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KR102615195B1 - ToF 기반의 3D 이미지 센서 및 그 이미지 센서를 구비한 전자 장치 - Google Patents

ToF 기반의 3D 이미지 센서 및 그 이미지 센서를 구비한 전자 장치 Download PDF

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KR102615195B1
KR102615195B1 KR1020180084272A KR20180084272A KR102615195B1 KR 102615195 B1 KR102615195 B1 KR 102615195B1 KR 1020180084272 A KR1020180084272 A KR 1020180084272A KR 20180084272 A KR20180084272 A KR 20180084272A KR 102615195 B1 KR102615195 B1 KR 102615195B1
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진영구
김영찬
최성호
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삼성전자주식회사
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Abstract

본 발명의 기술적 사상은 외부 광의 영향을 적게 받고, 탭 대칭이 우수하며, 고속 동작이 가능한 멀티-탭 구조를 포함한 ToF 기반의 3D 이미지 센서 및 그 이미지 센서를 포함한 전자 장치를 제공한다. 그 ToF 기반의 3D 이미지 센서는 픽셀의 중심 부분에 대칭 구조로 배치된 적어도 2개의 제1 포토게이트(photogate); 상기 제1 포토게이트에서 생성된 오버플로우 전하(overflow charge)를 제거하고, 상기 픽셀의 외곽 부분에 대칭 구조로 배치된 적어도 2개의 제1 게이트; 및 상기 제1 포토게이트에서 생성된 전하를 저장 및 전송하는 복수 개의 게이트를 구비하고, 상기 픽셀의 외곽 부분에 배치된 적어도 2개의 게이트 그룹;을 포함한다.

Description

ToF 기반의 3D 이미지 센서 및 그 이미지 센서를 구비한 전자 장치{3D(dimension) image sensor based on ToF(Time of Flight), and electronic apparatus comprising the image sensor}
본 발명의 기술적 사상은 3D 이미지 센서에 관한 것으로, 특히 ToF 기반의 3D 이미지 센서 및 그 이미지 센서를 포함한 전자 장치에 관한 것이다.
ToF(Time of Flight) 기반의 3 차원(3 dimension: 3D) 이미지 센서는 타겟 대상체(object) 또는 측정 대상체까지의 거리를 측정함으로써, 타겟 대상체에 대한 3D 영상을 생성할 수 있다. 구체적으로, ToF 기반의 3D 이미지 센서는 광원(light source)으로부터 방사된 펄스 형태의 광신호가 타겟 대상체에 의해 반사되어 되돌아올 때까지의 시간을 측정하여 타겟 대상체까지의 거리를 계산하고, 그에 따라, 타겟 대상체의 3D 이미지를 생성할 수 있다. 광원으로부터 출력되는 광신호로서, 예컨대, 마이크로파(microwave), 광파(light wave), 또는 초음파(ultrasonic wave) 등이 사용될 수 있다.
본 발명의 기술적 사상은 외부 광의 영향을 적게 받고, 탭 대칭이 우수하며, 고속 동작이 가능한 멀티-탭 구조를 포함한 ToF 기반의 3D 이미지 센서 및 그 이미지 센서를 포함한 전자 장치를 제공하는 데에 있다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 기술적 사상은, 픽셀의 중심 부분에 대칭 구조로 배치된 적어도 2개의 제1 포토게이트(photogate); 상기 제1 포토게이트에서 생성된 오버플로우 전하(overflow charge)를 제거하고, 상기 픽셀의 외곽 부분에 대칭 구조로 배치된 적어도 2개의 제1 게이트; 및 상기 제1 포토게이트에서 생성된 전하를 저장 및 전송하는 복수 개의 게이트를 구비하고, 상기 픽셀의 외곽 부분에 배치된 게이트 그룹;을 포함하는, ToF(Time of Flight) 기반의 3D(dimension) 이미지 센서를 제공한다.
또한, 본 발명의 기술적 사상은, 상기 과제를 해결하기 위하여, 픽셀의 중심 부분에 대칭 구조로 배치된 적어도 2개의 포토게이트; 상기 포토게이트에서 생성된 오버플로우 전하를 배출하고, 상기 포토게이트에 의해 둘러싸인 구조로 상기 픽셀의 중심 부분에 대칭 구조로 배치된 제1 게이트; 및 상기 포토게이트에서 생성된 전하를 저장 및 전송하는 복수 개의 게이트를 구비하고, 상기 픽셀의 외곽 부분에 배치된 게이트 그룹;을 포함하는, ToF 기반의 3D 이미지 센서를 제공한다.
더 나아가, 본 발명의 기술적 사상은, 상기 과제를 해결하기 위하여, 픽셀의 중심 부분에 대칭 구조로 배치된 적어도 2개의 제1 포토게이트; 상기 제1 포토게이트에서 생성된 오버플로우 전하를 배출하고, 상기 픽셀의 중심 부분 또는 외곽 부분에 대칭 구조로 배치된 제1 게이트; 및 상기 제1 포토게이트에서 생성된 전하를 저장 및 전송하는 복수 개의 게이트를 구비하고, 상기 픽셀의 외곽 부분에 배치된 게이트 그룹;을 포함하는, ToF 기반의 3D 이미지 센서를 제공한다.
한편, 본 발명의 기술적 사상은, 상기 과제를 해결하기 위하여, 광을 생성하여 대상체로 조사하는 광 조사부; 상기 대상체로부터 반사된 광을 수광하여 전하를 생성하는 3D 이미지 센서부; 및 상기 수광부로부터 전하를 ToF 방식으로 처리하여 깊이 영상을 생성하는 신호 처리부;를 포함하고, 상기 3D 이미지 센서는, 픽셀의 중심 부분에 대칭 구조로 배치된 적어도 2개의 제1 포토게이트, 상기 제1 포토게이트에서 생성된 오버플로우 전하를 배출하고, 상기 픽셀의 중심 부분 또는 외곽 부분에 대칭 구조로 배치된 제1 게이트, 및 상기 제1 포토게이트에서 생성된 전하를 저장 및 전송하는 복수 개의 게이트를 구비하고, 상기 픽셀의 외곽 부분에 배치된 게이트 그룹을 포함하는, 전자 장치를 제공한다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 ToF 기반의 3D 이미지 센서는, 픽셀이 멀티-탭 픽셀 구조와 오버플로우 게이트를 포함함으로써, 광 버스트 변조 방식을 채용하여 외부 광의 영향을 최소로 하고 또한 복조 동작 시간을 최소화할 수 있다. 또한, 픽셀의 포토게이트, 저장 및 전송용 게이트들, 및 오버플로우 게이트가 대칭 구조로 배치되어 탭 대칭이 구현됨으로써, 서브 픽셀 간 균형있는 신호 전달이 이루어져, 신호의 왜곡이나 변형이 없는 우수한 신호 전달 특성이 구현될 수 있고, 그에 따라, 대상체에 대한 정밀한 3D 영상을 획득할 수 있다.
도 1a은 본 발명의 일 실시예에 따른 ToF 기반의 3D 이미지 센서의 4-탭 픽셀에 대한 평면도이고, 도 1b는 도 1a의 4-탭 픽셀에 대응하는 등가 회로도이며, 도 1c는 도 1a의 I-I'의 부분을 절단하여 보여주는 단면도이며, 도 1d는 도 1a의 4-탭 픽셀이 4개 인접하여 배치된 구조를 보여주는 평면도이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 ToF 기반의 3D 이미지 센서의 4-탭 픽셀에 대응하는 등가 회로도이며, 도 2b는 도 2a의 4-탭 픽셀에 대한 단면도로서 도 1c에 대응한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 ToF 기반의 3D 이미지 센서의 4-탭 픽셀에 대한 단면도로서, 도 1c에 대응한다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 ToF 기반의 3D 이미지 센서의 4-탭 픽셀에 대응하는 등가 회로도이며, 도 4b는 도 4a의 4-탭 픽셀에 대한 단면도로서 도 1c에 대응한다.
도 5a은 본 발명의 일 실시예에 따른 ToF 기반의 3D 이미지 센서의 4-탭 픽셀에 대한 평면도이고, 도 5b는 도 5a의 4-탭 픽셀이 4개 인접하여 배치된 구조를 보여주는 평면도이다.
도 6a은 본 발명의 일 실시예에 따른 ToF 기반의 3D 이미지 센서의 4-탭 픽셀에 대한 평면도이고, 도 6b는 도 6a의 4-탭 픽셀이 4개 인접하여 배치된 구조를 보여주는 평면도이고, 도 6c는 도 6b의 구조의 일부에 대한 등가 회로도이다
도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따른 ToF 기반의 3D 이미지 센서의 4-탭 픽셀에 대한 평면도이고, 도 7b는 도 7a의 Ⅱ-Ⅱ'의 부분을 절단하여 보여주는 단면도이다.
도 8a는 본 발명의 일 실시예에 따른 ToF 기반의 3D 이미지 센서의 4-탭 픽셀에 대한 평면도이고, 도 8b 및 도 8c는 도 8a의 Ⅲ-Ⅲ'의 부분을 절단하여 보여주는 단면도들이다.
도 9a은 본 발명의 일 실시예에 따른 ToF 기반의 3D 이미지 센서의 2-탭 픽셀에 대한 평면도이고, 도 9b는 도 9a의 2-탭 픽셀에 대응하는 등가 회로도이다.
도 10a 내지 도 10c는 일 실시예에 따른 ToF 기반의 3D 이미지 센서의 2-탭 픽셀에 대한 평면도들이다.
