KR20230056858A - 이미지 센서 - Google Patents

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KR20230056858A
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이윤기
금동민
김범석
이광희
장예주
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는, 복수의 일반 픽셀들과 복수의 AF 픽셀들이 배치되는 픽셀 어레이, 및 로직 회로를 포함하며, 로직 회로는 복수의 AF 픽셀들 각각에서 획득한 픽셀 신호들의 위상차를 이용하여 자동 초점 기능을 구현할 수 있다. AF 픽셀들 각각은 한 쌍의 픽셀 영역들 상에 배치되는 하나의 AF 렌즈를 포함하며, 픽셀 어레이의 중심으로부터 멀리 위치한 AF 픽셀의 AF 렌즈는, 중심에 가까운 AF 픽셀의 AF 렌즈보다 큰 면적을 가질 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 로직 회로 등을 포함할 수 있다. 사용자가 촬영하고자 하는 피사체에 초점을 맞출 수 있도록, 픽셀 어레이에는 복수 AF(Auto-Focus) 픽셀들이 포함될 수 있다. 복수의 AF 픽셀들을 이용하는 자동 초점 기능의 성능을 개선하기 위하여 다양한 방법들이 제안되는 추세이다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 과제 중 하나는, 픽셀 어레이에서 서로 다른 위치에 배치되는 AF 픽셀들 중 적어도 일부에 포함되는 AF 렌즈들을 서로 다른 크기로 형성함으로써, AF 픽셀들 각각에서의 초점 위치 차이를 줄이고, 그로부터 자동 초점 기능을 개선할 수 있는 이미지 센서를 제공하고자 하는 데에 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는, 제1 방향, 및 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향을 따라 배열되는 복수의 픽셀 영역들을 포함하며, 상기 복수의 픽셀 영역들 각각은 적어도 하나의 포토 다이오드, 상기 포토 다이오드 아래의 회로 영역, 상기 포토 다이오드 위의 필터 영역, 및 상기 필터 영역 위의 렌즈 영역을 포함하는 픽셀 어레이, 및 상기 회로 영역으로부터 픽셀 신호를 획득하는 로직 회로를 포함하며, 상기 픽셀 어레이는 복수의 일반 픽셀들 및 복수의 AF 픽셀들을 포함하고, 상기 복수의 AF 픽셀들 각각은 상기 제1 방향에서 서로 인접한 한 쌍의 픽셀 영역들에 배치되며, 상기 한 쌍의 픽셀 영역들 위의 상기 렌즈 영역에 배치되고 상기 제1 방향으로 연장되는 장축을 갖는 하나의 AF 렌즈를 포함하며, 상기 픽셀 어레이의 제1 위치에 배치되는 제1 AF 렌즈의 장축은, 상기 픽셀 어레이의 제2 위치에 배치되는 제2 AF 렌즈의 장축보다 짧고, 상기 제1 위치는 상기 제2 위치보다 상기 픽셀 어레이의 중심에 가깝다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는, 기판의 상면에 평행한 제1 방향 및 제2 방향으로 따라 배열되는 복수의 일반 픽셀들, 및 상기 복수의 일반 픽셀들 중 적어도 일부 사이에 배치되는 복수의 AF 픽셀들을 포함하는 픽셀 어레이, 및 상기 복수의 AF 픽셀들 각각에서 획득한 픽셀 신호들의 위상차를 이용하여 자동 초점 기능을 구현하는 로직 회로를 포함하며, 상기 복수의 AF 픽셀들 각각의 수광 면적은 상기 복수의 일반 픽셀들 각각의 수광 면적보다 크고, 상기 복수의 AF 픽셀들 각각은 한 쌍의 포토 다이오드들 및 상기 한 쌍의 포토 다이오드들 위에 배치되는 하나의 AF 렌즈를 포함하며, 상기 복수의 AF 픽셀들 각각에 포함되는 상기 AF 렌즈에서 상기 제1 방향으로 연장되는 장축의 길이는, 상기 픽셀 어레이의 가장자리들 중 상기 제2 방향으로 연장되는 제2 가장자리에 가까울수록 선형적으로 증가한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는, 복수의 일반 픽셀들, 및 복수의 AF 픽셀들을 포함하고, 복수의 AF 픽셀들 각각은 상기 복수의 일반 픽셀들 각각보다 큰 수광 면적을 갖는 픽셀 어레이, 및 상기 픽셀 어레이로부터 픽셀 신호를 획득하는 로직 회로를 포함하며, 상기 복수의 일반 픽셀들은, 상기 픽셀 어레이의 가장자리로부터 제1 거리만큼 분리되며 상기 복수의 AF 픽셀들 중 적어도 하나에 인접하는 제1 일반 픽셀, 및 상기 가장자리로부터 상기 제1 거리보다 큰 제2 거리만큼 분리되며 상기 복수의 AF 픽셀들과 인접하지 않는 제2 일반 픽셀을 포함하고, 상기 제1 일반 픽셀에 포함되는 제1 마이크로 렌즈의 면적은 상기 제2 일반 픽셀에 포함되는 제2 마이크로 렌즈의 면적보다 작다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 픽셀 어레이의 중심에 가까운 제1 AF 픽셀에 포함되는 제1 AF 렌즈보다, 픽셀 어레이의 가장자리에 가까운 제2 AF 픽셀에 포함되는 제2 AF 렌즈가 더 긴 장축을 가질 수 있다. 따라서, 제1 AF 렌즈와 제2 AF 렌즈 각각에서 서로 다른 입사각으로 빛이 입사하는 경우에도, 제1 AF 픽셀과 제2 AF 픽셀 각각에서 초점이 맺히는 위치의 차이를 최소화할 수 있으며, 이미지 센서의 자동 초점 성능을 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 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 회로를 간단하게 도시한 도면들이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀 어레이를 간단하게 나타낸 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 도 3의 A1 영역과 A2 영역을 확대 도시한 도면들이다.
도 5는 도 4a의 I-I` 방향의 단면을 나타낸 단면도이다.
도 6 및 도 7은 도 4b의 II-II` 방향의 단면을 나타낸 단면도들이다.
도 8은 도 3의 A2 영역을 확대 도시한 도면이다.
도 9는 도 3의 A3 영역을 확대 도시한 도면이다.
도 10 및 도 11은 도 9의 III-III` 방향의 단면을 나타낸 단면도들이다.
도 12는 도 3의 A4 영역을 확대 도시한 도면이다.
도 13a 및 도 13b는 본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀 어레이에 포함되는 AF 픽셀들을 간단하게 나타낸 도면들이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀 어레이를 간단하게 나타낸 도면이다.
도 15a 및 도 15b는 도 14의 B1 영역과 B2 영역을 확대 도시한 도면들이다.
도 16은 도 15a의 IV-IV` 방향의 단면을 나타낸 단면도이다.
도 17은 도 15b의 V-V` 방향의 단면을 나타낸 단면도이다.
도 18 및 도 19는 도 14의 B3 영역과 B4 영역을 확대 도시한 도면들이다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀 어레이를 간단하게 나타낸 도면이다.
도 21은 본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀 어레이를 간단하게 나타낸 도면이다.
도 22a 내지 도 22c는 도 21의 일부 영역들을 확대 도시한 도면들이다.
도 23은 본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀 어레이를 간단하게 나타낸 도면이다.
도 24a 내지 도 24c는 도 23의 일부 영역들을 확대 도시한 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(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.
일례로 픽셀 회로는 플로팅 디퓨전, 전송 트랜지스터, 리셋 트랜지스터, 구동 트랜지스터, 및 선택 트랜지스터 등을 포함할 수 있다. 실시예들에 따라 픽셀들(PX)의 구성은 달라질 수 있다. 일례로, 픽셀들(PX) 각각은 유기 물질을 포함하는 유기 포토 다이오드를 포함하거나, 또는 디지털 픽셀로 구현될 수도 있다. 픽셀들(PX)이 디지털 픽셀로 구현되는 경우, 픽셀들(PX) 각각은 디지털 픽셀 신호를 출력하기 위한 아날로그-디지털 컨버터를 포함할 수 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), 컨트롤 로직(24) 등을 포함할 수 있다. 로우 드라이버(21)는 픽셀 어레이(10)를 로우(ROW) 라인들 단위로 구동할 수 있다. 예를 들어, 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 로우 라인 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, 칼럼 라인들을 통해 픽셀 신호를 읽어올 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.
픽셀들(PX)은 픽셀 어레이를 제공하는 기판에 정의되는 복수의 픽셀 영역들에 배치될 수 있다. 일례로, 픽셀들(PX)은 복수의 자동 초점 픽셀들과 복수의 일반 픽셀들을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 복수의 자동 초점 픽셀들 각각은 일반 픽셀들 각각보다 큰 수광 면적을 가질 수 있다.
예를 들어, 복수의 일반 픽셀들 각각은 하나의 픽셀 영역에 배치될 수 있으며, 복수의 자동 초점 픽셀들 각각은 서로 인접한 한 쌍의 픽셀 영역들에 배치될 수 있다. 따라서, 복수의 자동 초점 픽셀들 각각은 상대적으로 더 큰 수광 면적을 가질 수 있다. 복수의 자동 초점 픽셀들 각각에서 한 쌍의 픽셀 영역들 위에는 빛을 집광하기 위해 하나의 AF 렌즈가 배치될 수 있으며, 복수의 일반 픽셀들 각각에서는 하나의 픽셀 영역 위에 하나의 마이크로 렌즈가 배치될 수 있다. 따라서, AF 렌즈는 마이크로 렌즈보다 큰 면적을 가질 수 있다.
픽셀 어레이(10)로 진행하는 빛의 입사각은 픽셀 어레이(10)의 중심에 가까운 영역보다, 픽셀 어레이(10)의 가장자리에 가까운 영역에서 더 클 수 있다. 따라서, 픽셀 어레이(10)의 중심에 가까이 배치되는 자동 초점 픽셀에서는 AF 렌즈를 통과한 빛의 초점이 포토 다이오드에 맺히는 반면, 픽셀 어레이(10)의 가장자리에 가까이 배치되는 자동 초점 픽셀에서는 AF 렌즈를 통과한 빛의 초점이 포토 다이오드 위에 맺힐 수 있다. 다시 말해, 픽셀 어레이(10) 내에서의 위치에 따라 자동 초점 픽셀들 내에서 초점이 맺히는 위치가 달라질 수 있다.
본 발명에서는 상기와 같은 문제를 해결하기 위해, 픽셀 어레이(10) 내에서의 위치에 따라 AF 렌즈의 면적을 다르게 형성할 수 있다. 따라서, 자동 초점 픽셀들 각각에서 AF 렌즈를 통과한 빛의 초점이 포토 다이오드에 맺힐 수 있으며, 이미지 센서(1)의 자동 초점 기능을 개선할 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 회로를 간단하게 도시한 도면들이다.
먼저 도 2a를 참조하면, 복수의 픽셀들(PX) 각각은 포토 다이오드(PD)와 픽셀 회로를 포함하며, 픽셀 회로는 전송 트랜지스터(TX)와 리셋 트랜지스터(RX), 선택 트랜지스터(SX), 및 구동 트랜지스터(DX) 등을 포함할 수 있다. 또한 픽셀 회로는, 포토 다이오드(PD)에서 생성된 전하가 축적되는 플로팅 디퓨전 영역(FD)을 포함할 수 있다.
포토 다이오드(PD)는 외부에서 입사된 빛에 반응하여 전하를 생성 및 축적할 수 있다. 포토 다이오드(PD)는 실시예들에 따라 포토 트랜지스터, 포토 게이트, 핀드 포토 다이오드 등으로 대체될 수도 있다. 전송 트랜지스터(TX)는 포토 다이오드(PD)에서 생성된 전하를 플로팅 디퓨전 영역(FD)으로 이동시킬 수 있다. 플로팅 디퓨전 영역(FD)은 포토 다이오드(PD)에서 생성된 전하를 저장할 수 있다. 플로팅 디퓨전 영역(FD)에 축적된 전하의 양에 따라 구동 트랜지스터(DX)가 출력하는 전압이 달라질 수 있다.
