KR20220051052A - 이미지 센서 - Google Patents

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KR20220051052A
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photodiodes
pixel
floating diffusion
diffusion region
photodiode
Prior art date
Application number
KR1020200134017A
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박은지
배형진
임무섭
신승호
이강선
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삼성전자주식회사
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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서는, 단위 픽셀의 제1 영역에 포함되는 복수의 제1 포토 다이오드, 상기 단위 픽셀의 제2 영역에 포함되는 제2 포토 다이오드, 상기 제1 영역의 상부에 배치되는 제1 마이크로 렌즈, 상기 제2 영역의 상부에 배치되는 제2 마이크로 렌즈, 상기 복수의 제1 포토 다이오드에서 생성된 전하를 각각 상기 제1 영역에 포함된 제1 플로팅 확산 영역에 제공하기 위한 복수의 제1 전송 트랜지스터, 상기 제2 포토 다이오드에 축적된 전하를 상기 제2 영역에 포함된 제2 플로팅 확산 영역에 제공하기 위한 제2 전송 트랜지스터를 포함할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에서 제1 포토 다이오드의 FWC를 증가시킬 수 있고, 나아가 이미지 센서의 다이나믹 레인지를 높이면서 플리커 현상이 발생하는 외부 광원의 빛에 대한 노이즈 특성을 개선할 수 있다.

Description

이미지 센서{IMAGE SENSOR}
본 발명은 이미지 센서에 관한 것이다.
이미지 센서는 빛을 받아들여 전기 신호를 생성하는 반도체 기반의 센서로서, 복수의 픽셀들을 갖는 픽셀 어레이와, 픽셀 어레이를 구동하고 이미지를 생성하기 위한 회로 등을 포함할 수 있다. 복수의 픽셀들은 외부의 빛에 반응하여 전하를 생성하는 포토 다이오드 및 포토 다이오드가 생성한 전하를 전기 신호로 변환하는 픽셀 회로 등을 포함할 수 있다. 이미지 센서는 사진이나 동영상을 촬영하기 위한 카메라 이외에, 스마트폰, 태블릿 PC, 랩톱 컴퓨터, 텔레비전, 자동차 등에 폭넓게 적용될 수 있다. 최근에는 이미지 센서의 다이나믹 레인지를 개선하기 위한 연구와 함께, 플리커(Flicker) 현상이 발생하는 광원의 빛을 정확히 감지하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 최근에는 픽셀 사이즈의 미세화가 진행됨에 따라 이미지 센서의 노이즈 특성이 나빠지는 문제가 발생하고 있다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 과제 중 하나는, 개선된 노이즈 특성을 가지고, 반도체 발광소자(LED) 등과 같이 플리커 현상이 발생하는 외부 광원의 빛을 정확하게 감지하여 이미지를 생성할 수 있는 이미지 센서를 제공하고자 하는 데에 있다.
본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서는, 단위 픽셀의 제1 영역에 포함되는 복수의 제1 포토 다이오드, 상기 단위 픽셀의 제2 영역에 포함되는 제2 포토 다이오드, 상기 제1 영역의 상부에 배치되는 제1 마이크로 렌즈, 상기 제2 영역의 상부에 배치되는 제2 마이크로 렌즈, 상기 복수의 제1 포토 다이오드에서 생성된 전하를 각각 상기 제1 영역에 포함된 제1 플로팅 확산 영역에 제공하기 위한 복수의 제1 전송 트랜지스터, 상기 제2 포토 다이오드에 축적된 전하를 상기 제2 영역에 포함된 제2 플로팅 확산 영역에 제공하기 위한 제2 전송 트랜지스터를 포함하고, 상기 복수의 제1 포토 다이오드의 수광 면적의 합은 상기 제2 포토 다이오드의 수광 면적보다 크다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는, 복수의 제1 전송 트랜지스터를 통해 제1 플로팅 확산 영역에 각각 연결되는 복수의 제1 포토 다이오드, 제2 전송 트랜지스터를 통해 상기 제1 플로팅 확산 영역과 분리된 제2 플로팅 확산 영역에 연결되는 제2 포토 다이오드, 상기 제2 플로팅 확산 영역과 제1 전원 노드 사이에 연결되는 제1 리셋 트랜지스터, 상기 제1 플로팅 확산 영역과 상기 제2 플로팅 확산 영역 사이에 연결되는 제2 리셋 트랜지스터, 상기 제2 전송 트랜지스터와 상기 제2 플로팅 확산 영역 사이에 연결되는 스위치 소자, 상기 제2 전송 트랜지스터와 상기 스위치 소자 사이의 노드와, 제2 전원 노드 사이에 연결되는 스토리지 커패시터를 포함하고, 상기 복수의 제1 포토 다이오드 및 상기 제2 포토 다이오드는 하나의 단위 픽셀마다 포함된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는, 단위 픽셀에 포함되는 n개의 제1 포토 다이오드, 상기 단위 픽셀에 포함되는 제2 포토 다이오드, 상기 n개의 제1 포토 다이오드의 상부에 배치되는 n보다 작거나 같은 m개의 제1 마이크로 렌즈, 상기 제2 포토 다이오드의 상부에 배치되는 제2 마이크로 렌즈, 및 복수의 제1 전송 트랜지스터를 통해 상기 n개의 제1 포토 다이오드들에 축적된 전하가 제공되는 제1 플로팅 확산 영역, 제2 전송 트랜지스터를 통해 상기 제2 포토 다이오드에 축적된 전하가 제공되고, 상기 제1 플로팅 확산 영역과 분리된 제2 플로팅 확산 영역을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는, 복수의 픽셀들 각각에 포함되는 복수의 제1 포토 다이오드와 제2 포토 다이오드에서 생성되는 전하를 이용하여 플리커 현상이 발생하는 외부 광원의 빛을 정확히 검출할 수 있다. 또한, 복수의 제1 포토 다이오드의 FWC(Full Well Capacitance)를 증가시키고, 나아가 이미지 센서 다이나믹 레인지를 높이면서 플리커 현상이 발생하는 외부 광원의 빛에 대한 노이즈 특성을 개선할 수 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시 형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본　발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 간단하게 나타낸 블록도이다.
도　2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 효과를 설명하기 위해 제공되는 도면이다.
도　3은 본 발명의 일 실시예들에 따른 이미지 센서에 포함되는 픽셀을 간단하게 나타낸 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예들에 따른 이미지 센서에 포함되는 픽셀 어레이를 간단하게 나타낸 평면도이다.
도　5a, 도 5b, 및 도 5c는 본 발명의 일 실시예들에 따른 이미지 센서에 포함되는 픽셀 어레이를 간단하게 나타낸 평면도이다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예들에 따른 이미지 센서에 포함되는 픽셀 어레이를 간단하게 나타낸 평면도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 회로를 나타낸 회로도이다.
도　10 내지 도 13은　본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에 포함되는 픽셀들을 간단하게 나타낸 도면들이다.
도　14 내지 도 18은　본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에 포함되는 픽셀들을 간단하게 나타낸 도면들이다.
도　19 및 도 20는　본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 동작을 설명하기 위해 제공되는 도면들이다.
도　21 및 도 22는　본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 동작을 설명하기 위해 제공되는 도면들이다.
도　23은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 동작을 설명하기 위해 제공되는 도면이다.
도 24는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 효과를 설명하기 위해 제공되는 도면이다.
도 25a 내지 도 25e는 본 발명의 일 실시예들에 따른 이미지 센서의 픽셀 회로를 나타낸 회로도들이다.
도 26 및 도 27은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 포함하는 전자 장치를 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, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서(1)는 픽셀 어레이(10)와 로직 회로(20) 등을 포함할 수 있다.
픽셀 어레이(10)는 복수의 행들과 복수의 열들을 따라서 어레이 형태로 배치되는 복수의 픽셀들(PX)을 포함할 수 있다. 복수의 픽셀들(PX) 각각은 빛에 응답하여 전하를 생성하는 적어도 하나의 광전 변환 소자, 및 광전 변환 소자가 생성한 전하에 대응하는 픽셀 신호를 생성하는 픽셀 회로 등을 포함할 수 있다.
광전 변환 소자는 반도체 물질로 형성되는 포토 다이오드, 및/또는 유기 물질로 형성되는 유기 포토 다이오드 등을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 복수의 픽셀들(PX) 각각은 둘 이상의 광전 변환 소자를 포함할 수 있으며, 하나의 픽셀(PX)에 포함되는 둘 이상의 광전 변환 소자는 서로 다른 색상의 빛을 받아들여 전하를 생성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 하나의 픽셀(PX)은 복수의 제1 포토 다이오드 및 제2 포토 다이오드를 포함할 수 있으며, 복수의 제1 포토 다이오드 및 제2 포토 다이오드는 서로 다른 파장 대역의 빛을 받아들여 전하를 각각 생성할 수 있다. 일 실시예에서 복수의 제1 포토 다이오드는 제2 포토 다이오드보다 먼저 빛을 받아들일 수 있다.
실시예에 따라, 픽셀 회로는 전송 트랜지스터, 구동 트랜지스터, 선택 트랜지스터, 및 리셋 트랜지스터 등을 포함할 수 있다. 하나의 픽셀(PX)이 둘 이상의 광전 변환 소자를 갖는 경우, 해당 픽셀(PX)은 둘 이상의 광전 변환 소자 각각에서 생성된 전하를 처리하기 위한 픽셀 회로를 포함할 수 있다. 즉, 하나의 픽셀(PX)이 둘 이상의 광전 소자를 갖는 경우, 픽셀 회로는 전송 트랜지스터, 구동 트랜지스터, 선택 트랜지스터, 및 리셋 트랜지스터 중 적어도 일부를 2개 이상 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에서 하나의 픽셀(PX)은, 복수의 제1 포토 다이오드에서 생성된 전하를 처리하는 제1 픽셀 회로 및 제2 포토 다이오드에서 생성된 전하를 처리하는 제2 픽셀 회로를 포함할 수 있다. 제1 픽셀 회로는 복수의 제1 반도체 소자들을 포함할 수 있으며, 제2 픽셀 회로는 복수의 제2 반도체 소자들을 포함할 수 있다. 제1 픽셀 회로는 복수의 제1 포토 다이오드에서 생성된 전하로부터 제1 전기 신호를 생성하여 제1 칼럼 라인으로 출력하고, 제2 픽셀 회로는 제2 포토 다이오드에서 생성된 전하로부터 제2 전기 신호를 생성하여 제2 칼럼 라인으로 출력할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 서로 인접하여 배치되는 둘 이상의 제1 픽셀 회로들은 하나의 제1 칼럼 라인을 공유할 수 있다. 유사하게, 서로 인접하여 배치되는 둘 이상의 제2 픽셀 회로들은 하나의 제2 칼럼 라인을 공유할 수 있다. 서로 인접하여 배치되는 제2 픽셀 회로들은 일부의 제2 반도체 소자를 공유할 수도 있다.
로직 회로(20)는 픽셀 어레이(10)를 제어하기 위한 회로들을 포함할 수 있다. 일례로, 로직 회로(20)는 로우 드라이버(21), 리드아웃 회로(22), 칼럼 드라이버(23), 및 컨트롤 로직(24) 등을 포함할 수 있다.
로우 드라이버(21)는 픽셀 어레이(10)를 행(row) 단위로 구동할 수 있다. 일례로, 로우 드라이버(21)는 픽셀 회로의 전송 트랜지스터를 제어하는 전송 제어 신호, 리셋 트랜지스터를 제어하는 리셋 제어 신호, 선택 트랜지스터를 제어하는 선택 제어 신호 등을 생성하여 픽셀 어레이(10)에 행 단위로 입력할 수 있다.
리드아웃 회로(22)는 상관 이중 샘플러(Correlated Double Sampler, CDS), 아날로그-디지털 컨버터(Analog-to-Digital Converter, ADC) 등을 포함할 수 있다. 상관 이중 샘플러들은, 픽셀들(PX)과 칼럼 라인들을 통해 연결될 수 있다. 상관 이중 샘플러들은 로우 드라이버(21)의 로우 라인 선택 신호에 의해 선택되는 로우 라인에 연결되는 픽셀들(PX)로부터 픽셀 신호를 수신함으로써 상관 이중 샘플링을 수행할 수 있다. 픽셀 신호는 칼럼 라인들을 통해 수신될 수 있다. 아날로그-디지털 컨버터는 상관 이중 샘플러가 검출한 픽셀 신호를 디지털 픽셀 신호로 변환하여 칼럼 드라이버(23)에 전달할 수 있다.
칼럼 드라이버(23)는 디지털 픽셀 신호를 임시로 저장할 수 있는 래치 또는 버퍼 회로와 증폭 회로 등을 포함할 수 있으며, 리드아웃 회로(22)로부터 수신한 디지털 픽셀 신호를 처리할 수 있다. 로우 드라이버(21), 리드아웃 회로(22) 및 칼럼 드라이버(23)는 컨트롤 로직(24)에 의해 제어될 수 있다. 컨트롤 로직(24)은 로우 드라이버(21), 리드아웃 회로(22) 및 칼럼 드라이버(23)의 동작 타이밍을 제어하기 위한 타이밍 컨트롤러 등을 포함할 수 있다.
픽셀들(PX) 중에서 가로 방향으로 같은 위치에 배치되는 픽셀들(PX)은 동일한 칼럼 라인을 공유할 수 있다. 일례로, 세로 방향으로 같은 위치에 배치되는 픽셀들(PX)은 로우 드라이버(21)에 의해 동시에 선택되며 칼럼 라인들을 통해 픽셀 신호를 출력할 수 있다. 일 실시예에서 리드아웃 회로(22)는 칼럼 라인들을 통해 로우 드라이버(21)가 선택한 픽셀들(PX)로부터 픽셀 신호를 동시에 획득할 수 있다. 픽셀 신호는 리셋 전압과 픽셀 전압을 포함할 수 있으며, 픽셀 전압은 픽셀들(PX) 각각에서 빛에 반응하여 생성된 전하가 리셋 전압에 반영된 전압일 수 있다.