도 11a은 본 발명의 일 실시예에 따른 ToF 기반의 3D 이미지 센서의 2-탭 픽셀에 대한 평면도이고, 도 11b는 도 11a의 2-탭 픽셀이 4개 인접하여 배치된 구조를 보여주는 평면도이고, 도 11c는 도 11b의 구조의 일부에 대한 등가 회로도이다
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 이미지 센서를 구비한 전자 장치에 대한 개략적인 구성도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 도면 상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고, 이들에 대한 중복된 설명은 생략한다.
도 1a은 본 발명의 일 실시예에 따른 ToF 기반의 3D 이미지 센서의 4-탭 픽셀에 대한 평면도이고, 도 1b는 도 1a의 4-탭 픽셀에 대응하는 등가 회로도이며, 도 1c는 도 1a의 I-I'의 부분을 절단하여 보여주는 단면도이며, 도 1d는 도 1a의 4-탭 픽셀이 4개 인접하여 배치된 구조를 보여주는 평면도이다.
도 1a 내지 도 1d를 참조하면, 본 실시예의 ToF 기반의 3D 이미지 센서(1100, 이하, '3D 이미지 센서'라 한다)에서, 픽셀(100)은 다중-탭(multi-tap) 픽셀 구조에 해당하는 4-탭 픽셀 구조를 가질 수 있다. 픽셀(100)이 4-탭 픽셀 구조를 가짐으로써, 3D 이미지 센서(1100)는 대상체(object)에 대한 빠른 깊이 또는 거리 센싱을 할 수 있다.
본 실시예의 3D 이미지 센서(1100)는, 광 조사부(도 12의 1200 참조)의 광 버스트 변조(light burst modulation) 방식에 대응하여, 글로벌 셔터(global shutter) 방식을 채용하고, 오버플로우(overflow) 전하를 배출하여 제거하기 위한 오버플로우 게이트(180, OG)를 포함할 수 있다. 여기서, 광 버스트 변조 방식은, 광을 짧은 시간에 높은 파워로 조사하는 방식으로, 외부 광의 영향을 최소화하고 또한 3D 이미지 센서의 복조(demodulation) 동작을 최소화할 수 있다. 글로벌 셔터 방식은 전체 픽셀을 동시에 리셋(reset)하고 광신호을 누적하는 방식으로, 로(row) 단위로 픽셀 동작을 제어하는 롤링 셔터(rolling shutter) 방식에 반대되는 개념이다. 글로벌 셔터 방식은 광 버스트 변조 방식과 함께 외부 광 유입을 최소화하는 데 기여할 수 있다. 한편, 광 버스트 변조 방식의 경우, 광 신호를 읽고 출력하는 동안 불필요한 외부 광에 의해 오버플로우 전하가 발생할 수 있다. 그에 따라, 본 실시예의 3D 이미지 센서(1100)는 그러한 오버플로우 전하를 배출하여 제거하기 위한 오버플로우 게이트(180)를 포함할 수 있다. 한편, 본 실시예의 3D 이미지 센서(1100)는 광 버스트 변조 방식에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 본 실시예의 3D 이미지 센서(1100)는 광 버스트 변조 방식이 아닌 일반적인 광 변조 방식에도 적용될 수 있다.
본 실시예의 3D 이미지 센서(1100)에서, 픽셀(100)은 4개의 탭에 대응하는 서브 픽셀들(TA, TB, TC, TD)을 포함할 수 있다. 서브 픽셀들(TA, TB, TC, TD) 각각은 전하를 생성하는 포토게이트(110)와 전하를 저장 및 전송하는 저장 및 전송용 게이트들(120 ~ 170), 그리고 오버플로우 전하를 제거하기 위한 오버플로우 게이트(180)를 포함할 수 있다. 저장 및 전송용 게이트들(120 ~ 170)은, 예컨대, 탭 트랜스퍼 게이트(120), 스토리지 게이트(130), 트랜스퍼 게이트(140), 리셋 게이트(150), 소스 팔로워 게이트(160), 및 선택 게이트(170)를 포함할 수 있다.
여기서, 스토리지 게이트(130)는 전하 저장 구조 중의 하나로서, 트랜스퍼 게이트(140)를 통해 전하를 플로팅 디퓨젼(Floating Diffusion: FD) 영역(145)으로 전달하기 전에 전하를 일시적으로 저장할 수 있다. 전하 저장 구조는 스토리지 게이트(130) 단독으로 구현될 수 있다. 또한, 전하 저장 구조는 도 3에 도시된 바와 같이 스토리지 게이트(130)의 하부에 스토리지 다이오드(SD)가 추가적으로 형성된 구조로 구현될 수도 있다. 이와 같이, 픽셀(100) 내에 전하 저장 구조가 포함됨으로써, 정확한(true) CDS(Correlated Double Sampling) 동작이 가능하게 되어 판독 노이즈(read noise)가 최소화될 수 있다.
이하에서, 제1 서브 픽셀(TA)에 포함된 게이트들의 참조번호에는 '1'이, 제2 서브 픽셀(TB)에 포함된 게이트들의 참조 번호에는 '2'가, 제3 서브 픽셀(TC)에 포함된 게이트들의 참조 번호에는 '3'이, 제4 서브 픽셀(TD)에 포함된 게이트들의 참조 번호에는 '4'가 붙을 수 있다. 예컨대, 제1 서브 픽셀(TA)은 제1 포토게이트(110-1, PGA), 제1 탭 트랜스퍼 게이트(120-1, TGA), 제1 스토리지 게이트(130-1, SG1), 제1 트랜스퍼 게이트(140-1, TG1), 제1 리셋 게이트(150-1, RG1), 제1 소스 팔로워 게이트(160-1, SF), 제1 선택 게이트(170-1, SEL1), 및 제1 오버플로우 게이트(180-1, OG)를 포함할 수 있다. 한편, PGA, PGB, PGC, PGD와 TGA TGB, TGC, TGD에서, A, B, C, D의 구별은 위상 관련한 탭의 구별을 위한 것이고, SG1과 SG2, TG1과 TG2, RG1과 RG2, 그리고 SEL1과 SEL2에서, 1, 2의 구별은 함께 동작하는 동일 행(row)의 서브 픽셀들의 게이트들을 다른 행의 서브 픽셀들의 게이트들과 구별을 위한 것일 수 있다. 한편, 소스 팔로워 게이트(SF)의 경우는 외부의 전압 인가에 의해 동작하지 않고 FD 영역(145)의 전압에 의해 동작하므로 별도의 구별 표시가 없다.
참고로, 픽셀(100)의 탭 구조는 생성된 전하를 전하 저장 구조로 위상별로 구별하여 전달할 수 있는 탭이 몇 개 배치되는가에 따라 결정되며, 대표적으로 1-탭, 2-탭 및 4-탭 구조로 분류될 수 있다. 1-탭 구조는 하나의 탭을 이용하여 0°, 90°, 180°, 270° 위상별로 각각 전송하는 방식이고, 2-탭 구조는 2개의 탭을 이용하여 0°와 180°위상에 대하여, 그리고 90°와 270°위상에 대하여 전송하는 방식이며, 4-탭 구조는 4개의 탭을 이용하여 모든 위상에 대하여 전송하는 방식일 수 있다. 1-탭 구조는 각 위상에 대응하여 4번 센싱이 필요하고, 2-탭 구조는 2번 센싱이 필요하며, 4-탭 구조는 한 번의 센싱으로 족하다. 따라서, 2-탭 구조와 4-탭 구조는 1-탭 구조에 비해 고속으로 동작할 수 있다. 여기서, 2-탭과 4-탭 구조의 픽셀에 대해서는 다중-탭 픽셀 구조라고 한다.
한편, 탭의 기능은 포토게이트 또는 탭 트랜스퍼 게이트에 의해 수행될 수 있다. 예컨대, 포토게이트가 전하를 생성하면서 직접 전하를 전하 저장 구조로 전달하는 탭의 기능을 할 수 있다. 이러한 구조의 경우는, 포토게이트의 개수에 의해 탭 구조가 결정될 수 있다. 또한, 실시예에 따라, 포토게이트 대신에 포토다이오드가 배치되고, 포토다이오드에서 생성된 전하를 전하 저장 구조로 전달하는 탭 트랜스퍼 게이트가 별도로 배치될 수 있다. 이러한 구조의 경우는, 탭 트랜스퍼 게이트의 개수에 의해 탭 구조가 결정될 수 있다.
그러나 픽셀은 전술한 두 가지 탭 구조에 한하지 않고, 다양한 탭 구조를 가질 수 있다. 예컨대, 본 실시예의 ToF 기반의 3D 이미지 센서(1100)에서와 같이, 픽셀(100)은 포토게이트(110)와 그에 대응하는 탭 트랜스퍼 게이트(120)를 각각 4개씩 포함할 수 있고, 이러한 구조는 4-탭 픽셀 구조에 해당할 수 있다. 여기서, 탭 트랜스퍼 게이트(120)는 글로벌 셔터 기능을 지원할 수 있다. 또한, 도 2a의 회로도에서 볼 수 있듯이, 픽셀(100I)은 포토게이트(110)와 포토다이오드(190), 및 그에 대응하는 탭 트랜스퍼 게이트(120)를 포함할 수 있고, 이 구조 역시 4-탭 픽셀 구조에 해당할 수 있다. 여기서, 포토게이트(110)와 포토다이오드(190)가 함께 형성된 구조에 대해서는 도 2a 및 도 2b의 설명 부분에서 좀더 상세히 설명한다.
