説明

半導体感光デバイス用イメージセンサー及びこれを用いたイメージセンサー処理装置。

【課題】オープンウィンドウセルと単色カラーフィルターセルが反復的に配列されるカラーフィルターアレイを含むイメージセンサーを提供する。
【解決手段】複数のマイクロレンズを含むレンズアレイと、レンズアレイの下部層に形成され、レンズアレイの各マイクロレンズに対向され、行列の各方向に相互交番的に配列された複数のオープンウィンドウセルと複数のカラーフィルターセルとを含むカラーフィルターアレイと、カラーフィルターアレイの下部層に誘電物質から成る保護層、及び上記保護層の下部層に形成され、複数のカラーフィルターセルそれぞれを通した第1光及び第2光を感知するそれぞれ相互異なる深さに形成された第1フォトセンサー及び第2フォトセンサーと、複数のオープンウィンドウセルを通した第3光及び第4光を感知するそれぞれ相互異なる深さに形成された第3フォトセンサー及び第4フォトセンサーを含むピクセルセンサーアレイとを具備する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明はビデオカメラ、デジタルカメラなどに適用されるイメージセンサー及びイメージ処理処置に関するものであり、特にオープンウィンドウ(open window)セルと単色カラーフィルター(color filter)セルが反復的に配列されるカラーフィルターアレイを利用することによって、補間の際、各画素別に多数の色相情報を利用することができるため画素のバラツキやノイズによる影響を減らすことができ、より正確な補間(Interpolation)が可能であり、これによって各画素別色相をより正確に抽出することが可能な半導体感光デバイス用イメージセンサー及びそれを用いたイメージ処理装置に関するものである。
【背景技術】
【0002】
一般的に、有無線超高速通信網による画像通信技術と、デジタルカメラのような画像入力及び認識技術の発達により、携帯電話のような移動通信端末機などにおいてデジタルカメラモジュールの採用が増大されるにつれ、デジタルカメラモジュールに適用されるイメージセンサー(image sensor)に対する研究及び開発が活発に行われている。
【0003】
かかるイメージセンサーは被写体によって反射された光を感知し被写体イメージを感知するためのセンサーとして、これは製造工程技術によって大きくCCD(Charge Coupled Device、電荷結合素子)型とCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor、相補性金属酸化物半導体)型に分けられる。
【0004】
上記CCD型イミジセンサーは、光によって発生した電子をそのままゲートパルスを利用して出力部まで移動させる。これによって途中外部雑音によって電圧が変わっても電子数自体は変わらないので、雑音が出力信号に影響を与えず雑音特性が優れる。このような長所から、デジタルカメラ及びビデオカメラのような高画質が求められるマルチメディア器機で広く使用されている。
【0005】
一方、CMOS型イメージセンサーは、光によって発生した電子を各画素内で電圧に変換した後、諸CMOSスィッチを介して出力する。この際、雑音によって電圧信号が変わるようになり、雑音特性が劣る。しかしながら、CMOS型イメージセンサー(CMOS Image Sensor、CIS)は、CCDに比べ製作コストが低く、電力消耗が少なく、周辺回路と集積が可能であるという長所が取り上げられるようになってから、1990年代後半に入ってCMO工程技術の発達及び信号処理アルゴリズムの改善が行われ、既存の短所らが克服されてきており、最近では更なる活発な研究が行われている。
【0006】
このようなイメージセンサーに係わる代表的な技術としては、カラーフィルターアレイ(Color Filter Array)用ベイアパターン(Bayer Pattern)技術と各画素に全3色の感知が可能な3フォトダイオードカラーセンサー(Three photodiode color sensor)技術がある。上記ベイアパターン(Bayer Pattern)技術は現在大部分のイメージセンサーで使用されている技術であって、これはカラーフィルター(Color Filter)によって3色が分離されて各画素で光を感知する。
【0007】
図1は、従来イメージ処理装置の構成図である。図1を参照すれば、従来イメージ処理処置は、マイクロレンズ11、カラーフィルターアレイ12、保護層13、及びピクセルセンサーアレイ14とを含むイメージセンサー10と、上記イメージセンサー10からの色(R、G、B)信号に対して補間(interpolation)などの信号処理を行う信号処理部20とを含む。
【0008】
ここで、上記カラーフィルターアレイ12は図1に示したベイアパターン(Bayer Pattern)を利用しているが、このようなベイアパターンはCCDを初めとした大部分のイメージセンサーで使用している。
【0009】
図2は、図1のカラーフィルターアレイのベイアパターン図である。図1及び図2を参照すれば、上記カラーフィルターアレイ12は広く知られているベイアパターン(Bayer pattern)で配列されているが、上記ベイアパターン(Bayer pattern)は、2×2基本形態の単位セルで構成され、相互対角線に配置された2つの緑色フィルター領域(Green Filter)と別の対角線に配置された各一つずつの赤色フィルター(Red Filter)及び青色フィルター(Blue Filter)領域より成っている。ここで、緑色が他の赤色及び青色に比べ人目に敏感であるため、緑色フィルター(Green Filter)領域が二つのセルより成っている。
【0010】
