KR-20260061925-A - IMAGE SENSOR

Abstract

본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서는, 제1 면 및 상기 제1 면과 마주보는 제2 면을 갖는 기판, 상기 기판의 내부에 배치되는 제1 라지 포토 다이오드 및 제1 스몰 포토 다이오드를 포함하는 제1 유닛 픽셀, 상기 기판의 내부에 배치되는 제2 라지 포토 다이오드 및 제2 스몰 포토 다이오드를 포함하는 제2 유닛 픽셀, 및 커패시터를 포함하고, 상기 제1 라지 포토 다이오드의 수광 면적은 상기 제1 스몰 포토 다이오드의 수광 면적보다 크며, 상기 제2 라지 포토 다이오드의 수광 면적은 상기 제2 스몰 포토 다이오드의 수광 면적보다 크고, 상기 커패시터는, 상기 제1 스몰 포토 다이오드 및 상기 제2 스몰 포토 다이오드 각각에서 생성된 전하를 저장하며, 상기 제1 스몰 포토 다이오드는, 상기 제1 라지 포토 다이오드와 상기 제1 면에서 대각선 방향으로 배열됨으로써, 다이나믹 레인지를 개선시킨다.

Inventors

• 최순걸
• 김성관
• 김지은
• 신승훈
• 이준택
• 정희근

Assignees

• 삼성전자주식회사

Dates

Publication Date

20260506

Application Date

20241028

Claims (10)

1. 제1 면 및 상기 제1 면과 마주보는 제2 면을 갖는 기판; 상기 기판의 내부에 배치되는 제1 라지 포토 다이오드 및 제1 스몰 포토 다이오드를 포함하는 제1 유닛 픽셀; 상기 기판의 내부에 배치되는 제2 라지 포토 다이오드 및 제2 스몰 포토 다이오드를 포함하는 제2 유닛 픽셀; 및 커패시터; 를 포함하고, 상기 제1 라지 포토 다이오드의 수광 면적은 상기 제1 스몰 포토 다이오드의 수광 면적보다 크며, 상기 제2 라지 포토 다이오드의 수광 면적은 상기 제2 스몰 포토 다이오드의 수광 면적보다 크고, 상기 커패시터는, 상기 제1 스몰 포토 다이오드 및 상기 제2 스몰 포토 다이오드 각각에서 생성된 전하를 저장하며, 상기 제1 스몰 포토 다이오드는, 상기 제1 라지 포토 다이오드와 상기 제1 면에서 대각선 방향으로 배열되는, 이미지 센서.
2. 제1항에 있어서, 상기 커패시터는, MIM(metal-insulator-metal) 커패시터인, 이미지 센서.
3. 제2항에 있어서, 상기 제1 스몰 포토 다이오드는, 상기 제1 라지 포토 다이오드와 상기 제1 면에서 대각선 방향으로 접하는, 이미지 센서.
4. 제3항에 있어서, 상기 제1 라지 포토 다이오드 및 상기 제1 스몰 포토 다이오드는, 녹색에 대응하는 빛을 수신하는, 이미지 센서.
5. 제3항에 있어서, 상기 제2 라지 포토 다이오드 및 상기 제2 스몰 포토 다이오드는, 녹색 외의 색에 대응하는 빛을 수신하는, 이미지 센서.