리셋 트랜지스터(RX)는 플로팅 디퓨전 영역(FD)에 축적된 전하를 제거하여 플로팅 디퓨전 영역(FD)의 전압을 리셋시킬 수 있다. 리셋 트랜지스터(RX)의 드레인 전극은 플로팅 디퓨전 영역(FD)과 연결되며 소스 전극은 전원 전압(VDD)에 연결될 수 있다. 리셋 트랜지스터(RX)가 턴 온되면, 리셋 트랜지스터(RX)의 소스 전극과 연결된 전원 전압(VDD)이 플로팅 디퓨전 영역(FD)에 인가되며, 리셋 트랜지스터(RX)가 플로팅 디퓨전 영역(FD)에 축적된 전하가 제거될 수 있다.
구동 트랜지스터(DX)는 소스 팔로워 버퍼 증폭기(source follower buffer amplifier)로 동작할 수 있다. 구동 트랜지스터(DX)는 플로팅 디퓨전 영역(FD)의 전압 변화를 증폭하고, 이를 칼럼 라인들(COL1, COL2) 중 하나로 출력할 수 있다. 선택 트랜지스터(SX)는 행 단위로 읽어낼 픽셀들(PX)을 선택할 수 있다. 선택 트랜지스터(SX)가 턴 온될 때, 구동 트랜지스터(DX)의 전압이 칼럼 라인들(COL1, COL2) 중 하나로 출력될 수 있다. 일례로, 선택 트랜지스터(SX)가 턴 온될 때, 칼럼 라인들(COL1, COL2)을 통해 리셋 전압 또는 픽셀 전압이 출력될 수 있다.
도 2a에 도시한 일 실시예에서는, 복수의 픽셀들(PX) 각각이 포토 다이오드(PD)와 전송 트랜지스터(TX)는 물론, 리셋 트랜지스터(RX), 선택 트랜지스터(SX), 및 구동 트랜지스터(DX)를 모두 포함할 수 있다. 반면, 도 2b에 도시한 일 실시예에서는, 서로 인접한 둘 이상의 픽셀들이, 픽셀 회로에 포함되는 트랜지스터들 중 적어도 일부를 공유할 수 있다. 도 4를 참조하면, 서로 인접한 네 개의 픽셀들이 하나의 플로팅 디퓨전 영역(FD)과 리셋 트랜지스터(RX), 구동 트랜지스터들(DX1, DX2) 및 선택 트랜지스터(SX)를 공유할 수 있다.
일례로, 첫 번째 픽셀의 제1 포토 다이오드(PD1)와 제1 전송 트랜지스터(TX1)가 플로팅 디퓨전 영역(FD) 연결될 수 있다. 마찬가지로, 두 번째 내지 네 번째 픽셀들(PX2-PX4)의 제2 내지 제4 포토 다이오드들(PD2-PD4)은, 제2 내지 제4 전송 트랜지스터들(TX2-TX4)을 통해, 플로팅 디퓨전 영역(FD)에 연결될 수 있다. 일례로, 픽셀들 각각에 포함되는 플로팅 디퓨전 영역(FD)을 배선 패턴 등으로 서로 연결하여, 하나의 플로팅 디퓨전 영역(FD)에 제1 내지 제4 전송 트랜지스터들(TX1-TX4)을 공통으로 연결할 수 있다.
한편, 픽셀 회로는 리셋 트랜지스터(RX), 제1 및 제2 구동 트랜지스터들(DX1, DX2), 및 선택 트랜지스터(SX)를 포함할 수 있다. 리셋 트랜지스터(RX)는 리셋 제어 신호(RG)에 의해 제어되며, 선택 트랜지스터(SX)는 선택 제어 신호(SEL)에 의해 제어될 수 있다. 일례로, 네 개의 픽셀들 각각은 전송 트랜지스터(TX)외에 하나의 트랜지스터를 더 포함할 수 있다. 네 개의 픽셀들에 포함되는 네 개의 트랜지스터들 중에서 두 개는 서로 병렬로 연결되어 제1 및 제2 구동 트랜지스터들(DX1, DX2)을 제공하고, 남은 두 개의 트랜지스터들 중 하나는 선택 트랜지스터(SX)로 제공되며, 나머지 하나는 리셋 트랜지스터(RX)를 제공하도록 구성될 수 있다.
다만, 도 2b를 참조하여 설명한 픽셀 회로는 하나의 실시예일 뿐이며, 반드시 이와 같은 형태로 한정되는 것은 아니다. 일례로, 네 개의 트랜지스터들 중 하나를 구동 트랜지스터로 할당하고, 하나를 선택 트랜지스터로 할당할 수 있다. 또한, 나머지 두 개를 서로 직렬로 연결하여 제1 및 제2 리셋 트랜지스터들로 할당함으로써, 픽셀의 변환 이득을 조절할 수 있는 이미지 센서를 구현할 수 있다. 또는, 픽셀들 각각에 포함되는 트랜지스터의 개수에 따라 픽셀 회로가 달라질 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀 어레이를 간단하게 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이(100)는 제1 방향(X축 방향) 및 제2 방향(Y축 방향)을 따라 배열되는 복수의 픽셀 영역들을 포함하며, 복수의 픽셀 영역들에 배치되는 복수의 픽셀들(NPX, APX)을 포함할 수 있다. 복수의 픽셀들(NPX, APX)은 복수의 일반 픽셀들(NPX)과 복수의 AF(Auto-Focus) 픽셀들을 포함하며, 복수의 일반 픽셀들(NPX)은 적색 픽셀들(RPX), 녹색 픽셀들(GPX), 및 청색 픽셀들(BPX)을 포함할 수 있다. 적색 픽셀들(GPX) 각각은 적색 컬러 필터를 포함하고, 녹색 픽셀들(GPX) 각각은 녹색 컬러 필터를 포함하며, 청색 픽셀들(BPX) 각각은 청색 컬러 필터를 포함할 수 있다. 다만, 실시예들에 따라, 복수의 일반 픽셀들(NPX)은 적어도 하나의 노란색 픽셀, 적어도 하나의 백색 픽셀 등을 더 포함할 수도 있다.
도 3에 도시한 일 실시예에서, 복수의 AF 픽셀들(APX) 각각은, 복수의 일반 픽셀들(NPX) 각각에 비해 더 큰 수광 면적을 가질 수 있다. 일례로, 복수의 일반 픽셀들(NPX) 각각은 하나의 픽셀 영역에 배치되고, 복수의 AF 픽셀들(APX)은 제1 방향에서 서로 인접한 한 쌍의 픽셀 영역들에 배치될 수 있다. 일 실시예에서, 복수의 픽셀 영역들 각각에는 포토 다이오드가 배치되며, 따라서 복수의 AF 픽셀들(APX) 각각의 수광 면적이, 복수의 일반 픽셀들(NPX) 각각의 수광 면적의 두 배일 수 있다.
복수의 일반 픽셀들(NPX) 각각은 하나의 픽셀 영역에 배치되는 하나의 마이크로 렌즈를 포함할 수 있다. 한편, 복수의 AF 픽셀들(APX) 각각은 한 쌍의 픽셀 영역들에 배치되는 하나의 AF 렌즈를 포함할 수 있다. 제1 방향으로 연장되는 AF 렌즈의 장축은 마이크로 렌즈의 지름보다 클 수 있다.
픽셀 어레이(100)와 연결되는 로직 회로는, 복수의 AF 픽셀들(APX)에 포함되는 한 쌍의 포토 다이오드들로부터 획득한 픽셀 신호들의 위상차를 이용하여, 자동 초점 기능을 구현할 수 있다. 자동 초점 기능을 정확하게 구현하여 피사체에 정확하게 초점을 맞추기 위해서는, 픽셀 어레이(100)의 다양한 위치들에 배치되는 복수의 AF 픽셀들(APX) 내부에서 AF 렌즈에 의해 집광되는 빛의 초점이 포토 다이오드에 정확하게 맺혀야 할 수 있다. 다만, 픽셀 어레이(100)의 중심으로부터 먼 위치에 배치되는 AF 픽셀들(APX)에서는, AF 렌즈로 입사하는 빛의 입사각으로 인해 AF 렌즈에 의해 집광되는 빛의 초점이, 제3 방향(Z축 방향)에서 포토 다이오드의 위에 맺힐 수 있다. 따라서, 자동 초점 기능의 성능이 저하될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는, 픽셀 어레이(100)에서의 위치에 따라, 복수의 AF 픽셀들(APX) 중 적어도 일부에 포함되는 AF 렌즈들이 서로 다른 크기를 가질 수 있다. 일례로, 픽셀 어레이(100)의 중심에 가까이 배치되는 제1 AF 픽셀에 포함되는 제1 AF 렌즈와, 픽셀 어레이(100)의 가장자리에 가까이 배치되는 제2 AF 픽셀에 포함되는 제2 AF 렌즈가 서로 다른 크기를 가질 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 제1 AF 렌즈와 제2 AF 렌즈 각각은 제1 방향으로 연장되는 장축을 가지며, 제1 AF 렌즈의 장축이 제2 AF 렌즈의 장축보다 짧을 수 있다. 따라서, 제2 AF 픽셀에서 제2 AF 렌즈를 통과한 빛이 포토 다이오드에서 집광될 수 있으며, 픽셀 어레이(100)를 포함하는 이미지 센서의 자동 초점 기능이 개선될 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 도 3의 A1 영역과 A2 영역을 확대 도시한 도면들이다.
먼저 도 4a를 참조하면, 픽셀 어레이(100)의 A1 영역에는 10개의 일반 픽셀들(NPX)과 1개의 AF 픽셀(APX1)이 배치될 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 일반 픽셀들(NPX)은 적색 픽셀(RPX), 녹색 픽셀(GPX), 청색 픽셀(BPX)을 포함하며, 적색 픽셀(RPX)과 청색 픽셀(BPX)은 대각선 방향으로 인접할 수 있다. 적색 픽셀(RPX)과 청색 픽셀(BPX) 각각은, 제1 방향(X축 방향)과 제2 방향(Y축 방향)에서 녹색 픽셀(GPX)과 인접할 수 있다.
A1 영역의 AF 픽셀(APX1)은 제1 AF 픽셀(APX1)로 정의될 수 있으며, 녹색 픽셀(GPX)과 마찬가지로 녹색 컬러 필터를 포함할 수 있다. 일반 픽셀들(NPX) 각각이 하나의 픽셀 영역에 배치되는 것과 달리, 제1 AF 픽셀(APX1)은 제1 방향에서 서로 인접한 한 쌍의 픽셀 영역들에 배치될 수 있다. 또한, 제1 AF 픽셀(APX1)에 포함되는 제1 AF 렌즈(135)는 제1 방향에서 제1 장축(L1)을 갖고 제2 방향에서 제1 단축(S1)을 가질 수 있다. 도 4a에 도시한 일 실시예에서, 제1 AF 렌즈(135)의 제1 단축(S1)은 일반 픽셀들(NPX) 각각에 포함되는 마이크로 렌즈(131)의 지름(R1)과 실질적으로 같을 수 있다. 한편, 제1 AF 렌즈(135)의 제1 장축(L1)은 마이크로 렌즈(131)의 지름(R1)보다 클 수 있다. 일례로, 제1 AF 렌즈(135)의 제1 장축(L1)은 마이크로 렌즈(131)의 지름(R1)의 약 두 배일 수 있다.
도 4b는 픽셀 어레이(100)의 A2 영역을 확대 도시한 도면일 수 있으며, A2 영역에는 10개의 일반 픽셀들(NPX)과 1개의 AF 픽셀(APX2)이 배치될 수 있다. A2 영역의 AF 픽셀(APX2)은 제2 AF 픽셀(APX2)로 정의될 수 있다. 앞서 도 3에 도시한 바와 같이, A1 영역과 A2 영역은 제1 방향에서 서로 다른 위치에 배치되며, A1 영역이 픽셀 어레이(100)의 중심에 더 가까이 배치되고, A2 영역은 픽셀 어레이(100)의 가장자리에 더 가까이 배치될 수 있다. 따라서, A1 영역으로 진행하는 빛의 입사각은 A2 영역으로 진행하는 빛의 입사각과 다를 수 있다.
