JP6551732B2 - 横型フォトダイオード、及びそれを含むイメージセンサ、並びにフォトダイオード及びイメージセンサの製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基盤のフォトダイオード、それを含むイメージセンサ、並びにフォトダイオード及びイメージセンサの製造方法に関する。
イメージセンサは、光学像（ｏｐｔｉｃａｌ ｉｍａｇｅ）を電気的信号に変換させる半導体素子であり、カメラ、動作認識カメラ、タッチパネルなど多様な分野に使用されている。
イメージセンサは、光を感知し、それを電気的信号に変換する受光素子と、電気的信号を処理してデータ化する読み取り回路（ｒｅａｄｏｕｔ ｃｉｒｃｕｉｔ）と、を含む。
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基盤のフォトダイオードは、イメージセンサの受光素子として使用され、また読み取り回路は、シリコン基盤のＲＯＩＣ（ｒｅａｄｏｕｔ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）形態が用いられる。
このようなシリコン基盤の読み取り回路と、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基盤のフォトダイオードとを含むイメージセンサを具現するために、ハイブリッド構造またはモノリシック（ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ）構造が使用される。
ハイブリッド構造は、フォトダイオードと読み取り回路とを、互いに異なるウェーハに形成して接合する方法を使用する。従って、製造工程の段階が多くて複雑であり、フォトダイオードと読み取り回路とを整列する困難さがある。
モノリシック構造は、１つのウェーハに、領域を分け、フォトダイオードと読み取り回路とを形成する。解像度が高くなるにつれ、画素サイズが小さくなり、従って、画素内の受光領域も狭くなる。さらに、読み取り回路の大きさを小さくするには限界があるために、画素サイズが小さくなるにつれ、画素内で受光領域が占める比率が徐々に低くなる。従って、高い解像度の高画質を具現するためには、画素内で受光領域を広げる方案の模索が必要である。
本発明が解決しようとする課題は、単位画素内で、受光領域の比率を高めることができるイメージセンサ、その製造方法を提供することである。
上記課題を解決するために、本発明の一類型による横型フォトダイオードは、基板と、前記基板上に形成された絶縁マスク層と、前記絶縁マスク層の一面に接触し、前記一面と平行な方向に沿って順次配置された第１型半導体層、活性層、第２型半導体層と、を含む。
前記基板は、シリコン基板を含んでもよい。
前記絶縁マスク層は、酸化物または窒化物から形成されてもよい。
前記絶縁マスク層には、貫通ホールが形成されてもよい。
前記第１型半導体層及び前記第２型半導体層のうちいずれか１つは、前記貫通ホールの内部から、前記絶縁マスク層上の領域に延長された形態を有することができる。
前記基板と前記絶縁マスク層との間には、シード層がさらに形成されてもよい。
前記第１型半導体層、前記活性層、前記第２型半導体層は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体物質から形成されてもよい。
また、上記課題を解決するために、本発明の一類型によるイメージセンサは、シリコン基板と、前記シリコン基板上に形成された読み取り回路部と、前記読み取り回路部を覆い、少なくとも１つの貫通ホールが形成された絶縁マスク層と、前記貫通ホールから成長され、前記絶縁マスク層の一面に沿って延設された第１型半導体層と、前記第１型半導体層に接する活性層と、前記活性層に接する第２型半導体層と、を含む。
前記第１型半導体層、前記活性層、前記第２型半導体層は、前記絶縁マスク層の一面と接触し、前記一面と平行な方向に沿って順次配置されてもよい。
前記活性層は、前記第１型半導体層の側面を取り囲む形態に形成され、前記第２型半導体層は、前記活性層の側面を取り囲む形態に形成されてもよい。
前記活性層は、前記第１型半導体層の互いに対向する両側面から、互いに反対である２方向に沿ってそれぞれ配置された２領域からなり、前記第２型半導体層は、前記活性層の２領域の両端から、前記互いに反対である２方向に沿ってそれぞれ配置された２領域から形成されてもよい。
前記活性層、前記第２型半導体層は、前記第１型半導体層上に、前記絶縁マスク層の一面と垂直である方向に順次積層されてもよい。
前記絶縁マスク層は、酸化物または窒化物から形成されてもよい。
前記貫通ホール内に、シード層が形成されてもよい。
前記読み取り回路部と前記活性層とをそれぞれ前記基板面に投影するとき、投影された領域が互いにオーバーラップされる。