도　2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 효과를 설명하기 위해 제공되는 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는 하나의 단위 픽셀마다 제1 포토 다이오드와 제2 포토 다이오드를 포함할 수 있다. 일례로, 제1 포토 다이오드는 제2 포토 다이오드보다 큰 수광 면적을 가질 수 있다. 한편, 이미지 센서는 제1 포토 다이오드 및 제2 포토 다이오드를 이용하여 이미지를 생성할 수 있으며, 제1 포토 다이오드와 제2 포토 다이오드의 역할은 다를 수 있다. 일례로, 수광 면적이 큰 제1 포토 다이오드는 일반적인 이미지를 생성하기 위한 목적으로 이용될 수 있고, 수광 면적이 작은 제2 포토 다이오드는 플리커(Flicker) 현상이 나타나는 외부 광원을 정확히 감지하기 위한 용도 또는 이미지 생성의 보조 목적으로 이용될 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서가 자율 주행 차량 등에 적용될 경우, 플리커 현상이 발생하는 LED를 광원으로 채용한 신호등 또는 주변 차량의 헤드램프 및 테일램프 등을 정확히 감지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는 플리커 현상이 발생하는 외부 광원을 정확하게 캡쳐할 수 있다. 한편, 장거리에서의 사물 인식을 위해 고화소의 이미지 센서 사용이 필요해짐에 따라, 이미지 센서에 포함된 픽셀의 크기는 작아질 수 있다. 이에 따라, 일반적인 이미지 생성과 관련된 제1 포토 다이오드의 FWC(Full Well Capacity)가 감소할 수 있다.
도 2를 참조하면, 제1 포토 다이오드의 FWC가 감소함에 따라, 제1 포토 다이오드에서 생성된 픽셀 신호와 제2 포토 다이오드에서 생성된 픽셀 신호를 결합할 때, 특정 조도(lux) 구간에서 신호 대 잡음비(Signal Noise Ratio, SNR)가 급격히 낮아지는 SNR dip 현상이 발생할 수 있다. SNR dip 현상을 개선하기 위해, 일반적인 이미지를 생성하는 제1 포토 다이오드의 FWC를 증가시키거나, 플리커 현상을 완화시키기 위한 제2 포토 다이오드의 정전용량을 증가시킬 수 있다. 다만, 제2 포토 다이오드의 정전용량을 증가시키는 경우, 리셋 노이즈가 증가할 수 있다. 이에 따라, 제1 포토 다이오드의 FWC를 증가시키는 방법이 요구될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는, 제1 포토 다이오드와 제1 포토 다이오드에 연결된 제1 전송 트랜지스터를 복수 개로 분할함으로써, 제1 포토 다이오드의 FWC를 증가시킬 수 있다. 일례로, 제1 포토 다이오드와 제1 포토 다이오드에 연결된 제1 전송 트랜지스터를 복수 개로 분할하는 경우, 분할된 제1 포토 다이오드 각각에서 제1 플로팅 확산 영역으로 이동하는 전하의 이동 거리가 감소할 수 있다. 이에 따라, 제1 포토 다이오드에 남는 전하를 최소화할 수 있고, 제1 포토 다이오드의 FWC를 증가시킬 수 있으며, 나아가 SNR dip 현상을 개선할 수 있다.
도　3은 본 발명의 일 실시예들에 따른 이미지 센서에 포함되는 픽셀을 간단하게 나타낸 평면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예들에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이는 복수의 픽셀들(PX)을 포함할 수 있다. 일례로 복수의 픽셀(PX) 각각은 빛을 받아들여 전하를 생성하는 포토 다이오드, 및 포토 다이오드에서 생성되는 전하를 전기 신호로 변환하는 복수의 반도체 소자들을 포함할 수 있다.
일례로, 픽셀(PX)은 복수의 제1 포토 다이오드(PD1)와 제2 포토 다이오드(PD2)를 포함할 수 있다. 복수의 제1 포토 다이오드(PD1)는 X-Y 평면 상의 제1 영역(A1) 내에서 서로 인접하도록 배치될 수 있다. 반면, 제2 포토 다이오드(PD2)는 제1 영역(A1)과 이격된 제2 영역(A2) 내에 배치될 수 있다.
일 실시예에서, 복수의 제1 포토 다이오드(PD1)의 수광 면적의 합은 제2 포토 다이오드(PD2)의 수광 면적보다 클 수 있다. 따라서, 제2 포토 다이오드(PD2)가 복수의 제1 포토 다이오드(PD1)보다 더 쉽게 포화될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 제2 포토 다이오드(PD2)가 포화되어 LED를 광원으로 채용한 신호등 및/또는 주변 차량의 빛을 잘못 감지하지 않도록, 제2 포토 다이오드(PD2)의 포화를 방지하기 위한 수단이 마련될 수 있다.
한편, 하나의 픽셀(PX)에 포함된 제1 포토 다이오드(PD1)의 개수는 한정되지 않을 수 있다. 일례로, 도 3의 (a), (b), 및 (c)에 도시된 실시예들에 따르면, 하나의 픽셀(PX)에는 제1 포토 다이오드(PD1)가 각각 2개, 4개, 8개 포함되어 있는 것으로 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않을 수 있다. 일례로, 하나의 픽셀(PX)의 제1 영역(A1)에 포함되는 복수의 제1 포토 다이오드(PD1) 및 제2 영역(A2)에 포함되는 제2 포토 다이오드(PD2)는 픽셀(PX)의 면적을 최소화하도록 배치될 수 있다.
포토 다이오드에서 생성되는 전하를 전기 신호로 변환하는 복수의 반도체 소자들은 복수의 전송 트랜지스터를 포함할 수 있다. 복수의 전송 트랜지스터는 복수의 제1 포토 다이오드(PD1)와 연결되는 복수의 제1 전송 트랜지스터(TX1) 및 제2 포토 다이오드(PD2)와 연결되는 제2 전송 트랜지스터(TX2)를 포함할 수 있다. 일례로, 복수의 제1 전송 트랜지스터(TX1)는 복수의 제1 포토 다이오드(PD1)에 각각 연결될 수 있다. 다시 말해, 하나의 제1 포토 다이오드(PD1)는 하나의 제1 전송 트랜지스터(TX1)와 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에서, 복수의 제1 전송 트랜지스터(TX1)는 복수의 제1 포토 다이오드(PD1)에서 생성된 전하를 각각 제1 플로팅 확산 영역에 제공할 수 있다. 일례로, 복수의 제1 포토 다이오드(PD1)는 제1 플로팅 확산 영역을 공유할 수 있다. 한편, 제2 전송 트랜지스터(TX2)는 제2 포토 다이오드(PD2)에서 생성된 전하를 제2 플로팅 확산 영역에 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 동작에 따라, 복수의 제1 포토 다이오드(PD1)에서 생성된 전하는 복수의 제1 포토 다이오드(PD1)에서 제1 플로팅 확산 영역으로 이동할 수 있다. 복수의 제1 전송 트랜지스터(TX1)는 복수의 제1 포토 다이오드(PD1)에서 생성된 전하의 이동 경로를 최소화할 수 있는 위치에 배치될 수 있다. 일례로, 복수의 제1 전송 트랜지스터(TX1)는 복수의 제1 전송 트랜지스터(TX1)에서 제1 플로팅 확산 영역까지의 거리가 최소가 되는 위치에 각각 배치될 수 있다. 도 3에 도시된 실시예들은 복수의 제1 전송 트랜지스터(TX1)의 배치에 대한 도시를 포함할 수 있다. 다만, 이는 일 실시예에 불과할 뿐 한정되지 않고, 제1 포토 다이오드(PD1)의 개수 및 위치, 이미지 센서의 감도에 따른 제1 플로팅 확산 영역의 위치, 및 배선 라우팅 방법 등에 따라 복수의 제1 전송 트랜지스터(TX1)의 배치는 달라질 수 있다.
설명의 편의를 위해 이하, 제1 영역(A1)에 제1 포토 다이오드(PD1) 4개가 포함되고, 복수의 제1 전송 트랜지스터들은 제1 포토 다이오드(PD1)에서 생성된 전하의 이동 거리를 최소화할 수 있도록 배치된다고 가정하기로 한다. 일례로, 이하 본 발명의 일 실시예에 대한 이미지 센서의 픽셀(PX)은 도 3의 (b)에 도시된 픽셀(PX)의 구조를 가질 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예들에 따른 이미지 센서에 포함되는 픽셀 어레이를 간단하게 나타낸 평면도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예들에 따른 이미지 센서에서, 픽셀 어레이(10)는 복수의 픽셀들(PX)을 포함할 수 있다. 복수의 픽셀들(PXa, PXb, PXc, PXd)은 X-Y 평면 상에서 복수의 행들과 열들을 따라 매트릭스 형태로 배치될 수 있으며, 복수의 픽셀들(PXa, PXb, PXc, PXd) 사이에는 크로스토크(cross-talk)를 방지하기 위하여 분리 영역(11)이 형성될 수 있다. 분리 영역(11)은 산화물 등의 절연 물질을 포함할 수 있으며, 깊은 소자 분리막(Deep Trench Isolation, DTI)으로 형성될 수 있다. 복수의 픽셀들(PXa, PXb, PXc, PXd)과 인접하는 분리 영역(11)의 측벽은 반사율이 높은 물질로 형성될 수 있다.
한편, 복수의 픽셀들(PXa, PXb, PXc, PXd)은 각각 제1 영역(A1)에 포함되는 복수의 제1 포토 다이오드와 제2 영역(A2)에 포함되는 제2 포토 다이오드를 포함할 수 있다. 다만, 제1 영역(A1)과 제2 영역(A2)의 배치는 어느 하나로 한정되는 것은 아니며, 다양하게 변형될 수 있다.
일례로, 도 4의 (a)를 참조하면, 픽셀 어레이(10)는 제1 영역(A1)의 우측 하단에 제2 영역(A2)이 위치하는 복수의 픽셀들(PXa)을 포함할 수 있다. 이에 따라, 서로 다른 두 개의 픽셀 사이에서 제2 영역(A2)은 서로 인접하지 않을 수 있다.
한편, 도 4의 (b)를 참조하면, 픽셀 어레이(10)는 제1 영역(A1)의 우측 하단에 제2 영역(A2)이 위치하는 복수의 픽셀들(PXa)과, 제1 영역(A1)의 좌측 하단에 제2 영역(A2)이 위치하는 복수의 픽셀들(PXb)을 포함할 수 있다. 이에 따라, 서로 다른 두 개의 픽셀 사이에서 제2 영역(A2)은 서로 인접할 수 있다.
또한, 도 4의 (c)를 참조하면, 픽셀 어레이(10)는 제1 영역(A1)의 우측 하단에 제2 영역(A2)이 위치하는 복수의 픽셀들(PXa), 제1 영역(A1)의 좌측 하단에 제2 영역(A2)이 위치하는 복수의 픽셀들(PXb)과 함께, 제1 영역(A1)의 우측 상단에 제2 영역(A2)이 위치하는 복수의 픽셀들(PXc) 및 제1 영역(A1)의 좌측 상단에 제2 영역(A2)이 위치하는 복수의 픽셀들(PXd)을 포함할 수 있다. 이에 따라, 서로 다른 네 개의 픽셀 사이에서 제2 영역(A2)은 서로 인접할 수 있다.
다만, 픽셀 어레이(10)에 포함된 복수의 픽셀들(PXa, PXb, PXc, PXd)의 배치 형태는 도 4에 도시된 형태로 한정되지 않을 수 있다. 설명의 편의를 위해 이하, 픽셀 어레이(10)는 제1 영역(A1) 및 제2 영역(A2)이 모두 동일한 형태로 배치된 복수의 픽셀들(PXa)을 포함한다고 가정하기로 한다. 일례로, 이하 본 발명의 일 실시예에 대한 이미지 센서의 픽셀 어레이(10)는 도 4의 (a)에 도시된 구조를 가질 수 있다.
도　5a, 도 5b, 및 도 5c는 본 발명의 일 실시예들에 따른 이미지 센서에 포함되는 픽셀 어레이를 간단하게 나타낸 평면도이다.
도 5a 내지 도 5c를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에서, 픽셀 어레이(10a, 10b, 10c)는 복수의 픽셀들(PX)을 포함할 수 있다. 일례로, 복수의 픽셀들(PX)은 서로 다른 네 개의 픽셀에 대하여, 네 개의 제1 영역(A1) 사이에 하나의 제2 영역(A2)이 위치하고, 네 개의 제2 영역(A2) 사이에 하나의 제1 영역(A1)이 위치하도록 배치될 수 있다. 또한, 복수의 픽셀들(PX)은 제1 영역(A1)이 정팔각형 형태가 되고, 제2 영역(A2)이 정사각형 형태가 되도록 나란히 배치될 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는 포토 다이오드의 집적도를 향상시킬 수 있다. 다만, 이는 일 실시예에 불과할 뿐 한정되지 않고, 복수의 픽셀들(PX)은 필요에 따라 다양한 방법과 형태로 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에서, 픽셀 어레이(10a, 10b, 10c)에 포함된 복수의 픽셀들(PX)은 각각 복수의 제1 포토 다이오드(PD1), 제2 포토 다이오드(PD2), 제1 플로팅 확산 영역(FD1), 및 제2 플로팅 확산 영역(FD2)을 포함할 수 있다. 일례로, 제1 플로팅 확산 영역(FD1)은 복수의 제1 포토 다이오드(PD1)의 사이에 배치될 수 있고, 제2 플로팅 확산 영역(FD2)은 제2 포토 다이오드(PD2)의 일측에 배치될 수 있다. 다만, 제1 플로팅 확산 영역(FD1) 및 제2 플로팅 확산 영역(FD2)의 배치는 도시된 바에 한정되지 않을 수 있다. 한편, 복수의 픽셀들(PX)은 각각에 포함된 포토 다이오드들에서 생성된 전하로부터 전기 신호를 획득하여 이미지를 생성하기 위한 픽셀 회로를 포함할 수 있다.
일반적으로, 복수의 픽셀들(PX)에 각각 포함된 포토 다이오드들은 포토 다이오드들의 상부에 각각 배치된 마이크로 렌즈를 이용하여 입사된 빛으로부터 전하를 생성할 수 있다. 다만, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에서, 제1 포토 다이오드(PD1)가 복수 개 포함되는 것은, 각각에 포함된 전송 트랜지스터와 제1 플로팅 확산 영역(FD1) 사이에서 전하의 이동 거리를 감소시키기 위한 것일 수 있다. 이에 따라, 복수의 제1 포토 다이오드(PD1)는 각각의 상부에 배치된 마이크로 렌즈에 의해 개별적으로 동작하지 않을 수 있다.