픽셀 어레이(100)의 가장자리에 가까운 A2 영역에서는 입사하는 빛의 입사각이 크게 틀어질 수 있으며, 따라서 제2 AF 픽셀(APX2) 내부에서 빛이 맺히는 위치가 제1 AF 픽셀(APX1) 내부에서 빛이 맺히는 위치와 다를 수 있다. 일례로, 제1 AF 픽셀(APX1)에서는 빛의 초점이 제1 AF 픽셀(APX1)에 포함되는 포토 다이오드들 중 적어도 하나에 맺힐 수 있다. 반면, 제2 AF 픽셀(APX2)에서는, 빛의 초점이 제2 AF 픽셀(APX2)에 포함되는 포토 다이오드들에 맺히지 않을 수 있다. 일례로, 제2 AF 픽셀(APX2)에서는 입사하는 빛의 입사각이 증가함에 따라 빛의 초점이 제3 방향(Z축 방향)에서 포토 다이오드들의 위에 맺힐 수 있다.
본 발명에서는 상기와 같은 문제를 해결하기 위해, 도 4b에 도시한 바와 같이 제2 AF 렌즈(136)를 제1 AF 렌즈(135)보다 크게 형성할 수 있다. 일 실시예에서, 제2 AF 렌즈(136)는 제2 장축(L2)과 제1 단축(S1)을 가지며, 제2 장축(L2)은 제1 장축(L1)보다 길 수 있다. 일례로 제2 장축(L2)과 제1 장축(L1)의 길이 차이는, 제1 방향에서 제1 AF 픽셀(APX1)과 제2 AF 픽셀(APX2)의 위치 차이에 비례할 수 있다.
제2 AF 렌즈(136)가 제1 방향에서 증가한 제2 장축(L2)을 갖도록 형성됨에 따라, 도 4b에 도시한 바와 같이 제1 방향에서 제2 AF 픽셀(APX2)의 양측에 인접한 이웃 픽셀들(GPX, BPX)에서 마이크로 렌즈(132)의 형상이 변형될 수 있다. 도 4b를 참조하면, 제1 방향에서 제2 AF 렌즈(136) 양측에 인접한 한 쌍의 마이크로 렌즈들(132) 각각은, 제1 방향에서 다른 마이크로 렌즈(131)의 지름(R1)보다 작은 폭(R2)을 가질 수 있다.
다시 말해, 제2 AF 픽셀(APX2)의 양측에 인접한 이웃 픽셀들(GPX, BPX) 각각에 포함되는 마이크로 렌즈(132)의 면적은, 다른 일반 픽셀들(NPX)에 포함되는 마이크로 렌즈(131)의 면적보다 작을 수 있다. 다만, 복수의 방향이 아닌, 제1 방향의 일측에서만 마이크로 렌즈(132)의 크기가 감소하므로, 제2 AF 픽셀(APX2)의 양측에 인접한 이웃 픽셀들(GPX, BPX)의 감도 저하는 이미지 센서의 동작에 영향을 줄 정도로 크지 않을 수 있다.
또한, 이웃 픽셀들(GPX, BPX) 각각에 포함되는 마이크로 렌즈(132)는 제2 방향에서 지름(R1)을 갖고, 제1 방향에서는 지름(R1)보다 작은 폭(R2)을 가질 수 있다. 따라서, 이웃 픽셀들(GPX, BPX) 각각에 포함되는 마이크로 렌즈(132)는 원형과 다른 형상을 가질 수 있으며, 일례로 비대칭 형상을 가질 수 있다.
도 5는 도 4a의 I-I` 방향의 단면을 나타낸 단면도이다.
도 5를 참조하면, 기판(101)의 상면에 평행한 제1 방향(X축 방향) 및 제2 방향(Y축 방향)을 따라 복수의 픽셀 영역들(PA)이 정의되며, 복수의 픽셀 영역들(PA) 각각에는 적어도 하나의 포토 다이오드(PD)가 형성될 수 있다. 복수의 픽셀 영역들(PA)은 픽셀 분리막(105)에 의해 서로 분리되며, 따라서 제1 방향 및 제2 방향에서 인접한 포토 다이오드들(PD) 사이에는 픽셀 분리막(105)이 배치될 수 있다. 픽셀 분리막(105)은 빛을 반사시킬 수 있는 물질로 형성될 수 있다.
도 5를 참조하면, 복수의 픽셀 영역들(PA) 각각은 포토 다이오드(PD) 아래에 배치되는 회로 영역(110), 포토 다이오드(PD) 위에 배치되는 필터 영역(120) 및 렌즈 영역(130) 등을 포함할 수 있다. 회로 영역(110)은, 불순물로 도핑되는 활성 영역(111)과 게이트 구조체(114)를 갖는 회로 소자들, 회로 소자들을 서로 연결하기 위한 배선 패턴들(115), 및 배선 패턴들(115)을 커버하는 층간 절연층(116) 등이 포함될 수 있다. 게이트 구조체(114)는 게이트 절연층(112)과 게이트 전극층(113)을 포함하며, 게이트 구조체(114) 중 적어도 하나는 도 5에 도시한 바와 같이 기판(101)에 매립되는 영역을 가질 수 있다.
포토 다이오드(PD) 위에 배치되는 필터 영역(120)은, 제1 방향 및 제2 방향을 따라 배열되는 복수의 컬러 필터들(121-123), 복수의 컬러 필터들(121-123)을 서로 분리하는 펜스 패턴(124), 및 평탄화층(125) 등을 포함할 수 있다. 복수의 컬러 필터들(121-123) 각각은 앞서 도 4a를 참조하여 설명한 바와 같이, 적색, 녹색, 청색 중 어느 하나의 색상을 가질 수 있다. 펜스 패턴(124)은 픽셀 분리막(105) 상에 배치되며, 픽셀 분리막(105)과 유사하게 바둑판 형상으로 형성될 수 있다. 펜스 패턴(124)은 복수의 컬러 필터들(121-123) 사이에서의 크로스토크를 방지할 수 있도록, 높은 반사율을 갖는 물질로 형성될 수 있다.
제1 AF 픽셀(APX1)에 포함되는 한 쌍의 포토 다이오드들(PD) 사이의 픽셀 분리막(105) 상에는, 펜스 패턴(124)이 형성되지 않을 수 있다. 따라서, 제1 AF 픽셀(APX1)에 포함되는 컬러 필터(121)는, 다른 일반 픽셀들(GPX, BPX)에 포함되는 컬러 필터들(122, 123)보다 상대적으로 큰 면적을 가질 수 있다. 일례로, 제1 AF 픽셀(APX1)에 포함되는 컬러 필터(121)의 면적은, 다른 일반 픽셀들(GPX, BPX)에 포함되는 컬러 필터들(122, 123) 각각의 면적의 두 배 이상일 수 있다.
필터 영역(120)과 기판(101) 사이에는, 수평 절연층(107)이 형성될 수 있다. 일 실시예에서 수평 절연층(107)은 서로 다른 물질로 형성되는 복수의 절연층들을 포함할 수 있으며, 복수의 절연층들 중 적어도 하나는 고유전율 물질로 형성될 수 있다. 고유전율 물질은 실리콘 산화물(SiOx)보다 높은 유전율을 갖는 물질로서, 알루미늄 산화물(Al2O3), 탄탈륨 산화물(Ta2O3), 티타늄 산화물(TiO2), 이트륨 산화물(Y2O3), 지르코늄 산화물(ZrO2), 지르코늄 실리콘 산화물(ZrSixOy), 하프늄 산화물(HfO2), 하프늄 실리콘 산화물(HfSixOy), 란탄 산화물(La2O3), 란탄 알루미늄 산화물(LaAlxOy), 란탄 하프늄 산화물(LaHfxOy), 하프늄 알루미늄 산화물(HfAlxOy), 및 프라세오디뮴 산화물(Pr2O3) 중에서 선택될 수 있다.
수평 절연층(107)은 픽셀 어레이(100)의 제조 공정 중에 기판(101)에서 발생하는 결함을 큐어링하기 위한 목적으로 형성되는 층일 수 있다. 일례로, 픽셀 어레이(100)의 제조 공정 중에 기판(101)에서 발생하는 결함으로 인해 잉여 전하가 발생할 수 있으며, 그로 인해 이미지 센서의 다크 레벨이 저하되는 등의 문제가 발생할 수 있다. 수평 절연층(107)은 상기와 같은 결함을 큐어링하여 잉여 전하를 제거함으로써, 다크 레벨 저하를 방지하고, 이미지에서 나타나는 화이트 스팟을 최소화할 수 있다.
필터 영역(120) 상에는 렌즈 영역(130)이 배치될 수 있다. 렌즈 영역(130)은 복수의 렌즈들을 포함하며, A1 영역에는 복수의 마이크로 렌즈들(131)과 함께 제1 AF 렌즈(135)가 배치될 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 제1 AF 렌즈(135)는 한 쌍의 픽셀 영역들(PA)에 걸쳐서 배치되며, 따라서 제1 방향에서 제1 AF 렌즈(135)가 갖는 제1 장축(L1)의 길이는, 마이크로 렌즈들(131) 각각의 지름(R1)의 약 두 배일 수 있다. 제1 AF 렌즈(135)는 하나의 AF 픽셀인 제1 AF 픽셀(APX1)에 포함될 수 있다.
도 5를 참조하면, 기판(101)의 상면에 평행한 제1 방향(X축 방향) 및 제2 방향(Y축 방향)을 따라 복수의 픽셀 영역들(PA)이 정의되며, 복수의 픽셀 영역들(PA) 각각에는 적어도 하나의 포토 다이오드(PD)가 형성될 수 있다. 복수의 픽셀 영역들(PA)은 픽셀 분리막(105)에 의해 서로 분리되며, 따라서 제1 방향 및 제2 방향에서 인접한 포토 다이오드들(PD) 사이에는 픽셀 분리막(105)이 배치될 수 있다. 픽셀 분리막(105)은 빛을 반사시킬 수 있는 물질로 형성될 수 있다.
도 5를 참조하면, 복수의 픽셀 영역들(PA) 각각은 포토 다이오드(PD) 아래에 배치되는 회로 영역(110), 포토 다이오드(PD) 위에 배치되는 필터 영역(120) 및 렌즈 영역(130) 등을 포함할 수 있다. 회로 영역(110)은, 불순물로 도핑되는 활성 영역(111)과 게이트 구조체(114)를 갖는 회로 소자들, 회로 소자들을 서로 연결하기 위한 배선 패턴들(115), 및 배선 패턴들(115)을 커버하는 층간 절연층(116) 등이 포함될 수 있다. 게이트 구조체(114)는 게이트 절연층(112)과 게이트 전극층(113)을 포함하며, 게이트 구조체(114) 중 적어도 하나는 도 5에 도시한 바와 같이 기판(101)에 매립되는 영역을 가질 수 있다.
포토 다이오드(PD) 위에 배치되는 필터 영역(120)은, 제1 방향 및 제2 방향을 따라 배열되는 복수의 컬러 필터들(121-123), 복수의 컬러 필터들(121-123)을 서로 분리하는 펜스 패턴(124), 및 평탄화층(125) 등을 포함할 수 있다. 복수의 컬러 필터들(121-123) 각각은 앞서 도 4a를 참조하여 설명한 바와 같이, 적색, 녹색, 청색 중 어느 하나의 색상을 가질 수 있다. 펜스 패턴(124)은 픽셀 분리막(105) 상에 배치되며, 픽셀 분리막(105)과 유사하게 바둑판 형상으로 형성될 수 있다. 펜스 패턴(124)은 복수의 컬러 필터들(121-123) 사이에서의 크로스토크를 방지할 수 있도록, 높은 반사율을 갖는 물질로 형성될 수 있다.
필터 영역(120)과 기판(101) 사이에는, 수평 절연층(107)이 형성될 수 있다. 일 실시예에서 수평 절연층(107)은 서로 다른 물질로 형성되는 복수의 절연층들을 포함할 수 있으며, 복수의 절연층들 중 적어도 하나는 고유전율 물질로 형성될 수 있다. 고유전율 물질은 실리콘 산화물(SiOx)보다 높은 유전율을 갖는 물질로서, 알루미늄 산화물(Al2O3), 탄탈륨 산화물(Ta2O3), 티타늄 산화물(TiO2), 이트륨 산화물(Y2O3), 지르코늄 산화물(ZrO2), 지르코늄 실리콘 산화물(ZrSixOy), 하프늄 산화물(HfO2), 하프늄 실리콘 산화물(HfSixOy), 란탄 산화물(La2O3), 란탄 알루미늄 산화물(LaAlxOy), 란탄 하프늄 산화물(LaHfxOy), 하프늄 알루미늄 산화물(HfAlxOy), 및 프라세오디뮴 산화물(Pr2O3) 중에서 선택될 수 있다.
