、図１０、図１１、図１２、図１３、図１４、及び図１５を参照して前述した実施形態のうちの２つ以上を組み合わせて本発明の実施形態に従う自動焦点イメージセンサのピクセルアレイを具現することもできる。
【0079】
図１６は、本発明の実施形態に従う自動焦点イメージセンサのピクセルアレイを示す平面図である。図１７は、図１６の自動焦点イメージセンサのピクセルアレイの一部の概略的なレイアウトを示す平面図である。以下、図１及び２と重複する説明は省略する。
【0080】
【0081】
自動焦点イメージセンサのピクセルアレイ１００ａは焦点検出領域１１ａ及び映像検出領域１３ａを含むことができる。焦点検出領域１１ａは位相差を検出することに使われる互いに隣接した第３のＡＦピクセル２１Ｕ及び第４のＡＦピクセル２１Ｄを含むことができる。映像検出領域１３ａは映像を検出することに使われる一般ピクセル２３を含むことができる。
【0082】
ＡＦピクセル２１Ｕ、２１Ｄの受光量を制御する遮光パターンが配置できる。前記遮光パターンはＡＦピクセル２１Ｕ、２１Ｄ上に形成される複数の第１開口部３１を含むことができる。隣接する第３及び第４のＡＦピクセル２１Ｕ、２１Ｄの第１開口部３１は互いに上下対称に配置できる。前記遮光パターンの第１開口部３１はＡＦピクセル２１Ｕ、２１Ｄに入射される光量が一般ピクセル２３に入射される光量より小さくなるように調節する役割をする。
【0083】
一方、図２を参照して前述したＡＦピクセル２１Ｒ、２１Ｌ、及び図１７を参照して前述したＡＦピクセル２１Ｕ、２１Ｄ全てを含むように本発明の実施形態に従う自動焦点イメージセンサのピクセルアレイを具現することもできる。
【0084】
図１８は、本発明の実施形態に従う自動焦点イメージセンサのピクセルアレイを示す平面図である。図１９は、図１８の自動焦点イメージセンサのピクセルアレイの一例を示す断面図である。以下、図１、図６、及び図７と重複する説明は省略する。
【0085】
【0086】
自動焦点イメージセンサのピクセルアレイ１００ｂで、複数の第１接地領域ＧＲ１の個数は複数の第１ピクセルＡＦＰ、ＡＦＰ’の個数より少なく、複数の第１接地領域ＧＲ１は複数の第１ピクセルＡＦＰ、ＡＦＰ’のうちの一部ＡＦＰと隣接するように配置できる。言い換えると、複数の第１ピクセルＡＦＰ、ＡＦＰ’のうちの一部ＡＦＰは複数の第１接地領域ＧＲ１のうちの１つを含み、他の一部（ＡＦＰ’）は複数の第１接地領域ＧＲ１を含まないように具現できる。第１接地領域ＧＲ１を含まない第１ピクセルをＡＦＰ’と表記した。図１を参照して前述したことと類似するように、複数の第１接地領域ＧＲ１はピクセルアレイ１００ｂの全体に均一に、そして規則的に配列できる。
【0087】
図２０は、本発明の実施形態に従う自動焦点イメージセンサのピクセルアレイを示す平面図である。図２１及び図２２は、図２０の自動焦点イメージセンサのピクセルアレイの例を示す断面図である。以下、図１、図６、及び図７と重複する説明は省略する。
【0088】
【0089】
自動焦点イメージセンサのピクセルアレイ１００ｃは複数の第２接地領域ＧＲ２をさらに含むことができる。複数の第２接地領域ＧＲ２は基板１０１内に第１面１０１ａと隣接するように配置され、複数の第２ピクセルＮＰ、ＮＰ’のうちの一部（ＮＰ’）のみと隣接するように配置できる。言い換えると、複数の第２ピクセルＮＰ、ＮＰ’のうちの一部（ＮＰ’）は複数の第２接地領域ＧＲ２のうちの１つを含むように具現できる。第２接地領域ＧＲ２を含む第２ピクセルをＮＰ’と表記した。第１接地領域ＧＲ１と類似するように、複数の第２接地領域ＧＲ２には暗電流を減少させるために接地電圧が印加できる。第１及び第２接地領域ＧＲ１、ＧＲ２はピクセルアレイ１００ｃの全体に均一に、そして規則的に配列できる。
【0090】
一実施形態で、図２１に図示したように、第２接地領域１６５のサイズ（または、面積）は第１接地領域１１５のサイズと実質的に同一でありうる。他の実施形態で、図２２に図示したように、第２接地領域１６５ａのサイズ（または、面積）は第１接地領域１１５のサイズより小さくてもよい。図７を参照して前述したように、接地電圧は深い素子分離部１１０と第１面１０１ａとの間の空間を通じて周辺ピクセルに提供され、したがって、第２接地領域１６５ａが相対的に小さくても安定した動作が可能でありうる。