다시 말해, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에서, 복수의 제1 포토 다이오드(PD1)는 각각 개별적인 마이크로 렌즈를 필요로 하지 않을 수 있고, 복수의 제1 포토 다이오드(PD1)가 적어도 한 개의 마이크로 렌즈를 공유할 수 있다. 다만, 이는 일 실시예에 불과할 뿐 한정되지 않을 수 있다. 예컨대, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는 n 개의 제1 포토 다이오드를 포함할 수 있다. 일례로, n은 1이 아닌 자연수일 수 있다. 한편, n 개의 제1 포토 다이오드 상부에는 m 개의 제1 마이크로 렌즈가 배치될 수 있다. 일례로, m은 n보다 작거나 같은 자연수일 수 있다.
도 5a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에 포함된 픽셀 어레이(10a)에서, 복수의 픽셀들(PX)은 각각 복수의 제1 포토 다이오드(PD1)를 포함하는 제1 영역(A1)의 상부에 배치된 1개의 제1 마이크로 렌즈(ML1a)를 더 포함할 수 있다. 또한, 제2 포토 다이오드(PD2)를 포함하는 제2 영역(A2)의 상부에 배치되는 1개의 제2 마이크로 렌즈(ML2)를 더 포함할 수 있다.
전술한 바와 같이, 복수의 제1 포토 다이오드(PD1)의 수광 면적의 합은 제2 포토 다이오드(PD2)의 수광 면적보다 크므로, 복수의 제1 포토 다이오드(PD1)의 상부에 배치되는 제1 마이크로 렌즈(ML1a)의 면적은 제2 포토 다이오드(PD2)의 상부에 배치되는 제2 마이크로 렌즈(ML2a)의 면적보다 클 수 있다.
한편, 도 5a에 도시된 픽셀 어레이(10a)는 4개의 제1 포토 다이오드(PD1)의 상부에 1개의 제1 마이크로 렌즈(ML1a)가 배치되는 경우일 수 있다. 이 때, 4개의 제1 포토 다이오드(PD1) 사이에는 제1 플로팅 확산 영역(FD1)이 배치될 수 있다. 이에 따라, 제1 마이크로 렌즈(ML1a)의 중심점은 제1 플로팅 확산 영역(FD1)과 수직 방향에서 중첩될 수 있다. 한편, 제1 마이크로 렌즈(ML1a)의 중심점과 제1 플로팅 확산 영역(FD1)이 수직 방향에서 중첩되는 경우, 이미지 센서의 감도는 감소할 수 있다. 일례로, 제1 마이크로 렌즈(ML1a)의 개수를 증가시킴으로써 이미지 센서의 감도 감소를 방지할 수 있다. 다만, 이는 일 실시예에 불과할 뿐 한정되지 않고, 이미지 센서의 감도를 개선하기 위한 다양한 다른 방법들을 이용할 수도 있다.
도 5b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에 포함된 픽셀 어레이(10b)에서, 복수의 픽셀들(PX)은 각각 복수의 제1 포토 다이오드(PD1)를 포함하는 제1 영역(A1)의 상부에 배치된 2개의 제1 마이크로 렌즈(ML1b)를 더 포함할 수 있다. 또한, 제2 포토 다이오드(PD2)를 포함하는 제2 영역(A2)의 상부에 배치되는 1개의 제2 마이크로 렌즈(ML2)를 더 포함할 수 있다.
복수의 픽셀들(PX)은 각각 2개의 제1 마이크로 렌즈(ML1b)를 포함할 수 있고, 각각의 제1 마이크로 렌즈(ML1b)의 중심점과 제1 플로팅 확산 영역(FD1)은 수직 방향에서 중첩되지 않을 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 감도 감소를 방지할 수 있다.
한편, 도 5c를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에 포함된 픽셀 어레이(10c)에서, 복수의 픽셀들(PX)은 각각 복수의 제1 포토 다이오드(PD1)를 포함하는 제1 영역(A1)의 상부에 배치된 4개의 제1 마이크로 렌즈(ML1c)를 더 포함할 수도 있다. 또한, 제2 포토 다이오드(PD2)를 포함하는 제2 영역(A2)의 상부에 배치되는 1개의 제2 마이크로 렌즈(ML2)를 더 포함할 수 있다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예들에 따른 이미지 센서에 포함되는 픽셀 어레이를 간단하게 나타낸 평면도이다.
먼저 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이(100a)는 복수의 픽셀들(PX1, PX2)를 포함할 수 있다. 일례로, 픽셀 어레이(100a)는 일반 픽셀(PX1)과 자동 초점 픽셀(PX2)을 포함할 수 있다. 일반 픽셀(PX1)과 자동 초점 픽셀(PX2) 각각은 복수 개일 수 있으며, 그 개수는 다양하게 변형될 수 있다. 일례로, 일반 픽셀(PX1)의 개수는 자동 초점 픽셀(PX2)의 개수보다 많을 수 있다. 또한, 자동 초점 픽셀(PX2)의 위치 역시 도 6에 도시한 바로 한정되지 않으며, 다양하게 변형될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이(100a)에서, 복수의 픽셀들(PX1, PX2)은 복수의 제1 포토 다이오드와 제2 포토 다이오드를 포함할 수 있다. 한편, 자동 초점 픽셀(PX2)에 포함된 복수의 제1 포토 다이오드 중 일부는 자동 초점 기능(auto-focusing)을 수행하기 위한 제3 포토 다이오드일 수 있다. 일례로, 복수의 제1 포토 다이오드 및 제3 포토 다이오드 중 적어도 일부는 하나의 제1 마이크로 렌즈를 서로 공유할 수 있다. 실시예들에 따라, 자동 초점 픽셀(PX2)에 포함된 복수의 제1 포토 다이오드와 제3 포토 다이오드의 배열 방향은 다를 수 있다.
도 7을 참조하면, 픽셀 어레이(100b)가 복수의 픽셀들(PX3)을 포함할 수 있으며, 복수의 픽셀들(PX3) 각각은 복수의 제1 포토 다이오드, 제2 포토 다이오드, 및 제3 포토 다이오드를 포함할 수 있다. 도 7에 도시한 일 실시예에 따라, 픽셀 어레이(100b)에 포함되는 복수의 픽셀들(PX3)은 각각 자동 초점 픽셀일 수 있다. 도 6을 참조하여 설명한 바와 유사하게, 복수의 픽셀들(PX3) 중 적어도 일부에서는 복수의 제1 포토 다이오드와 제3 포토 다이오드가 다른 방향으로 배열될 수도 있다. 한편, 복수의 픽셀들(PX3) 중 일부만이 자동 초점 기능에 이용될 수도 있다.
다음으로 도 8을 참조하면, 픽셀 어레이(100c)는 복수의 픽셀 그룹들(PX4)을 포함할 수 있으며, 복수의 픽셀 그룹들(PX4) 각각은 단위 픽셀들(PX)을 포함할 수 있다. 픽셀 그룹들(PX4) 각각에 포함되는 단위 픽셀들(PX)은 동일한 색상의 컬러 필터를 포함할 수 있다. 도 8에 도시한 일 실시예에서는, 단위 픽셀들(PX) 각각이 복수의 제1 포토 다이오드, 제2 포토 다이오드, 및 제3 포토 다이오드를 포함할 수 있다. 다만, 실시예들에 따라, 단위 픽셀들(PX) 중 일부만이 복수의 제1 포토 다이오드, 제2 포토 다이오드, 및 제3 포토 다이오드를 포함하거나, 또는 단위 픽셀들(PX) 중 적어도 일부에서 복수의 제1 포토 다이오드와 제3 포토 다이오드의 배열 방향이 다를 수도 있다.
도 6 내지 도 8을 참조하여 설명한 실시예들에서, 복수의 제1 포토 다이오드와 제3 포토 다이오드 사이에는 픽셀 내부 분리막이 배치될 수 있다. 일례로, 픽셀 내부 분리막에 의해 복수의 제1 포토 다이오드와 제3 포토 다이오드 각각의 수광 면적이 결정될 수 있다. 픽셀 내부 분리막이 복수의 제1 포토 다이오드와 제3 포토 다이오드 사이에서 정확하게 정렬되지 않을 경우, 제1 포토 다이오드의 수광 면적과 제3 포토 다이오드의 수광 면적에 차이가 발생할 수 있으며, 이미지 센서의 자동 초점 기능이 저하될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는, 픽셀들을 서로 분리하는 픽셀 분리막과 함께 픽셀 내부 분리막을 형성하여 상기와 같은 문제를 해결할 수 있다. 일례로, 픽셀 분리막을 형성하기 위한 트렌치와, 픽셀 내부 분리막을 형성하기 위한 트렌치가 한 번의 공정에 의해 동시에 형성될 수 있다. 따라서, 픽셀 내부 분리막을 정확하게 정렬시키고, 제1 포토 다이오드와 제2 포토 다이오드의 수광 면적 차이를 최소화하여 이미지 센서의 자동 초점 기능 저하를 방지할 수 있다.
일례로, 픽셀 분리막 및 픽셀 내부 분리막은 소자 분리막으로 통칭될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따라, 픽셀 내, 외부에 형성되는 소자 분리막에 대한 설명은 후술하기로 한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 회로를 나타낸 회로도이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 회로(200)는 제1 픽셀 회로(210)와 제2 픽셀 회로(220)를 포함할 수 있다. 제1 픽셀 회로(210)는 복수의 제1 포토 다이오드(PD1a, PD1b, PD1c, PD1d; PD1)가 생성하는 전하를 이용하여 전기 신호를 출력할 수 있으며, 제2 픽셀 회로(220)는 제2 포토 다이오드(PD2)가 생성하는 전하를 이용하여 전기 신호를 출력할 수 있다. 제1 픽셀 회로(210)와 제2 픽셀 회로(220) 각각에 포함되는 능동 소자들의 동작은, 이미지 센서에 포함되는 컨트롤러에 의해 제어될 수 있다.
제1 픽셀 회로(210)는 제1 리셋 트랜지스터(RX1), 복수의 제1 전송 트랜지스터(TX1a, TX1b, TX1c, TX1d; TX1), 구동 트랜지스터(DX) 및 선택 트랜지스터(SX) 등을 포함할 수 있다. 복수의 제1 포토 다이오드(PD1)는 복수의 제1 전송 트랜지스터(TX1)를 통해 각각 제1 플로팅 확산 영역(FD1)에 연결될 수 있다. 다시 말해, 복수의 제1 포토 다이오드(PD1)는 제1 플로팅 확산 영역(FD1)을 공유할 수 있다.
복수의 제1 전송 트랜지스터(TX1)는 각각 로우 드라이버로부터 전달되는 복수의 제1 전송 제어 신호(TG1a, TG1b, TG1c, TG1d; TG1)에 기초하여 복수의 제1 포토 다이오드(PD1)에 각각 누적된 전하를 제1 플로팅 확산 영역(FD1)으로 전달할 수 있다. 복수의 제1 포토 다이오드(PD1)는 전자를 주 전하 캐리어로 생성할 수 있다. 구동 트랜지스터(DX)는 제1 플로팅 확산 영역(FD1)에 누적되는 전하에 의해 소스 팔로워 버퍼 증폭기(Source Follower Buffer Amplifier)로 동작할 수 있다. 구동 트랜지스터(DX)는 제1 플로팅 확산 영역(FD1)에 누적된 전하를 증폭시켜 선택 트랜지스터(SX)로 전달할 수 있다.
선택 트랜지스터(SX)는 로우 드라이버가 입력하는 선택 제어 신호(SEL)에 의해 동작할 수 있으며, 스위칭 및 어드레싱 동작을 수행할 수 있다. 로우 드라이버로부터 선택 제어 신호(SEL)가 인가되면, 선택 트랜지스터(SX)에 연결된 칼럼 라인(Col)으로 전압이 출력될 수 있다. 상기 전압은 칼럼 라인(Col)에 연결된 칼럼 드라이버 및 리드아웃 회로에 의해 검출될 수 있다. 칼럼 드라이버 및 리드아웃 회로는, 제1 플로팅 확산 영역(FD1)에 전하가 누적되지 않은 상태에서 리셋 전압을 검출하고, 제1 플로팅 확산 영역(FD1)에 전하가 누적된 상태에서 픽셀 전압을 검출할 수 있다. 일 실시예에서 이미지 센서는, 상기 리셋 전압과 상기 픽셀 전압의 차이를 계산하여 이미지를 생성할 수 있다.
한편, 제2 픽셀 회로(220)는 제2 리셋 트랜지스터(RX2), 제2 전송 트랜지스터(TX2), 스위치 소자(SW), 및 스토리지 커패시터(SC)를 포함할 수 있다. 제2 포토 다이오드(PD2)는 제2 전송 트랜지스터(TX2)를 통해 스위치 소자(SW) 및 스토리지 커패시터(SC)와 연결될 수 있다. 제2 포토 다이오드(PD2) 역시 복수의 제1 포토 다이오드(PD1)와 마찬가지로, 전자를 주 전하 캐리어로 생성할 수 있다. 제2 포토 다이오드(PD2)에서 생성된 전하는, 제2 전송 트랜지스터(TX2)가 턴-온될 때 스토리지 커패시터(SC)로 이동할 수 있다.
스토리지 커패시터(SC)는 제2 포토 다이오드(PD2)가 생성한 전하를 저장하기 위한 소자일 수 있다. 스토리지 커패시터(SC)는 MIM 커패시터 또는 액티브 커패시터 등으로 구현될 수 있다. 한편, 스토리지 커패시터(SC)에 연결되는 제2 전원 전압(MIM_VDD)은 픽셀 회로 전체의 제1 전원 전압(VDD)보다 작은 값일 수 있다. 다만, 이는 일 실시예에 불과할 뿐 한정되지 않고, 제1 전원 전압(VDD)과 제2 전원 전압(MIM_VDD)은 동일할 수 있다.
스토리지 커패시터(SC)는 제2 포토 다이오드(PD2)에서 생성된 전하량 및 제2 전송 트랜지스터(TX2)의 동작에 응답하여 전하를 저장할 수 있다. 스토리지 커패시터(SC)와 제2 플로팅 확산 영역(FD2) 사이에는 스위치 소자(SW)가 연결되며, 스위치 소자(SW)의 온/오프 동작에 의해 스토리지 커패시터(SC)의 전하가 제2 플로팅 확산 영역(FD2)으로 이동할 수 있다.