수평 절연층(107)은 픽셀 어레이(100)의 제조 공정 중에 기판(101)에서 발생하는 결함을 큐어링하기 위한 목적으로 형성되는 층일 수 있다. 일례로, 픽셀 어레이(100)의 제조 공정 중에 기판(101)에서 발생하는 결함으로 인해 잉여 전하가 발생할 수 있으며, 그로 인해 이미지 센서의 다크 레벨이 저하되는 등의 문제가 발생할 수 있다. 수평 절연층(107)은 상기와 같은 결함을 큐어링하여 잉여 전하를 제거함으로써, 다크 레벨 저하를 방지하고, 이미지에서 나타나는 화이트 스팟을 최소화할 수 있다.
필터 영역(120) 상에는 렌즈 영역(130)이 배치될 수 있다. 렌즈 영역(130)은 복수의 렌즈들을 포함하며, A1 영역에는 복수의 마이크로 렌즈들(131)과 함께 제1 AF 렌즈(135)가 배치될 수 있다. 제1 AF 렌즈(135)는 하나의 AF 픽셀인 제1 AF 픽셀(APX1)에 포함될 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 제1 AF 렌즈(135)는 한 쌍의 픽셀 영역들(PA)에 걸쳐서 배치되며, 따라서 제1 방향에서 제1 AF 렌즈(135)가 갖는 제1 장축(L1)의 길이는, 마이크로 렌즈들(131) 각각의 지름(R1)의 약 두 배일 수 있다. 또한 제1 AF 렌즈(135)는, 제3 방향(Z축 방향)에서 다른 마이크로 렌즈들(132)에 비해 더 큰 두께를 가질 수 있다. 따라서, 제1 AF 렌즈(135)의 상면이 다른 마이크로 렌즈들(132)의 상면보다 더 높이 위치할 수 있다.
도 5를 참조하면, 픽셀 어레이(100)의 중심에 가까이 배치되는 A1 영역에서는, 제1 AF 렌즈(135)로 입사하는 빛의 입사각이 크지 않을 수 있다. 따라서, 도 5에 도시한 바와 같이 제1 AF 렌즈(135)에서 굴절된 빛이 제1 AF 픽셀(APX1)에 포함되는 한 쌍의 포토 다이오드들(PD)로 직접 입사하거나, 또는 한 쌍의 포토 다이오드들(PD) 사이의 픽셀 분리막(105)에서 반사되어 다시 한 쌍의 포토 다이오드들(PD)에 입사할 수 있다.
반면, 픽셀 어레이(100)의 중심으로부터 상대적으로 멀리 배치되는 영역들에서는, AF 렌즈로 입사하는 빛의 입사각이 기판(101)의 상면을 기준으로 틀어질 수 있다. 따라서, AF 렌즈에서 굴절된 빛의 초점이 한 쌍의 포토 다이오드들(PD)이 아닌 그 위의 영역, 예를 들어 수평 절연층(107) 또는 필터 영역(120)에 맺힐 수 있다. 이 경우, 픽셀 어레이(100)의 중심과 달리 픽셀 어레이(100)의 가장자리에 가까운 AF 픽셀에서 획득한 픽셀 신호들로는, 자동 초점 기능의 효과를 충분히 달성하지 못할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는, 앞서 도 4b를 참조하여 설명한 바와 같이 픽셀 어레이(100)의 가장자리에 가까운 AF 픽셀의 AF 렌즈를, 상대적으로 더 크게 형성하여 상기와 같은 문제를 해결할 수 있다. 동시에, 픽셀 어레이(100)의 가장자리에 가까운 AF 픽셀에서, AF 렌즈 및 그 아래의 컬러 필터를 서로 오프셋되도록 배치하여 이미지 센서의 자동 초점 기능의 효과를 개선할 수 있다. 이하, 도 6 및 도 7을 참조하여 더욱 상세히 설명하기로 한다.
도 6 및 도 7은 도 4b의 II-II` 방향의 단면을 나타낸 단면도들이다.
도 6과 도 7은 픽셀 어레이(100)의 A2 영역의 단면을 나타낸 단면도들일 수 있다. 도 6 및 도 7을 참조하면, 포토 다이오드들(PD)이 배치되는 픽셀 영역들(PA), 포토 다이오드들(PD)의 아래에 배치되는 회로 영역(110), 포토 다이오드들(PD) 위에 배치되는 수평 절연층(107) 등의 구성은 앞서 도 5를 참조하여 설명한 바와 동일할 수 있다.
도 6을 참조하면, 렌즈 영역(130)에 포함되는 제2 AF 렌즈(136)는 제1 방향에서 제2 장축(L2)만큼 연장될 수 있으며, 제2 장축(L2)의 길이는 제1 장축(L1)의 길이보다 길 수 있다. 제2 AF 렌즈(136)가 제1 방향에서 제2 장축(L2)만큼 연장됨에 따라, 제2 AF 렌즈(136)와 인접하는 한 쌍의 마이크로 렌즈들(132)은, 제1 방향에서 다른 마이크로 렌즈(131)의 지름(R1)보다 작은 폭(R2)을 가질 수 있다.
도 5 및 도 6을 참조하여 설명한 바와 같이, 픽셀 어레이(100)의 가장자리에 가까운 A2 영역에 배치되는 제2 AF 렌즈(136)는, 픽셀 어레이(100)의 중심에 가까운 A1 영역에 배치되는 제1 AF 렌즈(135)에 비해 상대적으로 더 크게 형성될 수 있다. 일례로, AF 픽셀들(APX1, APX2) 각각에서 한 쌍의 포토 다이오드들이 인접하는 방향인 제1 방향에서, 제2 AF 렌즈(136)의 제2 장축(L2)이 제1 AF 렌즈(135)의 제1 장축(L1)보다 길 수 있다. 따라서, 도 6에 도시한 바와 같이, 제2 AF 렌즈(136)를 통과하여 굴절된 빛의 초점이, 수평 절연층(107) 또는 필터 영역(120)에 맺히지 않고, 포토 다이오드(PD)에 맺히거나 또는 픽셀 분리막(105)에서 반사되어 포토 다이오드(PD)에 입사할 수 있다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 제1 AF 렌즈(135)와 제2 AF 렌즈(136) 각각은 일반 픽셀들(NPX) 각각의 마이크로 렌즈(131, 132)보다 큰 두께를 가질 수 있다. 또한, 제1 AF 렌즈(135)와 제2 AF 렌즈(136)의 두께는 서로 같을 수 있다. 다만 반드시 이와 같은 형태로 한정되지는 않으며, 굴절률을 다르게 하기 위한 목적으로, 제1 AF 렌즈(135)와 제2 AF 렌즈(136)가 서로 다른 두께를 가질 수도 있다. 일례로, 제2 AF 렌즈(136)가 제1 AF 렌즈(135)보다 작은 두께를 가질 수도 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에서는, 제2 AF 픽셀(APX2)에서 자동 초점 기능의 효과를 높이기 위해, 제2 AF 렌즈(136)와 컬러 필터(121)가 제1 방향에서 오프셋되도록 제2 AF 픽셀(APX2)을 구성할 수 있다. 도 7에 도시한 일 실시예에 따른 픽셀 어레이(100A)에서는, 제2 AF 렌즈(136A)의 중심이 컬러 필터(121A)의 중심과 일치하지 않고 오프셋될 수 있다.
도 7을 참조하면, 제2 AF 렌즈(136A)는 컬러 필터(121A)에 비해 픽셀 어레이(100A)의 중심에 더 가까이 배치될 수 있다. 따라서, 제2 AF 렌즈(136A)와 다른 마이크로 렌즈들(132A) 사이의 경계 역시, 필터 영역(120)에 포함되는 펜스 패턴(124A)과 정렬되지 않을 수 있다. 일 실시예에서, 제2 AF 렌즈(136A)와 다른 마이크로 렌즈들(132A) 사이의 경계가, 제1 방향에서 펜스 패턴(124A)보다 픽셀 어레이(100A)의 중심에 더 가까이 위치할 수 있다. 결과적으로, 일반 픽셀들(GPX, BPX)에서도 마이크로 렌즈들(132A)과 컬러 필터들(122A, 123A)이 서로 정렬되지 않고 오프셋될 수 있다.
도 7에 도시한 바와 같이, 렌즈 영역(130)과 필터 영역(120)을 오프셋시킴으로써, 렌즈 영역(130)을 통과하여 굴절된 빛의 초점을 픽셀 영역들(PA) 각각의 포토 다이오드(PD)에 위치시킬 수 있다. 렌즈 영역(130)과 필터 영역(120)이 오프셋되는 정도는, 픽셀 어레이(100A)의 위치에 따라 달라질 수 있다. 일 실시예에서, 픽셀 어레이(100A)의 가장자리에 가까울수록, 렌즈 영역(130)과 필터 영역(120)이 크게 오프셋될 수 있다.
렌즈 영역(130)과 필터 영역(120)은 서로 오프셋될 뿐만 아니라, 기판(101)에 정의되는 픽셀 영역들(PA)을 기준으로 오프셋될 수 있다. 다시 말해, 도 7에 도시한 바와 같이, 픽셀 영역들(PA)을 기준으로 필터 영역(120)이 픽셀 어레이(100A)의 중심에 더 가까이 배치되도록 오프셋되며, 따라서 펜스 패턴(124A)이 픽셀 분리막(105)과 정렬되지 않을 수 있다. 또한 픽셀 영역들(PA)을 기준으로 렌즈 영역(130)은 필터 영역(120)보다 더 크게 오프셋될 수 있다.
도 8은 도 3의 A2 영역을 확대 도시한 도면이다.
도 8을 참조하면, 픽셀 어레이(100)의 A2 영역에는 10개의 일반 픽셀들(NPX)과 1개의 제2 AF 픽셀(APX2)이 배치될 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 픽셀 어레이(100)의 가장자리에 가까운 A2 영역에서는 입사하는 빛의 입사각이 크게 틀어질 수 있으며, 따라서 제2 AF 픽셀(APX2) 내부에서 빛이 맺히는 위치를 포토 다이오드들에 맞출 수 있도록 제2 AF 렌즈(136)를 상대적으로 더 크게 형성할 수 있다.
일례로, 제2 AF 렌즈(136)는, 픽셀 어레이(100)의 중심에 가까이 배치되는 다른 AF 렌즈들보다 더 크게 형성되며, 제1 방향에서 다른 AF 렌즈들보다 더 긴 제2 장축(L2)을 가질 수 있다. 제2 AF 렌즈(136)가 제1 방향에서 증가한 제2 장축(L2)을 가지므로, 도 8에 도시한 바와 같이 제1 방향에서 제2 AF 픽셀(APX2)의 양측에 인접한 이웃 픽셀들 각각의 마이크로 렌즈(133)가, 제1 방향에서 다른 마이크로 렌즈의 지름(R1)보다 작은 폭(R2)을 가질 수 있다. 따라서, 제2 AF 픽셀(APX2)의 양측에 인접한 이웃 픽셀들에서 픽셀 신호의 세기가 감소하고, 그로 인한 감도 저하가 발생할 수 있다.
도 8에 도시한 일 실시예에서는 상기와 같은 감도 저하를 최소화하기 위해, 이웃 픽셀들 각각에 포함되는 마이크로 렌즈(133)의 크기를, 제2 방향에서 증가시킬 수 있다. 따라서, 도 8에 도시한 바와 같이, 이웃 픽셀들과 제2 방향에서 인접한 다른 일반 픽셀들 각각의 마이크로 렌즈는 제2 방향에서, 다른 마이크로 렌즈의 지름(R1)보다 작은 높이(R3)를 가질 수 있다. 반면, 이웃 픽셀들 각각에 포함되는 마이크로 렌즈(133)는 제2 방향에서 다른 마이크로 렌즈의 지름(R1)보다 큰 높이(R4)를 가질 수 있다.
정리하면, 도 8에 도시한 일 실시예에서는, 제2 AF 렌즈(136)의 크기 증가로 인한 감도 저하가, 제2 AF 픽셀(APX2)과 인접한 이웃 픽셀들에만 적용되지 않으며, 이웃 픽셀들과 인접한 다른 픽셀들까지 나눠서 적용될 수 있다. 동일한 세기의 감도 저하를, 도 4b에 도시한 일 실시예에서는 두 개의 일반 픽셀들이 부담하는 반면, 도 8에 도시한 일 실시예에서는 6개의 일반 픽셀들이 부담하므로, 이미지 전반에서 눈에 띄는 감도 저하를 피할 수 있다.