본 실시예의 ToF 기반의 3D 이미지 센서(1100)에서, 픽셀(100)은 서브 픽셀들(TA, TB, TC, TD)이 x-y 평면에서 대칭을 이루는 구조를 가질 수 있다. 구체적으로 설명하면, x-y 평면이 x축과 y축을 통해 4개의 사분면으로 나누어진다고 할 때, 도 1a에 도시된 바와 같이, 제1 서브 픽셀(TA)은 제2 사분면에, 제2 서브 픽셀(TB)은 제1 사분면에, 제3 서브 픽셀(TC)은 제3 사분면에, 그리고 제4 서브 픽셀(TD)은 제4 사분면에 배치되고, 각각에 포함된 게이트들은 중심에 대하여 대칭 구조를 가질 수 있다.
예컨대, 제1 서브 픽셀(TA)이 0° 위상의 탭에 대응한다고 할 때, 제4 서브 픽셀(TD)이 180° 위상의 탭에 대응하며, 제1 서브 픽셀(TA)과 제4 서브 픽셀(TD) 각각에 포함된 게이트들은 중심에 대하여 대칭을 이룰 수 있다. 구체적으로, 제1 포토게이트(110-1, PGA)와 제4 포토게이트(110-4, PGD)는 제2 사분면과 제4 사분면에 중심에 인접하여 배치될 수 있다. 제1 스토리지 게이트(130-1, SG1)와 제4 스토리지 게이트(130-4, SG2)는 제2 사분면과 제4 사분면의 모서리 부분에 배치될 수 있다. 제1 탭 트랜스퍼 게이트(120-1, TGA)와 제4 탭 트랜스퍼 게이트(120-4, TGD)는 각각 제1 포토게이트(110-1, PGA)와 제1 스토리지 게이트(130-1, SG1) 사이, 그리고 제4 포토게이트(110-4, PGD)와 제4 스토리지 게이트(130-4, SG2) 사이에 배치될 수 있다. 제1 트랜스퍼 게이트(140-1, TG1)와 제1 리셋 게이트(150-1, RG1)가 제2 사분면의 상변에 x 방향을 따라 배치되고, 제4 트랜스퍼 게이트(140-4, TG2)와 제4 리셋 게이트(150-4, RG2)가 제4 사분면의 하변에 x 방향을 따라 배치될 수 있다. 제1 선택 게이트(170-1, SEL1)와 제1 소스 팔로워 게이트(160-1, SF)가 제2 사분면의 왼쪽 측변에 y 방향을 따라 배치되고, 제4 선택 게이트(170-4, SEL2)와 제4 소스 팔로워 게이트(160-4, SF)가 제4 사분면의 오른쪽 측변에 y 방향을 따라 배치될 수 있다. 한편, 제1 오버플로우 게이트(180-1, OG)는 제1 사분면과 제2 사분면의 사이의 포토게이트(110)의 외부에, 그리고 제4 오버플로우 게이트(180-4, OG)는 제3 사분면과 제4 사분면의 사이의 포토게이트(110)의 외부에 배치될 수 있다. 결과적으로, 제1 서브 픽셀(TA)의 게이트들은 제4 서브 픽셀(TD)의 게이트들과 x-y 평면의 중심에 대하여 정확히 대칭을 이룰 수 있다. 또한, 제2 서브 픽셀(TB)과 제3 서브 픽셀(TC)의 게이트들 역시 x-y 평면의 중심에 대하여 서로 대칭을 이룰 수 있다.
도 1c는 제2 포토게이트(110-2)에서 생성된 전하가 이동하는 경로를 보여주고 있는데, 제2 포토게이트(110-2)에 고전압(Vhigh)이 인가되면, 반도체 기판(101) 상의 웰 영역(102)에 필드(F)가 형성되고, 기판(101)의 후면을 통해 입사된 광이 필드(F) 근처에서 전자-전공 쌍으로 변환됨으로써, 전하가 생성될 수 있다. 여기서, 웰 영역(102)은, 예컨대, p--영역일 수 있다. 제2 포토게이트(110-2)에서 생성된 전하, 예컨대, 전자는 제2 탭 트랜스퍼 게이트(120-2)를 통해 제2 스토리지 게이트(130-2)로 전달되어 임시 저장되었다가, 제2 트랜스퍼 게이트(140-2)를 통해 제2 FD 영역(145-2)으로 전달될 수 있다. 한편, 정공은 도 1a의 픽셀(100)의 외곽 부분에 배치된 그라운드(G)를 통해 배출될 수 있다.
한편, 본 실시예의 3D 이미지 센서(1100)는, 픽셀부와 주변 회로부를 구비하고, 픽셀부 내에 다수의 픽셀들(100)이 2차원 어레이 구조로 배치될 수 있다. 도 1d는 픽셀들(100)의 2차원 어레이 구조의 일부로서, 인접하는 4의 픽셀들(100-I, 100-Ⅱ, 100-Ⅲ, 100-Ⅳ)이 배치된 구조를 보여준다. 주변 회로부는 픽셀부 주변으로 배치되고, 로우 드라이브 회로, 컬럼 신호 처리 회로, 이미지 버퍼 메모리, 출력 회로, 제어 회로 등을 포함할 수 있다.
본 실시예의 3D 이미지 센서(1100)는, 픽셀(100)이 4-탭 픽셀 구조와 오버플로우 게이트(180)를 포함함으로써, 광 버스트 변조 방식을 채용하여 외부 광의 영향을 최소로 하고 또한 복조 동작 시간을 최소화할 수 있다. 또한, 본 실시예의 3D 이미지 센서(1100)는, 픽셀(100)의 포토게이트(110), 저장 및 전송용 게이트들(120 ~ 170), 및 오버플로우 게이트(180)가 대칭 구조로 배치되어 탭 대칭이 구현됨으로써, 서브 픽셀 간 균형있는 신호 전달이 이루어져, 신호의 왜곡이나 변형이 없는 우수한 신호 전달 특성이 구현될 수 있고, 그에 따라, 대상체에 대한 정밀한 3D 영상을 획득할 수 있다. 더 나아가, 본 실시예의 3D 이미지 센서(1100)는, 포토게이트(110)와 트랜스퍼 게이트(140) 사이에 전하 저장 구조를 포함함으로써, 정확한 CDS 동작을 가능하게 하여 판독 노이즈(read noise)를 최소화할 수 있다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 ToF 기반의 3D 이미지 센서의 4-탭 픽셀에 대응하는 등가 회로도이며, 도 2b는 도 2a의 4-탭 픽셀에 대한 단면도로서 도 1c에 대응한다. 도 1a 내지 도 1d의 설명 부분에서 이미 설명한 내용은 간단히 설명하거나 생략한다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 본 실시예의 3D 이미지 센서(1100I)는, 픽셀(100I)이 포토다이오드(190)를 더 포함한다는 측면에서, 도 1a의 3D 이미지 센서(1100)와 다를 수 있다. 구체적으로, 본 실시예의 3D 이미지 센서(1100I)에서, 포토게이트(110)의 하부에 포토다이오드(190)가 형성될 수 있다. 포토다이오드(190)는 포토게이트(110)의 하부의 웰 영역(102)에 도핑을 통해 형성할 수 있다. 예컨대, 포토다이오드(190)는 n0-영역(192)과 p0-영역(194)을 포함할 수 있다. 이와 같이, 포토게이트(110)의 하부에 포토다이오드(190)를 형성함으로써, 필드를 더욱 깊게 형성할 수 있다. 따라서, 본 실시예의 3D 이미지 센서(1100I)는, 포토게이트(110)와 포토다이오드(190)를 통해 보다 많은 전하를 생성할 수 있다.
한편, 도시하지는 않았지만, 본 실시예의 3D 이미지 센서(1100I)의 픽셀(100I)에 대한 평면도는 도 1a의 3D 이미지 센서(1100)의 픽셀(100)에 대한 평면도와 실질적으로 동일할 수 있다. 다시 말해서, 포토다이오드(190)는 포토게이트(110)의 하부로 형성되므로, 평면도 상에는 나타나지 않을 수 있다. 덧붙여, 도 2b에서, 제2 포토게이트(110-2)에 대응하여 하나의 포토다이오드(190)가 형성된 것으로 도시되고 있지만, 실질적으로 포토다이오드(190)는 4개의 포토게이트(110-1, 110-1, 110-3, 110-4) 전체에 걸쳐 하나로 형성될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 ToF 기반의 3D 이미지 센서의 4-탭 픽셀에 대한 단면도로서, 도 1c에 대응한다. 도 1a 내지 도 2b의 설명 부분에서 이미 설명한 내용은 간단히 설명하거나 생략한다.
도 3을 참조하면, 본 실시예의 3D 이미지 센서(1100Ⅱ)는, 픽셀(100Ⅱ)이, 스토리지 다이오드(SD)를 더 포함한다는 측면에서, 도 1a의 3D 이미지 센서(1100)와 다를 수 있다. 구체적으로, 본 실시예의 3D 이미지 센서(1100Ⅱ)에서, 제2 스토리지 게이트(130-2)의 하부의 웰 영역(102)에 스토리지 다이오드(SD)가 형성될 수 있다. 스토리지 다이오드(SD)는 상부에 n0-영역(SDn)과 하부에 p0-영역(SDp)을 포함할 수 있다.