上記ピクセルセンサーアレイ14は、フォトダイオード(Photodiode)によって光を受光するフォトセンサーと、上記フォトセンサーによって発生された信号を出力する信号検出部より成る。このようなフォトセンサー及び信号検出部に対する最小化技術はCMOSイメージセンサーの核心技術である。上記フォトセンサーは、一般的なP−N接合構造のフォトダイオードであって、これは一般CMOS工程との互換性が良いことからCMOSイメージセンサーで広く用いられている。このようなフォトセンサーを含むピクセルセンサーアレイの構造は図3のようである。
【0011】
図3は、図1のイメージセンサーのピクセルセンサーアレイの構成図である。図1及び図3を参照すれば、上記ピクセルセンサーアレイ14は、P+基板(substrate)14−1と、上記P+基板14−1上に成長したP型エピ層(p-epitaxial layer)14−2と、上記P型エピ層14−2に形成され、光を受光することのできる単一P−N接合構造のフォトセンサーを形成するN−ウェル(n-well)層14−3と、上記エピ層14−2の上部面から予め設定された深さに、P+型半導体物質で形成されたP+型シャロー接合層(P+shallow junction layer)14−4から成る。ここで、上記N−ウェル(n-well)層は略0.6μm程の接合深さ(Junction Depth)を有する。
【0012】
また、上記信号検出部は、上記フォトセンサー(PS)によって変換された信号を電圧に変換して上記信号処理部20に出力する。
【0013】
図4の(a)及び(b)は図1の信号処理部の補間処理説明図である。図4の(a)及び(b)を参照すれば、上記信号処理部20による補間(Interpolation)過程は、イメージセンサー10で用いられたカラーフィルターアレイ12のカラーフィルターのパターンによって決まる。
【0014】
図4の(a)を参照すれば、カラーフィルターアレイ12での2×2配列を補間のための単位セルにすると、この際、2×2補間は下記数学式1のように行われ、任意一つの画像に対する赤色(R)、緑色(G)及び青色(B)の色情報(ri、gi、bi)が得られる。
【0015】
[数学式1]
ri=R
gi=(G+G)/2
bi=B
ここで、ri、gi及びbiは補間により得られた任意画素に対するRGB色情報である。
【0016】
上記数学式1に示すように、各画素のRGB色情報は補間によって得られるようになるが、この際、2×2配列で、任意の画素で緑色情報(gi)は2つの色信号に基づいて得られるが、赤色情報(ri)及び青色情報(bi)は一つの色信号のみに基づいて得られる。このような場合、赤色(R)及び青色(B)の信号がノイズによって歪曲されるとなると、固定パターンノイズ(Fixed Pattern Noise)のようなCMOSイメージセンサーのエラーの原因となる。即ち、赤色及び青色信号で、工程の不均一性によって、ホワイト(White)及びダーク(Dark)ノイズが大きくなるようになると、このような固定パターンノイズ(Fixed Pattern Noise)によって補間の正確度が劣ってしまう問題点がある。これはピクセル(Pixel)の大きさが小さい高密度画素の場合、より深刻に生じる。
【0017】
このような短所を解消するために、高密度用イメージセンサーでは3×3補間を用いることもある。これは図4のbを参照して説明する。
【0018】
図4の(b)を参照すれば、ベイアパターン(Bayer Pattern)のカラーフィルターアレイ12で、3×3補間は下記数学式2のように行われ、これによって、赤色(R)、緑色(G)及び青色(B)の色情報(ri、gi、bi)をそれぞれ得ることが可能である。
【0019】
[数学式2]
1.赤色画素での3×3補間
ri=R
gi=(G+G+G+G)/4
bi=(B+B+B+B)/4

2.緑色画素での3×3補間
ri=(R+R)/2
gi=(G+G+G+G+G)/5
bi=(B+B)/2

3.青色画素での3×3補間
ri=(R+R+R+R)/4
gi=(G+G+G+G)/4
bi=B

上記数学式2に示すように、先ず、赤色(R)画素で、緑色(G)と青色(B)の情報(gi、bi)は周辺4つの色信号の平均値から得るようになるが、赤色(R)情報(ri)は一つの色信号から得ることが可能である。次に、青色(B)画素で、赤色(R)と緑色(G)の情報(ri、gi)は周辺4つの色信号の平均値から得られるようになるが、青色(B)情報(bi)は一つの色信号から得ることができる。このように、3×3補間は最大5つの色信号の平均値から色情報を得ることができるため、2×2補間に比べ固定パターンノイズに対する影響が少ない。しかし、一つの色信号から色情報を得る場合が存在するので、2×2補間で生じる問題点が依然として存在する。
【0020】
このように、従来のイメージセンサー及びイメージ処理装置では、先述したように各画素別色相情報を一つの色信号に基づいて得られるため、このような場合、赤色(R)及び青色(B)の信号がノイズによって歪曲されると、固定パターンノイズ(Fixed Pattern Noise)のようなCMOSイメージセンサーのエラーが発生され、工程の不均一性によってホワイト(White)及びダーク(Dark)ノイズが大きくなるようになるとこのような固定パターンノイズ(Fixed Pattern Noise)によって補間の正確度が劣ってしまうという問題が生じる。これにより、各画素別色相情報を正確に抽出することができない問題点がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0021】
本発明は上記した問題点を解決するために提案されたもので、その目的はオープンウィンドウ(open window)セルと単色カラーフィルター(colorfilter)セルが反復的に配列されるカラーフィルターアレイを利用することによって、補間の際、各画素別に多数の色相情報を利用することができるため画素のバラツキやノイズによる影響を減らすことができ、より正確な補間(Interpolation)が可能であり、これによって各画素別色相をより正確に抽出することのできる半導体感光デバイス用イメージセンサー及びこれを用いたイメージ処理装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0022】