도 9는 도 3의 A3 영역을 확대 도시한 도면이다.
앞서 도 3을 참조하여 설명한 바와 같이, A3 영역은 A1 영역에 비해 픽셀 어레이(100)의 가장자리에 더 가까이 배치되는 영역일 수 있다. 다만, 앞서 설명한 A2 영역과 달리, A3 영역은 제1 방향에서 A1 영역과 같은 위치에 배치되고, 제2 방향에서 A1 영역과 다른 위치에 배치될 수 있다. 또한 복수의 AF 픽셀들(APX) 각각에서 한 쌍의 포토 다이오드들이 제1 방향으로 인접하므로, A3 영역에 배치되는 제3 AF 픽셀(APX3)은, 앞서 도 4a를 참조하여 설명한 A1 영역의 제1 AF 렌즈(135)와 같은 제3 AF 렌즈(137)를 포함할 수 있다.
도 10 및 도 11은 도 9의 III-III` 방향의 단면을 나타낸 단면도들이다.
도 10과 도 11은 픽셀 어레이(100)의 A3 영역의 제2 방향에 따른 단면을 나타낸 단면도들일 수 있다. 도 10 및 도 11을 참조하면, 포토 다이오드들(PD)이 배치되는 픽셀 영역들(PA), 포토 다이오드들(PD)의 아래에 배치되는 회로 영역(110), 포토 다이오드들(PD) 위에 배치되는 수평 절연층(107)과 필터 영역(120) 및 렌즈 영역(130) 등의 구성은 앞서 도 5를 참조하여 설명한 바와 동일할 수 있다. 일례로, 필터 영역(120)은 제3 AF 픽셀(APX3)에 대응하는 컬러 필터(121)와, 적색 픽셀들(RPX)에 대응하는 적색 컬러 필터(126)를 포함할 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 제3 AF 픽셀(APX3)의 제3 AF 렌즈(137)는, 제1 AF 픽셀(APX1)의 제1 AF 렌즈(135)와 같을 수 있다. 따라서 제3 AF 렌즈(137)는 제1 방향에서 제1 장축(L1)을 갖고 제2 방향에서 제1 단축(S1)을 가지며, 제1 단축(S1)은 다른 마이크로 렌즈(131)의 지름(R1)과 같을 수 있다. 도 10에 도시한 바와 같이, 제2 방향에 따른 단면을 도시한 단면도에서, 제3 AF 렌즈(137)는 다른 마이크로 렌즈(131)와 같은 길이로 연장될 수 있다. 다만, 제3 AF 렌즈(137)의 높이는 다른 마이크로 렌즈(131)의 높이보다 클 수 있다.
A3 영역은 제2 방향에서 픽셀 어레이(100)의 가장자리에 가까이 배치되는 영역일 수 있다. 따라서, 렌즈 영역(130)으로 입사하는 빛의 입사각을 고려하여 렌즈 영역(130)과 필터 영역(120)을, 제2 방향에서 서로 오프셋시킬 수 있다. 또한 렌즈 영역(130)과 필터 영역(120)은 기판(101)의 픽셀 영역들(PA)을 기준으로 제2 방향에서 오프셋될 수 있다.
도 11에 도시한 바와 같이, 필터 영역(120)과 렌즈 영역(130), 및 기판(101)의 픽셀 영역들(PA)을 서로 정렬시키지 않고 제2 방향에서 오프셋시킴으로써, 픽셀 어레이(100B)의 가장자리에 가까울수록 복수의 픽셀들 각각에서 픽셀 신호의 세기가 저하되는 것을 최소화할 수 있다. 도 11에 도시한 일 실시예에서는, 필터 영역(120)이 기판(101)의 픽셀 영역들(PA)과 오프셋되며, 따라서 펜스 패턴(121B)이 픽셀 분리막(105)과 정렬되지 않을 수 있다. 도 11을 참조하면 필터 영역(120)과 렌즈 영역(130)은 서로 정렬되는 것으로 도시하였으나, 이와 달리 필터 영역(120)과 렌즈 영역(130)도 서로 오프셋될 수 있다. 이 경우, 렌즈 영역(130)이 필터 영역(120)보다, 제2 방향에서 픽셀 어레이(100B)의 중심에 더 가까이 배치될 수 있다.
도 12는 도 3의 A4 영역을 확대 도시한 도면이다.
도 12를 참조하면, A1 영역 내지 A3 영역과 유사하게, A4 영역에는 10개의 일반 픽셀들(NPX)과 1개의 제4 AF 픽셀(APX4)이 배치될 수 있다. A4 영역은 A1 영역에 비해 픽셀 어레이(100)의 가장자리에 가까이 배치되며, 따라서 A4 영역으로 입사하는 빛의 입사각은, A1 영역으로 입사하는 빛의 입사각과 다를 수 있다. 따라서 제4 AF 픽셀(APX4) 내부에서 빛이 맺히는 위치가 포토 다이오드들에 맞춰지도록, 제4 AF 렌즈(138)를 A1 영역의 제1 AF 렌즈(135)보다 상대적으로 더 크게 형성할 수 있다.
앞서 도 4a와 도 4b를 참조하여 설명한 바와 같이, 제4 AF 렌즈(138)는 제1 방향에서 제1 AF 렌즈(135)의 제1 장축(L1)보다 긴 제2 장축(L2)을 가질 수 있다. 이는, A4 영역이 제1 방향에서 A2 영역과 같은 위치에 배치되기 때문일 수 있다. 또한 도 12를 참조하면, 제4 AF 렌즈(138)는 제2 방향에서 제1 AF 렌즈(135)의 제1 단축(S1)보다 긴 제2 단축(S2)을 가질 수 있다. 다시 말해, 제4 AF 렌즈(138)는 제1 방향 및 제2 방향 모두에서 제1 AF 렌즈(135)보다 길게 연장될 수 있다.
제1 방향뿐만 아니라 제2 방향에서도 제4 AF 렌즈(138)의 길이를 증가시킴으로써, 제4 AF 픽셀(APX4)의 감도를 개선할 수 있다. 제4 AF 픽셀(APX4)은 제1 방향 및 제2 방향에서 픽셀 어레이(100)의 중심으로부터 멀리 배치되며, 도 3에 도시한 바와 같이 픽셀 어레이(100)의 코너에 가까이 배치될 수 있다. 따라서, A4 영역에 입사되는 빛의 세기는, 다른 A1 영역 내지 A3 영역에 입사되는 빛의 세기보다 상대적으로 약할 수 있다. 도 12에 도시한 바와 같이, 제4 AF 렌즈(138)의 크기를 제1 방향과 제2 방향에서 모두 증가시킴으로써, 상기와 같은 빛의 세기 차이로 인한 픽셀 신호의 세기 차이를 줄이고, 자동 초점 기능의 효과를 개선할 수 있다.
도 13a 및 도 13b는 본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀 어레이에 포함되는 AF 픽셀들을 간단하게 나타낸 도면들이다.
도 13a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀 어레이(200)는 서로 다른 위치들에 배치되는 복수의 AF 픽셀들(APX11-APX55)을 포함할 수 있다. 도 13a에 도시한 일 실시예에서는, 복수의 AF 픽셀들(APX11-APX55)이 제1 방향(X축 방향)과 제2 방향(Y축 방향)에서 미리 정해진 위치들(X1-X5, Y1-Y5)에 바둑판 형태로 배치되는 것을 가정하였으나, 반드시 이와 같은 형태로 한정되지는 않는다.
도 13a에 도시한 일 실시예에서, 복수의 AF 픽셀들(APX11-APX55) 각각에 포함되는 AF 렌즈의 크기는, 픽셀 어레이(200)의 가장자리들(E1, E2)에 가까울수록 증가할 수 있다. 도 13a를 참조하면, 제1 방향에서 같은 위치에 배치되는 AF 픽셀들(APX11-APX55)에 포함되는 AF 렌즈들의 크기는 같을 수 있다. 일례로, 제1 방향에서 중간 위치(X3)에 배치되는 다섯 개의 AF 픽셀들(APX31-APX35) 각각은, 같은 크기의 AF 렌즈를 포함할 수 있다.
반면, 제2 방향에서 같은 위치에 배치되는 AF 픽셀들(APX11-APX55)에 포함되는 AF 렌즈들의 크기는 서로 다를 수 있다. 예를 들어, 제2 방향에서 중간 위치(Y3)에 배치되는 다섯 개의 AF 픽셀들(APX13-APX53) 중 적어도 일부는, 서로 다른 크기의 AF 렌즈를 포함할 수 있다. 도 13a를 참조하면, 다섯 개의 AF 픽셀들(APX13-APX53) 중에서 첫번째 AF 픽셀(APX13)과 다섯번째 AF 픽셀(APX53)은 가장 큰 AF 렌즈를 포함하며, 세번째 AF 픽셀(APX33)이 가장 작은 AF 렌즈를 포함할 수 있다.
정리하면, 도 13a에 도시한 일 실시예에 따른 픽셀 어레이(200)에서, 복수의 AF 픽셀들(APX11-APX55) 각각에 포함되는 AF 렌즈의 크기는 픽셀 어레이(200)의 중심으로부터 제1 방향을 따라 멀어질수록 증가할 수 있다. 다시 말해, AF 렌즈의 크기는 픽셀 어레이(200)의 가장자리들(E1, E2) 중에서 제2 방향으로 연장되는 제2 가장자리(E2)에 가까울수록 증가할 수 있다.
또한 도 13a에 도시한 일 실시예에서 AF 렌즈의 크기는, 복수의 AF 픽셀들(APX11-APX55) 각각에서 한 쌍의 포토 다이오드들이 서로 인접하는 방향인, 제1 방향으로만 증가할 수 있다. 도 13a를 참조하면, 픽셀 어레이(200)의 우측 상단 코너에 가까운 AF 픽셀(APX55)에 포함되는 AF 렌즈는, 픽셀 어레이(200)의 중심에 가장 가까운 AF 픽셀(APX33)에 포함되는 AF 렌즈와 비교하여, 제1 방향에서만 더 큰 길이를 가질 수 있다. 다만 이와 달리, AF 렌즈의 크기가 제1 방향은 물론 제2 방향에서도 증가할 수 있다.
일 실시예에서, AF 렌즈의 크기는 픽셀 어레이(200)의 중심으로부터 제1 방향을 따라 멀어질수록 선형적으로 증가할 수 있다. 예를 들어, 제1 방향으로 정의되는 위치들(X1-X5) 사이의 간격이 동일함을 가정하면, 제2 방향에서 첫번째 위치(Y1)에서, 세 번째 AF 픽셀(APX31)의 AF 렌즈와 네 번째 AF 픽셀(APX41)의 AF 렌즈의 크기 차이는, 세 번째 AF 픽셀(APX31)의 AF 렌즈와 네 번째 AF 픽셀(APX41)의 AF 렌즈의 크기 차이는 같을 수 있다. AF 렌즈의 크기는, 제1 방향을 따라 픽셀 어레이(200)의 중심으로부터 멀어지고, 제2 방향으로 연장되는 제2 가장자리(E2)에 가까워질수록 선형적으로 증가할 수 있다.
도 13b에 도시한 일 실시예에 따른 픽셀 어레이(300)에서는, 복수의 AF 픽셀들(APX11-APX55) 각각에 포함되는 AF 렌즈의 크기가 제1 방향과 제2 방향에서 모두 증가할 수 있다. 도 13b를 참조하면, 픽셀 어레이(300)의 중심에 가장 가까이 배치되는 AF 픽셀(APX33)을 기준으로, 제1 가장자리(E1)에 가까울수록 AF 렌즈의 제2 방향에서의 길이가 증가하며, 제2 가장자리(E2)에 가까울수록 AF 렌즈의 제1 방향에서의 길이가 증가할 수 있다. 이는, 복수의 AF 픽셀들(APX11-APX55)로 입사되는 빛의 입사각을 제1 방향과 제2 방향 모두에서 고려하여 AF 렌즈의 크기를 조절한 결과일 수 있다.