도 1a의 3D 이미지 센서(1100)에서는, 스토리지 게이트(130)만이 전하 저장 기능을 하였지만, 본 실시예의 3D 이미지 센서(1100Ⅱ)는, 스토리지 게이트(130)와 스토리지 다이오드(SD)가 함께 전하 저장 기능을 할 수 있다. 그에 따라, 본 실시예의 3D 이미지 센서(1100Ⅱ)에서는, 전하 저장 기능이 강화될 수 있다. 한편, 실시예에 따라, 스토리지 게이트(130)가 생략되고, 스토리지 다이오드(SD)만이 형성될 수도 있다. 그러한 구조의 경우, 스토리지 다이오드(SD)가 단독으로 전하 저장 기능을 할 수 있다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 ToF 기반의 3D 이미지 센서의 4-탭 픽셀에 대응하는 등가 회로도이며, 도 4b는 도 4a의 4-탭 픽셀에 대한 단면도로서 도 1c에 대응한다. 도 1a 내지 도 3의 설명 부분에서 이미 설명한 내용은 간단히 설명하거나 생략한다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 본 실시예의 3D 이미지 센서(1100Ⅲ)는, 픽셀(100Ⅲ)이, 탭 트랜스퍼 게이트를 포함하지 않는다는 측면에서, 도 3의 3D 이미지 센서(1100Ⅱ)와 다를 수 있다. 구체적으로, 본 실시예의 3D 이미지 센서(1100Ⅲ)에서는, 도 3의 3D 이미지 센서(1100Ⅱ)와 같이, 제2 스토리지 게이트(130-2)의 하부의 웰 영역(102)에 스토리지 다이오드(SD)가 형성될 수 있다. 또한, 제2 포토게이트(110-2)와 제2 스토리지 게이트(130-2) 사이에 탭 트랜스퍼 게이트가 존재하지 않을 수 있다. 이는, 스토리지 다이오드(SD)가 스토리지 게이트(130) 하부에 형성된 구조의 경우, 스토리지 게이트(130)가 탭 트랜스퍼 게이트의 기능, 예컨대, 글로벌 셔터를 지원하는 기능을 할 수 있기 때문이다.
도 1a 내지 도 4b의 3D 이미지 센서들(1100, 1100Ⅰ, 1100Ⅱ, 1100Ⅲ) 전체를 고려하여, 전하 저장 구조와 탭 트랜스퍼 게이트에 대하여 정리하면, 전하 저장 구조는 i) 스토리지 게이트(130)만 존재하는 구조, ⅱ)스토리지 다이오드(SD)만 존재하는 구조, 및 ⅲ) 스토리지 게이트(130)와 스토리지 다이오드(SD)가 함께 존재하는 복합 구조 중 어느 하나의 구조를 가질 수 있다. 또한, 탭 트랜스퍼 게이트는 스토리지 게이트(130)와 스토리지 다이오드(SD)가 함께 존재하는 복합 구조에서, 선택적으로 포함될 수 있다. 즉, 복합 구조에서는, 스토리지 게이트(130)가 탭 트랜스퍼 게이트의 기능을 할 수 있으므로, 탭 트랜스퍼 게이트가 생략될 수 있다. 그러나 스토리지 게이트(130)만 존재하거나 스토리지 다이오드(SD)만이 존재하는 경우는 탭 트랜스퍼 게이트는 생략되지 않고 존재할 수 있다.
한편, 도 3 및 도 4b의 3D 이미지 센서(1100Ⅱ, 1100Ⅲ)에서, 픽셀(100Ⅱ, 100Ⅲ)에 제2 포토게이트(110-2)만이 도시되고 있지만, 픽셀(100Ⅱ, 100Ⅲ)의 구조가 그에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 도 3 및 도 4b의 3D 이미지 센서(1100Ⅱ, 1100Ⅲ)에서, 픽셀(100Ⅱ, 100Ⅲ)은 포토게이트(110)의 하부에 형성된 포토다이오드를 포함할 수 있다.
도 5a은 본 발명의 일 실시예에 따른 ToF 기반의 3D 이미지 센서의 4-탭 픽셀에 대한 평면도이고, 도 5b는 도 5a의 4-탭 픽셀이 4개 인접하여 배치된 구조를 보여주는 평면도이다. 도 1a 내지 도 4b의 설명 부분에서 이미 설명한 내용은 간단히 설명하거나 생략한다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 본 실시예의 3D 이미지 센서(1100a)는, 픽셀(100a)에 오버플로우 게이트(180c)가 x-y 평면의 중심 부분에 배치된다는 점에서, 도 1a의 3D 이미지 센서(1100)와 다를 수 있다. 예컨대, 본 실시예의 3D 이미지 센서(1100a)에서, 4개의 탭에 대응하는 서브 픽셀들(TA, TB, TC, TD)은 x-y 평면의 4개의 사분면 상에 배치될 수 있다. 또한, 서브 픽셀들(TA, TB, TC, TD) 각각에 포함된 포토게이트(110)와 저장 및 전송용 게이트들(120 ~ 170)은 x-y 평면의 중심에 대하여 대칭 구조로 배치될 수 있다.
한편, 본 실시예의 3D 이미지 센서(1100a)에서, 오버플로우 게이트(180c)는 픽셀(100a)의 중심, 즉 x-y 평면의 중심에 배치될 수 있다. 그에 따라, 오버플로우 게이트(180c)는 4개의 포토게이트(110-1, 110-2, 110-3, 110-4)에 의해 둘러싸인 구조로 배치될 수 있다. 도 5a에서, 오버플로우 게이트(180c)가 점선에 의해 4개의 부분으로 구분되어 있다. 그러나 이는 오버플로우 게이트(180c)가 대칭적으로 4개 배치된다는 의미가 아니고, 하나의 오버플로우 게이트(180c)가 중심에 대하여 대칭 구조를 가짐을 표시한 것일 수 있다. 실제로 오버플로우 게이트(180c)는 x-y 평면의 중심에 하나가 형성되고, 중심에 대하여 대칭이 되도록 게이트 전극의 구조가 기판 상에 형성될 수 있다. 예컨대, 오버플로우 게이트(180c)는, 도 5a에 도시된 바와 같이, 중심 부분이 빈 동축(coaxial) 고리 형태를 가질 수 있다.
한편, 도 5b는, 본 실시예의 3D 이미지 센서(1100a)에서, 픽셀들(100a)의 2차원 어레이 구조의 일부로서, 인접하는 4의 픽셀들(100a-I, 100a-Ⅱ, 100a-Ⅲ, 100a-Ⅳ)이 배치된 구조를 보여준다.
도 6a은 본 발명의 일 실시예에 따른 ToF 기반의 3D 이미지 센서의 4-탭 픽셀에 대한 평면도이고, 도 6b는 도 6a의 4-탭 픽셀이 4개 인접하여 배치된 구조를 보여주는 평면도이고, 도 6c는 도 6b의 구조의 일부에 대한 등가 회로도이다. 도 1a 내지 도 5b의 설명 부분에서 이미 설명한 내용은 간단히 설명하거나 생략한다.
도 6a 내지 도 6c를 참조하면, 본 실시예의 3D 이미지 센서(1100b)는, 픽셀(100b)이 4개의 서브 픽셀(TA, TB, TC, TD)을 포함하되, 저장 및 전송용 게이트들 중 리셋 게이트(150-s), 소스 팔로워 게이트(160-s), 및 선택 게이트(170-s)는 4개의 픽셀(110b-I, 100b-Ⅱ, 100b-Ⅲ, 100b-Ⅳ)의 해당 서브 픽셀에 의해 공유되는 구조로 배치될 수 있다. 좀더 구체적으로 설명하면, 본 실시예의 3D 이미지 센서(1100b)에서, 픽셀(100b)의 서브 픽셀(TA, TB, TC, TD)과 그에 대응하는 포토게이트(110-1, 110-2, 110-3, 110-4), 스토리지 게이트(130-1, 130-2, 130-3, 130-4), 및 트랜스퍼 게이트(140-1, 140-2, 140-3, 140-4)는 x-y 평면의 4개의 사분면에 대칭 구조로 배치될 수 있다. 여기서, 탭 트랜스퍼 게이트가 생략되어 도시되고 있는데, 도 3 내지 도 4b의 설명 부분에서 설명한 바와 같이, 탭 트랜스퍼 게이트는 픽셀(100b)에 포함될 수도 있고 포함되지 않을 수도 있다.
또한, 오버플로우 게이트(180c)는 도 5a의 3D 이미지 센서(1100a)에서와 같이, x-y 평면 중심에 포토게이트(110-1, 110-2, 110-3, 110-4)에 둘러싸인 구조로 배치될 수 있다. 그러나 오버플로우 게이트는 이에 한정되지 않고, 도 1a의 3D 이미지 센서(1100)에서와 같이, 2개의 사분면 사이들의 포토게이트(110-1, 110-2, 110-3, 110-4)의 외부에 대칭적으로 배치될 수도 있다.
리셋 게이트(150-s)는 x 방향으로 픽셀(100b)의 양쪽 측면의 외곽 부분에 배치될 수 있다. 또한, 소스 팔로워 게이트(160-s)와 선택 게이트(170-s)는 y 방향으로 픽셀(100b)의 상부와 하부의 외곽 부분에 배치될 수 있다. 한편, y 방향으로 리셋 게이트(150-s)의 하부에 더미 게이트(152)가 배치될 수 있는데, 실시예에 따라, 더미 게이트(152)는 생략될 수 있다.
리셋 게이트(150-s), 소스 팔로워 게이트(160-s), 및 선택 게이트(170-s)는 서브 픽셀(TA, TB, TC, TD) 각각에 대응하여 하나씩 배치되는 것이 아니라, 4개의 픽셀의 해당 서브 픽셀에 의해 공유되도록 배치될 수 있다. 또한, FD 영역(145s)도 4개의 픽셀의 해당 서브 픽셀에 의해 공유되도록 배치될 수 있다. 구체적으로, 도 6b 및 도 6c를 통해 알 수 있듯이, 중심의 FD 영역(145s)은 4개의 픽셀(100b-I, 100b-Ⅱ, 100b-Ⅲ, 100b-Ⅳ)의 서브 픽셀(TD, TC, TB, TA)에 의해 공유될 수 있다. 또한, FD 영역(145s)을 공유하는 서브 픽셀(TD, TC, TB, TA)은 동일 위상, 예컨대 180° 위상의 탭에 대응할 수 있다.