前記第１型半導体層、前記活性層、前記第２型半導体層は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体物質から形成されてもよい。
また、前記課題を解決するために本発明の一類型による横型フォトダイオードの製造方法は、基板上に、貫通ホールが形成された絶縁マスク層を形成する段階と、エピタキシャル横方向成長（ＥＬＯＧ：ｅｐｉｔａｘｉａｌ ｌａｔｅｒａｌ ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）法を使用し、前記貫通ホール内部から、前記絶縁マスク層上の一面に沿って延長されるように、第１型半導体層を成長させる段階と、ＥＬＯＧ法を使用して、前記第１型半導体層の側面から、前記絶縁マスク層上の一面と平行な方向に沿って活性層を成長させる段階と、ＥＬＯＧ法を使用して、前記活性層の側面から、前記絶縁マスク層上の一面と平行な方向に沿って、第２型半導体層を成長させる段階と、を含む。
前記製造方法は、前記第１型半導体層、前記活性層、前記第２型半導体層の対面が互いに同一面をなすように平坦化される段階と、をさらに含んでもよい。
前記製造方法は、前記絶縁マスク層を形成する前に、前記基板上にシード層を形成する段階をさらに含んでもよい。
また、前記課題を解決するために本発明の一類型によるイメージセンサの製造方法は、読み取り回路部が形成されたシリコン基板を準備する段階と、前記シリコン基板の一面を露出する貫通ホールが形成され、前記読み取り回路部を覆う絶縁マスク層を形成する段階と、エピタキシャル横方向成長（ＥＬＯＧ）法を使用し、前記貫通ホール内部から、前記絶縁マスク層上の一面に沿って延長されるように、第１型半導体層を成長させる段階と、前記第１型半導体層に接する活性層を形成する段階と、前記活性層に接する第２型半導体層を形成する段階と、を含む。
前記活性層を形成する段階は、ＥＬＯＧ法を使用して、前記第１型半導体層の側面から、前記絶縁マスク層上の一面と平行な方向に沿って活性層を成長させる段階でもあり、前記第２型半導体層を形成する段階は、ＥＬＯＧ法を使用して、前記活性層の側面から、前記絶縁マスク層上の一面と平行な方向に沿って、第２型半導体層を成長させる段階でもある。
前記活性層、前記第２型半導体層を形成するとき、横方向成長の方向を、前記第１型半導体層の側面から放射形にすることができる。
前記活性層、前記第２型半導体層を形成するとき、横方向成長の方向を、前記第１型半導体層の側面から互いに反対である２方向とすることができる。
前記製造方法は、前記第１型半導体層、前記活性層、前記第２型半導体層の上面が、互いに同一平面をなすように平坦化される段階をさらに含んでもよい。
前記製造方法は、平坦化された、前記第１型半導体層、前記活性層、前記第２型半導体層を覆うパッシベーション層を形成する段階をさらに含んでもよい。
前記製造方法は、前記第１型半導体層、前記第２型半導体層の領域の一部が露出されるように、前記パッシベーション層に貫通ホールを形成し、前記貫通ホールを介して、前記第１型半導体層、前記第２型半導体層とそれぞれ接する、第１コンタクト層、第２コンタクト層を形成する段階をさらに含んでもよい。
前記製造方法で、前記活性層と前記第２型半導体層は、前記第１型半導体層上に、前記絶縁マスク層上の一面に垂直である方向に沿って順次形成されてもよい。
本発明のイメージセンサは、読み取り回路部及びフォトダイオードが基板面上に順次積層された構造を有し、それによって、広い受光領域が具現される。
本発明のイメージセンサ製造方法によれば、横方向成長法を使用して、絶縁層上に、半導体物質を横方向に形成することができるので、画素内に受光領域が占める面積が広いイメージセンサが製造される。
実施例による横型フォトダイオードの概略的な構造を示す断面図である。 図１の横型フォトダイオードの製造に使用される横方向成長法、及びそれによって、欠陥の少ない薄膜が形成されるということについて説明する概念図である。 実施例によるイメージセンサの概略的な構造を示す断面図である。 実施例によるイメージセンサにおいて、１つの画素内でのフォトダイオード、読み取り回路部の配置関係を示した平面図である。 比較例によるイメージセンサにおいて、１つの画素内でのフォトダイオード、読み取り回路部の配置関係を示した平面図である。 比較例によるイメージセンサに採用された縦方向型フォトダイオードの形状を示す図面である。 実施例及び比較例によるイメージセンサが具現することができる最小画素サイズについて説明するためのグラフである。 実施例及び比較例によるイメージセンサにおいて、波長による光電流の大きさを比較して示したグラフである。 実施例及び比較例によるイメージセンサにおいて、波長による反応性を比較して示したグラフである。 実施例によるイメージセンサで採用することができるフォトダイオードの具体的な形態を例示的に示す図面である。 実施例によるイメージセンサで採用することができるフォトダイオードの具体的な形態を例示的に示す図面である。 