上記した本発明の目的を達成するために、本発明のイメージセンサーは、平面格子配列で形成された複数のマイクロレンズを含むレンズアレイと、上記レンズアレイの下部層に形成され、上記レンズアレイの各マイクロレンズに対向され、行列各方向に相互交番的に配列された複数のオープンウィンドウセルと複数のカラーフィルターセルを含み、上記各オープンウィンドウセルは赤色、緑色及び青色などの全光を通過させ、上記各カラーフィルターセルは予め定められた色相の光を通過させるカラーフィルターアレイと、上記カラーフィルターアレイの下部層に誘電物質から成る保護層と、上記保護層の下部層に形成され、上記複数のカラーフィルターセルそれぞれを通した第1光及び第2光を感知するそれぞれ相互異なる深さに形成された第1フォトセンサー及び第2フォトセンサーと、上記複数のオープンウィンドウセルを通した第3光及び第4光を感知するそれぞれ相互異なる深さに形成された第3フォトセンサー及び第4フォトセンサーを含むピクセルセンサーアレイを含むことを特徴とする。
【0023】
また、本発明の目的を達成するために、本発明のイメージ処理装置は、平面格子配列で形成された複数のマイクロレンズを含むレンズアレイと、上記レンズアレイの下部層に形成され、上記レンズアレイの各マイクロレンズに対向され、行列各方向に相互交番的に配列された複数のオープンウィンドウセルと複数のカラーフィルターセルを含み、上記各オープンウィンドウセルは赤色、緑色及び青色などの全光を通過させ、上記各カラーフィルターセルは予め定められた色相の光を通過させるカラーフィルターアレイと、上記カラーフィルターアレイの下部層に誘電物質から成る保護層と、上記保護層の下部層に形成され、上記複数のカラーフィルターセルそれぞれを通した第1光及び第2光を感知するそれぞれ相互異なる深さに形成された第1フォトセンサー及び第2フォトセンサーと、上記複数のオープンウィンドウセルを通した第3光及び第4光を感知するそれぞれ相互異なる深さに形成された第3フォトセンサー及び第4フォトセンサーを含むピクセルセンサーアレイと、上記ピクセルアレイの第1フォトセンサー、第2フォトセンサー、第3フォトセンサー及び第4フォトセンサーによって感知された第1信号、第2信号、第3信号及び第4信号をデジタル信号にA/D変換した後、上記デジタル信号から色情報を抽出する信号処理部を具備することを特徴とする。
【0024】
上記本発明のイメージセンサー及び/又はイメージ処理装置において、上記カラーフィルターアレイは、上記レンズアレイと実質的に同次元から成ることを特徴とする。
【0025】
上記カラーフィルターアレイのカラーフィルターセルのカラーは、赤色、緑色、青色、黄色、マゼンタ、シアン及びエメラルドグリーンから成るグループより選択された一色であることを特徴とする。
【0026】
上記ピクセルセンサーアレイは、P型半導体物質から成るベース基板と、上記ベース基板上にP型半導体物質で形成されたエピ層と、上記エピ層の上部面で予め設定された第1深さまで、N型半導体物質で形成された複数の第1フォトウェル領域を含み、各第1フォトウェル領域は上記エピ層とのP−N接合によって上記第1フォトセンサー及び第3フォトセンサーを形成する第1フォトウェル層、及び、上記エピ層の上部面から上記第1深さより深く予め設定された第2深さに、予め設定された厚さを有するN型半導体物質で形成された複数の第2フォトウェル領域を含み、上記複数の第2フォトウェル領域それぞれは上記複数の第1フォトウェル領域それぞれとオーバーラップされ、上記エピ層とのP−N接合によって上記第2フォトセンサー及び第4フォトセンサーを形成する第2フォトウェル層から成ることを特徴とする。
【0027】
上記ピクセルセンサーアレイは、上記エピ層の表面欠陥を防止するために、上記エピ層の上部面から予め設定された第3深さに、P+型半導体物質で形成されたP+型シャロー接合層をさらに含むことを特徴とする。
【0028】
上記ピクセルセンサーアレイの第1フォトウェル層が形成される第1深さは、略0.6μmであることを特徴とする。
【0029】
上記ピクセルセンサーアレイの第2フォトウェル層が形成される第2深さは、略2.75μmから略3.5μmであることを特徴とする。
【0030】
上記ピクセルセンサーアレイのP+型シャロー接合層の第3深さは、略0.01μmないし略0.2μmの範囲内で設定されることを特徴とする。
【0031】
上記ピクセルセンサーアレイの第2深さは、上記カラーフィルターアレイのカラーフィルターセルが赤色フィルターの場合、上記カラーフィルターアレイのカラーフィルターセルが緑色フィルター又は青色フィルターの場合よりさらに浅いことを特徴とする。
【0032】
また、本発明のイメージ処理装置において、上記信号処理部は、2つのオープンウィンドウセルと2つのカラーフィルターセルから成る2×2次元の単位セルを通して感知された光信号をデジタル信号にA/D変換した後、上記デジタル信号から色情報を抽出するように成ることができる。
【0033】
また、上記信号処理部は、4つのオープンウィンドウセルと5つのカラーフィルターセルから成る3×3次元の単位セルを通して感知された光信号をデジタル信号にA/D変換した後、上記デジタル信号から色情報を抽出するように成ることができる。
【発明の効果】
【0034】
本発明によれば、ビデオカメラ、デジタルカメラなどに適用されるイメージセンサー及びイメージ処理処置において、オープンウィンドウ(open window)セルと単色カラーフィルター(color filter)セルが反復的に配列されるカラーフィルターアレイを利用することによって、補間の際、各画素別に多数の色相情報を利用することができるため画素のバラツキやノイズによる影響を減らすことができ、より正確な補間(Interpolation)が可能であり、これによって各画素別色相をより正確に抽出することのできる半導体感光デバイス用イメージセンサー及びそれを用いたイメージ処理装置に関するものである。