【0091】
図２３は、本発明の実施形態に従う自動焦点イメージセンサのピクセルアレイを示す平面図である。図２４は、図２３の自動焦点イメージセンサのピクセルアレイの一例を示す断面図である。以下、図１、図６、及び図７と重複する説明は省略する。
【0092】
図２３及び図２４を参照すると、複数の第１ピクセルＡＦＰ、ＡＦＰ’のうちの一部（ＡＦＰ’）及び複数の第２ピクセルＮＰ、ＮＰ’のうちの一部（ＮＰ’）が変更されることを除外すれば、図１、図６、及び図７の実施形態と実質的に同一でありうる。自動焦点イメージセンサのピクセルアレイ１００ｄに含まれる第１ピクセル（ＡＦＰ’）は図１８及び図１９を参照して前述したことと実質的に同一でありうる。第２ピクセル（ＮＰ’）は、図２０、図２１、及び図２２を参照して前述したことと実質的に同一でありうる。
【0093】
一方、図１９、図２１、図２２、及び図２４に図示したピクセルアレイの構造は、図７、図９、図１０、図１１、図１２、図１３、図１４、及び図１５を参照して前述した実施形態のように変更されるか、または前述した実施形態のうちの２つ以上を組み合わせて具現されることもできる。
【0094】
図２５は、本発明の実施形態に従う自動焦点イメージセンサのピクセルアレイを示す平面図である。図２６は、本発明の実施形態に従う自動焦点イメージセンサのピクセルアレイに含まれるピクセルの他の例を示す回路図である。図２７は、図２５の自動焦点イメージセンサのピクセルアレイの一例を示す断面図である。以下、図１、図５、図６、及び図７と重複する説明は省略する。
【0095】
図２５、図２６、及び図２７を参照すると、複数のピクセルＡＦＰ、ＮＰのうち、互いに隣接する一部がフローティングディフュージョン領域ＦＤを共有するように具現されることを除外すれば、図１、図５、図６、及び図７の実施形態と実質的に同一でありうる。
【0096】
自動焦点イメージセンサのピクセルアレイ１００ｅは互いに隣接する４個のピクセルがフローティング拡散領域ＦＤを共有することができる。例えば、図２６に図示したように第１乃至第４ピクセル６００ａは第１、第２、第３、及び第４光電変換部６１０ａ、６１０ｂ、６１０ｃ、６１０ｄ、及び第１乃至第４光電変換部６１０ａ～６１０ｄにより共有される信号生成部６１２ａを含む。
【0097】
信号生成部６１２ａは、第１乃至第４光電変換部６１０ａ～６１０ｄと連結され、第１、第２、第３、及び第４転送信号ＴＸ１、ＴＸ２、ＴＸ３、ＴＸ４を受信する第１、第２、第３、及び第４転送トランジスタ６２０ａ、６２０ｂ、６２０ｃ、６２０ｄ、第１乃至第４転送トランジスタ６２０ａ～６２０ｄと連結されるフローティングディフュージョンノード６３０、フローティングディフュージョンノード６３０と連結されるリセットトランジスタ６４０、ドライブトランジスタ６５０、及び選択トランジスタ６６０を含むことができる。
【0098】
図２６では互いに隣接する４個のピクセルが信号生成部６１２ａを共有するものとして図示したが、本発明はこれに限定されず、信号生成部６１２ａを共有するピクセルの個数は実施形態によって変更できる。
【0099】
互いに隣接するピクセルが信号生成部６１２ａを共有することによって、図２７に図示したように隣接したＡＦピクセル２１Ｒ、２１Ｌの間に１つのフローティングディフュージョン領域ＦＤが配置され、隣接した一般ピクセル２３の間に１つのフローティングディフュージョン領域ＦＤが配置できる。
【0100】
一方、図２５及び図２７に図示した接地領域の配置は図１８乃至図２４を参照して前述した実施形態のように変更できる。また、図２７に図示したピクセルアレイの構造は図７、図９、図１０、図１１、図１２、図１３、図１４、及び図１５を参照して前述した実施形態のように変更されるか、または前述した実施形態のうち、２つ以上を組み合わせて具現されることもできる。