한편, 제2 리셋 트랜지스터(RX2)가 제2 플로팅 확산 영역(FD2)과 제1 플로팅 확산 영역(FD1) 사이에 연결될 수 있다. 즉, 제2 플로팅 확산 영역(FD2)이 제1 리셋 트랜지스터(RX1)와 제2 리셋 트랜지스터(RX2), 및 제2 전송 트랜지스터(TX2)에 연결될 수 있다. 제2 플로팅 확산 영역(FD2)에 누적된 전하는 제2 리셋 트랜지스터(RX2)의 동작에 응답하여 제1 플로팅 확산 영역(FD1)으로 이동할 수 있다.
픽셀 회로(200)의 동작에 있어서, 제1 픽셀 회로(210)와 제2 픽셀 회로(220)는 적어도 일부의 회로 소자들을 공유할 수 있다. 일례로, 제2 픽셀 회로(220)는 제2 포토 다이오드(PD2)가 생성한 전하에 대응하는 픽셀 전압을 출력하기 위해, 구동 트랜지스터(DX) 및 선택 트랜지스터(SX)를 이용할 수 있다. 또한 제1 픽셀 회로(210)는, 복수의 제1 포토 다이오드(PD1)가 생성한 전하의 변환 이득(Conversion Gain) 또는 픽셀의 용량을 조절하기 위해, 제2 리셋 트랜지스터(RX2) 및 제2 플로팅 확산 영역(FD2)을 이용할 수 있다.
도 9에 도시한 일 실시예에서, 복수의 제1 포토 다이오드(PD1)와 제2 포토 다이오드(PD2)는 칼럼 라인(Col)을 공유할 수 있다. 따라서 복수의 제1 포토 다이오드(PD1)의 전하에 대응하는 제1 픽셀 전압이 칼럼 라인(Col)으로 출력되는 동안, 제2 포토 다이오드(PD2)는 칼럼 라인(Col)과 분리될 수 있다. 일례로, 제1 픽셀 전압이 칼럼 라인(Col)으로 출력되는 동안, 제2 리셋 트랜지스터(RX2) 및 스위치 소자(SW) 중 적어도 하나를 턴-오프시켜 제2 포토 다이오드(PD2)를 칼럼 라인(Col)과 분리할 수 있다. 복수의 제1 포토 다이오드(PD1)의 전하를 이용하여 제1 픽셀 전압을 생성하고 칼럼 라인(Col)으로 출력하기 위해, 제1 전송 트랜지스터(TX1)가 턴-온되어 제1 포토 다이오드(PD1)에서 생성된 전하가 제1 플로팅 확산 영역(FD1)에 축적될 수 있다.
마찬가지로, 제2 포토 다이오드(PD2)의 전하에 대응하는 제2 픽셀 전압을 칼럼 라인(Col)으로 출력하는 동안, 복수의 제1 포토 다이오드(PD1)는 칼럼 라인(Col)과 분리될 수 있다. 일례로, 제2 픽셀 전압이 칼럼 라인(Col)으로 출력되는 동안, 제1 전송 트랜지스터(TX1)가 턴-오프되어 복수의 제1 포토 다이오드(PD1)를 칼럼 라인(Col)과 분리할 수 있다. 제2 픽셀 전압을 생성하고 칼럼 라인(Col)으로 출력하기 위해, 스위치 소자(SW)와 제2 리셋 트랜지스터(RX2)가 턴-온되어 제1 플로팅 확산 영역(FD1)과 제2 플로팅 확산 영역(FD2)이 서로 연결될 수 있다. 제2 포토 다이오드(PD2)에서 생성되어 스토리지 커패시터(SC)에 저장된 전하는, 제1 플로팅 확산 영역(FD1) 및 제2 플로팅 확산 영역(FD2)에 축적되어 구동 트랜지스터(DX)에 의해 전압으로 변환될 수 있다.
일 실시예에서, 제2 포토 다이오드(PD2)는 플리커 현상이 나타나는 외부 광원을 감지하는 목적으로 이용되거나, 또는 이미지 센서의 다이내믹 레인지를 개선하고자 하는 목적으로 이용될 수 있다. 이미지 센서의 다이내믹 레인지를 개선하기 위하여, 복수의 제1 포토 다이오드(PD1)의 전하로부터 생성된 제1 픽셀 전압이 복수 회 출력될 때, 제2 포토 다이오드(PD2)의 전하로부터 생성된 제2 픽셀 전압은 한 번만 출력될 수 있다.
복수의 제1 포토 다이오드(PD1)의 면적의 합은 제2 포토 다이오드(PD2)의 면적보다 상대적으로 클 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는, 제2 포토 다이오드(PD2)에서 생성되는 전하를 이용하여 플리커 현상이 나타나는 외부 광원을 정확히 표현하는 이미지를 생성하는 한편, 복수의 제1 포토 다이오드(PD1)에서 생성되는 전하는 일반적인 이미지를 생성하는 데에 이용할 수 있다. 또한, 제1 포토 다이오드(PD1)와 제2 포토 다이오드(PD2) 각각이 빛을 받아들이는 노출 시간을 조절함으로써, 이미지 센서의 다이나믹 레인지 및 이미지 품질 등을 개선할 수 있다. 이미지 센서의 동작을 설명하기 위한 제어 신호들의 타이밍은 후술하기로 한다.
도　10 내지 도 13은　본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에 포함되는 픽셀들을 간단하게 나타낸 도면들이다.
먼저, 도 10에 도시된 픽셀 어레이(10a)는 도 5a에 도시된 픽셀 어레이(10a)와 대응할 수 있다. 일례로, 픽셀 어레이(10a)는 복수의 픽셀들(PX11-PX14)을 포함할 수 있다.
도 10을 참조하면, 픽셀들(PX11-PX14) 사이에는 픽셀 분리막(11)이 배치되며, 픽셀들(PX11-PX14) 각각은 픽셀 내부 분리막(12)을 포함할 수 있다. 일례로, 픽셀 내부 분리막(12)은 복수의 제1 포토 다이오드(PD1) 사이에 배치될 수 있다. 한편, 복수의 제1 포토 다이오드(PD1)와 제2 포토 다이오드(PD2)는 하나의 픽셀에 포함되나, 그 사이에는 픽셀 분리막(11)과 유사한 분리막이 위치할 수 있다. 예컨대, 픽셀 분리막(11) 및 픽셀 내부 분리막(12)은 소자 분리막(DTI)으로 통칭될 수 있다. 픽셀 분리막(11) 및 픽셀 내부 분리막(12)은 반도체 물질을 포함하는 기판 내에서 제1 방향(Z 방향)으로 연장될 수 있다.
한편, 도 11은 도 10의 I-I` 방향의 단면을 나타낸 단면도일 수 있으며, 도 12 및 도 13은 각각 도 10의 II-II` 및 III-III` 방향의 단면을 나타낸 단면도일 수 있다.
도 11 내지 도 13을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서(300)에서, 복수의 제1 포토 다이오드(PD1)와 제2 포토 다이오드(PD2)의 하부에는 픽셀 회로가 배치될 수 있다. 일례로, 픽셀 회로는 복수의 소자들(330), 복수의 소자들(330)과 연결되는 배선 패턴들(331), 및 복수의 소자들(330)과 배선 패턴들(331)을 커버하는 절연층(332) 등을 포함할 수 있으며, 기판(301)의 제1면 상에 배치될 수 있다.
픽셀 회로는 플로팅 확산 영역들(FD1, FD2)을 포함할 수 있다. 일례로, 픽셀들(PX11-PX14) 각각은 제1 플로팅 확산 영역(FD1)과 제2 플로팅 확산 영역(FD2)을 포함하며, 제1 플로팅 확산 영역(FD1)은 복수의 제1 포토 다이오드(PD1)의 하부에, 제2 플로팅 확산 영역(FD2)은 제2 포토 다이오드(PD2)의 하부에 배치될 수 있다. 제1 플로팅 확산 영역(FD1)과 제2 플로팅 확산 영역(FD2)은 배선 패턴들(331) 중 적어도 하나에 의해 서로 전기적으로 연결될 수 있으며, 제1 플로팅 확산 영역(FD1)과 제2 플로팅 확산 영역(FD2)의 위치 및 면적 등은 실시예들에 따라 다양하게 변형될 수 있다.
제1 플로팅 확산 영역(FD1)은 픽셀 내부 분리막(312) 부근에 배치되며, 제2 플로팅 확산 영역(FD2)은 픽셀 분리막(311) 부근에 배치될 수 있다. 한편, 제1 플로팅 확산 영역(FD1)과 제2 플로팅 확산 영역(FD2)에 인접하는 소자들(330)은 복수의 제1 전송 트랜지스터와 제2 전송 트랜지스터일 수 있다. 복수의 제1 전송 트랜지스터와 제2 전송 트랜지스터 각각의 게이트는, 적어도 일부 영역이 기판(301)에 매립되는 수직 구조를 가질 수도 있으며, 전송 트랜지스터들을 통해 포토 다이오드에서 생성된 전하들이 플로팅 확산 영역으로 이동할 수 있다.
픽셀들(PX11-PX14) 각각은 기판(301)의 제2면 상에 배치되는 컬러 필터(303)와 광 투과층(304), 및 마이크로 렌즈(305, 306)를 포함할 수 있다. 일례로, 픽셀들(PX11-PX14) 각각은 복수의 제1 포토 다이오드(PD1)의 상부에 배치되는 제1 마이크로 렌즈(305), 및 제2 포토 다이오드(PD2)의 상부에 배치되는 제2 마이크로 렌즈(306)를 포함할 수 있다. 각각의 마이크로 렌즈(305, 306)를 통과한 빛은 마이크로 렌즈(305, 306) 하부에 배치된 포토 다이오드들(PD1, PD2)로 입사할 수 있다. 한편, 제1 마이크로 렌즈(305)와 제2 마이크로 렌즈(306)는 실시예에 따라 동일하지 않을 수 있다. 일례로, 제1 마이크로 렌즈(305)와 제2 마이크로 렌즈(306)의 직경, 면적 및/또는 두께는 도시된 바에 한정되지 않고 서로 다를 수 있다.
도 11을 참조하면, 픽셀 분리막(311)은 제1 폭(W1)과 제1 길이(L1)를 가지고, 픽셀 내부 분리막(312)은 제2 폭(W2)과 제2 길이(L2)를 가질 수 있다. 일례로, 픽셀 내부 분리막(312)의 제2 폭(W2)은 제1 폭(W1)보다 작을 수 있고, 이에 따라, 픽셀 분리막(311)과 픽셀 내부 분리막(312)은 한 번의 공정에서 동시에 형성될 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니고, 실시예에 따라 제1 폭(W1)과 제2 폭(W2)은 서로 동일할 수도 있다. 일례로, 제1 폭(W1)은 약 110nm 내지 130nm 사이의 값일 수 있다. 다만 이는 일 실시예에 불과할 뿐 한정되지 않고, 제1 폭(W1)은 130nm 이상이거나, 110nm 이하일 수도 있다.
또한, 제1 길이(L1)는 제2 길이(L2)보다 클 수 있다. 일례로, 제1 길이(L1)는 약 1.1um 내지 1.3um 일 수 있고, 제2 길이(L2)는 약 0.2um 내지 0.4um 일 수 있다. 다만 이는 일 실시예에 불과할 뿐 한정되지 않고, 제1 길이(L1) 및 제2 길이(L2)는 각각 다양한 값을 가질 수 있다. 한편, 픽셀 분리막(311)은 기판(301)을 완전히 관통하여, 기판(301)의 제1면으로부터 제2면까지 연장될 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서(300)에서, 픽셀 내부 분리막(312)은 제1 방향에서 복수의 제1 포토 다이오드(PD1)보다 작은 길이를 가질 수 있다. 이에 따라, 픽셀 내부 분리막(312)을 사이에 두고 복수의 제1 포토 다이오드(PD1) 사이에서 전하가 이동할 수 있다. 일례로, 복수의 제1 포토 다이오드(PD1) 가운데 어느 하나에서 전하가 과도하게 생성된 경우, 전하가 이동함으로써 제1 포토 다이오드(PD1)의 포화를 방지할 수 있다.
일 실시예에서, 픽셀 분리막(311)과 픽셀 내부 분리막(312)을 동일한 공정에서 형성할 수 있으며, 픽셀 분리막(311)과 픽셀 내부 분리막(312)은 마이크로 렌즈(305, 306)가 배치되는 기판(301)의 제2면으로부터 연장될 수 있다. 픽셀 분리막(311)과 픽셀 내부 분리막(312)을 동일한 공정에서 형성함으로써, 픽셀들(PX11-PX14) 각각의 내부에서 픽셀 분리막(311)의 위치를 정확하게 정렬시킬 수 있다. 다만, 이는 일 실시예에 불과할 뿐 픽셀 분리막(311) 및/또는 픽셀 내부 분리막(312)은 픽셀 회로가 배치되는 기판(301)의 제1면으로부터 연장될 수도 있다. 따라서, 실시예에 따라 이미지 센서(300)의 특정한 단면의 형태는 변화할 수 있다.
도　14 내지 도 18은　본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에 포함되는 픽셀들을 간단하게 나타낸 도면들이다.
도 14를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에 포함된 픽셀 어레이(10b)는 도 10에 도시된 픽셀 어레이(10a)와 달리 복수의 제1 포토 다이오드(PD1)의 상부에 두 개의 제1 마이크로 렌즈(ML1b)가 배치될 수 있다. 일례로, 도 14와 도 5b에 각각 도시된 픽셀 어레이(10b)는 서로 대응할 수 있고, 픽셀 어레이(10b)는 복수의 픽셀들(PX21-PX24)을 포함할 수 있다.
한편, 도 15 내지 도 18은 도 13의 IV-IV` 방향 내지 VII-VII` 방향의 단면을 나타낸 단면도일 수 있다. 도 15 내지 도 18를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서(400)에서, 복수의 제1 포토 다이오드(PD1)와 제2 포토 다이오드(PD2)의 하부에는 픽셀 회로가 배치될 수 있다. 일례로, 픽셀 회로는 기판(401)의 제1면 상에 배치되어 복수의 소자들(430), 배선 패턴들(431), 및 절연층(432) 등을 포함할 수 있다.