実施例によるイメージセンサで採用することができるフォトダイオードの具体的な形態を例示的に示す図面である。 実施例によるイメージセンサで採用することができるフォトダイオードの具体的な形態を例示的に示す図面である。 実施例によるフォトダイオードの製造方法について説明する図面である。 実施例によるフォトダイオードの製造方法について説明する図面である。 実施例によるフォトダイオードの製造方法について説明する図面である。 実施例によるフォトダイオードの製造方法について説明する図面である。 実施例によるフォトダイオードの製造方法について説明する図面である。 実施例によるフォトダイオードの製造方法について説明する図面である。 実施例によるフォトダイオードの製造方法について説明する図面である。 実施例によるフォトダイオードの製造方法について説明する図面である。 実施例によるイメージセンサ製造方法について説明する図面である。 実施例によるイメージセンサ製造方法について説明する図面である。 実施例によるイメージセンサ製造方法について説明する図面である。 実施例によるイメージセンサ製造方法について説明する図面である。 実施例によるイメージセンサ製造方法について説明する図面である。 実施例によるイメージセンサ製造方法について説明する図面である。 実施例によるイメージセンサ製造方法について説明する図面である。 実施例によるイメージセンサ製造方法について説明する図面である。 他の実施例によるイメージセンサの概略的な構造を示す断面図である。 図１５のイメージセンサ製造方法について説明する図面である。 図１５のイメージセンサ製造方法について説明する図面である。 図１５のイメージセンサ製造方法について説明する図面である。 図１５のイメージセンサ製造方法について説明する図面である。 図１５のイメージセンサ製造方法について説明する図面である。 図１５のイメージセンサ製造方法について説明する図面である。
本発明は，多様な変換を加えることができ，さまざまな実施例を有することができるが、特定の実施例を図面に例示して、以下で詳細に説明する。本発明の効果、特徴、及びそれらを達成する方法は、図面と共に詳細に後述する実施例を参照すれば、明確になるであろう。しかし、本発明は、以下で開示される実施例（実施形態）に限定されるものではなく、多様な形態に具現されてもよい。
以下、添付された図面を参照し、本発明の実施例について詳細に説明するが、図面を参照して説明するとき、同一あるいは対応する構成要素は、同一の図面符号を付し、それに係わる重複した説明は省略する。
以下の実施例において、第１、第２のような用語は、限定的な意味ではなく、１つの構成要素を他の構成要素と区別する目的で使用される。
以下の実施例において、単数の表現は、文脈上明白に、それとは異なる意味に使用されない限り、複数の表現を含む。
以下の実施例において、「含む」または「有する」というような用語は、明細書上に記載された特徴または構成要素が存在するということを意味するものであり、一つ以上の他の特徴または構成要素を付加する可能性をあらかじめ排除するものではない。
以下の実施例において、膜、領域、構成要素のような部分が、他の部分の上または上部にあるとするとき、他の部分のすぐ上にある場合だけではなく、その中間に、他の膜、領域、構成要素などが介在されている場合も含む。
図面では、説明の便宜のために、構成要素の大きさが誇張または縮小されていることがある。例えば、図面で示された各構成の大きさ及び厚さは、説明の便宜のために任意に示されたものであり、本発明は、必ずしも図示されたものに限定されるものではない。
ある実施例が異なる方法により具現可能である場合、所定の工程の順序は、説明される順序と異なってもよい。例えば、連続して説明される２工程が実質的に同時に遂行されてもよく、説明される順序と逆の順序で進められてもよい。
図１は、実施例による横型フォトダイオード１００の概略的な構造を示す断面図である。
横型フォトダイオード１００は、基板１１０、基板１１０上に形成された絶縁マスク層１３０、絶縁マスク層１３０の一面上に横方向に配置された第１型半導体層１４０、活性層１５０、第２型半導体層１６０を含む。基板１１０と絶縁マスク層１３０との間には、シード層１２０がさらに配置されてもよい。
基板１１０は、多様な材質から形成され、例えば、半導体材料、ポリマー材料などによって形成されてもよい。前記半導体材料の例を挙げれば、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、ＧａＮなどを含み、前記ポリマー材料は、有機ポリマー及び無機ポリマーを含んでもよい。それ以外に、基板１１０は、石英（ｑｕａｒｔｚ）、ガラスなどから形成されてもよい。
シード層１２０は、その上に形成する半導体物質と同一または類似の系列の物質からなる。ただし、それは、選択的なものであり、基板１１０、第１型半導体層１４０の材質によって省略可能である。