【0101】
図２８は、本発明の実施形態に従う自動焦点イメージセンサのピクセルアレイを示す平面図である。図２９は、図２８の自動焦点イメージセンサのピクセルアレイの一部の概略的なレイアウトを示す平面図である。図３０は、図２８の自動焦点イメージセンサのピクセルアレイの一例を示す断面図である。以下、図１、図２、図６、及び図７と重複する説明は省略する。
【0102】
図２８、図２９、及び図３０を参照すると、自動焦点イメージセンサのピクセルアレイ１００ｆは、基板１０１、複数のピクセルＤＰ、深い素子分離部１１０、及び複数の接地領域ＧＲを含む。基板１０１及び深い素子分離部１１０とその他の構成要素は図６及び図７を参照して前述したことと実質的に同一でありうる。
【0103】
図１乃至図２７を参照して前述した実施形態は位相差を検出することに使われる複数の第１ピクセルＡＦＰと映像を検出することに使われる複数の第２ピクセルＮＰが別個に具現されたが、図２８、図２９、及び図３０に図示された実施形態では複数のピクセルＤＰの各々が位相差を検出する機能及び映像を検出する機能の両方を遂行することができる。各ピクセルＤＰはデュアル（dual）ピクセルということができる。
【0104】
図２９に図示したように、自動焦点イメージセンサのピクセルアレイ１００ｆの焦点検出領域１１ｂ及び映像検出領域１３ｂは同一な領域でありうる。各デュアルピクセル２５上には遮光パターンにより第３開口部３７及び第４開口部３９が形成できる。第３開口部３７及び第４開口部３９は図２の第１開口部３１と類似しており、単に第３開口部３７及び第４開口部３９は１つのマイクロレンズ３５の下に形成できる。第３開口部３７を通じてＬ信号に対応する光を受信し、第４開口部３９を通じてＲ信号に対応する光を受信することができる。
【0105】
図３０に図示したように、各デュアルピクセル２５は２つの光電変換部ＰＤを含むことができる。左側の光電変換部は第３開口部３７に対応するように配置されて図２及び図７の第２のＡＦピクセルＬと類似するように動作し、右側の光電変換部は第４開口部３９に対応するように配置されて図２及び図７の第１のＡＦピクセルＲと類似するように動作することができる。また、２つの光電変換部からの信号を合算して映像信号を発生することができる。１つの光電変換部を１つのサブピクセルとして定義して２つのサブピクセルが１つのマイクロレンズ３５を共有するものとして説明することもできる。
【0106】
複数の接地領域ＧＲは複数のピクセルＤＰのうちの少なくとも一部のみと隣接するように配置される。複数の接地領域ＧＲの個数は複数のピクセルＤＰの個数より少なく、複数のピクセルＤＰのうちの一部のみ複数の接地領域ＧＲのうちの１つを含むように具現できる。
【0107】
図３１は、本発明の実施形態に従う自動焦点イメージセンサのピクセルアレイの一例を示す断面図である。
【0108】
図３１を参照すると、互いに隣接した第１ピクセルＡＦＰ（即ち、ＡＦピクセル２１Ｒ、２１Ｌ）はマイクロレンズ３５を共有するように具現され、複数の第２ピクセルＮＰ（即ち、一般ピクセル２３）の各々は１つのピクセル毎に１つのマイクロレンズを含むように具現できる。言い換えると、図１乃至図２７を参照して前述した実施形態と図２８乃至図３０を参照して前述した実施形態が組み合わせた構造を有することができる。
【0109】
一方、図２８乃至図３１の実施形態で、接地領域の配置は図１８乃至図２４を参照して前述した実施形態のように変更できる。また、図２８乃至図３１の実施形態で、ピクセルアレイの構造は図７、図９、図１０、図１１、図１２、図１３、図１４、及び図１５を参照して前述した実施形態のように変更されるか、または前述した実施形態のうちの２つ以上を組み合わせて具現されることもできる。
【0110】
図３２は、本発明の実施形態に従う自動焦点イメージセンサを示すブロック図である。
【0111】