【0035】
即ち、従来技術対比、より少ない数のユニットセル(Unit Cell)を通して3種類の色(R、G、B)情報を得ることができ、画素のバラツキやノイズによる影響を減らすことができるためより正確な補間(Interpolation)が可能であり、イメージ処理速度を向上させることが可能である。これによって、固定パターンノイズ(Fixed Pattern Noise)のようなCMOSイメージセンサーの特性を改善することができ、工程収率の主要低減要因(約30%)であるカラーフィルターの工程を一つに収めることができ、高密度画素のイメージセンサーの歩留まりを向上させることが可能であり、イメージセンサーの製作コストを低く収めることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【0036】
以下、本発明の好ましき実施例を添付の図面を参照して詳しく説明する。本発明に参照された図面において実質的に同一な構成と機能を有した構成要素らは同一符号を使用する。
【0037】
図5は、本発明によるイメージ処理装置の構成図である。図5を参照すれば、本発明のイメージ処理装置は、被写体からの光をセンシングするイメージセンサー(IMS)と、上記イメージセンサー(IMS)からの信号を処理する信号処理部500を含む。
【0038】
図5を参照すれば、上記イメージセンサー(IMS)は、シリコーン半導体にそれぞれ形成されるレンズアレイ100、カラーフィルターアレイ200、保護層300及びピクセルセンサーアレイ400より成る。上記レンズアレイ100は、平面格子配列に形成された複数のマイクロレンズを含む。ここで、各マイクロレンズは入射される光を定められた領域に集中させる。
【0039】
図6は、図5のイメージセンサーのカラーフィルターアレイのパターン図である。
【0040】
図5及び図6を参照すれば、上記カラーフィルターアレイ200は、上記レンズアレイ100の下部層に形成され、上記レンズアレイ100の各マイクロレンズに対向され、行列の各方向に相互交番的に配列された複数のオープンウィンドウセル(O)と複数のカラーフィルターセル(C)を含み、上記各オープンウィンドウセル(O)は上記各マイクロレンズを通して入射される赤色(R)、緑色(G)及び青色(B)の全光を通過させ、上記各カラーフィルターセル(C)は上記各マイクロレンズを通して入射される光中、予め定められた色相の光を通過させる。
【0041】
即ち、上記カラーフィルターアレイ200は、上記複数のオープンウィンドウセル(O)と複数のカラーフィルターセル(C)がチェスパターンで配列されて成る。例えば、一つのオープンウィンドウセル(O)の上下及び左右4箇所にはカラーフィルターセル(C)が配置され、一つのオープンウィンドウセル(O)の対角線方向の4箇所にはオープンウィンドウセル(O)が配置される。
【0042】
このようにチェスパターンで形成される上記カラーフィルターアレイ200は、上記レンズアレイ100と実質的に同次元でなり、上記レンズアレイ100の各マイクロレンズは上記カラーフィルターアレイ200のオープンウィンドウセル(O)又はカラーフィルターセル(C)に対向され配置される。
【0043】
さらに、上記カラーフィルターアレイ200のカラーフィルターセル(C)によるフィルターリングカラーは、赤色(R)、緑色(G)、青色(B)、黄色(Y)、マゼンタ(Magenta)、シアン(Cyan)及びエマラルドグリーン(Emerald Green)から成るグループより選択された一色であって、これについて図9を参照して説明する。
【0044】
また、図5を参照すれば、上記保護層300は、上記カラーフィルターアレイ200の下部層に誘電物質で形成され、上記ピクセルセンサーアレイ400において、上記各フォトセンサーと外部回路を連結するための回路パターンやフォトセンサーからの光を電気信号に変換する回路素子などを外部から保護する。
【0045】
図7は、図5のイメージセンサーのピクセルセンサーアレイの構成図である。
【0046】
図5ないし図7を参照すれば、上記ピクセルセンサーアレイ400は上記保護層300の下部層に形成され、上記複数のカラーフィルターセル(C)それぞれを通した第1光(OP1)及び第2光(OP2)を感知するそれぞれ相互異なる深さに形成された第1フォトセンサー(PS1)及び第2フォトセンサー(PS2)と、上記複数のオープンウィンドウセル(O)を通した第3光(OP3)及び第4光(OP4)を感知するそれぞれ相互異なる深さに形成された第3フォトセンサー(PS3)及び第4フォトセンサー(PS4)とを含む。
【0047】
ここで、上記第1光(OP1)及び第2光(OP2)は上記カラーフィルターセル(C)を通過する光であり、上記第3光(OP3)は上記オープンウィンドウセル(O)を通過した光として赤色(R)、緑色(G)及び青色(B)の光を全て含み、上記第4光(OP4)は上記オープンウィンドウセル(O)を通過した光として赤色(R)及び緑色(G)の光を含む。
【0048】
図8は、図5のイメージセンサーのピクセルセンサーアレイのA部分拡大図である。
【0049】
図5ないし図8を参照すれば、上記ピクセルセンサーアレイ400は、ベース基板410、エピ層420、第1フォトウェル層430及び第2フォトウェル層440から成る。
【0050】
上記ベース基板410は、P型半導体物質から成る。
【0051】
上記エピ層420は、上記ベース基板410上にP型半導体物質で形成される。
【0052】
上記第1フォトウェル層430は、上記エピ層420の上部面において予め設定された第1深さ(D1)まで、N型半導体物質で形成された複数の第1フォトウェル領域(PWA1)を含み、各第1フォトウェル領域(PWA1)は上記エピ層420とのP−N接合によって上記第1フォトセンサー(PS1)及び第3フォトセンサー(PS3)を形成するように成る。
【0053】