도 15 내지 도 18에 도시된 이미지 센서(400)는 도 11 내지 도 13에 도시된 이미지 센서(300)와 대응할 수 있다. 다만, 이미지 센서(400)에 포함된 픽셀들(PX21-PX24) 각각은 두 개의 제1 마이크로 렌즈(405)를 갖는 바, 한 개의 제1 마이크로 렌즈(305)를 갖는 이미지 센서(300)와 단면도 상의 차이가 있을 수 있다.
한편, 제1 마이크로 렌즈(405)의 개수가 달라지는 경우에는 그 면적뿐만 아니라 두께도 달라질 수 있으며, 제1 마이크로 렌즈(405)의 형태, 면적, 및 두께 등은 도 15 내지 도 18에 도시된 바에 한정되지 않을 수 있다.
도　19 및 도 20는　본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 동작을 설명하기 위해 제공되는 도면들이다.
도 19는 일반적인 이미지 센서의 동작을 설명하기 위한 도면일 수 있다. 일 실시예에서, LED는 펄스-폭-변조(Pulse Width Modulation, PWM) 방식으로 동작할 수 있다. 따라서 도 19에 도시한 바와 같이, LED는 턴-온 시간(Ton)과 턴-오프 시간(Toff)을 갖는 주기(T)에 따라 동작할 수 있다.
먼저 도 19의 제1 케이스(case1)를 참조하면, 이미지 센서에 포함되는 포토 다이오드가 빛에 노출되는 노출 시간이 LED의 턴-온 시간(Ton)과 중첩되는지 여부에 따라 이미지 센서의 LED 감지 여부가 결정될 수 있다. 일례로 제1 케이스(case1)는 이미지 센서가 촬영하고자 하는 환경의 조도가 높은 경우에 해당할 수 있으며, 따라서 포토 다이오드의 노출 시간이 짧게 설정될 수 있다. 제1 케이스(case1)에서 제1 노출 시간(ex1)은 LED의 턴-온 시간(T1)과 중첩될 수 있으며, 제1 노출 시간(ex1) 동안 포토 다이오드에서 생성된 전하를 이용하여 LED의 빛을 정확히 감지할 수 있다.
반면, 제1 케이스(case1)에서 제2 노출 시간(ex2)은 LED의 턴-온 시간(T1)과 중첩되지 않을 수 있다. LED를 구동하는 PWM 방식에서 전체 주기(T)에 대한 턴-온 시간(Ton)의 비율을 나타내는 듀티 비는 100%가 될 수 없다. 따라서 높은 조도로 인해 노출 시간들(ex1, ex2)이 짧게 설정되는 제1 케이스(case1)에서는 제2 노출 시간(ex2)과 같이 포토 다이오드의 노출 시간이 LED의 턴-온 시간(T1)과 어긋나는 상황이 발생할 수 있다. 따라서, 제2 노출 시간(ex2) 동안 포토 다이오드에서 생성된 전하를 이용한 이미지로는, LED의 빛을 정확히 감지할 수가 없다.
다음으로 도 19의 제2 케이스(case2)는, 이미지 센서가 촬영하고자 하는 환경의 조도가 낮은 경우에 해당할 수 있다. 따라서, 도 19에 도시한 바와 같이 포토 다이오드의 노출 시간이 매우 길게 선택될 수 있다. 제2 케이스(case2)에서는 포토 다이오드가 길게 노출됨에 따라 포토 다이오드가 쉽게 포화될 수 있으며, 결과적으로 LED의 빛이 정확히 감지되지 않을 수 있다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 동작을 설명하기 위한 도면일 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는 복수의 픽셀들을 포함하고, 복수의 픽셀들 각각이 복수의 제1 포토 다이오드와 제2 포토 다이오드를 포함할 수 있다. 제2 포토 다이오드는 복수의 제1 포토 다이오드에 비해 상대적으로 작은 면적을 가지며, LED 등과 같이 플리커 현상이 나타나는 광원을 감지하기 위한 목적으로 이용될 수 있다. 한편, 도 19에 도시한 일 실시예와 마찬가지로 LED는 펄스-폭-변조 방식으로 동작할 수 있으며, 하나의 주기(T) 내에서 턴-온 시간(Ton) 및 턴-오프 시간(Toff)을 가질 수 있다.
도 20을 참조하면, 제2 포토 다이오드(PD2)의 노출 시간은 LED의 턴-온 시간(Ton)보다 짧을 수 있다. 제2 포토 다이오드(PD2)는 복수 회에 걸쳐서 빛에 노출되어 전하를 생성할 수 있으며, 제2 포토 다이오드(PD2)가 생성한 전하는 노출 시간이 끝날 때마다 플로팅 확산 영역에 누적될 수 있다. 따라서, 이미지 센서가 촬영하고자 하는 외부 환경의 조도와 관계없이 제2 포토 다이오드(PD2)의 포화를 방지할 수 있다. 또한, 제2 포토 다이오드(PD2)를 복수 회의 짧은 노출 시간 동안 빛에 노출시킴으로써, LED의 턴-온 시간(Ton)과 제2 포토 다이오드(PD2)의 노출 시간이 어긋나지 않도록 하여 플리커 현상이 발생하는 LED 등의 빛을 정확히 감지할 수 있다.
도　21 및 도 22는　본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 동작을 설명하기 위해 제공되는 도면들이다.
도 21 및 도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 동작을 설명하기 위해 제공되는 도면들이다. 먼저 도 21은 도 9에 도시된 일 실시예에 따른 픽셀 회로를 갖는 이미지 센서의 동작을 설명하기 위한 타이밍 다이어그램일 수 있다. 도 21을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 동작은, 제1 리셋 트랜지스터(RX1) 및 제2 리셋 트랜지스터(RX2)가 턴-온되어 제1 플로팅 확산 영역(FD1) 및 제2 플로팅 확산 영역(FD2)이 리셋되는 것으로 시작될 수 있다. 이때, 제1 전송 트랜지스터(TX1)가 함께 턴-온되어 제1 포토 다이오드(PD1)의 전하가 제거될 수 있다.
제1 전송 트랜지스터(TX1)가 턴-오프된 후 제1 노출 시간(de1) 동안, 제1 포토 다이오드(PD1)가 빛에 노출될 수 있다. 이후, 리셋 전압 및 픽셀 전압을 검출하기 위해 선택 제어 신호(SEL)에 의해 선택 트랜지스터(SX)가 턴-온될 수 있다. 선택 트랜지스터(SX)가 턴-온되면, 제1 시간(D1) 동안 제1 리셋 전압과 제1 픽셀 전압이 순차로 검출될 수 있다. 일례로, 컨트롤러의 샘플링 회로는, 리셋 전압 검출 신호(SHR)가 하이 논리 값을 갖는 제1 샘플링 시간(t1) 동안, 제1 리셋 전압을 검출할 수 있다. 또한 컨트롤러는, 픽셀 전압 검출 신호(SHS)가 하이 논리 값을 갖는 제2 샘플링 시간(t2) 동안 제1 픽셀 전압을 검출할 수 있다. 제1 샘플링 시간(t1)과 제2 샘플링 시간(t2) 사이에 제1 전송 트랜지스터(TX1)가 턴-온 및 턴-오프되어, 제1 노출 시간(de1) 동안 제1 포토 다이오드(PD1)가 생성한 전하가 제1 플로팅 확산 영역(FD1)으로 이동할 수 있다.
도 21에 도시한 일 실시예에서는, 제1 시간(D1) 이후의 제2 시간(D2) 동안, 이미지 센서가 제1 포토 다이오드(PD1)로부터 픽셀 전압 및 리셋 전압을 한 번 더 검출할 수 있다. 도 21에 도시한 바와 같이 제2 시간(D2)이 시작되면 제1 리셋 트랜지스터(RX1)가 턴-오프되고 제2 리셋 트랜지스터(RX2)는 턴-온될 수 있다. 따라서, 제1 플로팅 확산 영역(FD1)과 제2 플로팅 확산 영역(FD2) 및 제2 리셋 트랜지스터(RX2)의 턴-온 용량의 합이 제1 포토 다이오드(PD1)에 대한 플로팅 확산 영역으로 제공될 수 있다. 결과적으로, 제2 시간(D2)에서는 제1 시간(D1)에서보다 더 넓은 면적의 플로팅 확산 영역에 제1 포토 다이오드(PD1)의 전하가 저장될 수 있다. 따라서, 제2 시간(D2) 동안 픽셀의 변환 이득은 제1 시간(D1) 동안 픽셀 변환 이득보다 작을 수 있다.
이미지 센서의 샘플링 회로는, 제3 샘플링 시간(t3) 및 제4 샘플링 시간(t4) 각각에서, 제2 픽셀 전압과 제2 리셋 전압을 검출할 수 있다. 즉, 제2 시간(D2)에서는 픽셀 전압이 리셋 전압보다 먼저 검출될 수 있다. 제2 픽셀전압은 제1 노출 시간(de1) 및 제2 노출 시간(de2) 동안 제1 포토 다이오드(PD1)에서 생성된 전하에 대응하는 전압일 수 있다. 제2 노출 시간(de2)은 제1 노출 시간(de1)에 비해 짧을 수 있다. 제2 픽셀 전압을 검출하면, 컨트롤러는 제1 리셋 트랜지스터(RX1)를 턴-온 및 턴-오프시켜 제1 플로팅 확산 영역(FD1)과 제2 플로팅 확산 영역(FD2)의 전압을 리셋한 후에 제2 리셋 전압을 검출할 수 있다. 이때, 커플링 효과를 보상하기 위해, 제1 리셋 트랜지스터(RX1)가 턴-온되어 있는 시간 동안, 제2 리셋 트랜지스터(RX2)를 턴-오프할 수 있다. 도 21을 참조하면, 제1 리셋 트랜지스터(RX1)의 턴-온 시간과, 제2 리셋 트랜지스터(RX2)의 턴-오프 시간의 적어도 일부가 제2 시간(D2) 내에서 서로 중첩될 수 있다.
도 21에 도시한 일 실시예에서는, 서로 다른 변환 이득 조건에서 검출한 리셋 전압과 픽셀 전압을 이용하여 이미지 데이터가 생성될 수 있다. 따라서, 제1 포토 다이오드(PD1) 및 제1 플로팅 확산 영역(FD1)의 포화를 방지할 수 있으며, 이미지 센서가 동작하는 환경의 조도에 관계없이 최적화된 이미지를 사용자에게 제공할 수 있다. 일반적으로 제1 포토 다이오드(PD1)의 용량은 쉽게 포화될 수 있는 고조도 조건에 맞춰서 결정될 수 있다. 도 21에 도시한 일 실시예에서는, 제1 포토 다이오드(PD1)의 전하에 의해 제1 플로팅 확산 영역(FD1)이 포화되지 않도록, 제2 시간(D1)에서 픽셀 전압과 리셋 전압을 읽어오기 전에 제2 리셋 트랜지스터(RX2)를 턴-온시켜 제1 플로팅 확산 영역(FD1)과 제2 플로팅 확산 영역(FD2)을 연결할 수 있다. 따라서, 제1 포토 다이오드(PD1)에서 생성된 전하가 제1 플로팅 확산 영역(FD1) 및 제2 플로팅 확산 영역(FD2)에 충분히 축적될 수 있으며, 제1 포토 다이오드(PD1)의 용량보다 많은 양의 전하를 이용하여 이미지를 생성함과 동시에, 픽셀의 포화를 방지할 수 있다. 한편, 도 21에 도시한 일 실시예에 따른 동작에서, 제2 포토 다이오드(PD2)는 이용되지 않을 수 있다.
도 22는 제1 포토 다이오드(PD1)와 플로팅 확산 영역의 동작을 설명하기 위해 제공되는 도면이다. 도 22의 (a) 및 (b)는 각각 높은 변환 이득 조건을 갖는 제1 시간(D1)과 낮은 변환 이득 조건을 갖는 제2 시간(D2)에서 제1 포토 다이오드(PD1)와 플로팅 확산 영역을 나타낸 도면일 수 있다.
먼저 도 22의 (a)를 참조하면, 제1 시간(D1)에서는 제1 포토 다이오드(PD1)에서 생성된 전하가 제1 플로팅 확산 영역(FD1)으로 이동할 수 있다. 제1 시간(D1) 동안에는 제2 리셋 트랜지스터(RX2)가 턴-오프되므로, 제1 플로팅 확산 영역(FD1)에만 전하가 누적될 수 있다. 제1 포토 다이오드(PD1)의 용량은, 도 22의 (a)에 도시한 바와 같은 높은 변환 이득 조건을 고려하여 결정될 수 있으며, 따라서 제1 플로팅 확산 영역(FD1)의 용량과 제1 포토 다이오드(PD1)의 용량은 유사할 수 있다.
다음으로 도 22의 (b)를 참조하면, 제2 시간(D2)에서는 제2 리셋 트랜지스터(RX2)를 턴-온하여 제1 플로팅 확산 영역(FD1)과 제2 플로팅 확산 영역(FD2)은 물론, 제2 리셋 트랜지스터(RX2)의 턴-온 용량까지 플로팅 확산 영역으로 이용할 수 있다. 따라서, 제1 포토 다이오드(PD1)의 용량을 초과하는 양의 전하가 플로팅 확산 영역에 누적되어 구동 트랜지스터(DX)를 통한 픽셀 전압에 반영될 수 있다. 도 21 및 도 22를 참조하여 설명한 실시예에 따라, 제1 포토 다이오드(PD1)의 용량보다 많은 양의 전하를 이용하여 이미지 데이터를 생성할 수 있으며, 결과적으로 픽셀의 포화가 방지함과 동시에 이미지 데이터의 품질을 개선할 수 있다.
도　23은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 동작을 설명하기 위해 제공되는 도면이다.
먼저 도 23을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는 제1 리셋 트랜지스터(RX1)와 제2 리셋 트랜지스터(RX2)를 턴-온시켜 제1 플로팅 확산 영역(FD1)과 제2 플로팅 확산 영역(FD2)의 전압을 리셋할 수 있다. 제2 포토 다이오드(PD2)는, 복수 회에 걸친 제2 노출 시간(de2) 동안 전하를 생성할 수 있다. 제2 전송 트랜지스터(TX2)가 턴-온 및 턴-오프되는 동안 스위치 소자(SW)는 턴-오프될 수 있다. 따라서 제2 포토 다이오드(PD2)의 전하는 제2 플로팅 확산 영역(FD2)까지 이동하지 못하고 스토리지 커패시터(SC)에 저장될 수 있다.