図３２を参照すると、自動焦点イメージセンサ５００はピクセルアレイ５１０、相関二重サンプリング（correlated double sampling；ＣＤＳ）ブロック５３０、及びアナログ－ディジタル変換（analog-to-digital conversion；ＡＤＣ）ブロック５４０を含む。自動焦点イメージセンサ５００は、ロウドライバー５２０、映像処理部５５０、ランプ信号発生器５６０、及びタイミングコントローラ５８０をさらに含むことができる。
【0112】
ピクセルアレイ５１０は、マトリックス形態に配列された複数の単位ピクセルまたはピクセルＰＸを含む。複数の単位ピクセルＰＸの各々は複数のロウ（row）ＲＷ１，ＲＷ２，．．．，ＲＷX（Ｘは２以上の自然数）のうちの１つ及び複数のコラム（column）ＣＬ１，ＣＬ２，．．．，ＣＬＹ（Ｙは２以上の自然数）のうちの１つと連結できる。ピクセルアレイ５１０は入射光を感知して前記入射光に相応する複数のアナログピクセル信号ＶＰ１，ＶＰ２，．．．，ＶＰＹを発生する。ピクセルアレイ５１０は図１乃至３１を参照して前述した本発明の実施形態に従うピクセルアレイでありうる。
【0113】
ロウドライバ５２０はピクセルアレイ５１０の複数のロウＲＷ１～ＲＷXと連結され、複数のロウＲＷ１～ＲＷＸを駆動する駆動信号を発生することができる。例えば、ロウドライバ５２０はピクセルアレイ５１０に含まれる複数の単位ピクセルＰＸをロウ単位で駆動することができる。
【0114】
相関二重サンプリングブロック５３０は複数の相関二重サンプリング回路５３０ａ，５３０ｂ，．．．，５３０ｃを含むことができる。複数の相関二重サンプリング回路５３０ａ～５３０ｃはピクセルアレイ５１０の複数のコラムＣＬ１～ＣＬＹと連結され、ピクセルアレイ５１０から出力される複数のアナログピクセル信号ＶＰ１～ＶＰＹに対してＣＤＳ動作を遂行することができる。
【0115】
アナログ－ディジタル変換ブロック５４０は複数のアナログ－ディジタル変換器５４０ａ，５４０ｂ，．．．，５４０ｃを含む。複数のアナログ－ディジタル変換器５４０ａ～５４０ｃは複数の相関二重サンプリング回路５３０ａ～５３０ｃを通じてピクセルアレイ５１０の複数のコラムＣＬ１～ＣＬＹと連結され、ピクセルアレイ５１０から出力される複数のアナログピクセル信号ＶＰ１～ＶＰＹ（即ち、複数の相関二重サンプリング回路５３０ａ～５３０ｃから出力されるＣＤＳされたアナログピクセル信号）を並列で（即ち、同時に）複数のディジタル信号ＣＮＴ１，ＣＮＴ２，．．．，ＣＮＴＹに変換するコラムＡＤＣを遂行する。
【0116】
複数のアナログ－ディジタル変換器５４０ａ～５４０ｃの各々は複数の比較器５４２ａ，５４２ｂ，．．．，５４２のうちの１つ及び複数のカウンター（counter、ＣＮＴ）５４４ａ，５４４ｂ，．．．，５４４ｃのうちの１つを含むことができる。例えば、第１アナログ－ディジタル変換器５４０ａは第１アナログピクセル信号ＶＰ１とランプ信号ＶＲＡＭＰを比較して第１比較信号ＣＳ１を発生する第１比較器５４２ａ、及び第１比較信号ＣＳ１のレベル遷移時間をカウントして第１ディジタル信号ＣＮＴ１を発生する第１カウンター５４４ａを含むことができる。
【0117】
前述した相関二重サンプリングブロック５３０及びアナログ－ディジタル変換ブロック５４０の動作はピクセルアレイ５１０のロウ単位で遂行できる。
【0118】
複数の相関二重サンプリング回路５３０ａ～５３０ｃ及び複数のアナログ－ディジタル変換器５４０ａ～５４０ｃは複数のコラム駆動回路を形成することができる。例えば、第１相関二重サンプリング回路５３０ａ及び第１アナログ－ディジタル変換器５４０ａは第１コラム駆動回路を形成することができる。
【0119】
映像処理部５５０は複数のディジタル信号ＣＮＴ１～ＣＮＴＹに基づいて映像処理を遂行することができる。例えば、ＡＦピクセルを用いたＡＦ情報取得動作及び一般ピクセルを用いた映像獲得動作が映像処理部５５０により遂行できる。
【0120】
実施形態に従って、映像処理部５５０は省略することができ、この場合、前述した映像処理は外部のプロセッサ（例えば、図３３のアプリケーションプロセッサ１１１０）により遂行できる。
【0121】