한편, FD 영역(145s)의 위쪽에 배치된 리셋 게이트(150-s)가 FD 영역(145s)과 연결되어 서브 픽셀(TD, TC, TB, TA)에 의해 공유되고, FD 영역(145s)의 왼쪽에 배치된 소스 팔로워 게이트(160-s)와 선택 게이트(170-s)가 서브 픽셀(TD, TC, TB, TA)에 의해 공유될 수 있다. 실시예에 따라, 서브 픽셀(TD, TC, TB, TA)에 의해 공유되는 리셋 게이트(150-s), 소스 팔로워 게이트(160-s), 및 선택 게이트(170-s)의 위치는 달라질 수 있다. 예컨대, FD 영역(145s)을 기준으로 아래쪽과 오른쪽으로 배치된 리셋 게이트(150-s), 소스 팔로워 게이트(160-s), 및 선택 게이트(170-s)가 서브 픽셀(TD, TC, TB, TA)에 의해 공유될 수도 있다.
도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따른 ToF 기반의 3D 이미지 센서의 4-탭 픽셀에 대한 평면도이고, 도 7b는 도 7a의 Ⅱ-Ⅱ'의 부분을 절단하여 보여주는 단면도이다. 도 1a 내지 도 6c의 설명 부분에서 이미 설명한 내용은 간단히 설명하거나 생략한다.
도 7a 및 도 7b를 참조하면, 본 실시예의 3D 이미지 센서(1100c)는, 픽셀(100c)이 중앙 부분에 배치된 미들 포토게이트(115m)를 더 포함한다는 측면에서, 도 1a의 3D 이미지 센서(1100)와 다를 수 있다. 구체적으로, 본 실시예의 3D 이미지 센서(1100c)에서, 픽셀(100c) 내에 포토게이트(110), 저장 및 전송용 게이트(120 ~ 170), 및 오버플로우 게이트(180)는 1a의 3D 이미지 센서(1100)에서와 유사한 구조로 배치될 수 있다. 그러나 도 1a의 3D 이미지 센서(1100)에서와는 달리, 픽셀(100c)의 중앙 부분에 미들 포토게이트(115m)가 4개의 포토게이트(110-1, 110-2, 110-3, 110-4)에 의해 둘러싸이도록 배치될 수 있다.
미들 포토게이트(115m)로는 포토게이트(110)에 인가되는 고전압과 저전압 사이의 중간 레벨의 전압이 인가될 수 있다. 예컨대, 포토게이트(110)에 인가되는 고전압이 1V이고, 저전압이 0V인 경우, 미들 포토게이트(115m)에는 0.5V가 인가될 수 있다. 물론, 포토게이트(110)에 인가되는 고전압과 저전압, 그리고 미들 포토게이트(115m)에 인가되는 중간 레벨의 전압이 상기 수치에 한정되는 것은 아니다.
도 7b는 미들 포토게이트(115m)의 배치에 따른 효과를 보여주고 있는데, 제1 포토게이트(110-1)에 고전압(Vhigh)을 인가하고, 제4 포토게이트(110-4)에 저전압(Vlow)을 인가하며, 미들 포토게이트(115m)에 중간 레벨의 전압(Vmid)이 인가된 경우, 도시된 바와 같이, 에너지 준위가 형성되고, 그에 따라, 전하, 예컨대 전자의 이동이 빨라져 신호 특성이 개선될 수 있다.
도 8a는 본 발명의 일 실시예에 따른 ToF 기반의 3D 이미지 센서의 4-탭 픽셀에 대한 평면도이고, 도 8b 및 도 8c는 도 8a의 Ⅲ-Ⅲ'의 부분을 절단하여 보여주는 단면도들이다. 도 1a 내지 도 7b의 설명 부분에서 이미 설명한 내용은 간단히 설명하거나 생략한다.
도 8a 내지 도 8c를 참조하면, 본 실시예의 3D 이미지 센서(1100d or 1100e)는, 픽셀(100d or 100e)이 중앙 부분에 배치된 로우 포토게이트(115l) 또는 하이 포토게이트(115h)를 더 포함한다는 측면에서, 도 1a의 3D 이미지 센서(1100)와 다를 수 있다. 구체적으로, 본 실시예의 3D 이미지 센서(1100d or 1100e)에서, 픽셀(100d or 100e) 내에 포토게이트(110), 저장 및 전송용 게이트(120 ~ 170), 및 오버플로우 게이트(180)는 1a의 3D 이미지 센서(1100)에서와 유사한 구조로 배치될 수 있다. 그러나 1a의 3D 이미지 센서(1100)에서와는 달리, 픽셀(100d or 100e)의 중앙 부분에 로우 포토게이트(115l) 또는 하이 포토게이트(115h)가 4개의 포토게이트(110-1, 110-2, 110-3, 110-4)에 의해 둘러싸이도록 배치될 수 있다.
로우 포토게이트(115l)에는 포토게이트(110)에 인가되는 고전압과 저전압 중 저전압이 인가될 수 있다. 예컨대, 포토게이트(110)에 인가되는 고전압이 1V이고, 저전압이 0V인 경우, 로우 포토게이트(115l)에는 0V가 인가될 수 있다. 물론, 포토게이트(110)에 인가되는 고전압과 저전압, 그리고 로우 포토게이트(115l)에 인가되는 저전압이 상기 수치에 한정되는 것은 아니다.
도 8b에 도시된 바와 같이, 로우 포토게이트(115l)의 하부에는 n형 도핑 영역(n-type)이 형성될 수 있다. NMOS를 기준으로 이와 같이 n형 도핑 영역(n-type)이 형성되면, 점선과 같은 에너지 준위가 형성되어 문턱 전압(Vth)이 낮아질 수 있다. 그에 따라, 로우 포토게이트(115l)에 저전압(Vlow), 예컨대 0V가 인가되더라도, 앞서, 도 7a의 3D 이미지 센서(1100c)의 미들 포토게이트(115m)에 의한 효과와 유사하게 신호 특성이 개선될 수 있다.
하이 포토게이트(115h)에는 포토게이트(110)에 인가되는 고전압과 저전압 중 고전압이 인가될 수 있다. 예컨대, 포토게이트(110)에 인가되는 고전압이 1V이고, 저전압이 0V인 경우, 하이 포토게이트(115h)에는 1V가 인가될 수 있다. 물론, 포토게이트(110)에 인가되는 고전압과 저전압, 그리고 하이 포토게이트(115h)에 인가되는 고전압이 상기 수치에 한정되는 것은 아니다.
도 8c에 도시된 바와 같이, 하이 포토게이트(115h)의 하부에 p형 도핑 영역(n-type)이 형성될 수 있다. NMOS를 기준으로 이와 같이 p형 도핑 영역(p-type)이 형성되면, 점선과 같은 에너지 준위가 형성되어 문턱 전압(Vth)이 높아질 수 있다. 그에 따라, 하이 포토게이트(115h)에 고전압(Vlow), 예컨대 1V가 인가되면, 앞서, 도 7a의 3D 이미지 센서(1100c)의 미들 포토게이트(115m)에 의한 효과와 유사하게 신호 특성이 개선될 수 있다.
도 9a은 본 발명의 일 실시예에 따른 ToF 기반의 3D 이미지 센서의 2-탭 픽셀에 대한 평면도이고, 도 9b는 도 9a의 2-탭 픽셀에 대응하는 등가 회로도이다. 도 1a 내지 도 8c의 설명 부분에서 이미 설명한 내용은 간단히 설명하거나 생략한다.
도 9a 및 도 9b를 참조하면, 본 실시예의 ToF 기반의 3D 이미지 센서(1100f)는, 픽셀(100f)이 다중-탭 픽셀 구조에 해당하는 2-탭 픽셀 구조를 가질 수 있다. 픽셀(100f)이 2-탭 픽셀 구조를 가짐으로써, 3D 이미지 센서(1100f)는 대상체에 대한 비교적 빠른 깊이 센싱을 할 수 있다. 또한, 본 실시예의 3D 이미지 센서(1100f)는, 광 조사부(도 12의 1200 참조)의 광 버스트 변조 방식에 대응하여, 글로벌 셔터방식을 채용하고, 오버플로우 전하를 배출하여 제거하기 위한 오버플로우 게이트(180, OG)를 포함할 수 있다. 한편, 본 실시예의 3D 이미지 센서(1100f)는 광 버스트 변조 방식에 한정되지 않고, 일반적인 광 변조 방식에도 적용될 수 있다.
본 실시예의 3D 이미지 센서(1100f)에서, 픽셀(100f)은 2개의 탭에 대응하는 서브 픽셀들(TA, TB)을 포함할 수 있다. 서브 픽셀들(TA, TB) 각각은 전하를 생성하는 포토게이트(110), 저장 및 전송용 게이트들(120 ~ 170), 및 오버플로우 게이트(180)를 포함할 수 있다. 저장 및 전송용 게이트들(130 ~ 170)은, 예컨대, 스토리지 게이트(130), 트랜스퍼 게이트(140), 리셋 게이트(150), 소스 팔로워 게이트(160), 및 선택 게이트(170)를 포함할 수 있다.
스토리지 게이트(130)는 도 1a의 3D 이미지 센서(1100)에 대해 설명한 바와 같다. 또한, 도 3 내지 도 4b의 설명 부분에서 설명한 바와 같이, 전하 저장 구조는 스토리지 게이트(130)에 한하지 않고, 스토리지 다이오드(SD) 구조, 또는 스토리지 게이트(130)와 스토리지 다이오드(SD)가 복합된 구조 등으로 형성될 수 있다. 한편, 스토리지 게이트(130)와 스토리지 다이오드(SD)가 복합된 구조로 형성된 경우, 탭 트랜스퍼 게이트는 생략될 수 있다. 도 9a 및 도 9b에서 탭 트랜스터 게이트가 생략된 구조가 도시되고 있는바, 스토리지 게이트(130) 하부에 스토리지 다이오드(SD)가 형성된 것으로 예측할 수 있다.