제2 포토 다이오드(PD2)가 전하를 생성하기 전 또는 생성하는 동안, 이미지 센서는 제1 전송 트랜지스터(TX1)를 턴-온 및 턴-오프하여 제1 포토 다이오드(PD1)에 대한 셔터 동작을 수행할 수 있다. 스위치 소자(SW)가 턴-오프되어 있으므로, 제1 포토 다이오드(PD1)에 대한 셔터 동작은 제2 포토 다이오드(PD2)에는 영향을 주지 않을 수 있다. 셔터 동작이 완료되면, 제1 포토 다이오드(PD1)는 제1 노출 시간(de1) 동안 전하를 생성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는 제2 리셋 트랜지스터(RX2)를 제어하여 플로팅 확산 영역의 면적을 바꾸면서 제1 포토 다이오드(PD1)의 전하에 대응하는 제1 서브 픽셀 전압 및 제2 서브 픽셀 전압을 두 번에 걸쳐서 검출할 수 있다. 따라서, 제1 서브 픽셀 전압과 제2 서브 픽셀 전압은 서로 다른 변환 이득 조건에서 검출될 수 있다. 플로팅 확산 영역의 면적을 바꾸어 제1 서브 픽셀 전압과 제2 서브 픽셀 전압을 검출함으로써, 고조도 조건 에서 제1 포토 다이오드(PD1)가 포화되어 이미지의 품질이 저하되는 것을 방지할 수 있다. 이미지 센서는 제1 시간(D1)의 제1 서브 시간(DS1) 및 제2 서브 시간(DS2) 각각에서 제1 서브 픽셀 전압과 제2 서브 픽셀 전압을 획득할 수 있다.
우선 제1 노출 시간(de1) 중에 제1 서브 시간(DS1)이 시작되면, 이미지 센서는 제2 리셋 트랜지스터(RX2)를 턴-오프하여 제1 플로팅 확산 영역(FD1)을 제2 플로팅 확산 영역(FD2)과 분리하고, 제1 샘플링 시간(t1) 동안 제1 플로팅 확산 영역(FD1)으로부터 제1 서브 리셋 전압을 획득할 수 있다. 제1 샘플링 시간(t1)이 경과하면, 이미지 센서는 제1 전송 트랜지스터(TX1)를 턴-온하여 제1 포토 다이오드(PD1)가 제1 노출 시간(de1) 동안 생성한 전하를 제1 플로팅 확산 영역(FD1)으로 이동시키고, 제2 샘플링 시간(t2) 동안 제1 서브 픽셀 전압을 검출할 수 있다.
다음으로 제2 서브 시간(DS2)이 시작되면, 이미지 센서는 제1 리셋 트랜지스터(RX1)를 턴-오프하고 제2 리셋 트랜지스터(RX2)를 턴-온하여 픽셀의 플로팅 확산 영역의 면적을 높이고 변환 이득을 낮출 수 있다. 따라서, 픽셀의 플로팅 확산 영역에는 더 많은 양의 전하가 저장될 수 있다. 이미지 센서는 제1 전송 트랜지스터(TX1)를 턴-온하여 제1 포토 다이오드(PD1)의 전하를 제1 플로팅 확산 영역(FD1), 제2 플로팅 확산 영역(FD2), 및 턴-온된 제2 리셋 트랜지스터(RX2) 등에 저장할 수 있다.
이미지 센서는 제3 샘플링 시간(t3) 동안 제2 서브 픽셀 전압을 먼저 검출하고, 이후의 제4 샘플링 시간(t4) 동안 제2 서브 리셋 전압을 검출할 수 있다. 제3 샘플링 시간(t3)과 제4 샘플링 시간(t4) 사이에서 제1 리셋 트랜지스터(RX1)가 턴-온되어 제1 플로팅 확산 영역(FD1)과 제2 플로팅 확산 영역(FD2)의 전압이 리셋될 수 있다. 이때, 앞서 도 21을 참조하여 설명한 바와 같이, 커플링 효과를 상쇄하기 위해 제2 리셋 트랜지스터(RX2)를 일시적으로 턴-오프하는 동작이 더 실행될 수 있다.
일례로, 이미지 센서는 제1 서브 리셋 전압과 제1 서브 픽셀 전압의 차이, 및 제2 서브 리셋 전압과 제2 서브 픽셀 전압의 차이를 이용하여 제1 로우 데이터를 생성할 수 있다. 제1 로우 데이터는, 가장 긴 제1 노출 시간(de1) 동안 제1 포토 다이오드(PD1)가 생성하는 전하에 대응하는 이미지 데이터일 수 있다.
제1 시간(D1) 이후 제2 시간(D2)에서, 이미지 센서는 제2 포토 다이오드(PD2)의 전하에 대응하는 제2 픽셀 전압을 검출할 수 있다. 제2 시간(D2)에서는 제2 리셋 트랜지스터(RX2)가 턴-온되고 제1 리셋 트랜지스터(RX1)가 턴-오프되어 제1 플로팅 확산 영역(FD1)과 제2 플로팅 확산 영역(FD2)이 연결될 수 있다. 복수 회의 제2 노출 시간(de2) 동안 제2 포토 다이오드(PD2)가 생성하여 스토리지 커패시터(SC)에 저장된 전하는, 스위치 소자(SW)의 턴-온 동작에 응답하여 제1 플로팅 확산 영역(FD1) 및 제2 플로팅 확산 영역(FD2)으로 이동할 수 있다. 일례로 스위치 소자(SW)는 마지막 제2 노출 시간(de2)이 경과한 후 턴-온될 수 있다. 한편, 이동한 전하 중 일부는 턴-온된 제2 리셋 트랜지스터(RX2)에 저장될 수도 있다. 도 23에 도시한 일 실시예에서는 스위치 소자(SW)가 제2 전송 트랜지스터(TX2)와 함께 턴-온되는 것을 가정하였으나, 스위치 소자(SW)는 제2 전송 트랜지스터(TX2)보다 먼저 또는 그보다 늦게 턴-온될 수도 있다.
스위치 소자(SW)가 턴-온 상태를 유지하는 동안, 이미지 센서는 제2 전송 트랜지스터(TX2)를 턴-오프하여 제2 포토 다이오드(PD2)의 전하를 제거할 수 있다. 또한, 이미지 센서는 제5 샘플링 시간(t5) 동안 제2 픽셀 전압을 검출하고, 제5 샘플링 시간(t5) 이후의 제6 샘플링 시간(t6) 동안 제2 리셋 전압을 검출할 수 있다. 제5 샘플링 시간(t5)과 제6 샘플링 시간(t6) 사이에, 이미지 센서는 제1 리셋 트랜지스터(RX1)를 턴-온시켜 제1 플로팅 확산 영역(FD1)과 제2 플로팅 확산 영역(FD2)을 리셋할 수 있다.
이미지 센서는 제2 픽셀 전압과 제2 리셋 전압의 차이를 계산하여 제2 로우 데이터를 생성할 수 있다. 제2 로우 데이터는 제1 노출 시간(de1)보다 짧은 제2 노출 시간(de2) 동안 제2 포토 다이오드(PD2)에서 생성된 전하에 대응하는 데이터로, 중간 노출 시간에 대응하는 데이터일 수 있다. 또한, 복수 회에 걸친 제2 노출 시간(de2)을 설정하여 제2 포토 다이오드(PD2)가 전하를 생성하도록 제어하므로, 제2 로우 데이터를 이용하여 플리커 현상이 발생하는 LED 등의 외부 광원을 정확하게 캡쳐할 수 있다. 제2 노출 시간(de2)의 길이 및 횟수 등은, LED 등 외부 광원의 동작 주파수와 듀티 비 등을 고려하여 결정될 수 있다.
제2 시간(D2) 이후 제3 시간(D3)에 진입하면, 이미지 센서는 제1 포토 다이오드(PD1)를 제3 노출 시간(de3) 동안 빛에 노출시킬 수 있다. 제3 노출 시간(de3)은 제2 노출 시간(de2)보다 짧을 수 있다. 제1 시간(D1)과 마찬가지로 제3 시간(D3) 동안 제1 리셋 트랜지스터(RX1)가 턴-오프되고 제2 리셋 트랜지스터(RX2)는 턴-온되며, 컨트롤러는 제3 리셋 전압과 제3 픽셀 전압을 순서대로 획득할 수 있다. 이미지 센서는 제3 리셋 전압과 제3 픽셀 전압의 차이를 이용하여 제3 로우 데이터를 획득할 수 있다.
이미지 센서는 제1 내지 제3 로우 데이터를 이용하여 이미지 데이터를 생성할 수 있다. 서로 다른 노출 시간들(de1-de3) 동안 포토 다이오드들(PD1, PD2)이 생성한 전하를 이용하여 제1 내지 제3 로우 데이터를 얻을 수 있으므로, 제1 내지 제3 로우 데이터를 조합함으로써 이미지 센서의 다이나믹 레인지를 개선할 수 있다. 또한, 복수 회의 제2 노출 시간(de2)에 걸쳐서 제2 포토 다이오드(PD2)가 전하를 생성하도록 제어함으로써, 플리커 현상이 발생하는 외부 광원 역시 정확하게 캡쳐할 수 있다.
도 24는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 효과를 설명하기 위해 제공되는 도면이다.
도 24를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에서 제1 포토 다이오드를 복수 개로 분할하여 사용하는 경우, 제1 포토 다이오드의 FWC는 약 1.5배 내지 2배 정도 증가할 수 있다. 일례로, 한 개의 제1 포토 다이오드를 사용하는 이미지 센서에서 픽셀 하나의 제1 포토 다이오드는 약 10000개 내지 12000개의 전자를 저장할 수 있다. 반면, 분할된 제1 포토 다이오드를 사용하는 이미지 센서에서 픽셀 하나의 복수의 제1 포토 다이오드는 약 16000개 내지 20000개의 전자를 저장할 수 있다. 다만, 이는 일 실시예에 불과할 뿐 한정되지 않고, 제1 포토 다이오드에 저장할 수 있는 전자의 개수는 실시예에 따라 다를 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에서, 제1 포토 다이오드의 FWC는 2배 이상 증가할 수도 있고, 1배 내지 1.5배 사이만큼 증가할 수도 있다.
한편, 제1 포토 다이오드의 FWC가 증가함에 따라, 제1 포토 다이오드에서 생성된 픽셀 신호와 제2 포토 다이오드에서 생성된 픽셀 신호를 결합하는 조도(lux) 구간은 변경될 수 있다. 이에 따라, SNR dip 현상은 도 24에 도시된 바와 같이 개선될 수 있다. 다만, 도 24에 도시된 그래프는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 효과를 설명하기 위한 일 실시예에 불과할 뿐 한정되지 않으며, 실시예에 따라 그 효과의 정도에 차이가 있을 수 있고, 그래프의 형태도 상이할 수 있다.
도 25a 내지 도 25e는 본 발명의 일 실시예들에 따른 이미지 센서의 픽셀 회로를 나타낸 회로도들이다.
도 25a 내지 도 25e에 도시된 픽셀 회로(200a-200e)의 일 실시예들은, 도 9에 도시된 픽셀 회로(200)에서 스토리지 커패시터(SC)를 포함하지 않거나, 오버플로우 트랜지스터(OX)를 더 포함하거나, 및/또는 제1 플로팅 확산 영역(FD1)이 제1 리셋 트랜지스터(RX1)에 연결되는 변형예일 수 있다. 도 25a 내지 도 25e에 도시된 픽셀 회로(200a-200e)의 일 실시예들은 도 9에 도시된 픽셀 회로(200)의 동작에 기초하여 동작할 수 있고, 픽셀 회로(200)의 변형에 의해 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서들의 효과에는 차이가 있을 수 있다. 또한, 변형된 소자들에 따라 동작 방법에도 차이가 있을 수 있다.
일례로, 도 25a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 회로(200a)는 도 9의 픽셀 회로(200)와 비교하여 스토리지 커패시터(SC)를 포함하지 않을 수 있다. 스토리지 커패시터(SC)를 포함하지 않음에 따라 이미지 센서의 크기를 감소시킬 수 있으나, 제2 포토 다이오드(PD2)에서 생성한 전하가 쉽게 포화될 수 있다. 한편, 제2 전송 트랜지스터(TX2)의 온/오프에 의해 제2 플로팅 확산 영역(FD2)에 바로 전하를 이동시킬 수 있다.
다음으로, 도 25b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 회로(200b)는 도 25a의 픽셀 회로(200a)와 비교하였을 때, 제1 플로팅 확산 영역(FD1)이 제1 리셋 트랜지스터(RX1)에 연결될 수 있다. 이에 따라, 제1 플로팅 확산 영역(FD1)의 면적이 매우 넓어져 복수의 제1 포토 다이오드(PD1a, PD1b, PD1c, PD1d; PD1)에서 생성된 전하가 쉽게 포화되지 않을 수 있다. 다만, 그만큼 제2 플로팅 확산 영역(FD2)의 면적이 좁아져 제2 포토 다이오드(PD2)에서 생성된 전하는 쉽게 포화될 수 있다.
도 25c를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 회로(200c)는 도 25a의 픽셀 회로(200a)와 비교하여 제2 포토 다이오드(PD2)와 전원 노드(VDD) 사이에 연결되는 오버플로우 트랜지스터(OX)를 더 포함할 수 있다. 일례로, 오버플로우 트랜지스터(OX)는 오버플로우 제어 신호(OG)에 의해 온/오프될 수 있다. 이미지 센서는 오버플로우 트랜지스터(OX)와 제2 전송 트랜지스터(TX2)를 교대로 턴-온 및 턴-오프시켜 제2 포토 다이오드(PD2)의 포화를 방지하면서 전하를 생성하도록 제어할 수 있다.