ランプ信号発生器５６０は、ランプ信号ＶＲＡＭＰを発生することができる。タイミングコントローラ５８０は、自動焦点イメージセンサ５００の全般的な動作タイミングを制御し、カウントイネーブル信号ＣＮＴ＿ＥＮ、クロック信号（図示せず）などの制御信号を発生することができる。
【0122】
図３３は、本発明の実施形態に従う自動焦点イメージセンサを含む電子システムを示すブロック図である。
【0123】
図３３を参照すると、電子システム１０００はＭＩＰＩインタフェースを使用または支援することができるデータ処理装置で具現されることができ、アプリケーションプロセッサ１１１０、自動焦点イメージセンサ１１４０、及びディスプレイ１１５０などを含むことができる。電子システム１０００は、ＲＦチップ１１６０、ＧＰＳ １１２０、ストレージ１１７０、マイク１１８０、ＤＲＡＭ １１８５、及びスピーカー１１９０をさらに含むことができ、ＵＷＢ １２１０、ＷＬＡＮ １２２０、ＷＩＭＡＸ １２３０などを用いて通信を遂行することができる。
【0124】
アプリケーションプロセッサ１１１０は、自動焦点イメージセンサ１１４０の動作を制御するコントローラまたはプロセッサを示すことができる。自動焦点イメージセンサ１１４０は、本発明の実施形態に従う自動焦点イメージセンサでありうる。
【0125】
アプリケーションプロセッサ１１１０は、ディスプレイ１１５０のＤＳＩ装置１１５１と通信するＤＳＩホスト１１１１、自動焦点イメージセンサ１１４０のＣＳＩ装置１１４１と通信するＣＳＩホスト１１１２、ＲＦチップ１１６０のＰＨＹ １１６１とＤｉｇＲＦに従ってデータを送受信するＰＨＹ １１１３、ＲＦチップ１１６０のＤｉｇＲＦ ＳＬＡＶＥ １１６２を制御するＤｉｇＲＦ ＭＡＳＴＥＲ １１１４を含むことができる。
【0126】
一実施形態で、ＤＳＩホスト１１１１は光シリアライザＳＥＲを含むことができ、ＤＳＩ装置１１５１は光デシリアライザＤＥＳを含むことができる。一実施形態で、ＣＳＩホスト１１１２は光デシリアライザＤＥＳを含むことができ、ＣＳＩ装置１１４１は光シリアライザＳＥＲを含むことができる。
【産業上の利用可能性】
【0127】
本発明の実施形態は、自動焦点イメージセンサを含む任意の電子装置及びシステムに有用に利用できる。例えば、本発明の実施形態は、コンピュータ、ノートブック、携帯電話、スマートフォン、ＭＰ３プレーヤー、ＰＤＡ、ＰＭＰ、ディジタルＴＶ、ディジタルカメラ、携帯用ゲームコンソール、ナビゲーション機器、ウェラブル機器、事物インターネット機器、ＶＲ機器、ＡＲ機器などの多様な電子機器に有用に適用できる。
【0128】
前記では本発明の好ましい実施形態を参照して説明したが、該当技術分野の熟練した当業者は下記の特許請求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多様に修正及び変更させることができることを理解することができる。
【符号の説明】
【0129】
１１ 焦点検出領域
１３ 映像検出領域
２１ ＡＦピクセル
２３ 一般ピクセル
２５ デュアルピクセル
３１ 第１開口部
３３ 第２開口部
３５ マイクロレンズ
１００ ピクセルアレイ
１０１ 基板
１１０ 深い素子分離部
１１５ 第１接地領域
１４０ 遮光パターン
１６５ 第２接地領域
５００ 自動焦点イメージセンサ
５１０ ピクセルアレイ
１３ 映像検出領域
２１ ＡＦピクセル
２３ 一般ピクセル
２５ デュアルピクセル
３１ 第１開口部
３３ 第２開口部
３５ マイクロレンズ
１００ ピクセルアレイ
１０１ 基板
１１０ 深い素子分離部
１１５ 第１接地領域
１４０ 遮光パターン
１６５ 第２接地領域
５００ 自動焦点イメージセンサ
５１０ ピクセルアレイ
【図1】
【図2】
【図3】
【図4a】
【図4b】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8a】
【図8b】
【図8c】
【図8d】
【図8e】
【図8f】
【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】
【図31】
【図32】
【図33】