ここで、上記第1フォトセンサー(PS1)は上記第1光を検出して第1信号(S1)を出力し、上記第2フォトセンサー(PS2)は上記第2光を検出して第2 信号(S2)を出力し、上記第3フォトセンサー(PS3)は上記第3光を検出して第3信号(S3)を出力する。そして、上記第4フォトセンサー(PS4)は上記第4光を検出して第4信号(S4)を出力する。
【0054】
上記第2フォトウェル層440は、上記エピ層420の上部面において上記第1深さ(D1)より深く予め設定された第2深さ(D2)に、予め設定された厚みを有するN型半導体物質で形成された複数の第2フォトウェル領域(PWA2)を含み、上記複数の第2フォトウェル領域(PWA2)それぞれは上記複数の第1フォトウェル領域(PWA1)それぞれとオーバーラップされ、上記エピ層420とのP−N接合によって上記第2フォトセンサー(PS2)及び第4フォトセンサー(PS4)を形成するように成る。
【0055】
このように、本発明のピクセルセンサーアレイ400は上記第1フォトウェル層430及び第2フォトウェル層440によって、二重接合構造のフォトセンサーを含む。即ち、上記各カラーフィルターセル(C)を通した第1光及び第2 光を感知するために上記第1フォトセンサー(PS1)及び第2フォトセンサー(PS2)が二重接合構造から成っており、また、上記各オープンウィンドウセル(O)を通した第3光及び第4光を感知するために上記第3フォトセンサー(PS3)及び第4フォトセンサー(PS4)が二重接合構造から成っている。
【0056】
また、上記ピクセルセンサーアレイ400は、上記エピ層420の表面結合を防止するために、上記エピ層420の上部面から予め設定された第3深さ(D3)に、P+型半導体物質で形成されたP+型シャロー接合層450をさらに含むことができる。上記P+型シャロー接合層450は上記エピ層420が外部へ露出することを防止し、上記エピ層420が外部露出の際放生される漏洩電流を防止する。本発明のピクセルセンサーアレイ400の各層を形成する半導体物質はシリコンであり得る。
【0057】
一方、上記第3及び第4フォトセンサー(PS3、PS4)が形成された深さによって検出される信号に含まれた色情報が相互異なる理由は、光の波長によって半導体に吸収される深さ(半導体内部に至る深さ)が相互異なる物理的な特性によるもので、これによれば、青色(B)、緑色(G)及び赤色(R)がシリコン物質で吸収される深さが相互異なるようになる。例えば、青色(B)、緑色(G)及び赤色(R)の吸収深さの値はそれぞれ1μm、3μm、及び6μm程となる。
【0058】
このような光波長別吸収深さの差のため、上記第1フォトウェル層430及び第2フォトウェル層440は所望の色信号を検出するために所望の色相の光の吸収深さを考慮し、上記エピ層420の上部表面での深さに形成される。
【0059】
例えば、上記ピクセルセンサーアレイ400の第1フォトウェル層430が形成される第1深さ(D1)は、浅いと青色感光性能が向上されるが、製造工程上略6μm程となり、これに対し、さらに深くなると赤色及び緑色光の感光性能が劣ってしまう。
【0060】
上記ピクセルセンサーアレイ400の第2フォトウェル層440が形成される第2深さ(D2)は、略2.75μmから略3.5μmであって、その厚さは略0.75μmであり、これより薄いと赤色及び緑色の感光性能が劣ってしまう。
【0061】
上記ピクセルセンサーアレイ400のP+型シャロー接合層450の第3深さ(D3)は、製造工程上略0.01μmないし0.2μmの範囲内に設定される。
【0062】
このように、上記カラーフィルターアレイ200のカラーフィルターセル(C)が赤色(R)、緑色(G)及び青色(B)のいずれか一色のフィルターから成る場合、上記カラーフィルターセル(C)を通した第1及び第2光で上記第1及び第2フォトセンサー(PS1、PS2)によって赤色(R)、緑色(G)及び青色(B)のいずれか一色情報のみ得ることができる。そして、上記オープンウィンドウセル(O)を通した第3及び第4光で上記第3及び第4フォトセンサー(PS3、PS4)によって赤色(R)、緑色(G)及び青色(B)の情報を全て得ることができる。
【0063】
このような二重接合構造(Double junction structure)のフォトセンサーにおいて、上記オープンウィンドウセル(C)を通過した光は上記第3及び第4フォトセンサー(PS3、PS4)によって検出され、上記第3及び第4フォトセンサー(PS3、PS4)の各出力端子で第3及び第4信号(S3、S4)が出力されるが、上記第3信号(S3)は赤色(R)、緑色(G)及び青色(B)の色情報を含み、上記第4信号(S4)は緑色(G)及び赤色(R)の色情報を含む。さらに、上記カラーフィルターセル(C)を通過した光は上記第1及び第2フォトセンサー(PS1、PS2)によって検出され、上記第1及び第2フォトセンサー(PS1、PS2)の各出力端子で第1及び第2信号(S1、S2)が出力されるが、上記第1信号(S1)及び第2信号(S2)は赤色(R)情報のみを含むので、一つの配線で連結され合わせられた信号に出力され得る。こうすれば、上記オープンウィンドウセル(O)を通した光を検出する二重接合フォトセンサー(PS3、PS4)は2つの信号(S3、S4)を出力し、上記カラーフィルターセル(C)を通した光を検出する二重接合フォトセンサー(PS1、PS2)は1つの信号(S1+S2)が出力される。
【0064】
図9の(a)、(b)及び(c)は、図6のカラーフィルターアレイのチェス型パターン例示図である。
【0065】
図9の(a)は、上記カラーフィルターアレイ200のカラーフィルターセル(C)が赤色(R)フィルターから成る場合に対するチェスパターンを示している。これによってカラーフィルターセル(C)を通して通過する赤色をRで表し、オープンウィンドウセル(O)を通過する全光の中から赤色を除いた青色及び緑色をB/Gで表す。
【0066】
図9の(b)は上記カラーフィルターアレイ200のカラーフィルターセル(C)が緑色(G)フィルターから成る場合に対するチェスパターンを示している。これによってカラーフィルターセル(C)を通して通過する緑色をGで表示し、オープンウィンドウセル(O)を通過する全光の中から緑色を除いた青色及び赤色を B/Rで表す。