도 25d를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 회로(200d)는 도 25c의 픽셀 회로(200c)와 비교하여 스토리지 커패시터(SC) 및 스위치 소자(SW)를 더 포함할 수 있다. 일례로, 스토리지 커패시터(SC)는 전원 노드(VDD)와, 제2 전송 트랜지스터(TX2)와 스위치 소자(SW) 사이의 노드 사이에 연결될 수 있다. 한편, 스토리지 커패시터(SC)에 연결되는 전원 노드(VDD)는 이미지 센서 전체의 전원 노드(VDD)와 다른 전원 전압을 인가하는 별개의 전원 노드일 수도 있다. 도 25c의 픽셀 회로(200c)와 달리, 제2 포토 다이오드(PD2)에서 생성된 전하는 스토리지 커패시터(SC)에 저장될 수 있다. 한편, 제2 포토 다이오드(PD2)의 포화를 방지하기 위해, 오버플로우 트랜지스터(OX)와 제2 전송 트랜지스터(TX2)를 교대로 온/오프시켜 전하를 생성하도록 제어할 수 있으며, 그 동안 스위치 소자(SW)는 턴-오프될 수 있다.
마지막으로 도 25e를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 회로(200e)는 도 25b의 픽셀 회로(200b)와 비교하여 제2 포토 다이오드(PD2)와 전원 노드(VDD) 사이에 연결되는 오버플로우 트랜지스터(OX)를 더 포함할 수 있다. 픽셀 회로(200e)의 회로 구조에 따른 장단점은 전술한 바와 유사할 수 있다.
다만, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 회로(200a-200e)는 도 9, 도 25a 내지 도 25e에 도시된 것으로 한정되지 않고, 실시예에 따라 그 외의 다양한 방법으로 설계될 수 있다. 일례로, 필요로 하는 이미지 센서의 특징에 따라 장단점이 명확히 다른 다양한 픽셀 회로를 이용할 수 있다.
도 26 및 도 27은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서를 포함하는 전자 장치를 간단하게 나타낸 도면들이다.
도 26을 참조하면,　전자 장치(1000)는 카메라 모듈 그룹(1100), 애플리케이션 프로세서(1200), PMIC(1300) 및 외부 메모리(1400)를 포함할 수 있다.
카메라 모듈 그룹(1100)은 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c)을 포함할 수 있다.　비록 도면에는 3개의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c)이 배치된 실시예가 도시되어 있으나,　실시예들이 이에 제한되는 것은 아니다.　몇몇 실시예에서,　카메라 모듈 그룹(1100)은 2개의 카메라 모듈만을 포함하도록 변형되어 실시될 수 있다.　또한,　몇몇 실시예에서,　카메라 모듈 그룹(1100)은 n개(n은 4 이상의 자연수)의 카메라 모듈을 포함하도록 변형되어 실시될 수도 있다. 또한 일 실시예에서, 카메라 모듈 그룹(1100)에 포함되는 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c) 중 적어도 하나는, 앞서 도 1 내지 도 25를 참조하여 설명한 실시예들 중 하나에 따른 이미지 센서를 포함할 수 있다.
이하,　도 27을 참조하여, 카메라 모듈(1100b)의 상세 구성에 대해 보다 구체적으로 설명할 것이나,　이하의 설명은 실시예에 따라　다른 카메라 모듈들(1100a, 1100b)에 대해서도 동일하게 적용될 수 있다.
도 27을 참조하면,　카메라 모듈(1100b)은 프리즘(1105), 광학 경로 폴딩 요소(Optical Path Folding Element, 이하, ˝OPFE˝)(1110), 액츄에이터(1130), 이미지 센싱 장치(1140) 및 저장부(1150)를 포함할 수 있다.
프리즘(1105)은 광 반사 물질의 반사면(1107)을 포함하여 외부로부터 입사되는 광(L)의 경로를 변형시킬 수 있다.　
몇몇 실시예에서,　프리즘(1105)은 제1　방향(X)으로 입사되는 광(L)의 경로를 제1　방향(X)에 수직인　제2　방향(Y)으로 변경시킬 수 있다.　또한,　프리즘(1105)은 광 반사 물질의 반사면(1107)을 중심축(1106)을 중심으로 A방향으로 회전시키거나, 중심축(1106)을 B방향으로 회전시켜 제1 방향(X)으로 입사되는 광(L)의 경로를 수직인 제2　방향(Y)으로 변경시킬 수 있다.　이때, OPFE(1110)도 제1 방향(X)및 제2 방향(Y)과 수직인 제3 방향(Z)로 이동할 수 있다.
몇몇 실시예에서,　도시된 것과 같이, 프리즘(1105)의 A방향 최대 회전　각도는　플러스(+)　A방향으로는 15도(degree)이하이고,　마이너스(-) A방향으로는 15도보다 클 수 있으나,　실시예들이 이에 제한되는 것은 아니다.
몇몇 실시예에서,　프리즘(1105)은 플러스(+) 또는 마이너스(-) B방향으로 20도 내외,　또는 10도에서 20도,　또는 15도에서 20도 사이로 움직일 수 있고,　여기서,　움직이는 각도는 플러스(+) 또는 마이너스(-) B방향으로 동일한 각도로 움직이거나,　1도 내외의 범위로 거의 유사한 각도까지 움직일 수 있다.
몇몇 실시예에서,　프리즘(1105)은 광 반사 물질의 반사면(1106)을 중심축(1106)의 연장 방향과 평행한 제3　방향(예를 들어,　Z방향)으로 이동할 수 있다.
OPFE(1110)는 예를 들어　m(여기서,　m은 자연수)개의 그룹으로 이루어진 광학 렌즈를 포함할 수 있다.　m개의 렌즈는 제2　방향(Y)으로 이동하여 카메라 모듈(1100b)의 광학 줌 배율(optical zoom ratio)을 변경할 수 있다.　예를 들어,　카메라 모듈(1100b)의 기본 광학 줌 배율을 Z라고 할 때,　OPFE(1110)에 포함된 m개의 광학 렌즈를 이동시킬 경우, 카메라 모듈(1100b)의 광학 줌 배율은 3Z 또는 5Z 또는 5Z 이상의 광학 줌 배율로 변경될 수 있다.
액츄에이터(1130)는 OPFE(1110) 또는 광학 렌즈(이하,　광학 렌즈로 지칭)를 특정 위치로 이동시킬 수 있다.　예를 들어　액츄에이터(1130)는　정확한 센싱을 위해 이미지 센서(1142)가 광학 렌즈의 초점 거리(focal length)에 위치하도록 광학 렌즈의 위치를 조정할 수 있다.
이미지 센싱 장치(1140)는 이미지 센서(1142), 제어 로직(1144) 및 메모리(1146)를 포함할 수 있다.　이미지 센서(1142)는 광학 렌즈를 통해 제공되는 광(L)을 이용하여 센싱 대상의 이미지를 센싱할 수 있다. 제어 로직(1144)은 카메라 모듈(1100b)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다.　예를 들어,　제어 로직(1144)은 제어 신호 라인(CSLb)을 통해 제공된 제어 신호에 따라 카메라 모듈(1100b)의 동작을 제어할 수 있다.　
메모리(1146)는 캘리브레이션 데이터(1147)와 같은 카메라 모듈(1100b)의 동작에 필요한 정보를 저장할 수 있다.　캘리브레이션 데이터(1147)는 카메라 모듈(1100b)이 외부로부터 제공된 광(L)을 이용하여 이미지 데이터를 생성하는데 필요한 정보를 포함할 수 있다.　캘리브레이션 데이터(1147)는 예를 들어,　앞서 설명한 회전도(degree of rotation)에 관한 정보,　초점 거리(focal length)에 관한 정보,　광학 축(optical axis)에 관한 정보 등을 포함할 수 있다.　카메라 모듈(1100b)이 광학 렌즈의 위치에 따라 초점 거리가 변하는 멀티 스테이트(multi state) 카메라 형태로 구현될 경우,　캘리브레이션 데이터(1147)는 광학 렌즈의 각 위치 별(또는 스테이트 별) 초점 거리 값과 오토 포커싱(auto focusing)과 관련된 정보를 포함할 수 있다.
저장부(1150)는 이미지 센서(1142)를 통해 센싱된 이미지 데이터를 저장할 수 있다.　저장부(1150)는 이미지 센싱 장치(1140)의　외부에 배치될 수 있으며,　이미지 센싱 장치(1140)를 구성하는 센서 칩과 스택된(stacked)　형태로 구현될 수 있다. 몇몇 실시예에서,　저장부(1150)는 EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)으로 구현될 수 있으나 실시예들이 이에 제한되는 것은 아니다.
도 26과 도 27을 함께 참조하면,　몇몇 실시예에서,　복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c)　각각은 액추에이터(1130)를 포함할 수 있다.　이에 따라,　복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c)　각각은 그 내부에 포함된 액추에이터(1130)의 동작에 따른 서로 동일하거나 서로 다른 캘리브레이션 데이터(1147)를 포함할 수 있다.　
몇몇 실시예에서,　복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c) 중 하나의 카메라 모듈(예를 들어,　1100b)은 앞서 설명한 프리즘(1105)과 OPFE(1110)를 포함하는 폴디드 렌즈(folded lens) 형태의 카메라 모듈이고,　나머지　카메라 모듈들(예를 들어,　1100a, 1100b)은 프리즘(1105)과 OPFE(1110)가 포함되지 않은 버티칼(vertical) 형태의 카메라 모듈일 수 있으나,　실시예들이 이에 제한되는 것은 아니다.
몇몇 실시예에서,　복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c) 중 하나의 카메라 모듈(예를 들어,　1100c)은 예를 들어,　IR(Infrared Ray)을 이용하여 깊이(depth) 정보를 추출하는 버티컬 형태의 깊이 카메라(depth camera)일 수 있다.　이 경우,　애플리케이션 프로세서(1200)는 이러한 깊이 카메라로부터 제공받은 이미지 데이터와 다른 카메라 모듈(예를 들어,　1100a　또는 1100b)로부터 제공받은 이미지 데이터를 병합(merge)하여 3차원 깊이 이미지(3D　depth image)를 생성할 수 있다.
몇몇 실시예에서,　복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c) 중 적어도 두 개의 카메라 모듈(예를 들어,　1100a, 1100b)은 서로 다른 관측 시야(Field of View, 시야각)를 가질 수 있다.　이 경우,　예를 들어,　복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c) 중 적어도 두 개의 카메라 모듈(예를 들어,　1100a, 1100b)의 광학 렌즈가 서로 다를 수 있으나,　이에 제한되는 것은 아니다.　
또한,　몇몇 실시예에서,　복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c) 각각의 시야각은 서로 다를 수 있다.　이 경우,　복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c) 각각에 포함된 광학 렌즈 역시 서로 다를 수 있으나,　이에 제한되는 것은 아니다.
몇몇 실시예에서,　복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c) 각각은 서로 물리적으로 분리되어 배치될 수 있다.　즉,　하나의 이미지 센서(1142)의　센싱 영역을 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c)이 분할하여 사용하는 것이 아니라,　복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c) 각각의 내부에 독립적인 이미지 센서(1142)가 배치될 수 있다.
다시 도 26을 참조하면,　애플리케이션 프로세서(1200)는 이미지 처리 장치(1210), 메모리 컨트롤러(1220), 내부 메모리(1230)를 포함할 수 있다.　애플리케이션 프로세서(1200)는 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c)과 분리되어 구현될 수 있다.　예를 들어,　애플리케이션 프로세서(1200)와 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c)은 별도의 반도체 칩으로 서로 분리되어 구현될 수 있다.
이미지 처리 장치(1210)는 복수의 서브 이미지 프로세서(1212a, 1212b, 1212c), 이미지 생성기(1214) 및 카메라 모듈 컨트롤러(1216)를 포함할 수 있다.
이미지 처리 장치(1210)는 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c)의 개수에 대응하는 개수의 복수의 서브 이미지 프로세서(1212a, 1212b, 1212c)를 포함할 수 있다.
각각의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c)로부터 생성된 이미지 데이터는 서로 분리된 이미지 신호 라인(ISLa, ISLb, ISLc)를 통해 대응되는 서브 이미지 프로세서(1212a, 1212b, 1212c)에 제공될 수 있다.　예를 들어,　카메라 모듈(1100a)로부터 생성된 이미지 데이터는 이미지 신호 라인(ISLa)을 통해 서브 이미지 프로세서(1212a)에 제공되고,　카메라 모듈(1100b)로부터 생성된 이미지 데이터는 이미지 신호 라인(ISLb)을 통해 서브 이미지 프로세서(1212b)에 제공되고,　카메라 모듈(1100c)로부터 생성된 이미지 데이터는 이미지 신호 라인(ISLc)을 통해 서브 이미지 프로세서(1212c)에 제공될 수 있다.　이러한 이미지 데이터 전송은 예를 들어,　MIPI(Mobile Industry Processor Interface)에 기반한 카메라 직렬 인터페이스(CSI; Camera Serial Interface)를 이용하여 수행될 수 있으나,　실시예들이 이에 제한되는 것은 아니다.　
한편, 몇몇 실시예에서,　하나의 서브 이미지 프로세서가 복수의의 카메라 모듈에 대응되도록 배치될 수도 있다.　예를 들어,　서브 이미지 프로세서(1212a)와 서브 이미지 프로세서(1212c)가 도시된 것처럼 서로 분리되어 구현되는 것이 아니라 하나의 서브 이미지 프로세서로 통합되어 구현되고,　카메라 모듈(1100a)과 카메라 모듈(1100c)로부터 제공된 이미지 데이터는 선택 소자(예를 들어,　멀티플렉서)　등을 통해 선택된 후,　통합된　서브 이미지 프로세서에 제공될 수 있다.
각각의 서브 이미지 프로세서(1212a, 1212b, 1212c)에 제공된 이미지 데이터는 이미지 생성기(1214)에 제공될 수 있다.　이미지 생성기(1214)는 이미지 생성 정보(Generating Information) 또는 모드 신호(Mode Signal)에 따라 각각의 서브 이미지 프로세서(1212a, 1212b, 1212c)로부터 제공된 이미지 데이터를 이용하여 출력 이미지를 생성할 수 있다.
구체적으로,　이미지 생성기(1214)는 이미지 생성 정보　또는 모드 신호에 따라, 서로 다른 시야각을 갖는 카메라 모듈들(1100a, 1100b, 1100c)로부터 생성된 이미지 데이터 중 적어도 일부를 병합(merge)하여 출력 이미지를 생성할 수 있다.　또한,　이미지 생성기(1214)는 이미지 생성 정보　또는 모드 신호에 따라,　서로 다른 시야각을 갖는 카메라 모듈들(1100a, 1100b, 1100c)로부터 생성된 이미지 데이터 중 어느 하나를 선택하여 출력 이미지를 생성할 수 있다.