絶縁マスク層１３０は、酸化物または窒化物から形成されてもよい。絶縁マスク層１３０には、貫通ホールＨが形成されており、シード層１２０の一部、またはシード層１２０が形成されていない場合には、基板１１０面の一部が貫通ホールＨによって露出される。
第１型半導体層１４０は、貫通ホールＨの内部から、絶縁マスク層１３０の上面に沿って延長された形態を有する。
活性層１５０は、第１型半導体層１４０の側面から、絶縁マスク層１３０の上面と平行な方向に沿って延設されている。
第２型半導体層１６０は、活性層１５０の側面から、絶縁マスク層１３０の上面と平行な方向に沿って延設されている。
第１型半導体層１４０、活性層１５０、第２型半導体層１６０は、半導体物質からなり、例えば、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から形成されてもよい。第１型半導体層１４０、第２型半導体層１６０のうちいずれか１層は、Ｎ型、残りの１層は、Ｐ型にドーピングされ、活性層１５０は、ドーピングされず、Ｐ−Ｉ−Ｎ構造が形成される。Ｎ型不純物として、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｔｅなどが使用されてもよい。Ｐ型不純物としては、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｅなどが使用されてもよい。活性層１５０の材質は、横型フォトダイオードＰＤが検出する波長帯域の光によって、具体的な材質及び組成比が決められる。
また、第１型半導体層１４０、活性層１５０、第２型半導体層１６０を覆う形態に、パッシベーション層１７０が形成され、パッシベーション層１７０は、第１型半導体層１４０、第２型半導体層１６０の領域の一部を露出するようにパターニングされ、その領域上に、第１コンタクト層１８０、第２コンタクト層１９０が形成されてもよい。
そのような形態の横型フォトダイオードＰＤは、エピタキシャル横方向成長（ＥＬＯＧ：ｅｐｉｔａｘｉａｌ ｌａｔｅｒａｌ ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）法によって形成されるが、ＥＬＯＧ法は、縦方向成長より横方向成長がより迅速となるように、半導体物質を成長させる方法を意味する。
図２は、図１の横型フォトダイオード１００の製造に使用される横方向成長法、及びそれによって、欠陥の少ない薄膜が形成されることについて説明する概念図である。
基板ＳＵ上にシード層ＳＥを形成し、貫通ホールＨが形成された絶縁マスク層ＩＭを形成する。シード層ＳＥは、成長させようとする半導体物質ＳＭと類似した物質によって形成され、基板ＳＵの材質によって省略可能である。
絶縁マスク層ＩＭは、ＥＬＯＧマスクの役割を行う。シード層ＳＥは、基板ＳＵとシード層ＳＥとをなす物質の熱膨脹係数、格子定数の差などにより、転位ＤＬ（ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ）などの欠陥を有する。しかし、貫通ホールＨを介して、シード層ＳＥから半導体物質ＳＭが成長される場合、貫通ホールＨの大きさが小さいことにより、転位ＤＬの展開（ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ）が良好に行われず、絶縁マスク層ＩＭの上面に形成される半導体物質ＳＭは、相対的に少ない欠陥を有する。
ＥＬＯＧ法で半導体物質ＳＭを形成するとき、通常の半導体製造工程であるハイドライド（混成）気相成長法（ＨＶＰＥ：ｈｙｄｒｉｄｅ ｖａｐｏｒ ｐｈａｓｅ ｅｐｉｔａｘｙ）、分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ：ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｂｅａｍ ｅｐｉｔａｘｙ）、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ：ｍｅｔａｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｖａｐｏｒ ｐｈａｓｅ ｅｐｉｔａｘｙ）、金属有機化学蒸着法（ＭＯＣＶＤ：ｍｅｔａｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）などの方法が使用され、工程条件を調節し、縦方向成長に対する横方向成長の比率を１０ほどまでに高められることが知られている。
そのように、ＥＬＯＧ法を使用することにより、一般的に、半導体物質を成長させることができない材質である絶縁物質上に、Ｐ−Ｉ−Ｎ構造を形成することができる。
図３は、実施例によるイメージセンサ２００の概略的な構造を示す断面図である。