이하에서, 제1 서브 픽셀(TA)에 포함된 게이트들의 참조번호에는 '1'이, 그리고 제2 서브 픽셀(TB)에 포함된 게이트들의 참조 번호에는 '2'가 붙을 수 있다. 예컨대, 제1 서브 픽셀(TA)은 제1 포토게이트(110-1), 제1 스토리지 게이트(130-1), 제1 트랜스퍼 게이트(140-1), 제1 리셋 게이트(150-1), 제1 소스 팔로워 게이트(160-1), 제1 선택 게이트(170-1), 및 제1 오버플로우 게이트(180-1)를 포함할 수 있다.
본 실시예의 ToF 기반의 3D 이미지 센서(1100f)에서, 픽셀(100f)은 서브 픽셀들(TA, TB)이 x-y 평면에서 대칭을 이루는 구조를 가질 수 있다. 구체적으로 설명하면, x-y 평면이 y축을 통해 2개의 영역으로 나누어진다고 할 때, 도 9a에 도시된 바와 같이, 제1 서브 픽셀(TA)은 왼쪽 영역에, 그리고 제2 서브 픽셀(TB)은 오른쪽 영역에 배치되고, y축에 대하여 대칭 구조를 가질 수 있다.
예컨대, 제1 서브 픽셀(TA)이 0°와 90° 위상의 탭에 대응한다고 할 때, 제2 서브 픽셀(TB)은 180°와 270° 위상의 탭에 대응하며, 제1 서브 픽셀(TA)과 제2 서브 픽셀(TB) 각각에 포함된 게이트들은 x-y 평면의 y축에 대하여 대칭을 이룰 수 있다. 구체적으로, 제1 포토게이트(110-1)와 제2 포토게이트(110-2)는 왼쪽 영역과 오른쪽 영역에 y축에 인접하여 배치될 수 있다. 제1 스토리지 게이트(130-1)와 제2 스토리지 게이트(130-2)는 왼쪽 영역과 오른쪽 영역의 외곽으로 제1 포토게이트(110-1)와 제2 포토게이트(110-2)에 인접하여 배치될 수 있다. 제1 트랜스퍼 게이트(140-1)와 제1 리셋 게이트(150-1)가 왼쪽 영역의 상부에 x 방향을 따라 배치되고, 제2 트랜스퍼 게이트(140-2)와 제2 리셋 게이트(150-2)가 오른쪽 영역의 상부에 x 방향을 따라 배치될 수 있다. 제1 선택 게이트(170-1)와 제1 소스 팔로워 게이트(160-1)가 왼쪽 영역의 하부에 y 방향을 따라 배치되고, 제2 선택 게이트(170-2)와 제2 소스 팔로워 게이트(160-2)가 오른쪽 영역의 하부에 y 방향을 따라 배치될 수 있다. 한편, 제1 오버플로우 게이트(180-1)는 왼쪽 영역과 오른쪽 영역의 사이의 포토게이트(110)의 외부의 상부에 배치되고, 제2 오버플로우 게이트(180-2)는 왼쪽 영역과 오른쪽 영역의 사이의 포토게이트(110)의 외부의 하부에 배치될 수 있다. 결과적으로, 제1 서브 픽셀(TA)의 게이트들은 제2 서브 픽셀(TB)의 게이트들과 x-y 평면의 y축에 대하여 정확히 대칭을 이룰 수 있다.
본 실시예의 3D 이미지 센서(1100f)는, 픽셀(100f)이 2-탭 픽셀 구조와 오버플로우 게이트(180)를 포함함으로써, 광 버스트 변조 방식을 채용하여 외부 광의 영향을 최소로 하고, 또한 복조 동작 시간을 최소화할 수 있다. 또한, 본 실시예의 3D 이미지 센서(1100f)는, 픽셀(100f)의 포토게이트(110), 저장 및 전송용 게이트들(130 ~ 170), 및 오버플로우 게이트(180)가 대칭 구조로 형성되어 탭 대칭이 구현됨으로써, 신호의 왜곡이나 변형이 없는 우수한 신호 전달 특성이 구현될 수 있다. 더 나아가, 본 실시예의 3D 이미지 센서(1100f)는, 포토게이트(110)와 트랜스퍼 게이트(140) 사이에 전하 저장 구조를 포함함으로써, 판독 노이즈를 최소화할 수 있다.
도 10a 내지 도 10c는 일 실시예에 따른 ToF 기반의 3D 이미지 센서의 2-탭 픽셀에 대한 평면도들이다. 도 1a 내지 도 9b의 설명 부분에서 이미 설명한 내용은 간단히 설명하거나 생략한다.
도 10a를 참조하면, 본 실시예의 3D 이미지 센서(1100g)는, 픽셀(100g)에 오버플로우 게이트(180c)가 x-y 평면의 중심 부분에 배치된다는 점에서, 도 9a의 3D 이미지 센서(1100f)와 다를 수 있다. 예컨대, 본 실시예의 3D 이미지 센서(1100g)에서, 2개의 탭에 대응하는 서브 픽셀들(TA, TB)은 y축에 의해 구분되는 x-y 평면의 2개의 영역 상에 배치될 수 있다. 또한, 서브 픽셀들(TA, TB) 각각에 포함된 포토게이트(110)와 저장 및 전송용 게이트들(130 ~ 170)은 x-y 평면의 y축에 대하여 대칭 구조로 배치될 수 있다.
한편, 본 실시예의 3D 이미지 센서(1100g)에서, 오버플로우 게이트(180c)는 픽셀(100f)의 중심, 즉 x-y 평면의 중심에 배치될 수 있다. 그에 따라, 오버플로우 게이트(180c)는 2개의 포토게이트(110-1, 110-2)에 의해 둘러싸인 구조로 배치될 수 있다. 도 10a에서, 오버플로우 게이트(180c)가 점선에 의해 2개의 부분으로 구분되어 있다. 그러나 이는 오버플로우 게이트(180c)가 대칭적으로 2개 배치된다는 의미가 아니고, 하나의 오버플로우 게이트(180c)가 y축에 대하여 대칭 구조를 가짐을 표시한 것일 수 있다. 실제로 오버플로우 게이트(180c)는 x-y 평면의 중심 부분에 하나가 형성되고, y축에 대하여 대칭이 되도록 게이트 전극의 구조가 기판 상에 형성될 수 있다.
도 10b를 참조하면, 본 실시예의 3D 이미지 센서(1100h)는, 픽셀(100h)이 중앙 부분에 배치된 미들 포토게이트(115m)를 더 포함한다는 측면에서, 도 9a의 3D 이미지 센서(1100f)와 다를 수 있다. 구체적으로, 본 실시예의 3D 이미지 센서(1100h)에서, 픽셀(100h) 내에 포토게이트(110), 저장 및 전송용 게이트(130 ~ 170), 및 오버플로우 게이트(180)는 도 9a의 3D 이미지 센서(1100f)에서와 유사한 구조로 배치될 수 있다. 그러나 도 9a의 3D 이미지 센서(1100f)에서와는 달리, 픽셀(100h)의 중앙 부분에 미들 포토게이트(115m)가 2개의 포토게이트(110-1, 110-2) 사이에 배치될 수 있다.
미들 포토게이트(115m)에는 포토게이트(110)에 인가되는 고전압과 저전압 사이의 중간 레벨의 전압이 인가될 수 있다. 이러한 미들 포토게이트(115m)에 의한 효과는 도 7a의 3D 이미지 센서(1100c)에서 설명한 바와 같다. 한편, 도시하지는 않았지만, 미들 포토게이트(115m) 대신에 로우 포토게이트 또는 하이 포토게이트가 배치될 수도 있다. 로우 포토게이트의 경우는 하부에 n형 도핑 영역이 형성되고 저전압이 인가될 수 있다. 하이 포토게이트의 경우는 하부에 p형 도핑 영역이 형성되고 고전압이 인가될 수 있다. 로우 포토게이트와 하이 포토게이트에 의한 효과는 도 8a의 이미지 센서(1100d or 1100e)에서 설명한 바와 같다.
도 10c를 참조하면, 본 실시예의 3D 이미지 센서(1100i)는, 픽셀(100i)이 2개의 미들 포토게이트(115m-1, 115m-2)를 포함하고, 포토게이트(110)가 삼각형 구조를 갖는다는 측면에서, 도 10b의 3D 이미지 센서(1100h)와 다를 수 있다. 구체적으로, 본 실시예의 3D 이미지 센서(1100i)에서, 2개의 포토게이트(110-1, 110-2)와 2개의 미들 포토게이트(115m-1, 115m-2)는 삼각형 구조를 가지고 x-y 평면의 중심에 대하여 대칭 구조를 가질 수 있다. 한편, 저장 및 전송용 게이트들(130 ~ 170)과 오버플로우 게이트(180)는 y 축에 대하여 대칭 구조를 가질 수 있다. 한편, 오버플로우 게이트(180)는 제1 미들 포토게이트(115m-1)의 외부의 상부 쪽과 제2 미드 포토게이트(115m-2)의 외부의 하부 쪽에 하나씩 배치될 수 있다.
본 실시예의 3D 이미지 센서(1100i)는 중앙 부분에 배치된 미들 포토게이트(115m)와 포토게이트(110)를 중심에 대하여 대칭이 되도록 배치함으로써, 신호 특성을 보다 균일하게 할 수 있다. 한편, 미들 포토게이트(115m)에 의한 효과는 도 7a의 3D 이미지 센서(1100c)에서 설명한 바와 같다. 또한, 미들 포토게이트(115m)는 로우 포토게이트나 하이 포토게이트에 의해 대체될 수도 있고, 로우 포토게이트나 하이 포토게이트에 의한 효과는 도 8a의 이미지 센서(1100d or 1100e)에서 설명한 바와 같다.