도 13b에서도 AF 렌즈의 크기는 픽셀 어레이(300)의 중심으로부터의 거리에 따라 선형적으로 변할 수 있다. 다만 이는 하나의 실시예일 뿐이며, AF 렌즈의 크기는 위치에 따라 비선형적으로 변할 수도 있다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀 어레이를 간단하게 나타낸 도면이다.
도 14를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이(400)는 제1 방향(X축 방향) 및 제2 방향(Y축 방향)을 따라 배열되는 복수의 픽셀 영역들을 포함하며, 복수의 픽셀 영역들에 배치되는 복수의 픽셀들(NPX, APX)을 포함할 수 있다. 복수의 일반 픽셀들(NPX)은 적색 픽셀들(RPX), 녹색 픽셀들(GPX), 및 청색 픽셀들(BPX)을 포함하며, 복수의 AF 픽셀들(APX) 각각은 서로 인접한 한 쌍의 포토 다이오드들을 포함할 수 있다.
도 14를 참조하면, 복수의 AF 픽셀들(APX) 각각에 포함되는 한 쌍의 포토 다이오드들은 제2 방향으로 인접할 수 있다. 따라서 도 14에 도시한 일 실시예에서는 제2 방향으로 인접한 한 쌍의 포토 다이오드들로부터 획득한 픽셀 신호들의 위상차를 이용하여, 자동 초점 기능을 구현할 수 있다.
픽셀 어레이(400)에서 서로 다른 위치에 배치되는 B1 내지 B4 영역들 각각에 포함되는 AF 픽셀들(APX) 중 적어도 일부는, 서로 다른 크기의 AF 렌즈를 포함할 수 있다. 이는, 앞서 설명한 다른 실시예들과 마찬가지로, AF 픽셀들(APX) 각각에서 AF 렌즈를 통과하여 굴절된 빛의 초점을 AF 픽셀들(APX) 각각에 포함되는 한 쌍의 포토 다이오드들에 맞추기 위함일 수 있다.
도 15a 및 도 15b는 도 14의 B1 영역과 B2 영역을 확대 도시한 도면들이다.
도 15a와 도 15b를 참조하면, 픽셀 어레이(400)의 B1 영역과 B2 영역 각각에는 10개의 일반 픽셀들(NPX)과 1개의 AF 픽셀(APX1, APX2)이 배치될 수 있다. B1 영역에 포함되는 제1 AF 픽셀(APX1)은 제2 방향으로 인접한 한 쌍의 포토 다이오드들 상에 배치되는 하나의 제1 AF 렌즈(435)를 포함할 수 있다. B2 영역에 포함되는 제2 AF 픽셀(APX2)은 제2 방향으로 인접한 한 쌍의 포토 다이오드들 상에 배치되는 하나의 제2 AF 렌즈(436)를 포함할 수 있다.
제1 AF 렌즈(435)는 제1 방향에서 제1 단축(S1)을 갖고, 제2 방향에서 제1 장축(L1)을 가질 수 있다. 반면, 제2 AF 렌즈(436)는 제1 방향에서 제1 단축(S1)을 갖고, 제2 방향에서 제1 장축(L1)보다 긴 제2 장축(L2)을 가질 수 있다. 앞서 도 14를 참조하여 설명한 바와 같이, B2 영역은 B1 영역보다 픽셀 어레이(400)의 중심으로부터 멀리 배치되며, B2 영역에 입사하는 빛의 입사각은 B1 영역에 입사하는 빛의 입사각보다 클 수 있다.
따라서, B1 영역에 입사한 빛의 초점이 맺히는 위치는, B2 영역에 입사한 빛의 초점이 맺히는 위치와 제3 방향(Z축 방향)에서 서로 다를 수 있다. 일례로, B1 영역에 입사한 빛의 초점이 맺히는 위치는 포토 다이오드 내에 존재하는 반면, B2 영역에 입사한 빛의 초점이 맺히는 위치는 포토 다이오드 위에 존재할 수 있다. 따라서, B2 영역에서 자동 초점 기능의 효과가, B1 영역에서 자동 초점 기능의 효과보다 저하될 수 있다.
상기와 같은 문제를 해결하기 위해, 도 15a 및 도 15b에 도시한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에서는 픽셀 어레이(400)의 위치에 따라 AF 렌즈들(435, 436)의 크기를 다르게 형성할 수 있다. 일례로, AF 렌즈들(435, 436) 각각의 크기는, AF 픽셀들(APX1, APX2)에 포함되는 한 쌍의 포토 다이오드들이 배열되는 방향에서 달라질 수 있다.
또한, 도 15b에 도시한 바와 같이, 픽셀 어레이(400)의 가장자리에 가까운 제2 AF 렌즈(436)의 크기를 증가시킴에 따라, 제2 AF 렌즈(436)와 제2 방향에서 인접한 이웃 픽셀들에 포함되는 마이크로 렌즈(432)의 크기가 감소할 수 있다. 일례로, 이웃 픽셀들 각각에 포함되는 마이크로 렌즈(432)는, 제2 방향에서 다른 마이크로 렌즈(431)의 지름(R1)보다 작은 폭(R2)을 가질 수 있다.
도 16은 도 15a의 IV-IV` 방향의 단면을 나타낸 단면도이며, 도 17은 도 15b의 V-V` 방향의 단면을 나타낸 단면도이다.
도 16 및 도 17을 참조하면, 기판(401)의 상면에 평행한 제1 방향(X축 방향) 및 제2 방향(Y축 방향)을 따라 복수의 픽셀 영역들(PA)이 정의되며, 복수의 픽셀 영역들(PA) 각각에는 적어도 하나의 포토 다이오드(PD)가 형성될 수 있다. 복수의 픽셀 영역들(PA)은 픽셀 분리막(105)에 의해 서로 분리될 수 있다.
복수의 픽셀 영역들(PA) 각각은 포토 다이오드(PD) 아래에 배치되는 회로 영역(410), 포토 다이오드(PD) 위에 배치되는 필터 영역(420) 및 렌즈 영역(430) 등을 포함할 수 있다. 회로 영역(410)과 필터 영역(420), 및 렌즈 영역(430)의 구성은 앞서 도 5를 참조하여 설명한 바와 유사할 수 있다. 일례로, 기판(401)과 필터 영역(420) 사이에는 수평 절연층(407)이 배치되며, 수평 절연층(407)은 고유전율 물질로 형성될 수 있다.
픽셀 어레이(400)의 중심에 가까운 B1 영역의 단면을 도시한 도 16에서는, 필터 영역(420)과 렌즈 영역(430), 및 기판(401)에 정의되는 복수의 픽셀 영역들(PA)이 서로 정렬될 수 있다. 따라서, 픽셀 분리막(405) 위에 필터 영역(420)의 펜스 패턴(424)이 배치되며, 마이크로 렌즈들(431)과 제1 AF 렌즈(435) 사이의 경계가 펜스 패턴(424)과 정렬될 수 있다.
반면, 도 17에 도시한 일 실시예에서는, 픽셀 어레이(400A)에서 필터 영역(420)과 렌즈 영역(430), 및 기판(401)에 정의되는 복수의 픽셀 영역들(PA)이 서로 오프셋될 수 있다. 도 17을 참조하면, 복수의 픽셀 영역들(PA)을 기준으로 필터 영역(420)이 오프셋되며, 픽셀 분리막(405)과 펜스 패턴(424A)이 정렬되지 않을 수 있다. 일례로, 펜스 패턴(424A)은 픽셀 분리막(405)보다 픽셀 어레이(400A)의 중심에 더 가까이 배치될 수 있다.
또한, 필터 영역(420)과 렌즈 영역(430) 역시 오프셋되어, 마이크로 렌즈(432A)와 제2 AF 렌즈(436A) 사이의 경계가 펜스 패턴(424A)과 정렬되지 않을 수 있다. 일 실시예에서, 마이크로 렌즈(432A)와 제2 AF 렌즈(436) 사이의 경계는 펜스 패턴(424A)보다 픽셀 어레이(400A)의 중심에 더 가까이 배치될 수 있다.
한편, B2 영역으로 입사하는 빛의 입사각이, B1 영역으로 입사하는 빛의 입사각보다 더 크다는 점을 고려하여, 제2 방향에서 제2 AF 렌즈(436A)는 제1 AF 렌즈(435)보다 길게 형성될 수 있다. 제2 방향에서 제2 AF 렌즈(436A)가 갖는 제2 장축(L2)의 길이를 증가시킴에 따라, 제2 AF 픽셀(APX)과 제2 방향에서 인접한 이웃 픽셀들 각각에 포함되는 마이크로 렌즈(432A)는, 제1 AF 픽셀(APX)과 제2 방향에서 인접한 이웃 픽셀들 각각에 포함되는 마이크로 렌즈(431)보다 작은 면적을 가질 수 있다.
도 18 및 도 19는 도 14의 B3 영역과 B4 영역을 확대 도시한 도면들이다.
B3 영역은 B1 영역에 비해 픽셀 어레이(400)의 가장자리에 더 가까이 배치되는 영역일 수 있다. 도 14에 도시한 바와 같이, B3 영역은 제1 방향에서 B1 영역에 비해 픽셀 어레이(400)의 중심으로부터 멀리 배치되며, 제2 방향에서는 B1 영역과 같은 위치에 배치될 수 있다. 따라서 도 18에 도시한 바와 같이, B3 영역에 포함되는 제3 AF 픽셀(APX3)의 제3 AF 렌즈(437)는, B1 영역에 포함되는 제1 AF 픽셀(APX1)의 제1 AF 렌즈(435)와 같은 크기를 가질 수 있다. 다만, 실시예들에 따라, 제3 AF 렌즈(437)가 제1 방향에서 제1 AF 렌즈(435)보다 크게 형성될 수도 있다.
한편, B4 영역은 앞서 도 14를 참조하여 설명한 바와 같이, 제1 방향 및 제2 방향 모두에서 픽셀 어레이(400)의 중심으로부터 멀리 배치되는 영역일 수 있다. 도 19를 참조하면, B4 영역에 배치되는 제4 AF 픽셀(APX4)의 제4 AF 렌즈(438)는, B1 영역에 포함되는 제1 AF 픽셀(APX1)의 제1 AF 렌즈(435)보다 크게 형성될 수 있다.
일례로, 도 19에 도시한 일 실시예에서, 제4 AF 렌즈(438)는 제2 방향에서 제1 AF 렌즈(435)의 제1 장축(L1)보다 긴 제2 장축(L2)을 가질 수 있으며, 제1 방향에서 제1 AF 렌즈(435)의 제1 단축(S1)보다 긴 제2 단축(S2)을 가질 수 있다. 제2 방향에서 B4 영역이 B2 영역과 같은 위치에 배치되므로, 제4 AF 렌즈(438)와 제2 AF 렌즈(436)가 제2 방향에서 같은 길이의 제2 장축(L2)을 가질 수 있다. 또한 실시예에 따라, 제4 AF 렌즈(438)는 제2 AF 렌즈(436)와 같은 크기로 형성될 수도 있다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀 어레이를 간단하게 나타낸 도면이다.
도 20을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서에 포함되는 픽셀 어레이(500)는 복수의 픽셀들(NPX, APX)을 포함할 수 있다. 복수의 픽셀들(NPX, APX)은 복수의 일반 픽셀들(NPX), 및 자동 초점 기능을 구현하기 위한 복수의 AF 픽셀들(APX)을 포함할 수 있다.
도 20에 도시한 일 실시예에서, 복수의 일반 픽셀들(NPX)은 적색 픽셀들(RPX), 녹색 픽셀들(GPX), 청색 픽셀들(BPX), 및 백색 픽셀들(WPX)을 포함할 수 있다. 적색 픽셀들(GPX) 각각은 적색 컬러 필터를 포함하고, 녹색 픽셀들(GPX) 각각은 녹색 컬러 필터를 포함하며, 청색 픽셀들(BPX) 각각은 청색 컬러 필터를 포함할 수 있다. 백색 픽셀들(WPX) 각각은 모든 파장 대역의 빛을 통과시키는 필터를 포함할 수 있다.