イメージセンサ２００は、受光素子と、受光素子からの電気信号を読み取ってデータ化する読み取り回路部ＲＯＩＣと、を含み、本実施例では、受光素子を、読み取り回路部ＲＯＩＣを覆う絶縁物質上に、前述の横型Ｐ−Ｉ−Ｎ構造で形成している。
具体的な構成について述べれば、次の通りである。
イメージセンサ２００は、シリコン基板２１０、シリコン基板上に形成された読み取り回路部ＲＯＩＣ、読み取り回路部ＲＯＩＣを覆い、少なくとも１つの貫通ホールＨが形成された絶縁マスク層２３０、絶縁マスク層２３０の一面に接触し、前記一面と平行な方向に沿って順次配置された第１型半導体層２４０、活性層２５０、第２型半導体層２６０を含む。また、第１型半導体層２４０、活性層２５０、第２型半導体層２６０を保護するパッシベーション層２７０と、第１型半導体層２４０および第２型半導体層２６０にそれぞれ接する、第１コンタクト層２８０および第２コンタクト層２９０と、を含む。
読み取り回路部ＲＯＩＣは、活性層２５０に吸収された光によって発生した電気信号を読み取る回路要素からなり、一つ以上のトランジスタ、キャパシタ及び多数の配線構造などを含む。
絶縁マスク層２３０は、酸化物または窒化物からなり、読み取り回路部ＲＯＩＣをパッシベーションする役割を行う。また、絶縁マスク層１３０は、ＥＬＯＧマスクとして機能し、そのための貫通ホールＨを具備している。
貫通ホールＨ内に、シード層がさらに形成されてもよい。シード層２２０は、貫通ホールＨから成長され、絶縁マスク層２３０上に形成する半導体物質、すなわち、第１型半導体層１４０の材質と同一または類似の系列の物質から形成されてもよい。例えば、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる。
第１型半導体層２４０は、貫通ホールＨの内部から、絶縁マスク層２３０上の領域に延長された形態を有し、活性層２５０、第２型半導体層２６０は、それぞれ第１型半導体層１４０の側面から、絶縁マスク層１３０の表面と平行な方向に沿って順次配置される。ただし、第１型半導体層２４０が、貫通ホールＨの内部から、絶縁マスク層１３０上の領域に延長された形態は、例示的なものであり、第２型半導体層２６０が、貫通ホールＨの内部から、絶縁マスク層２３０上の領域に延長された形態を有することもできる。
第１型半導体層２４０、活性層２５０、第２型半導体層２６０は、半導体物質からなり、例えば、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から形成されてもよい。第１型半導体層２４０、第２型半導体層２６０のうちいずれか１層は、Ｎ型、残りの１層は、Ｐ型にドーピングされ、活性層２５０は、ドーピングされず、Ｐ−Ｉ−Ｎ構造が形成される。Ｎ型不純物として、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｔｅなどが使用されてもよい。Ｐ型不純物としては、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｅなどが使用されてもよい。第１型半導体層２４０、活性層２５０、第２型半導体層２６０の材質は、イメージセンサ２００が使用される波長帯域の光によって、具体的な材質及び組成比が決められる。例えば、第１型半導体層２４０、第２型半導体層２６０は、ＩｎＰからなり、活性層２５０は、ＩｎＧａＡｓからなり、赤外線帯域の光をセンシングするように構成される。
そのような構造で、読み取り回路部ＲＯＩＣと活性層２５０は、それぞれを基板２１０面に投影した領域がオーバーラップされる形態であり、断面積を最小化させることができる。図示された構造は、１つの画素に対応する構造であり、本実施例のイメージセンサ２００は、１つの画素をより小さく形成することができ、または画素内において、受光領域が占める面積を最大化させることができる。
図４は、実施例によるイメージセンサにおいて、１つの画素内でのフォトダイオード、ＲＯＩＣの配置関係を示した平面図である。
基板２１０上の領域は、多数の画素ＰＸを含み、それぞれの画素ＰＸ領域には、フォトダイオードＰＤとＲＯＩＣとが形成されている。フォトダイオードＰＤは、図３において、第１型半導体層２４０、活性層２５０、第２型半導体層２６０からなる構造を指す。
図示されているように、フォトダイオードＰＤとＲＯＩＣは、基板２１０の表面と垂直である方向に、層を異ならせて構成されているので、１つの画素ＰＸ内において、フォトダイオードＰＤが形成される面積は、ＲＯＩＣの大きさや位置に影響されない。従って、画素ＰＸの面積のほとんどを受光領域として使用することができる。
図５Ａは、比較例によるイメージセンサであり、１つの画素内でのフォトダイオード、ＲＯＩＣの配置関係を示した平面図であり、図５Ｂは、比較例によるイメージセンサに採用されたフォトダイオードの形状を示している。