도 11a은 본 발명의 일 실시예에 따른 ToF 기반의 3D 이미지 센서의 2-탭 픽셀에 대한 평면도이고, 도 11b는 도 11a의 2-탭 픽셀이 4개 인접하여 배치된 구조를 보여주는 평면도이고, 도 11c는 도 11b의 구조의 일부에 대한 등가 회로도이다. 도 1a 내지 도 10c의 설명 부분에서 이미 설명한 내용은 간단히 설명하거나 생략한다.
도 11a 내지 도 11c를 참조하면, 본 실시예의 3D 이미지 센서(1100j)는, 픽셀(100j)이 2개의 서브 픽셀(TA, TB)을 포함하되, 저장 및 전송용 게이트들 중 리셋 게이트(150-s), 소스 팔로워 게이트(160-s), 및 선택 게이트(170-s)는 2개의 픽셀(110b-I, 100b-Ⅱ)의 해당 서브 픽셀에 의해 공유되는 구조로 배치될 수 있다. 좀더 구체적으로 설명하면, 본 실시예의 3D 이미지 센서(1100j)에서, 픽셀(100j)의 서브 픽셀(TA, TB)과 그에 대응하는 포토게이트(110-1, 110-2), 스토리지 게이트(130-1, 130-2), 및 트랜스퍼 게이트(140-1, 140-2)는 y축에 대칭 구조로 x-y 평면에 배치될 수 있다. 또한, 본 실시예의 3D 이미지 센서(1100j)는, 도 10c의 3D 이미지 센서(1100j)와 유사하게 2개의 미들 포토게이트(115m-1, 115m-2)를 포함하여, 포토게이트(110-1, 110-2)와 미들 포토게이트(115m-1, 115m-2)가 중심에 대하여 대칭 구조를 가질 수 있다. 여기서, 탭 트랜스퍼 게이트가 생략되어 도시되어 있는데, 전술한 바와 같이, 탭 트랜스퍼 게이트는 픽셀(100j)에 포함될 수도 있고 포함되지 않을 수도 있다. 또한, 오버플로우 게이트(180)는 도 10c의 3D 이미지 센서(1100i)에서와 같이, 제1 미들 포토게이트(115m-1)의 외부의 상부 쪽과 제2 미드 포토게이트(115m-2)의 외부의 하부 쪽에 하나씩 배치될 수 있다. 그러나 오버플로우 게이트(180)는 이에 한정되지 않고, 도 5a의 3D 이미지 센서(1100a)에서의 픽셀(100a) 구조와 유사하게, 중심 부분에 포토게이트(110-1, 110-2)와 미들 포토게이트(115m-1, 115m-2)에 의해 둘러싸인 구조로 배치될 수도 있다. 한편, 포토게이트(110) 및/또는 미들 포토게이트(115m)는 도 9a, 도 10a 및 도 10b와 같은 구조로 배치될 수도 있다.
FD 영역(145s)은 트랜스퍼 게이트(140-2)의 오른쪽 부분에 배치되고, 리셋 게이트(150-s)는 y 방향으로 FD 영역(145s)의 하부 쪽에 배치될 수 있다. 또한, 소스 팔로워 게이트(160-s)와 선택 게이트(170-s)는 y 방향으로 리셋 게이트(150-s)의 하부 쪽에 x 방향을 따라 배치될 수 있다. 도 11a는 도시되지 않고 있지만, 도 11b를 통해 알 수 있듯이, 트랜스퍼 게이트(140-1)의 왼쪽 부분에도 FD 영역(145s), 리셋 게이트(150-s), 소스 팔로워 게이트(160-s), 및 선택 게이트(170-s)가 배치될 수 있다.
리셋 게이트(150-s), 소스 팔로워 게이트(160-s), 및 선택 게이트(170-s)는 서브 픽셀(TA, TB) 각각에 대응하여 하나씩 배치되는 것이 아니라, 2개의 픽셀의 해당 서브 픽셀에 의해 공유되도록 배치될 수 있다. 또한, FD 영역(145s)도 2개의 픽셀의 해당 서브 픽셀에 의해 공유되도록 배치될 수 있다. 구체적으로, 도 11b 및 도 11c를 통해 알 수 있듯이, 중심의 FD 영역(145s)은 2개의 픽셀(100j-I, 100j-Ⅱ)의 서브 픽셀(TB, TA)에 의해 공유될 수 있다. 또한, FD 영역(145s)을 공유하는 서브 픽셀(TB, TA)은 동일 위상의 탭에 대응할 수 있다.
한편, FD 영역(145s)의 아래쪽에 배치된 리셋 게이트(150-s)가 FD 영역(145s)과 연결되어 서브 픽셀(TB, TA)에 의해 공유되고, 리셋 게이트(150-s)의 아래쪽에 배치된 소스 팔로워 게이트(160-s)와 선택 게이트(170-s)가 서브 픽셀(TB, TA)에 의해 공유될 수 있다. 실시예에 따라, 서브 픽셀(TB, TA)에 의해 공유되는 리셋 게이트(150-s), 소스 팔로워 게이트(160-s), 및 선택 게이트(170-s)의 위치는 달라질 수 있다. 예컨대, FD 영역(145s)을 기준으로 위쪽으로 리셋 게이트(150-s), 소스 팔로워 게이트(160-s), 및 선택 게이트(170-s)이 배치되어 서브 픽셀(TB, TA)에 의해 공유될 수도 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 이미지 센서를 구비한 전자 장치에 대한 개략적인 구성도이다. 도 1 내지 도 11c의 설명 부분에서 이미 설명한 내용은 간단히 설명하거나 생략한다.
도 12를 참조하면, 본 실시예의 전자 장치(1000)는 3D 이미지 센서(1100), 광 조사부(1200), 렌즈(1300), 제어부(1400), 및 신호 처리부(1500)를 포함할 수 있다. 3D 이미지 센서(1100)는, 예컨대, 도 1a의 3D 이미지 센서(1100)일 수 있다. 그러나 그에 한하지 않고, 도 2a, 도 3, 도 4a, 도 5a, 도 6a, 도 7a, 도 8a, 도 9a, 도 10a, 및 도 11a의 3D 이미지 센서(1100a ~ 1100j)가 전자 장치(1000)에 채용될 수 있음은 물론이다.
광 조사부(1200)는 광을 생성하여 대상체(201)로 조사할 수 있다. 광 조사부(1200)는, 예컨대, 적외선, 근적외선(Near Infra-Red: NIR), 자외선(UV), 가시광선 등을 생성하여 대상체(201)로 조사할 수 있다. 광 조사부(1200)는 LED 어레이, 또는 레이저(LASER) 장치 등으로 구현될 수 있다. 전술한 바와 같이, 광 조사부(1200)는 광 버스트 변조 방식으로 변조된 광(Li)을 대상체(201)에 조사할 수 있다.
렌즈(1300)는 대상체(201)에서 반사된 광(Lr)을 집광하여 3D 이미지 센서(1100)로 전달할 수 있다. 제어부(1400)는 3D 이미지 센서(1100), 광 조사부(1200), 신호 처리부(1500)를 전반적으로 제어할 수 있다. 신호 처리부(1500)는 3D 이미지 센서(1100)에서 생성한 전하를 ToF 방식에 따라 서로 다른 위상에서 측정한 전하량에 기초하여, 신호 처리 모듈을 통해 대상체에 대한 깊이 영상, 즉 3D 영상을 생성할 수 있다.
지금까지, 본 발명을 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
1000: 전자 장치, 1100, 1100I, 1100Ⅱ, 1100Ⅲ, 1100a ~ 1100j: 3D 이미지 센서, 100, 100I, 100Ⅱ, 100Ⅲ, 100a ~ 100j: 픽셀, 110: 포토게이트, 115m: 미들 포토게이트, 115l: 로우 포토게이트, 115h: 하이 포토게이트, 120: 탭 트랜스퍼 게이트, 130: 스토리지 게이트, 140: 트랜스퍼 게이트, 145, 145s: FD 영역, 150: 리셋 게이트, 160: 소스 팔로워 게이트, 170: 선택 게이트, 180, 180c: 오버플로우 게이트, 190; 포토다이오드, 1200: 광 조사부, 1300: 렌즈, 1400: 제어부, 1500: 신호 처리부

Claims (20)

  1. 픽셀의 중심 부분에 대칭 구조로 배치된 적어도 2개의 제1 포토게이트(photogate);
    상기 제1 포토게이트에서 생성된 오버플로우 전하(overflow charge)를 제거하고, 상기 픽셀의 외곽 부분에 대칭 구조로 배치된 적어도 2개의 제1 게이트; 및
    상기 제1 포토게이트에서 생성된 전하를 저장 및 전송하는 복수 개의 게이트를 구비하고, 상기 픽셀의 외곽 부분에 배치된 게이트 그룹;을 포함하고,
    상기 제1 포토게이트와 플로팅 디퓨젼(Floating Diffusion: FD) 영역 사이에 전하 저장 구조가 배치된 것을 특징으로 하는, ToF(Time of Flight) 기반의 3D(dimension) 이미지 센서.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 픽셀은 상기 제1 포토게이트를 2개 구비한 2-탭 픽셀 구조, 또는 상기 제1 포토게이트를 4개 구비한 4-탭 픽셀 구조를 가지며,
    상기 2-탭 픽셀 구조의 경우, 2개의 상기 제1 포토게이트와 2개의 상기 제1 게이트는 상기 픽셀의 중심을 지나는 직선에 대하여 대칭 구조를 가지며,
    상기 4-탭 픽셀 구조의 경우, 4개의 상기 제1 포토게이트와 4개의 상기 제1 게이트는 상기 픽셀의 중심에 대하여 대칭 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 3D 이미지 센서.