6. 제5항에 있어서, 상기 제1 유닛 픽셀은, 제1 플로팅 디퓨전 노드, 및 상기 제1 플로팅 디퓨전 노드와 전기적으로 연결되는 제1 리셋 트랜지스터를 더 포함하고, 상기 제2 유닛 픽셀은, 제2 플로팅 디퓨전 노드, 및 상기 제2 플로팅 디퓨전 노드와 전기적으로 연결되는 제2 리셋 트랜지스터를 더 포함하며, 상기 제1 플로팅 디퓨전 노드는, 상기 제1 스몰 포토 다이오드에서 생성된 전하를 저장하고, 상기 제2 플로팅 디퓨전 노드는, 상기 제2 스몰 포토 다이오드에서 생성된 전하를 저장하는, 이미지 센서.
7. 제6항에 있어서, 상기 제1 라지 포토 다이오드와 상기 제2 라지 포토 다이오드를 분리하는 소자 분리막; 을 더 포함하고, 상기 소자 분리막은, 상기 제1 면 및 상기 제2 면과 접하는, 이미지 센서.
8. 제6항에 있어서, 상기 기판의 내부에 배치되는 제3 라지 포토 다이오드 및 제3 스몰 포토 다이오드를 포함하는 제3 유닛 픽셀; 을 더 포함하고, 상기 제3 라지 포토 다이오드의 수광 면적은, 상기 제3 스몰 포토 다이오드의 수광 면적보다 크며, 상기 커패시터는, 상기 제3 스몰 포토 다이오드에서 생성된 전하를 저장하는, 이미지 센서.
9. 제1 면 및 상기 제1 면과 마주보는 제2 면을 포함하는 기판; 상기 기판의 내부에 배치되는 제1 라지 포토 다이오드 및 제1 스몰 포토 다이오드를 포함하는 제1 유닛 픽셀; 상기 기판의 내부에 배치되는 제2 라지 포토 다이오드 및 제2 스몰 포토 다이오드를 포함하는 제2 유닛 픽셀; 및 커패시터; 를 포함하고, 상기 제1 라지 포토 다이오드의 수광 면적은 상기 제1 스몰 포토 다이오드의 수광 면적보다 크며, 상기 제2 라지 포토 다이오드의 수광 면적은 상기 제2 스몰 포토 다이오드의 수광 면적보다 크고, 상기 커패시터는, 상기 제1 스몰 포토 다이오드 및 상기 제2 스몰 포토 다이오드 각각에서 생성된 전하를 저장하며, 상기 제1 라지 포토 다이오드 및 상기 제1 스몰 포토 다이오드는, 녹색에 대응하는 빛을 수신하는, 이미지 센서.
10. 제1 라지 포토 다이오드, 제1 스몰 포토 다이오드, 및 상기 제1 라지 포토 다이오드 및 상기 제1 스몰 포토 다이오드가 공유하는 제1 증폭 트랜지스터를 포함하는 제1 유닛 픽셀; 제2 라지 포토 다이오드, 제2 스몰 포토 다이오드, 및 상기 제2 라지 포토 다이오드 및 상기 제2 스몰 포토 다이오드가 공유하는 제2 증폭 트랜지스터를 포함하는 제2 유닛 픽셀; 제3 라지 포토 다이오드, 제3 스몰 포토 다이오드, 및 상기 제3 라지 포토 다이오드 및 상기 제3 스몰 포토 다이오드가 공유하는 제3 증폭 트랜지스터를 포함하는 제3 유닛 픽셀; 및 상기 제1 유닛 픽셀 내지 상기 제3 유닛 픽셀이 공유하는 MIM(metal-insulator-metal) 커패시터; 를 포함하고, 상기 제2 라지 포토 다이오드는, 상기 제1 라지 포토 다이오드와 제1 방향을 따라 배열되며, 상기 제3 라지 포토 다이오드는, 상기 제1 라지 포토 다이오드와 상기 제1 방향과 수직한 제2 방향을 따라 배열되고, 상기 제1 스몰 포토 다이오드는 상기 제1 방향 및 상기 제2 방향 사이의 대각선 방향으로 상기 제1 라지 포토 다이오드와 접하며 배열되는, 이미지 센서.