比較例のイメージセンサ２００’は、縦型のフォトダイオードＰＤを採用し、すなわち、図５Ｂのように、第１型半導体層２４０’、活性層２５０’、第２型半導体層２６０’が積層形成されている。そのような構造は、縦方向成長法によって形成される形態であり、図５Ａに図示されているように、画素ＰＸの領域をＲＯＩＣと共有して使用する。
従って、同一サイズの画素ＰＸに対して、フォトダイオードＰＤが占める面積は、比較例の場合、実施例の場合より小さくなる。
図６は、実施例によるイメージセンサ２００、及び比較例によるイメージセンサ２００’が具現することができる最小画素サイズについて説明するためのグラフである。
図６のグラフを参照すれば、比較例及び実施例において、画素サイズが小さくなるほど、フォトダイオードの断面積も縮小される。しかし、光をセンシングするために最小限の受光面積が必要である。グラフでは、それを点線で示している。画素サイズがそのような最小限の受光面積を具現しなければならず、すなわち、グラフでは、点線より上側の領域に対応する画素サイズが具現可能な大きさになる。比較例の場合、最小画素が約１０μｍ程度として示されているのに比べ、実施例の場合、最小画素は、約５μｍ程度として示され、実施例のイメージセンサは、高解像度を具現するのに有利な構造であるということが分かる。
図７は、実施例及び比較例によるイメージセンサにおいて、波長による光電流の大きさを比較して示したグラフである。
図７のグラフは、比較例及び実施例の画素面積を１００μｍ２と同一にし、波長による光電流をシミュレーションしたものである。グラフを参照すれば、実施例の場合、比較例の場合より、約５倍以上の高い光電流特性を示すということが分かる。それは、実施例の場合、画素領域内における受光領域が占める面積を、比較例の場合より広く形成することができるからである。
図８は、実施例及び比較例によるイメージセンサにおいて、波長による反応性を比較して示したグラフである。
比較例のイメージセンサは、図５Ａ及び図５Ｂの配置で形成された構造であり、実施例のイメージセンサは、図３の構造とし、フォトダイオードのＰ−Ｉ−Ｎ構造の材質は、いずれもＩｎＰ−ＩｎＧａＡｓ−ＩｎＰとしてシミュレーションした結果である。
図８のグラフを参照すれば、実施例の場合、ほとんどの波長帯域において、比較例の場合より高い反応性を示すということが分かる。特に、可視光帯域において、反応性が高く示されているが、それは、実施例の場合、活性層に光が入射される前に、他層において、可視光吸収がほとんどないからであると分析される。比較例のイメージセンサにおいて、縦型フォトダイオードに光が入射されるとき、上部のＩｎＰによって、可視光の吸収が起こり、活性層に伝達される量が減る。一方、実施例の場合、横型フォトダイオードに光が入射され、そのとき、他層での可視光吸収がほとんど起こらない。
図９ないし図１２は、実施例によるイメージセンサ２００で採用することができる横型フォトダイオードの具体的な形態を例示的に示している。
図９ないし図１２に表示された矢印方向は、横方向成長の方向を意味する。
図９を参照すれば、活性層２５０、第２型半導体層２６０は、第１型半導体層２４０の側面から一方向に順次に配置されている。
図１０を参照すれば、活性層２５１は、第１型半導体層２４１を取り囲む形態に形成され、第２型半導体層２６１は、活性層２５１を取り囲む形態に形成されている。図示された形態は、円形リング形態であり、第１型半導体層２４１の側面から放射形に横方向成長を誘導し、そのような形態を具現することができる。
図１１を参照すれば、活性層２５２は、第１型半導体層２４２を取り囲む形態に形成され、第２型半導体層２６２は、活性層２５２を取り囲む形態に形成されている。図示された形態は、四角リング形態であり、第１型半導体層２４２の側面から、互いに垂直である４方向に横方向成長を誘導し、そのような形態を具現することができる。
図１２を参照すれば、活性層は、第１型半導体層２４３の互いに対向する両側面から、互いに反対である２方向に沿って配置された２領域２５３，２５４からなる。また、第２型半導体層は、活性層をなす前記２領域２５３，２５４の両端から、前記互いに反対である２方向に沿って配置された２領域２６３，２６４からなる。そのような形態は、第１型半導体層２４３の互いに対向する両側面から、互いに反対である２方向に沿って横方向成長を誘導して具現される。
図１３Ａないし図１３Ｈは、実施例による横型フォトダイオードの製造方法について説明する図面である。
図１３Ａを参照すれば、まず、基板１１０上に、シード層１２０を形成する。基板１１０は、多様な材質によって形成されてもよい。例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ポリマー、石英、ガラスなどによって形成される。シード層１２０は、形成する半導体物質と同一または類似の系列の物質からなる。ただし、それは、選択的なものであり、基板１１０の材質、形成する半導体物質によって省略可能でもある。