몇몇 실시예에서,　이미지 생성 정보는 줌 신호(zoom signal or zoom factor)를 포함할 수 있다.　또한,　몇몇 실시예에서,　모드 신호는 예를 들어,　유저(user)로부터 선택된 모드에 기초한 신호일 수 있다.
이미지 생성 정보가 줌 신호(줌 팩터)이고,　각각의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c)이 서로 다른 관측 시야(시야각)를 갖는 경우,　이미지 생성기(1214)는 줌 신호의 종류에 따라 서로 다른 동작을 수행할 수 있다.　예를 들어,　줌 신호가 제1　신호일 경우,　카메라 모듈(1100a)로부터 출력된 이미지 데이터와　카메라 모듈(1100c)로부터 출력된 이미지 데이터를 병합한 후,　병합된 이미지 신호와　병합에 사용하지 않은 카메라 모듈(1100b)로부터 출력된 이미지 데이터를　이용하여, 출력 이미지를 생성할 수 있다.　만약,　줌 신호가 제1　신호와 다른 제2 신호일 경우,　이미지 생성기(1214)는 이러한 이미지 데이터 병합을 수행하지 않고,　각각의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c)로부터 출력된 이미지 데이터 중 어느 하나를 선택하여 출력 이미지를 생성할 수 있다.　하지만 실시예들이 이에 제한되는 것은 아니며,　필요에 따라 이미지 데이터를 처리하는 방법은 얼마든지 변형되어 실시될 수 있다.
몇몇 실시예에서,　이미지 생성기(1214)는 복수의 서브 이미지 프로세서(1212a, 1212b, 1212c)　중 적어도 하나로부터 노출 시간이 상이한 복수의 이미지 데이터를 수신하고, 복수의 이미지 데이터에 대하여 HDR(high dynamic range) 처리를 수행함으로서, 다이나믹 레인지가 증가된 병합된 이미지 데이터를 생성할 수 있다.
카메라 모듈 컨트롤러(1216)는 각각의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c)에 제어 신호를 제공할 수 있다.　카메라 모듈 컨트롤러(1216)로부터 생성된 제어 신호는 서로 분리된 제어 신호 라인(CSLa, CSLb, CSLc)를 통해 대응되는 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c)에 제공될 수 있다.
복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c) 중 어느 하나는 줌 신호를 포함하는 이미지 생성 정보 또는 모드 신호에 따라 마스터(master)　카메라(예를 들어,　1100b)로 지정되고,　나머지 카메라 모듈들(예를 들어,　1100a, 1100c)은 슬레이브(slave)　카메라로 지정될 수 있다.　이러한 정보는 제어 신호에 포함되어,　서로 분리된 제어 신호 라인(CSLa, CSLb, CSLc)를 통해 대응되는 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c)에 제공될 수 있다.
줌 팩터 또는 동작 모드 신호에 따라 마스터　및 슬레이브로서 동작하는 카메라 모듈이 변경될 수 있다. 예를 들어, 카메라 모듈(1100a)의 시야각이 카메라 모듈(1100b)의 시야각보다 넓고, 줌 팩터가 낮은 줌 배율을 나타낼 경우, 카메라 모듈(1100b)이 마스터로서 동작하고, 카메라 모듈(1100a)이 슬레이브로서 동작할 수 있다. 반대로, 줌 팩터가 높은 줌 배율을 나타낼 경우, 카메라 모듈(1100a)이 마스터로서 동작하고, 카메라 모듈(1100b)이 슬레이브로서 동작할 수 있다.
몇몇 실시예에서,　카메라 모듈 컨트롤러(1216)로부터 각각의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c)에 제공되는 제어 신호는 싱크 인에이블 신호(sync enable) 신호를 포함할 수 있다.　예를 들어,　카메라 모듈(1100b)이 마스터 카메라이고,　카메라 모듈들(1100a, 1100c)이 슬레이브 카메라인 경우,　카메라 모듈 컨트롤러(1216)는 카메라 모듈(1100b)에 싱크 인에이블 신호를 전송할 수 있다.　이러한 싱크 인에이블 신호를 제공받은 카메라 모듈(1100b)은 제공받은 싱크 인에이블 신호를 기초로 싱크 신호(sync signal)를 생성하고,　생성된 싱크 신호를 싱크 신호 라인(SSL)을 통해 카메라 모듈들(1100a, 1100c)에 제공할 수 있다.　카메라 모듈(1100b)과 카메라 모듈들(1100a, 1100c)은 이러한 싱크 신호에 동기화되어 이미지 데이터를 애플리케이션 프로세서(1200)에 전송할 수 있다.
몇몇 실시예에서,　카메라 모듈 컨트롤러(1216)로부터 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c)에 제공되는 제어 신호는 모드 신호에 따른 모드 정보를 포함할 수 있다.　이러한　모드 정보에 기초하여 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c)은 센싱 속도와 관련하여 제1 동작 모드 및 제2 동작 모드로 동작할 수 있다.　
복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c)은 제1 동작 모드에서, 제1 속도로 이미지 신호를 생성(예를 들어,　제1　프레임 레이트의 이미지 신호를 생성)하여 이를 제1　속도보다 높은 제2　속도로 인코딩(예를 들어,　제1　프레임 레이트보다 높은 제2　프레임 레이트의 이미지 신호를 인코딩)하고, 인코딩된 이미지 신호를 애플리케이션 프로세서(1200)에 전송할 수 있다. 이때, 제2 속도는 제1 속도의 30배 이하일 수 있다.
애플리케이션 프로세서(1200)는 수신된 이미지 신호, 다시 말해서 인코딩된 이미지 신호를 내부에 구비되는 메모리(1230) 또는 애플리케이션 프로세서(1200) 외부의 스토리지(1400)에 저장하고, 이후, 메모리(1230) 또는 스토리지(1400)로부터 인코딩된 이미지 신호를 독출하여 디코딩하고, 디코딩된 이미지 신호에 기초하여 생성되는 이미지 데이터를 디스플레이할 수 있다. 예컨대 이미지 처리 장치(1210)의 복수의 서브 프로세서들(1212a, 1212b, 1212c) 중 대응하는 서브 프로세서가 디코딩을 수행할 수 있으며, 또한 디코딩된 이미지 신호에 대하여 이미지 처리를 수행할 수 있다.
복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c)은 제2 동작 모드에서, 제1 속도보다 낮은 제3 속도로 이미지 신호를 생성(예를 들어,　제1　프레임 레이트보다 낮은 제3　프레임 레이트의 이미지 신호를 생성)하고, 이미지 신호를 애플리케이션 프로세서(1200)에 전송할 수 있다. 애플리케이션 프로세서(1200)에 제공되는 이미지 신호는 인코딩되지 않은 신호일 수 있다. 애플리케이션 프로세서(1200)는 수신되는 이미지 신호에 대하여 이미지 처리를 수행하거나 또는 이미지 신호를 메모리(1230) 또는 스토리지(1400)에 저장할 수 있다.
PMIC(1300)는 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c)　각각에 전력, 예컨대 전원 전압을 공급할 수 있다. 예를 들어, PMIC(1300)는 애플리케이션 프로세서(1200)의 제어 하에, 파워 신호 라인(PSLa)을 통해 카메라 모듈(1100a)에 제1 전력을 공급하고, 파워 신호 라인(PSLb)을 통해 카메라 모듈(1100b)에 제2　전력을 공급하고,　파워 신호 라인(PSLc)을 통해 카메라 모듈(1100c)에 제3　전력을 공급할　수 있다.
PMIC(1300)는　애플리케이션 프로세서(1200)로부터의 전력 제어 신호(PCON)에 응답하여, 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c)　각각에 대응하는 전력을 생성하고, 또한 전력의 레벨을 조정할 수 있다. 전력 제어 신호(PCON)는 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c)의 동작 모드 별 전력 조정 신호를 포함할 수 있다. 예를 들어, 동작 모드는 저전력 모드(low power mode)를 포함할 수 있으며, 이때, 전력 제어 신호(PCON)는 저전력 모드로 동작하는 카메라 모듈 및 설정되는 전력 레벨에 대한 정보를 포함할 수 있다. 복수의 카메라 모듈(1100a, 1100b, 1100c)　각각에 제공되는 전력들의 레벨은 서로 동일하거나 또는 서로 상이할 수 있다. 또한, 전력의 레벨은 동적으로 변경될 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
1: 이미지 센서 10: 픽셀 어레이
11: 소자 분리막 20: 로직 회로
PX: 픽셀 PD1, PD2: 포토 다이오드
ML1, ML2: 마이크로 렌즈 FD1, FD2: 플로팅 확산 영역
TX1, TX2: 전송 트랜지스터 RX1, RX2: 리셋 트랜지스터
A1: 제1 영역 A2: 제2 영역

Claims (10)

  1. 단위 픽셀의 제1 영역에 포함되는 복수의 제1 포토 다이오드;
    상기 단위 픽셀의 제2 영역에 포함되는 제2 포토 다이오드;
    상기 제1 영역의 상부에 배치되는 제1 마이크로 렌즈;
    상기 제2 영역의 상부에 배치되는 제2 마이크로 렌즈;
    상기 복수의 제1 포토 다이오드에서 생성된 전하를 각각 상기 제1 영역에 포함된 제1 플로팅 확산 영역에 제공하기 위한 복수의 제1 전송 트랜지스터; 및
    상기 제2 포토 다이오드에 축적된 전하를 상기 제2 영역에 포함된 제2 플로팅 확산 영역에 제공하기 위한 제2 전송 트랜지스터; 를 포함하고,
    상기 복수의 제1 포토 다이오드의 수광 면적의 합은 상기 제2 포토 다이오드의 수광 면적보다 큰 이미지 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 제1 포토 다이오드와 상기 제2 포토 다이오드는 하나의 컬러 필터를 공유하는 이미지 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 제1 전송 트랜지스터는, 상기 복수의 제1 포토 다이오드에서 생성된 상기 전하가 이동하는 상기 복수의 제1 포토 다이오드와 상기 제1 플로팅 확산 영역 사이의 거리를 최소화하는 위치에 배치되는 이미지 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 마이크로 렌즈의 면적은 상기 제2 마이크로 렌즈의 면적보다 큰 이미지 센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 제1 포토 다이오드 및 상기 제2 포토 다이오드는 각각 BDTI 또는 FDTI 공정에 의해 형성된 소자 분리막에 의해 분리되는 이미지 센서.
  6. 제1항에 있어서,
    제1 시간 동안 제1 리셋 전압을 검출한 뒤, 상기 복수의 제1 포토 다이오드에 의해 생성된 전하를 상기 제1 플로팅 확산 영역으로 이동시켜 제1 픽셀 전압을 검출하고,
    상기 제1 시간 이후의 제2 시간 동안 상기 제2 포토 다이오드에 의해 생성된 전하를 상기 제1 플로팅 확산 영역으로 이동시켜 제2 픽셀 전압을 검출한 뒤, 상기 제1 플로팅 확산 영역을 리셋시켜 제2 리셋 전압을 검출하며,
    상기 제1 리셋 전압과 상기 제1 픽셀 전압의 차이를 이용하여 제1 로우(raw) 데이터를 생성하고, 상기 제2 리셋 전압과 상기 제2 픽셀 전압의 차이를 이용하여 제2 로우(raw) 데이터를 생성하고,
    상기 제1 로우 데이터와 상기 제2 로우 데이터를 이용하여 플리커(Flicker) 현상이 발생하는 광원을 이미지에 정확히 반영한 이미지 데이터를 생성하는 이미지 센서.
  7. 복수의 제1 전송 트랜지스터를 통해 제1 플로팅 확산 영역에 각각 연결되는 복수의 제1 포토 다이오드;
    제2 전송 트랜지스터를 통해 상기 제1 플로팅 확산 영역과 분리된 제2 플로팅 확산 영역에 연결되는 제2 포토 다이오드;
    상기 제2 플로팅 확산 영역과 제1 전원 노드 사이에 연결되는 제1 리셋 트랜지스터;
    상기 제1 플로팅 확산 영역과 상기 제2 플로팅 확산 영역 사이에 연결되는 제2 리셋 트랜지스터;
    상기 제2 전송 트랜지스터와 상기 제2 플로팅 확산 영역 사이에 연결되는 스위치 소자;
    상기 제2 전송 트랜지스터와 상기 스위치 소자 사이의 노드와, 제2 전원 노드 사이에 연결되는 스토리지 커패시터; 를 포함하고,
    상기 복수의 제1 포토 다이오드 및 상기 제2 포토 다이오드는 하나의 단위 픽셀마다 포함되는 이미지 센서.
  8. 단위 픽셀에 포함되는 n개의 제1 포토 다이오드;
    상기 단위 픽셀에 포함되어 상기 n개의 제1 포토 다이오드와 컬러 필터를 공유하는 제2 포토 다이오드;
    상기 n개의 제1 포토 다이오드의 상부에 배치되는 n보다 작거나 같은 m개의 제1 마이크로 렌즈;
    상기 제2 포토 다이오드의 상부에 배치되는 제2 마이크로 렌즈; 및
    복수의 제1 전송 트랜지스터를 통해 상기 n개의 제1 포토 다이오드들에 축적된 전하가 제공되는 제1 플로팅 확산 영역;
    제2 전송 트랜지스터를 통해 상기 제2 포토 다이오드에 축적된 전하가 제공되고, 상기 제1 플로팅 확산 영역과 분리된 제2 플로팅 확산 영역; 을 포함하는 이미지 센서.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 m개의 제1 마이크로 렌즈 각각의 중심점은 상기 제1 플로팅 확산 영역과 수직 방향에서 중첩되지 않는 이미지 센서.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 n개의 제1 포토 다이오드 및 상기 제2 포토 다이오드와 연결되는 픽셀 회로를 포함하고,
    상기 픽셀 회로는 상기 n개의 제1 포토 다이오드 및 상기 제2 포토 다이오드의 전하에 각각 대응하는 픽셀 신호를 생성하여 플리커(Flicker) 현상이 완화된 이미지를 생성하는 이미지 센서.
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