【0067】
そして、図9の(c)は上記カラーフィルターアレイ200のカラーフィルターセル(C)が青色(B)フィルターから成る場合に対するチェスパターンを示している。これによってカラーフィルターセル(C)を通して通過する青色をBで表示し、オープンウィンドウセル(O)を通過する全光の中から青色を除いた赤色及び緑色をR/Gで表す。
【0068】
図10a、図10b及び図10cは、本発明のカラーフィルターアレイのカラーフィルター別感光原理説明図である。図10a、図10b及び図10cにおいて、上記第3フォトセンサー(PS3)及び第4フォトセンサー(PS4)は上記オープンウィンドウセル(O)を通して入射される光を検出し、上記第3フォトセンサー(PS3)は全色が吸収される深さに形成されているので、上記第3フォトセンサー(PS3)で出力される第3信号(S3)は赤色(R)、緑色(G)及び青色(B)の全ての色相を含む。そして、上記第4フォトセンサー(PS4)は赤色(R)、緑色(G)が吸収される深さに形成されているので、上記第4フォトセンサー(PS4)で出力される第4信号(S4)は赤色(R)及び緑色(G)を含む。
【0069】
しかしながら、カラーフィルターセル(C)を通過する光は適用されるカラーフィルターによって異なるので上記第1及び第2信号(S1、S2)も下記のように相互異なる色を含む。
【0070】
図10aは、上記カラーフィルターアレイ200のカラーフィルターセル(C)が赤色(R)フィルターの場合、上記ピクセルセンサーアレイ400の第1及び第2フォトセンサー(PS1、PS2)で赤色(R)が感知できるので、上記第1及び第2信号(S1、S2)は赤色(R)を含む。
【0071】
図10bは、上記カラーフィルターアレイ200のカラーフィルターセル(C)が緑色(G)フィルターの場合、上記ピクセルセンサーアレイ400の第1及び第2フォトセンサー(PS1、PS2)で緑色(G)が感知できるので、上記第1及び第2信号(S1、S2)は緑色(G)を含む。
【0072】
図10cは、上記カラーフィルターアレイ200のカラーフィルターセル(C)が青色(B)フィルターの場合、上記ピクセルセンサーアレイ400の第1及び第2フォトセンサー(PS1、PS2)で青色(B)が感知できるので、上記第1及び第2信号(S1、S2)は青色(B)を含むことができる。
【0073】
図10a、図10b及び図10cを参照すれば、上記ピクセルセンサーアレイの第2深さ(D2)は、上記カラーフィルターアレイのカラーフィルターセル(C)が緑色(G)フィルターまたは青色(B)フィルターの場合、上記カラーフィルターアレイのカラーフィルターセル(C)が赤色(R)フィルターの場合よりさらに浅い。先述したように、光波長が大きいほどシリコンに吸収される深さが深くなるが、緑色光及び青色光が赤色光より波長が小さいため緑色光及び青色光は赤色光より深さが浅くてもうまく検出することができるからである。
【0074】
上記信号処理部500は、上記第1光ないし第4光を検出する第1フォトセンサー(PS1)、第2フォトセンサー(PS2)、第3フォトセンサー(PS3) 及び第4フォトセンサー(PS4)からの第1信号(S1)、第2信号(S2)、第3信号(S3)及び第4信号(S4)をデジタル信号にA/D変換した後、上記デジタル信号を補間して赤色(R)、緑色(G)及び青色(B)の色情報を抽出する。
【0075】
このような信号処理部500は、本発明のカラーフィルターアレイ420のチェスパターン(CHESS pattern)に従って2×2配列及び3×3配列の補間(Interpolation)処理を行うことができる。
【0076】
図11(a)及び図11(b)は、本発明による信号処理装置の補間処理説明図である。
【0077】
図11(a)及び図11(b)を参照すれば、上記信号処理部500は、2つのオープンウィンドウセル(O)と2つのカラーフィルターセル(C)から成る2×2次元の単位セルを通して感知された光信号をデジタル信号にA/D変換した後、上記デジタル信号から色情報を抽出することができる。
【0078】
例えば、図11(a)を参照すれば、上記カラーフィルターアレイ420のカラーフィルターセル(C)が緑色(G)の場合に、2×2配列の補間(interpolation)処理過程は下記数学式3に示すようである。
【0079】
[数学式3]
ri=(R1+R4)/2
gi=(G2+G3)/2
bi=(B1+B4)/2

上記数学式3に示すように、任意の画素に対するRGB色情報(ri、gi、bi)はそれぞれ二つの色信号の平均値から得ることができる。ここで、オープンウィンドウセル(open window cell)領域において得ることができる情報は赤色(R)と青色(B)の色信号のみならず、緑色(G)信号を得ることができるが、緑色(G)の信号はカラーフィルターセル(color filter cell)領域においてより正確に得ることができるため、緑色は補間(interpolation)では要らない。即ち、オープンウィンドウ領域ではカラーフィルター領域で求められる色信号を除いた他の2つ色信号のみ得るようになる。
【0080】
また、上記信号処理部500は、4つのオープンウィンドウセル(O)と5つのカラーフィルターセル(C)から成る3×3次元の単位セルを通して感知された光信号をデジタル信号にA/D変換した後、上記デジタル信号から色情報を抽出することができる。
【0081】
これに対して例えば、図11(b)を参照すれば、上記カラーフィルターアレイ420のカラーフィルターセル(C)が緑色(G)の場合に、3×3配列の補間(interpolation)処理過程は下記数学式4に示すようである。
【0082】
[数学式4]
ri=(R+R+R+R+R)/5
gi=(G+G+G+G)/4
bi=(B+B+B+B+B)/5