図１３Ｂを参照すれば、基板１１０上に，絶縁マスク層１３０を形成する。窒化物、酸化物のような絶縁物質によって形成される絶縁マスク層１３０には、シード層１２０の領域の一部、またはシード層１２０が形成されていない場合には、基板１１０領域の一部を露出させる貫通ホールＨが形成されている。貫通ホールＨの断面形状は、円形、楕円形、多角形、棒状などの形状を有することができる。
図１３Ｃを参照すれば、絶縁マスク層１３０をＥＬＯＧマスクにし、第１型半導体層１４０を、貫通ホールＨを介して、横方向成長法で形成する。第１型半導体層１４０は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなり、Ｎ型にドーピングされた半導体層でもある。Ｎ型不純物として、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｔｅなどが使用される。第１型半導体層１４０の形成のために、一般的な半導体製造工程であるハイドライド（混成）気相成長法（ＨＶＰＥ）、分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ）、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）、金属有機化学蒸着法（ＭＯＣＶＤ）などの方法が使用され、工程条件を調節し、縦方向成長に対する横方向成長の比率を調節することができる。基板１１０と第１型半導体層１４０との材質の差、すなわち、格子定数や熱膨脹係数の差などによって発生する欠陥は、貫通ホールＨの上部への展開が良好に行われず、横方向成長によって形成された第１型半導体層１４０は、欠陥が少ない形態に形成される。
次に、図１３Ｄのように、ＥＬＯＧ法を使用して、活性層１５０を形成する。活性層１５０は、第１型半導体層１４０の側面から、絶縁マスク層１３０の表面と平行な方向に沿って横方向に成長される。ＥＬＯＧ法は、横方向成長が縦方向成長より大きく起きる。すなわち、ＥＬＯＧ法の施行時、縦方向成長も共に起きるので、第１型半導体層１４０の上部の領域まで活性層１５０が延設される。ＥＬＯＧ法の方向は、例えば、図９ないし図１２に例示された形態のうちいずれか一つになる。
次に、図１３Ｅのように、ＥＬＯＧ法を使用して、第２型半導体層１６０を形成する。第２型半導体層１６０は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなり、Ｐ型にドーピングされた半導体層でもある。Ｐ型不純物としては、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｅなどが使用されてもよい。第２型半導体層１６０は、活性層１５０の側面から、絶縁マスク層１３０の表面と平行な方向に沿って横方向に成長される。一方、横方向成長時、縦方向成長も共に起きるので、第２型半導体層１６０は、活性層１５０の上部の領域にまで延設される。
次に、図１３Ｆのように、第１型半導体層１４０、活性層１５０、第２型半導体層１６０の上面が同じ面上に位置するように、平坦化（ｐｌａｎａｒｉｚａｔｉｏｎ）工程を遂行する。平坦化工程として、例えば、ＣＭＰ（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）工程を使用することができる。
次に、図１３Ｇのように、パッシベーション層１７０を形成する。パッシベーション層１７０は、絶縁物質であり、例えば、窒化物、酸化物、ポリイミド、フォトレジストなどによって形成されてもよい。
次に、図１３Ｈのように、パッシベーション層１７０をパターニングし、第１型半導体層１４０、第２型半導体層１６０の領域の一部を露出させた後、第１型半導体層１４０、第２型半導体層１６０にそれぞれ接する、第１コンタクト層１８０、第２コンタクト層１９０を形成する。
前述の方法によって、横型フォトダイオード１００が製造される。前述の横型フォトダイオード１００は、一般的に、半導体物質の成長が困難な絶縁物質上に、他のウェーハで形成して接合される形態ではなく、モノリシック（ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ）に形成されている。そのような方法は、フォトダイオードを活用する多様な素子の製造方法に適用される。
図１４Ａないし図１４Ｈは、実施例によるイメージセンサ製造方法について説明する図面である。
図１４Ａを参照すれば、まず、読み取り回路部ＲＯＩＣが形成されたシリコン基板２１０を準備する。読み取り回路部ＲＯＩＣは、シリコン基板２１０上に形成されるフォトダイオードからの出力を読み取る回路であり、一つ以上のトランジスタ、キャパシタ、配線を含んでもよい。