도 20을 참조하면, 복수의 AF 픽셀들(APX) 각각은 복수의 일반 픽셀들(NPX) 각각에 비해 더 큰 수광 면적을 가질 수 있다. 일례로, 복수의 일반 픽셀들(NPX) 각각은 하나의 픽셀 영역에 배치되어 하나의 포토 다이오드를 포함하며, 복수의 AF 픽셀들(APX)은 제1 방향에서 서로 인접한 한 쌍의 픽셀 영역들에 배치되어 한 쌍의 포토 다이오드들을 포함할 수 있다. 복수의 AF 픽셀들(APX) 각각에 배치되는 AF 렌즈는 한 쌍의 픽셀 영역들 위에 배치될 수 있다. 따라서, 복수의 AF 픽셀들(APX) 각각에서 한 쌍의 포토 다이오드들이 하나의 AF 렌즈를 공유할 수 있다.
도 20에 도시한 일 실시예에서는, 복수의 AF 픽셀들(APX) 각각이, 백색 픽셀들(WPX)과 마찬가지로 모든 파장 대역의 빛을 통과시키는 필터를 포함할 수 있다. 특정 파장 대역의 빛을 필터링하지 않고 모든 파장 대역의 빛을 받아들여 자동 초점 기능에 활용하므로, 복수의 AF 픽셀들(APX)의 감도를 향상시켜 자동 초점 기능의 효과를 개선할 수 있다.
앞서 설명한 다른 실시예들과 마찬가지로, 복수의 AF 픽셀들(APX) 중 적어도 일부에 포함되는 AF 렌즈들은 서로 다른 크기의 면적을 가질 수 있다. 일례로, 픽셀 어레이(500)의 중심에 가까운 AF 픽셀(APX)에 포함되는 AF 렌즈에 비해, 픽셀 어레이(500)의 가장자리에 가까운 AF 픽셀(APX)에 포함되는 AF 렌즈는 더 큰 면적을 가질 수 있다. 픽셀 어레이(500)의 가장자리에 가까운 AF 렌즈는, 픽셀 어레이(500)의 중심에 가까운 AF 렌즈와 비교하여 제1 방향에서 더 길게 연장될 수 있다.
도 21은 본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀 어레이를 간단하게 나타낸 도면이다.
도 21을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이(600)는 제1 방향(X축 방향) 및 제2 방향(Y축 방향)을 따라 배열되는 복수의 픽셀들(PX)을 포함할 수 있다. 도 21에 도시한 일 실시예에서, 제1 방향 및 제2 방향 중 적어도 하나에서 서로 인접한 둘 이상의 픽셀들(PX)은 픽셀 블록들(610, 620)을 제공할 수 있다.
픽셀 블록들(610, 620)은 일반 픽셀 블록(610)과 AF 픽셀 블록(620)을 포함하며, 일반 픽셀 블록(610)은 제1 일반 픽셀 블록(611)과 제2 일반 픽셀 블록(612)을 포함할 수 있다. 제2 일반 픽셀 블록(612)은, 제1 일반 픽셀 블록(611)과 달리 제1 방향에서 AF 픽셀 블록(620)과 인접할 수 있다. 도 21을 참조하면, 제1 일반 픽셀 블록(611)에 포함되는 픽셀들(PX)의 개수는, 제2 일반 픽셀 블록(612)에 포함되는 픽셀들(PX)의 개수와 다를 수 있다.
AF 픽셀 블록(620)은 제1 방향으로 인접한 한 쌍의 픽셀들(PX)을 포함할 수 있다. 일반 픽셀 블록(610)에 포함되는 픽셀들(PX) 각각이 하나의 마이크로 렌즈를 포함하는 것과 다르게, AF 픽셀 블록(620)에 포함되는 한 쌍의 픽셀들(PX)은 하나의 AF 렌즈를 공유할 수 있다. 따라서, 도 21에 도시한 바와 같이 AF 픽셀 블록(620)에 포함되는 AF 렌즈는, 제1 방향으로 연장되는 타원 형상을 가질 수 있다.
도 21에 도시한 일 실시예에서, AF 픽셀 블록(620) 각각은 녹색 컬러 필터를 포함할 수 있다. 다만 이는 하나의 실시예일 뿐이며, 다양하게 변형될 수 있다.
AF 픽셀 블록(620)에 포함되는 AF 렌즈의 크기는, AF 픽셀 블록(620)의 위치에 따라 달라질 수 있다. 이하 도 22a 내지 도 22c를 참조하여 더욱 상세히 설명하기로 한다.
도 22a 내지 도 22c는 도 21의 일부 영역들을 확대 도시한 도면들이다.
도 22a 내지 도 22c는 도 21에 도시한 픽셀 어레이(600)의 서로 다른 위치에서 선택한 일부 영역들을 확대 도시한 도면들일 수 있다. 먼저 도 22a에 도시한 영역은 픽셀 어레이(600)의 중심에 가까운 위치에 배치되는 영역이며, 제1 AF 픽셀 블록(620A)을 포함할 수 있다. 제1 AF 픽셀 블록(620A)은 제1 방향(X축 방향)에서 녹색 컬러 필터를 갖는 일반 픽셀(NPX)과 적색 컬러 필터를 갖는 일반 픽셀(NPX) 사이에 배치될 수 있다. 다만, 이와 달리, 제1 AF 픽셀 블록(620A)이 녹색 컬러 필터를 갖는 일반 픽셀(NPX)과 청색 컬러 필터를 갖는 일반 픽셀(NPX) 사이에 배치될 수도 있다.
도 22a를 참조하면, 픽셀 어레이(600)의 중심에 가까운 위치에 배치되는 영역에서, 제1 AF 픽셀 블록(620A)에 포함되는 제1 AF 렌즈(635)는 제1 방향으로 제1 장축(L1)을 가질 수 있다. 제1 장축(L1)은 일반 픽셀(NPX)의 마이크로 렌즈(631)의 지름(R1)의 약 두 배일 수 있다.
다음으로 도 22b에 도시한 영역은 픽셀 어레이(600)의 중심으로부터 제1 거리만큼 분리된 영역일 수 있다. 도 22b에 도시한 영역에 배치되는 제2 AF 픽셀 블록(620B)은, 제1 방향에서 제1 장축(L1)보다 긴 제2 장축(L2)을 갖는 제2 AF 렌즈(636)를 포함할 수 있다. 다시 말해, 제1 방향에서 제2 AF 렌즈(636)의 길이는, 일반 픽셀(NPX)의 마이크로 렌즈의 지름(R1)의 두 배보다 클 수 있다.
따라서, 도 22b에 도시한 바와 같이, 제1 방향에서 제2 장축(L2)을 갖는 제2 AF 렌즈(636)를 형성할 수 있도록, 제2 AF 픽셀 블록(620B)의 양측에 인접한 이웃 픽셀들 각각에서 마이크로 렌즈의 크기를 줄일 수 있다. 도 22b를 참조하면, 이웃 픽셀들 각각에 포함되는 마이크로 렌즈(632)는, 제1 방향에서 다른 마이크로 렌즈(631)의 지름(R1)보다 작은 폭(R2)을 가질 수 있다. 제2 AF 렌즈(636)와 마이크로 렌즈(632) 사이의 경계에 맞춰 컬러 필터들을 구분하는 펜스 패턴의 위치는, 마이크로 렌즈(632)의 크기 변화와 관계없이 변경되지 않을 수 있다. 다만, 실시예들에 따라, 펜스 패턴의 위치가 마이크로 렌즈(632)의 경계에 맞춰 변경될 수도 있다.
도 22c에 도시한 영역은 픽셀 어레이(600)의 중심으로부터 제2 거리만큼 분리된 영역일 수 있으며, 제2 거리는 앞서 도 22b를 참조하여 설명한 제1 거리보다 클 수 있다. 다시 말해, 도 22c에 도시한 영역은 도 22a 및 도 22b에 도시한 영역과 비교하여, 픽셀 어레이(600)의 가장자리에 가장 가까이 위치하는 영역일 수 있다.
도 22c에 도시한 영역에 배치되는 제3 AF 픽셀 블록(620C)은, 제1 방향에서 제2 장축(L2)보다 긴 제3 장축(L3)을 갖는 제3 AF 렌즈(637)를 포함할 수 있다. 또한, 제3 AF 렌즈(637)가 제3 장축(L3)을 가질 수 있도록, 제1 방향에서 제3 AF 픽셀 블록(620C)과 인접한 이웃 픽셀들 각각의 마이크로 렌즈(633)는, 다른 마이크로 렌즈(631)의 지름(R1)보다 작은 폭(R3)을 가질 수 있다.
일 실시예에서, 제1 AF 픽셀 블록(620A)으로 입사하는 빛의 입사각은, 제2 AF 픽셀 블록(620B)으로 입사하는 빛의 입사각보다 작을 수 있다. 또한, 제3 AF 픽셀 블록(620C)으로 입사하는 빛의 입사각은, 제2 AF 픽셀 블록(620B)으로 입사하는 빛의 입사각보다 클 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는, 픽셀 어레이(600)에서의 위치에 따라 달라지는 빛의 입사각을 고려하여 AF 픽셀 블록들(620A-620C)에 포함되는 AF 렌즈들(635-637) 각각의 크기를 다르게 형성함으로써, AF 픽셀 블록들(620A-620C) 각각에서 빛의 초점이 맺히는 위치 차이를 줄이고, 이미지 센서의 자동 초점 기능을 향상시킬 수 있다.
도 23은 본 발명의 일 실시예에 따른 픽셀 어레이를 간단하게 나타낸 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀 어레이(700)는 제1 방향(X축 방향) 및 제2 방향(Y축 방향)을 따라 배열되는 복수의 픽셀들(PX)을 포함할 수 있다. 도 23을 참조하면, 제1 방향 및 제2 방향 중 적어도 하나에서 서로 인접한 둘 이상의 픽셀들(PX)이 픽셀 블록들(710, 720)을 제공할 수 있다.
픽셀 블록들(710, 720)은 일반 픽셀 블록(710)과 AF 픽셀 블록(720)을 포함하며, 일반 픽셀 블록(710)은 제1 일반 픽셀 블록(711)과 제2 일반 픽셀 블록(712)을 포함할 수 있다. 제2 일반 픽셀 블록(712)은, 제1 방향에서 AF 픽셀 블록(720)과 인접할 수 있다. 반면, 제1 일반 픽셀 블록(711)은 제1 방향에서 다른 제1 일반 픽셀 블록(711) 또는 제2 일반 픽셀 블록(712)과 인접할 수 있다. 도 23을 참조하면, 제1 일반 픽셀 블록(711)에 포함되는 픽셀들(PX)의 개수는, 제2 일반 픽셀 블록(712)에 포함되는 픽셀들(PX)의 개수보다 많을 수 있다.
AF 픽셀 블록(720)은 제1 방향으로 인접한 한 쌍의 픽셀들(PX)을 포함할 수 있다. 일반 픽셀 블록(710)에서 픽셀들(PX) 각각이 하나의 마이크로 렌즈를 포함하는 것과 다르게, AF 픽셀 블록(720)에서는 한 쌍의 픽셀들(PX)은 하나의 AF 렌즈를 공유할 수 있다. 따라서, 도 21에 도시한 바와 같이 AF 픽셀 블록(720)에 포함되는 AF 렌즈는, 제1 방향으로 연장되는 타원 형상을 가질 수 있다.
도 23에 도시한 일 실시예에서는, 제1 일반 픽셀 블록(711)이 3X3 형태로 배치되는 9개의 픽셀들(PX)을 포함할 수 있다. 또한, 제1 방향에서 서로 인접하는 한 쌍의 제2 일반 픽셀 블록들(712) 사이에 두 개의 AF 픽셀 블록들(720)이 배치될 수 있다. 두 개의 AF 픽셀 블록들(720)은 제2 방향으로 나란히 배치될 수 있으나, 이와 달리 두 개의 AF 픽셀 블록들(720) 사이에 다른 픽셀들(PX)이 배치될 수도 있다. 또한, 일 실시예에서, 제1 방향에서 서로 인접하는 한 쌍의 제2 일반 픽셀 블록들(712) 사이에 하나의 AF 픽셀 블록(720)만이 배치되거나 세 개의 AF 픽셀 블록들(720)이 배치될 수도 있다.
도 23에 도시한 일 실시예에서, AF 픽셀 블록들(720)은 녹색 컬러 필터를 포함하는 것으로 도시하였으나 이는 하나의 실시예일 뿐이며, 반드시 이와 같은 형태로 한정되지는 않는다. 한편, AF 픽셀 블록(720)에 포함되는 AF 렌즈의 크기는, AF 픽셀 블록(720)의 위치에 따라 달라질 수 있다. 이하 도 24a 내지 도 24c를 참조하여 더욱 상세히 설명하기로 한다.