上記数学式4に示すように、3×3補間処理の際、任意画素に対してRGB色情補(ri、gi、bi)は最大5つの色信号の平均から情報を得るようになる。即ち、赤色(R)と青色(B)情報は周辺の5つの色信号の平均値から得ることができ、緑色(G)情報は4色信号の平均値から得ることができる。従って、本発明のイメージセンサーでは、ベイアパターン(Bayer pattern)を利用する従来のイメージセンサーとは異なって、チェスパターン(CHESS pattern)のカラーフィルターを利用すれば、2×2配列と3×3配列の補間で全て一つの色信号から情報を得ることがなくなる。これによって、色信号または画素にノイズが発生しても、より多い色信号を利用した補間を行うのでより正確なカラー情報抽出が可能である。
【0083】
以上に説明した本発明は、先述した実施例及び添付の図により限定されるものではなく特許請求の範囲によって限定され、本発明の装置は本発明の技術的思想を外れない範囲内において様々な置換、変形及び変更が可能であることが本発明の属する技術分野において通常の知識を有する者にとっては明らかなことである
【図面の簡単な説明】
【0084】
【図1】従来イメージ処理装置の構成図。
【図2】図1のイメージセンサーのカラーフィルターアレイのパターン図。
【図3】図1のイメージセンサーのピクセルセンサーアレイの構造図。
【図4】(a)及び(b)は図1の信号処理部の補間処理説明図。
【図5】本発明によるイメージ処理装置の構成図。
【図6】図5のイメージセンサーのーカラーフィルタアレイのパターン図。
【図7】図5のイメージセンサーのピクセルセンサーアレイの構成図。
【図8】図5のイメージセンサーのピクセルセンサーアレイのA部分拡大図。
【図9】(a)、(b)及び(c)は図6のカラーフィルターアレイのチェスパターン例示図。
【図10a】本発明のカラーフィルターアレイのカラーフィルター別感光原理説明図。
【図10b】本発明のカラーフィルターアレイのカラーフィルター別感光原理説明図。
【図10c】本発明のカラーフィルターアレイのカラーフィルター別感光原理説明図。
【図11】(a)及び(b)本発明による信号処理装置の補間処理説明図である。
【符号の説明】
【0085】
100 レンズアレイ 200 カラーフィルターアレイ
300 保護層 400 ピクセルセンサーアレイ
410 ベース基板 420 エピ層
430 第1フォトウェル層 440 第2フォトウェル層
450 P+型シャロー接合層 500 信号処理部
0 オープンウィンドウセル C カラーフィルターセル
PWA1 第1フォトウェル領域 PWA2 第2フォトウェル領域
PS1 第1フォトセンサー PS2 第2フォトセンサー
PS3 第3フォトセンサー PS4 第4フォトセンサー

【特許請求の範囲】
【請求項1】
平面格子配列で形成された複数のマイクロレンズを含むレンズアレイと、
上記レンズアレイの下部層に形成され、上記レンズアレイの各マイクロレンズに対向され、行列の各方向に相互交番的に配列された複数のオープンウィンドウセルと複数のカラーフィルターセルを含み、上記各オープンウィンドウセルは赤色、緑色及び青色などの全光を通過させ、上記各カラーフィルターセルは予め定められた色相の光を通過させるカラーフィルターアレイと、
上記カラーフィルターアレイの下部層に誘電物質から成る保護層と、
上記保護層の下部層に形成され、上記複数のカラーフィルターセルのそれぞれを通した第1光及び第2光を感知するそれぞれ相互異なる深さに形成された第1フォトセンサー及び第2フォトセンサーと、上記複数のオープンウィンドウセルを通した第3光及び第4光を感知するそれぞれ相互異なる深さに形成された第3フォトセンサー及び第4フォトセンサーを含むピクセルセンサーアレイと、
を具備するイメージセンサー。
【請求項2】
上記カラーフィルターアレイは、
上記レンズアレイと実質的に同次元で成されたことを特徴とする請求項1に記載のイメージセンサー。
【請求項3】
上記カラーフィルターアレイのカラーフィルターセルのカラーは、赤色、緑色、青色、黄色、マゼンタ、シアン及びエメラルドグリーンから成るグループより選択された一色であることを特徴とする請求項2に記載のイメージセンサー。
【請求項4】
上記ピクセルセンサーアレイはP型半導体物質から成るベース基板と、
上記ベース基板上にP型半導体物質で形成されたエピ層と、
上記エピ層の上部面から予め設定された第1深さまで、N型半導体物質で形成された複数の第1フォトウェル領域を含み、各第1フォトウェル領域は上記エピ層とのP−N接合によって上記第1フォトセンサー及び第3フォトセンサーを形成する第1フォトウェル層と、
上記エピ層の上部面から上記第1深さより深く予め設定された第2深さに、予め設定された厚さを有するN型半導体物質で形成された複数の第2フォトウェル領域を含み、上記複数の第2フォトウェル領域それぞれは上記複数の第1フォトウェル領域それぞれとオーバーラップされ、上記エピ層とのP−N接合によって上記第2フォトセンサー及び第4フォトセンサーを形成する第2フォトウェル層とから成ることを特徴とする請求項1に記載のイメージセンサー。
【請求項5】
上記ピクセルセンサーアレイは、
上記エピ層の表面欠陥を防止するために、上記エピ層の上部面から予め設定された第3深さに、P+型半導体物質で形成されたP+型シャロー接合層をさらに含むことを特徴とする請求項4に記載のイメージセンサー。
【請求項6】
上記ピクセルセンサーアレイの第1フォトウェル層が形成される第1深さは略0.6μmであることを特徴とする請求項4に記載のイメージセンサー。
【請求項7】
上記ピクセルセンサーアレイの第2フォトウェル層が形成される第2深さは略2.75μmから略3.5μmであることを特徴とする請求項4に記載のイメージセンサー。
【請求項8】
上記P+型シャロー接合層の第3深さは
略0.01μmないし0.2μmの範囲内で設定されることを特徴とする請求項4に記載のイメージセンサー。
【請求項9】
上記ピクセルセンサーアレイの第2フォトウェル層が形成される第2深さは、