Description

이미지 센서{IMAGE SENSOR} 본 발명은 이미지 센서에 관한 것이다. 이미지 센서는 광학 영상(Optical image)을 전기 신호로 변환하는 반도체 소자이다. 그 중 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)형 이미지 센서는 CIS(CMOS Image Sensor)로 약칭된다. CIS는 복수 개의 픽셀 영역들을 포함하며, 각각의 픽셀 영역들은 입사되는 광을 전기 신호로 변환해주는 역할을 하는 적어도 하나의 포토 다이오드(Photodiode, PD)를 포함한다. 최근에는 차량 등과 같은 분야에도 이미지 센서가 채용됨에 따라, 다양한 조건에서 피사체를 정확히 촬영하기 위한 다양한 방안이 제안되고 있다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 간단하게 나타낸 블록도이다. 도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이 구조를 간단하게 나타낸 도면들이다. 도 4a는 도 3에 도시한 일 실시예에 따른 픽셀 영역 그룹의 Ⅰ-Ⅰ'방향의 단면을 간단하게 나타낸 단면도이다. 도 4b는 도 3에 도시한 일 실시예에 따른 픽셀 영역 그룹의 Ⅱ-Ⅱ'방향의 단면을 간단하게 나타낸 단면도이다. 도 5는 도 3에 도시한 일 실시예에 따른 픽셀 영역 그룹의 Ⅲ-Ⅲ' 방향의 단면을 간단하게 나타낸 단면도이다. 도 6은 도 3에 도시한 일 실시예에 따른 이미지 센서에 포함되는 픽셀 그룹을 간단하게 도시한 회로도이다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 동작을 설명하기 위해 제공되는 도면이다. 도 8 및 도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 동작을 설명하기 위해 제공되는 도면들이다. 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 동작을 설명하기 위해 제공되는 도면이다. 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이 구조를 간단하게 나타낸 도면이다. 도 12는 도 11에 도시한 일 실시예에 따른 이미지 센서에 포함되는 픽셀 그룹을 간단하게 도시한 회로도이다. 도 13 내지 도 15은 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이 구조를 간단하게 나타낸 도면들이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 다음과 같이 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 간단하게 나타낸 블록도이다. 도 1을 참조하면, 이미지 센서(10)는 픽셀 어레이(20)와 주변 회로(30) 등을 포함할 수 있다. 픽셀 어레이(20)는 복수의 행들과 복수의 열들을 따라서 어레이 형태로 배치되는 복수의 픽셀들을 포함할 수 있다. 복수의 픽셀들 각각에는 빛에 응답하여 전하를 생성하는 광전 변환 소자가 배치되며, 광전 변환 소자는 광전 변환 소자에서 생성한 전하에 대응하는 신호를 생성 및 출력하는 픽셀 회로와 연결될 수 있다. 광전 변환 소자와 픽셀 회로에 의해 픽셀이 구현될 수 있다. 광전 변환 소자는 반도체 물질로 형성되는 포토 다이오드, 및/또는 유기 물질로 형성되는 유기 포토 다이오드 등을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 하나의 픽셀은 하나의 포토 다이오드를 포함할 수 있다. 다른 일 실시예에서, 하나의 픽셀이 서로 다른 수광 면적을 갖는 제1 포토 다이오드와 제2 포토 다이오드를 포함할 수도 있다. 픽셀 회로는 복수의 트랜지스터들 및 커패시터를 포함할 수 있다. 커패시터는 포토 다이오드에서 과도하게 생성된 전하를 저장할 수 있으며, 적어도 하나 이상의 트랜지스터를 통해 포토 다이오드와 연결될 수 있다. 일 실시예에서 커패시터는 MIM(Metal-Insulator-Metal) 커패시터일 수 있다. MIM 커패시터는 복수의 금속층이 적층되는 다중 금속층(Multi-Metal Layer) 구조일 수 있다. 주변 회로(30)는 픽셀 어레이(20)를 제어하기 위한 회로들을 포함할 수 있다. 일례로, 주변 회로(30)는 로우 드라이버(31), 리드아웃 회로(32), 데이터 출력 회로(33), 컨트롤 로직(34) 등을 포함할 수 있다. 로우 드라이버(31)는 픽셀 어레이(20)를 로우(ROW) 라인들 단위로 구동할 수 있다. 예를 들어, 로우 드라이버(31)는 픽셀 회로에 포함되는 트랜지스터들 각각의 온/오프를 제어하는 제어 신호들을, 픽셀 어레이(20)에 로우 라인 단위로 입력할 수 있다. 픽셀들 중에서 로우 방향(도 1의 가로 방향)을 따라 같은 위치에 배치되는 픽셀들은 동일한 칼럼 라인을 공유할 수 있다. 일례로, 칼럼(COLUMN) 방향(도 1의 세로 방향)에서 같은 위치에 배치되는 픽셀들은 로우 드라이버(31)에 의해 동시에 선택되며 칼럼 라인들을 통해 픽셀 신호를 출력할 수 있다. 일 실시예에서 리드아웃 회로(32)는 칼럼 라인들을 통해 로우 드라이버(31)가 선택한 픽셀들로부터 신호를 동시에 수신할 수 있다. 일례로 리드아웃 회로(32)는 픽셀들 각각으로부터 리셋 전압과 신호 전압을 순서대로 수신할 수 있으며, 신호 전압은 픽셀들 각각의 포토 다이오드에서 생성된 전하가 리셋 전압에 반영된 전압일 수 있다. 