  3. 삭제
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 전하 저장 구조는 스토리지 다이오드 구조, 스토리지 게이트 구조, 및 스토리지 다이오드와 스토리지 게이트의 복합 구조 중 어느 하나의 구조를 가지며,
    상기 복합 구조는 상기 스토리지 게이트의 하부에 상기 스토리지 다이오드가 형성된 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 3D 이미지 센서.
  5. 제1 항에 있어서,
    2개의 상기 제1 포토게이트 사이의 상기 픽셀의 중심 부분에 배치된 제2 포토게이트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 이미지 센서.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 제2 포토게이트에 상기 제1 포토게이트에 인가되는 고전압과 저전압 사이의 중간 전압이 인가되거나, 또는
    상기 제2 포토게이트의 하부에 n형 또는 p형 도핑이 되고, 상기 제2 포토게이트에 상기 저전압 또는 상기 고전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 3D 이미지 센서.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 픽셀은 상기 제1 포토게이트를 4개 구비한 4-탭 픽셀 구조를 가지며,
    4개의 상기 제1 포토게이트는, x축과 y축을 통해 구분되는 4개의 사분면에 나누어 배치되고,
    상기 제1 게이트는, 상기 제1 포토게이트 외부로 2개의 상기 사분면 사이에 하나씩 4개 배치된 것을 특징으로 하는 3D 이미지 센서.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 픽셀은 상기 제1 포토게이트를 2개 구비한 2-탭 픽셀 구조를 가지며,
    2개의 상기 제1 포토게이트는 상기 픽셀의 중심을 지나는 직선에 대하여 양쪽에 나누어 배치되고,
    상기 제1 게이트는, 2개의 상기 제1 포토게이트 사이에 상기 직선 방향으로 상기 픽셀의 상부와 하부에 2개 배치된 것을 특징으로 하는 3D 이미지 센서.
  9. 제8 항에 있어서,
    2개의 상기 제1 포토게이트 사이의 상기 픽셀의 중심 부분에 배치된 적어도 하나의 제2 포토게이트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 이미지 센서.
  10. 픽셀의 중심 부분에 대칭 구조로 배치된 적어도 2개의 포토게이트;
    상기 포토게이트에서 생성된 오버플로우 전하를 제거하고, 상기 포토게이트에 의해 둘러싸인 구조로 상기 픽셀의 중심 부분에 대칭 구조로 배치된 제1 게이트; 및
    상기 포토게이트에서 생성된 전하를 저장 및 전송하는 복수 개의 게이트를 구비하고, 상기 픽셀의 외곽 부분에 배치된 게이트 그룹;을 포함하고,
    상기 포토게이트와 플로팅 디퓨젼(FD) 영역 사이에 전하 저장 구조가 배치된 것을 특징으로 하는, ToF 기반의 3D 이미지 센서.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 픽셀은 상기 포토게이트를 4개 구비한 4-탭 픽셀 구조를 가지며,
    4개의 상기 포토게이트는, x축과 y축을 통해 구분되는 4개의 사분면에 나누어 배치되고,
    상기 제1 게이트는, 4개의 상기 포토게이트에 의해 둘러싸인 구조로 상기 픽셀의 중심에 배치되며,
    상기 게이트 그룹은 대응하는 상기 포토게이트가 배치된 사분면 내에 배치되거나, 또는 4개의 상기 픽셀이 둘러싸는 상기 FD 영역에 인접하는 4개의 상기 픽셀의 상기 포토게이트가 공유하도록 배치된 것을 특징으로 하는 3D 이미지 센서.
  12. 제10 항에 있어서,
    상기 픽셀은 상기 포토게이트를 2개 구비한 2-탭 픽셀 구조를 가지며,
    2개의 상기 포토게이트는 상기 픽셀의 중심을 지나는 직선에 대하여 양쪽에 나누어 배치되고,
    상기 제1 게이트는, 2개의 상기 포토게이트에 의해 둘러싸인 구조로 상기 픽셀의 중심에 배치되며,
    상기 게이트 그룹은 대응하는 상기 포토게이트에 인접하여 배치되거나, 또는 2개의 상기 픽셀의 사이에 배치된 상기 FD 영역의 주변에 배치되되, 상기 FD 영역에 인접하는 2개의 상기 픽셀의 상기 포토게이트가 공유하도록 배치된 것을 특징으로 하는 3D 이미지 센서.
  13. 픽셀의 중심 부분에 대칭 구조로 배치된 적어도 2개의 제1 포토게이트;
    상기 제1 포토게이트에서 생성된 오버플로우 전하를 배출하고, 상기 픽셀의 중심 부분 또는 외곽 부분에 대칭 구조로 배치된 제1 게이트; 및
    상기 제1 포토게이트에서 생성된 전하를 저장 및 전송하는 복수 개의 게이트를 구비하고, 상기 픽셀의 외곽 부분에 배치된 게이트 그룹;을 포함하고,
    상기 제1 포토게이트와 플로팅 디퓨젼(FD) 영역 사이에 전하 저장 구조가 배치된 것을 특징으로 하는, ToF 기반의 3D 이미지 센서.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 제1 게이트는 상기 픽셀의 중앙 부분에 1개 배치되거나, 또는 상기 픽셀의 외곽 부분에 적어도 2개 배치된 것을 특징으로 하는 3D 이미지 센서.
  15. 제13 항에 있어서,
    상기 픽셀은 상기 제1 포토게이트를 2개 구비한 2-탭 픽셀 구조를 가지며,
    상기 제1 게이트는, 2개의 상기 제1 포토게이트 사이에 상기 픽셀의 외곽 부분에 2개 배치되거나, 또는 2개의 상기 제1 포토게이트에 의해 둘러싸인 구조로 상기 픽셀의 중심에 배치되며,
    상기 제1 게이트가 상기 픽셀의 외곽 부분에 배치된 구조의 경우,
    2개의 상기 제1 포토게이트 사이의 상기 픽셀의 중심 부분에 배치된 적어도 하나의 제2 포토게이트를 선택적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 이미지 센서.
  16. 제13 항에 있어서,
    상기 픽셀은 상기 제1 포토게이트를 4개 구비한 4-탭 픽셀 구조를 가지며,
    4개의 상기 제1 포토게이트는, x축과 y축을 통해 구분되는 4개의 사분면에 나누어 배치되고,
    상기 제1 게이트는, 상기 픽셀의 외곽 부분에 2개의 상기 사분면 사이에 하나씩 4개 배치되거나, 또는 4개의 상기 제1 포토게이트에 의해 둘러싸인 구조로 상기 픽셀의 중심에 배치되며,
    상기 제1 게이트가 상기 픽셀의 외곽 부분에 배치된 구조의 경우,
    2개의 상기 제1 포토게이트 사이의 상기 픽셀의 중심 부분에 배치된 제2 포토게이트를 선택적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 이미지 센서.
  17. 광을 생성하여 대상체로 조사하는 광 조사부;
    상기 대상체로부터 반사된 광을 수광하여 전하를 생성하는 3D 이미지 센서; 및
    상기 3D 이미지 센서로부터 전하를 ToF 방식으로 처리하여 깊이 영상을 생성하는 신호 처리부;를 포함하고,
    상기 3D 이미지 센서는,
    픽셀의 중심 부분에 대칭 구조로 배치된 적어도 2개의 제1 포토게이트,
    상기 제1 포토게이트에서 생성된 오버플로우 전하를 배출하고, 상기 픽셀의 중심 부분 또는 외곽 부분에 대칭 구조로 배치된 제1 게이트, 및
    상기 제1 포토게이트에서 생성된 전하를 저장 및 전송하는 복수 개의 게이트를 구비하고, 상기 픽셀의 외곽 부분에 배치된 게이트 그룹을 포함하고,
    상기 제1 포토게이트와 플로팅 디퓨젼(FD) 영역 사이에 전하 저장 구조가 배치된 것을 특징으로 하는, 전자 장치.
  18. 제17 항에 있어서,
    상기 픽셀은 상기 제1 포토게이트를 2개 구비한 2-탭 픽셀 구조, 또는 상기 제1 포토게이트를 4개 구비한 4-탭 픽셀 구조를 가지며,
    상기 제1 게이트는 상기 픽셀의 중앙 부분에 1개 배치되거나, 또는 상기 픽셀의 외곽 부분에 적어도 2개 배치되며,
    상기 2-탭 픽셀 구조의 경우, 2개의 상기 제1 포토게이트는 상기 픽셀의 중심을 지나는 직선에 대하여 대칭 구조를 가지며,
    상기 4-탭 픽셀 구조의 경우, 4개의 상기 제1 포토게이트는 상기 픽셀의 중심에 대하여 대칭 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 전자 장치.
  19. 제17 항에 있어서,
    상기 제1 게이트는 상기 픽셀의 외곽 부분에 배치되고,
    2개의 상기 제1 포토게이트 사이의 상기 픽셀의 중심 부분에 배치된 적어도 하나의 제2 포토게이트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 장치.
  20. 제17 항에 있어서,
    상기 게이트 그룹은 대응하는 상기 제1 포토게이트에 인접하여 배치되거나, 또는 적어도 2개의 상기 픽셀이 둘러싸는 상기 FD 영역에 인접하는 적어도 2개의 상기 픽셀의 상기 제1 포토게이트가 공유하도록 배치된 것을 특징으로 하는 전자 장치.
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