上記カラーフィルターアレイのカラーフィルターセルが赤色フィルターの場合、上記カラーフィルターアレイのカラーフィルターセルが緑色フィルター又は青色フィルターの場合よりさらに浅いことを特徴とする請求項4に記載のイメージセンサー。
【請求項10】
平面格子配列で形成された複数のマイクロレンズを含むレンズアレイと、
上記レンズアレイの下部層に形成され、上記レンズアレイの各マイクロレンズに対向され、行列の各方向に相互交番的に配列された複数のオープンウィンドウセルと複数のカラーフィルターセルを含み、上記各オープンウィンドウセルは赤色、緑色及び青色などの全光を通過させ、上記各カラーフィルターセルは予め定められた色相の光を通過させるカラーフィルターアレイと、
上記カラーフィルターアレイの下部層に誘電物質から成る保護層と、
上記保護層の下部層に形成され、上記複数のカラーフィルターセルそれぞれを通した第1光及び第2光を感知するそれぞれ相互異なる深さに形成された第1フォトセンサー及び第2フォトセンサーと、上記複数のオープンウィンドウセルを通した第3光及び第4光を感知するそれぞれ相互異なる深さに形成された第3フォトセンサー及び第4フォトセンサーを含むピクセルセンサーアレイと、
上記ピクセルセンサーアレイの第1フォトセンサー、第2フォトセンサー、第3フォトセンサー及び第4フォトセンサーによって感知された第1信号、第2信号、第3信号及び第4信号をデジタル信号にA/D変換した後、上記デジタル信号から色情報を抽出する信号処理部と、
を具備するイメージ処理装置。
【請求項11】
上記カラーフィルターアレイは、
上記レンズアレイと実質的に同次元で成されたことを特徴とする請求項10に記載のイメージ処理装置。
【請求項12】
上記カラーフィルターアレイのカラーフィルターセルは、
赤色、緑色、青色、黄色、マゼンタ、シアン及びエメラルドグリーンから成るグループより選択された一色であることを特徴とする請求項11に記載のイメージ処理装置。
【請求項13】
上記ピクセルセンサーアレイは、
P型半導体物質から成るベース基板と、
上記ベース基板上にP型半導体物質で形成されたエピ層と、
上記エピ層の上部面から予め設定された第1深さまで、N型半導体物質で形成された複数の第1フォトウェル領域を含み、各第1フォトウェル領域は上記エピ層とのP−N接合によって上記第1フォトセンサー及び第3フォトセンサーを形成する第1フォトウェル層と、
上記エピ層の上部面から上記第1深さより深く予め設定された第2深さに、予め設定された厚さを有するN型半導体物質で形成された複数の第2フォトウェル領域を含み、上記複数の第2フォトウェル領域それぞれは上記複数の第1フォトウェル領域それぞれとオーバーラップされ、上記エピ層とのP−N接合によって上記第2フォトセンサー及び第4フォトセンサーを形成する第2フォトウェル層から成ることを特徴とする請求項10に記載のイメージ処理装置。
【請求項14】
上記ピクセルセンサーアレイは、
上記エピ層の表面欠陥を防止するため、上記エピ層の上部面から予め設定された第3深さに、P+型半導体物質で形成されたP+型シャロー接合層をさらに含むことを特徴とする請求項13に記載のイメージ処理装置。
【請求項15】
上記ピクセルセンサーアレイの第1フォトウェル層が形成される第1深さは、略0.6μmであることを特徴とする請求項13に記載のイメージ処理装置。
【請求項16】
上記ピクセルセンサーアレイの第2フォトウェル層が形成される第2深さは、
略2.75μmから略3.5μmであることを特徴とする請求項13に記載のイメージ処理装置。
【請求項17】
上記ピクセルセンサーアレイのP+型シャロー接合層の第3深さは、
略0.01μmないし略0.2μmの範囲内で設定されることを特徴とする請求項14に記載のイメージ処理装置。
【請求項18】
上記ピクセルセンサーアレイの第2深さは、
上記カラーフィルターアレイのカラーフィルターセルが赤色フィルターの場合、上記カラーフィルターアレイのカラーフィルターセルが緑色フィルター又は青色フィルターの場合よりさらに浅いことを特徴とする請求項13に記載のイメージ処理装置。
【請求項19】
上記信号処理部は、
2つのオープンウィンドウセルと2つのカラーフィルターセルより成る2×2次元の単位セルを通して感知された光信号をデジタル信号にA/D変換した後、上記デジタル信号から色情報を抽出するよう成されたことを特徴とする請求項13に記載のイメージ処理装置。
【請求項20】
上記信号処理部は、
4つのオープンウィンドウセルと5つのカラーフィルターセルより成る3×3次元の単位セルを通して感知された光信号をデジタル信号にA/D変換した後、上記デジタル信号から色情報を抽出するよう成されたことを特徴とする請求項13に記載のイメージ処理装置。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【図9】
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【図10a】
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【図10b】
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【図10c】
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【図11】
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【公開番号】特開2006−332602(P2006−332602A)
【公開日】平成18年12月7日(2006.12.7)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2006−97885(P2006−97885)
【出願日】平成18年3月31日(2006.3.31)
【出願人】(591003770)三星電機株式会社 (982)
【Fターム(参考)】