리드아웃 회로(32)는 복수의 상관 이중 샘플러들과 복수의 카운터들을 포함하며, 상관 이중 샘플러들은, 픽셀들과 칼럼 라인들을 통해 연결될 수 있다. 일례로 하나의 칼럼 라인에 하나의 상관 이중 샘플러 및 하나의 카운터가 연결될 수 있다. 상관 이중 샘플러들은 로우 드라이버(31)의 로우 라인 선택 신호에 의해 선택되는 로우 라인에 연결되는 픽셀들로부터, 칼럼 라인들을 통해 전압 신호를 읽어올 수 있다. 상관 이중 샘플러들 각각의 입력단들 중 하나의 입력단은 칼럼 라인들에 연결되고, 다른 하나의 입력단은 램프 전압을 입력받을 수 있다. 상관 이중 샘플러들 각각의 출력단은 카운터들에 연결되며, 카운터들은 상관 이중 샘플러들 각각의 출력이 특정 전압으로 유지되는 시간을 카운트하여 디지털 픽셀 신호를 생성할 수 있다. 일례로, 카운터는 상관 이중 샘플러에 입력되는 램프 전압이 칼럼 라인의 전압보다 큰 시간을 카운트하여 상관 이중 샘플러의 출력을 디지털 픽셀 신호로 변환할 수 있다. 데이터 출력 회로(33)는, 디지털 픽셀 신호를 임시로 저장하는 래치, 버퍼 회로 등의 메모리를 포함할 수 있다. 컨트롤 로직(34)은 로우 드라이버(31), 리드아웃 회로(32) 및 데이터 출력 회로(33)의 동작 타이밍을 제어하기 위한 타이밍 컨트롤러 등을 포함할 수 있다. 실시예에 따라, 컨트롤 로직(34)은 데이터 출력 회로(33)가 출력하는 데이터 포맷을 결정하거나, 데이터 출력 회로(33)가 출력할 데이터의 전처리를 수행할 수도 있다. 본 발명의 일 실시예에서는, 리드아웃 회로(32)가 복수의 픽셀들 각각에 대한 리드아웃 동작을 실행할 수 있다. 일례로, 복수의 로우 라인들 중 하나의 로우 라인이 선택되면, 선택된 로우 라인을 따라 배열된 픽셀들이 빛에 노출되어 생성된 전하에 대응하는 신호를, 리드아웃 회로(32)가 읽어올 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는, 한 번의 노출 시간 동안 픽셀들에서 생성된 전하에 대응하는 신호를, 리드아웃 회로(32)가 읽어올 수 있다. 본 발명의 일 실시예로, 리드아웃 회로(32)는 서로 다른 동작 조건에서 픽셀들로부터 신호를 획득할 수 있다. 리드아웃 회로(32)는 픽셀들 각각의 변환 이득이 큰 조건과 작은 조건 각각에서 적어도 한 번의 리드아웃 동작을 실행할 수 있다. 픽셀들 각각의 변환 이득은, 픽셀들 각각에서 플로팅 디퓨전 노드에 연결되는 트랜지스터의 온/오프에 따라 가변될 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 복수의 픽셀들 각각은 커패시터를 포함할 수 있다. 노출 시간 동안 포토 다이오드의 FWC(Full Well Capacity)를 초과하여 포토 다이오드에서 생성되는 전하가 커패시터로 이동하여 저장되며, 리드아웃 회로(32)는 커패시터에 저장된 전하에 대응하는 신호를 획득하는 리드아웃 동작을 실행할 수 있다. 리드아웃 회로(32)가 픽셀들로부터 획득한 신호를 이용하여 이미지를 생성함으로써, 이미지 센서(10)가 표현할 수 있는 빛의 세기 범위를 확장시키고 다이나믹 레인지를 향상시킬 수 있다. 픽셀에 포함되는 커패시터의 용량이 확대되는 경우, 커패시터로 이동하여 저장되는 노출 시간 동안 다이오드의 FWC를 초과하여 포토 다이오드에서 생성되는 전하가 증가될 수 있다. 따라서, 이미지 센서(10)의 다이나믹 레인지가 개선될 수 있다. 커패시터에 포함되는 금속층의 면적을 증가시키거나 적층되는 금속층의 수를 증가시킴으로써, 커패시터의 용량은 확대될 수 있다. 일반적인 이미지 센서에 있어서, 하나의 픽셀에 포함되는 하나의 포토 다이오드는 하나의 커패시터에 연결될 수 있다. 다시 말해, 이미지 센서의 복수의 픽셀들 각각은 하나의 커패시터를 포함할 수 있다. 이때, 픽셀의 크기에 따른 공간 제한에 의해, 커패시터의 금속층의 면적을 증가시키거나 적층되는 금속층의 수를 증가시키는 데에 한계가 있을 수 있다. 즉, 이미지 센서의 다이나믹 레인지를 향상시키는 데에 제한이 있을 수 있다. 본 발명의 일 실시예 따른 이미지 센서(10)에 있어서, 복수의 픽셀들에 포함되는 포토 다이오드들은, 하나의 커패시터에 연결될 수 있다. 다시 말해, 복수의 포토 다이오드들은 하나의 커패시터를 공유할 수 있다. 이때, 상기 커패시터의 금속층의 면적은 복수의 픽셀들의 면적만큼 증가될 수 있다. 또는, 상기 커패시터에 적층되는 금속층의 수는 복수의 픽셀들의 크기에 비례하여 증가될 수 있다. 이미지 센서(10)에 포함되는 커패시터의 용량이 확대됨에 따라, 이미지 센서(10)의 다이나믹 레인지가 개선될 수 있다. 도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이 구조를 간단하게 나타낸 도면들이다. 먼저 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이(100)는 제1 방향(X축 방향) 및 제2 방향(Y축 방향)으로 배열되는 복수의 픽셀 영역(PA)들을 포함할 수 있다. 픽셀 어레이(100)는 제1 방향 및 제2 방향으로 배열되는 복수의 픽셀 영역 그룹(PAG)들을 포함할 수 있으며, 픽셀 영역 그룹(PAG)은 복수의 픽셀 영역(PA)들의 일부를 포함할 수 있다. 복수의 픽셀 영역(PA)들이 제1 방향 및 제2 방