도 24a 내지 도 24c는 도 23의 일부 영역들을 확대 도시한 도면들이다.
도 24a 내지 도 24c는 도 23에 도시한 픽셀 어레이(700)에서 서로 다른 위치들에 배치되는 일부 영역들을 확대 도시한 도면들일 수 있다. 일례로, 도 24a에 도시한 영역은 픽셀 어레이(700)의 중심에 가장 가까이 배치되는 영역일 수 있으며, 도 24c에 도시한 영역은 픽셀 어레이(700)의 중심으로부터 가장 멀리 배치되는 영역일 수 있다. 도 24b에 도시한 영역은 제1 방향(X축 방향)에서 도 24a에 도시한 영역과 도 24c에 도시한 영역 사이에 배치될 수 있다.
도 24a를 참조하면, 픽셀 어레이(700)의 중심에 가장 가까이 배치되는 영역에서, 제1 AF 픽셀 블록(720A)에 포함되는 제1 AF 렌즈(735)는 제1 방향으로 제1 장축(L1)을 가질 수 있다. 제1 장축(L1)은 일반 픽셀(NPX)의 마이크로 렌즈(731)의 지름(R1)의 약 두 배일 수 있다.
다음으로 도 24b를 참조하면, 제2 AF 픽셀 블록(720B)에 포함되는 제2 AF 렌즈(736)는 제1 방향으로 제2 장축(L2)을 가지며, 제2 장축(L2)은 제1 장축(L1)보다 길 수 있다. 따라서, 제1 방향에서 제2 AF 픽셀 블록(720B)과 인접한 이웃 픽셀들 각각에 포함되는 마이크로 렌즈(732)는, 다른 일반 픽셀(NPX)의 마이크로 렌즈(731)의 지름(R1)보다 작은 폭(R2)을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 제2 AF 렌즈(736)와 마이크로 렌즈(732) 사이의 경계와 관계없이, 컬러 필터들을 구분하는 펜스 패턴의 위치는 변경되지 않을 수 있다.
도 24c를 참조하면, 제3 AF 픽셀 블록(720C)에 포함되는 제3 AF 렌즈(737)는 제1 방향으로 제3 장축(L3)을 가지며, 제3 장축(L3)은 제2 장축(L2)보다 길 수 있다. 따라서, 제1 방향에서 제3 AF 픽셀 블록(720C)과 인접한 이웃 픽셀들 각각에 포함되는 마이크로 렌즈(733)는, 다른 일반 픽셀(NPX)의 마이크로 렌즈(731)의 지름(R1)보다 작은 폭(R3)을 가질 수 있다. 도 24c에서는 이웃 픽셀들 각각의 마이크로 렌즈(733)만이 상대적으로 작은 폭(R3)을 갖는 것으로 도시하였으나, 이와 달리 제2 일반 픽셀 블록에서 제1 방향으로 제3 AF 픽셀 블록(720C)과 인접한 일반 픽셀들(NPX) 각각이 감소한 폭의 마이크로 렌즈를 포함할 수도 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, 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700: 픽셀 어레이
PX: 픽셀
NPX: 일반 픽셀
APX: AF 픽셀

Claims (20)

  1. 제1 방향, 및 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향을 따라 배열되는 복수의 픽셀 영역들을 포함하며, 상기 복수의 픽셀 영역들 각각은 적어도 하나의 포토 다이오드, 상기 포토 다이오드 아래의 회로 영역, 상기 포토 다이오드 위의 필터 영역, 및 상기 필터 영역 위의 렌즈 영역을 포함하는 픽셀 어레이; 및
    상기 회로 영역으로부터 픽셀 신호를 획득하는 로직 회로; 를 포함하며,
    상기 픽셀 어레이는 복수의 일반 픽셀들 및 복수의 AF 픽셀들을 포함하고,
    상기 복수의 AF 픽셀들 각각은 상기 제1 방향에서 서로 인접한 한 쌍의 픽셀 영역들에 배치되며, 상기 한 쌍의 픽셀 영역들 위의 상기 렌즈 영역에 배치되고 상기 제1 방향으로 연장되는 장축을 갖는 하나의 AF 렌즈를 포함하며,
    상기 픽셀 어레이의 제1 위치에 배치되는 제1 AF 렌즈의 장축은, 상기 픽셀 어레이의 제2 위치에 배치되는 제2 AF 렌즈의 장축보다 짧고, 상기 제1 위치는 상기 제2 위치보다 상기 픽셀 어레이의 중심에 가까운, 이미지 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 일반 픽셀들 각각은 상기 렌즈 영역에 배치되는 하나의 마이크로 렌즈를 포함하는, 이미지 센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 일반 픽셀들은 제1 방향으로 상기 복수의 AF 픽셀들 중 적어도 하나와 인접하는 복수의 이웃 픽셀들을 포함하며,
    상기 제1 방향에서, 상기 복수의 이웃 픽셀들 중 적어도 하나의 이웃 픽셀에 포함되는 상기 마이크로 렌즈의 길이는, 상기 복수의 일반 픽셀들 중에서 상기 복수의 AF 픽셀들과 인접하지 않는 다른 일반 픽셀에 포함되는 상기 마이크로 렌즈의 길이보다 짧은, 이미지 센서.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2 방향에서 상기 적어도 하나의 이웃 픽셀과 인접하는 상기 일반 픽셀에 포함되는 상기 마이크로 렌즈는, 상기 다른 일반 픽셀에 포함되는 상기 마이크로 렌즈보다 상기 제2 방향에서 더 짧은 길이를 갖는, 이미지 센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 AF 픽셀들은 상기 제1 위치에 배치되는 제1 AF 픽셀, 및 상기 제2 위치에 배치되는 제2 AF 픽셀을 포함하며,
    상기 제2 AF 픽셀은 상기 제1 AF 픽셀보다 상기 픽셀 어레이의 가장자리에 더 가까이 배치되고, 상기 가장자리는 상기 제2 방향으로 연장되는, 이미지 센서.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 AF 픽셀에서 상기 필터 영역에 배치되는 제1 AF 컬러 필터와 상기 제1 AF 렌즈의 위치 차이는, 상기 제2 AF 픽셀에서 상기 필터 영역에 배치되는 제2 AF 컬러 필터와 상기 제2 AF 렌즈의 위치 차이보다 작은, 이미지 센서.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2 AF 픽셀에서 상기 제2 AF 렌즈는 상기 제2 AF 컬러 필터보다 상기 픽셀 어레이의 중심에 더 가까이 배치되는, 이미지 센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 AF 픽셀들 각각에서 상기 필터 영역에 배치되는 컬러 필터는 녹색 컬러 필터인, 이미지 센서.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 방향에서, 상기 복수의 AF 픽셀들 각각에서 상기 필터 영역에 배치되는 컬러 필터의 길이는, 상기 복수의 일반 픽셀들 각각에서 상기 필터 영역에 배치되는 컬러 필터의 길이보다 긴, 이미지 센서.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 AF 렌즈의 단축의 길이는 상기 제2 AF 렌즈의 단축의 길이와 같은, 이미지 센서.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 AF 렌즈와 상기 제2 AF 렌즈 각각의 단축의 길이는, 상기 복수의 일반 픽셀들 각각에서 상기 렌즈 영역에 배치되는 마이크로 렌즈의 지름과 같은, 이미지 센서.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 일반 픽셀들의 개수는 상기 복수의 AF 픽셀들의 개수보다 많은, 이미지 센서.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 AF 렌즈의 두께는, 상기 복수의 일반 픽셀들 각각에서 상기 렌즈 영역에 배치되는 마이크로 렌즈의 두께보다 큰, 이미지 센서.
  14. 기판의 상면에 평행한 제1 방향 및 제2 방향으로 따라 배열되는 복수의 일반 픽셀들, 및 상기 복수의 일반 픽셀들 중 적어도 일부 사이에 배치되는 복수의 AF 픽셀들을 포함하는 픽셀 어레이; 및
    상기 복수의 AF 픽셀들 각각에서 획득한 픽셀 신호들의 위상차를 이용하여 자동 초점 기능을 구현하는 로직 회로; 를 포함하며,
    상기 복수의 AF 픽셀들 각각의 수광 면적은 상기 복수의 일반 픽셀들 각각의 수광 면적보다 크고, 상기 복수의 AF 픽셀들 각각은 한 쌍의 포토 다이오드들 및 상기 한 쌍의 포토 다이오드들 위에 배치되는 하나의 AF 렌즈를 포함하며,
    상기 복수의 AF 픽셀들 각각에 포함되는 상기 AF 렌즈에서 상기 제1 방향으로 연장되는 장축의 길이는, 상기 픽셀 어레이의 가장자리들 중 상기 제2 방향으로 연장되는 제2 가장자리에 가까울수록 선형적으로 증가하는, 이미지 센서.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 복수의 AF 픽셀들 각각에서 상기 한 쌍의 포토 다이오드들은 상기 제1 방향으로 배열되는, 이미지 센서.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 한 쌍의 포토 다이오드들 각각의 수광 면적은, 상기 복수의 일반 픽셀들 각각에 포함되는 포토 다이오드의 수광 면적과 같은, 이미지 센서.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 복수의 AF 픽셀들은, 상기 픽셀 어레이의 상기 제2 가장자리로부터 제1 거리만큼 분리되는 제1 AF 픽셀, 및 상기 제2 가장자리로부터 상기 제1 거리보다 짧은 제2 거리만큼 분리되는 제2 AF 픽셀을 포함하며,
    상기 제1 AF 픽셀에 포함되는 제1 AF 렌즈의 장축의 길이는, 상기 제2 AF 픽셀에 포함되는 제2 AF 렌즈의 장축의 길이보다 짧은, 이미지 센서.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제2 AF 픽셀은, 상기 픽셀 어레이의 가장자리들 중 상기 제1 방향으로 연장되는 제1 가장자리로부터 상기 제1 AF 픽셀보다 더 가까이 배치되며,
    상기 제1 AF 렌즈의 단축의 길이는 상기 제2 AF 렌즈의 단축의 길이보다 짧은, 이미지 센서.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 제1 AF 렌즈의 두께는 상기 제2 AF 렌즈의 두께와 같은, 이미지 센서.
  20. 복수의 일반 픽셀들, 및 복수의 AF 픽셀들을 포함하고, 복수의 AF 픽셀들 각각은 상기 복수의 일반 픽셀들 각각보다 큰 수광 면적을 갖는 픽셀 어레이; 및
    상기 픽셀 어레이로부터 픽셀 신호를 획득하는 로직 회로; 를 포함하며,
    상기 복수의 일반 픽셀들은, 상기 픽셀 어레이의 가장자리로부터 제1 거리만큼 분리되며 상기 복수의 AF 픽셀들 중 적어도 하나에 인접하는 제1 일반 픽셀, 및 상기 가장자리로부터 상기 제1 거리보다 큰 제2 거리만큼 분리되며 상기 복수의 AF 픽셀들과 인접하지 않는 제2 일반 픽셀을 포함하고,
    상기 제1 일반 픽셀에 포함되는 제1 마이크로 렌즈의 면적은 상기 제2 일반 픽셀에 포함되는 제2 마이크로 렌즈의 면적보다 작은, 이미지 센서.
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JP2004228645A (ja) * 2003-01-20 2004-08-12 Konica Minolta Holdings Inc 固体撮像装置及びこれを用いた光学機器
JP2015060855A (ja) * 2013-09-17 2015-03-30 ソニー株式会社 固体撮像装置およびその製造方法、並びに電子機器
JP2015109314A (ja) * 2013-12-03 2015-06-11 株式会社東芝 固体撮像装置
CN115190256A (zh) * 2014-12-18 2022-10-14 索尼公司 固体摄像器件和电子装置
KR102398667B1 (ko) * 2017-06-05 2022-05-16 삼성전자주식회사 위상 검출 픽셀을 포함하는 이미지 센서
US10498947B2 (en) * 2017-10-30 2019-12-03 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. Image sensor including light shielding layer and patterned dielectric layer
JP2022120551A (ja) * 2021-02-05 2022-08-18 キヤノン株式会社 光電変換装置、光電変換システム、移動体

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