図１４Ｂを参照すれば、絶縁マスク層２３０を形成する。絶縁マスク層２３０は、読み取り回路部ＲＯＩＣをパッシベーションし、またＥＬＯＧマスクの役割をさせるためのものである。絶縁マスク層２３０は、窒化物、酸化物のような絶縁物質によって形成される。絶縁マスク層２３０に、は貫通ホールＨが形成されている。貫通ホールＨの断面形状は、円形、楕円形、多角形、棒状などの形状を有することができる。例えば、図９や図１２のような形態において、横方向成長を誘導するために、貫通ホールＨの断面形状を棒状にもでき、図１０や図１１のような形態において、横方向成長を誘導するために、貫通ホールＨの断面形状を円形、四角形などで形成することができる。そのような貫通ホールＨが具備された絶縁マスク層２３０は、絶縁物質の蒸着工程及びフォトリソグラフィ工程で形成することができる。
貫通ホールＨ内には、シード層２２０が形成される。シード層２２０の形成は、省略されてもよい。
図１４Ｃを参照すれば、絶縁マスク層２３０をＥＬＯＧマスクにし、第１型半導体層２４０を、貫通ホールＨを介して、横方向成長法で形成する。第１型半導体層２４０は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなり、Ｎ型にドーピングされた半導体層でもある。Ｎ型不純物として、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｔｅなどが使用されてもよい。第１型半導体層２４０の形成のために、一般的な半導体製造工程であるハイドライド（混成）気相成長法（ＨＶＰＥ）、分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ）、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）、金属有機化学蒸着法（ＭＯＣＶＤ）などの方法が使用され、工程条件を調節し、縦方向成長に対する横方向成長の比率を調節することができる。基板２１０と第１型半導体層２４０との材質の差、すなわち、格子定数や熱膨脹係数の差などによって発生する欠陥は、貫通ホールＨの上部への展開が良好に行われず、横方向成長によって形成された第１型半導体層２４０は、欠陥が少ない形態に形成される。
次に、図１４Ｄのように、ＥＬＯＧ法を使用して、活性層２５０を形成する。活性層２５０は、第１型半導体層２４０の側面から、絶縁マスク層２３０の表面と平行な方向に沿って横方向に成長される。ＥＬＯＧ法は、横方向成長が縦方向成長より大きく起きる。すなわち、ＥＬＯＧ法の施行時、縦方向成長も共に起きるので、第１型半導体層２４０の上部の領域まで活性層２５０が延設される。ＥＬＯＧ法の方向は、例えば、図９ないし図１２に例示された形態のうちいずれか一つにもなる。
次に、図１４Ｅのように、ＥＬＯＧ法を使用して、第２型半導体層２６０を形成する。第２型半導体層２６０は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなり、Ｐ型にドーピングされた半導体層でもある。Ｐ型不純物としては、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｅなどが使用されてもよい。第２型半導体層２６０は、活性層２５０の側面から、絶縁マスク層２３０の表面と平行な方向に沿って横方向に成長される。一方、横方向成長時、縦方向成長も共に起きるので、第２型半導体層２６０は、活性層２５０の上部の領域にまで延設される。
第１型半導体層２４０、活性層２５０、第２型半導体層２６０の材質は、製造されるイメージセンサが使用される波長帯域の光によって、具体的な材質及び組成比が決められる。例えば、第１型半導体層２４０、第２型半導体層２６０は、ＩｎＰからなり、活性層２５０は、ＩｎＧａＡｓからなり、赤外線帯域の光をセンシングするように構成されてもよい。
次に、図１４Ｆのように、第１型半導体層２４０、活性層２５０、第２型半導体層２６０の上面が同じ面上に位置するように、平坦化（ｐｌａｎａｒｉｚａｔｉｏｎ）工程を遂行する。平坦化工程として、ＣＭＰ（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）工程を使用することができる。
次に、図１４Ｇのように、パッシベーション層２７０を形成する。パッシベーション層２７０は、絶縁物質であり、例えば、窒化物、酸化物、ポリイミド、フォトレジストなどによって形成されてもよい。
次に、図１４Ｈのように、パッシベーション層２７０をパターニングし、第１型半導体層２４０、第２型半導体層２６０の領域の一部を露出させた後、第１型半導体層２４０、第２型半導体層２６０にそれぞれ接する、第１コンタクト層２８０、第２コンタクト層２９０を形成する。
図１５は、他の実施例によるイメージセンサ３００の概略的な構造を示す断面図である。
イメージセンサ３００は、受光素子と、受光素子からの電気信号を読み取ってデータ化する読み取り回路部ＲＯＩＣとを含み、受光素子は、読み取り回路部ＲＯＩＣを覆う絶縁マスク層２３０上に順次積層された第１型半導体層３４０、活性層３５０、第２型半導体層３６０を含む。また、第１型半導体層３４０、活性層３５０、第２型半導体層３６０を保護するパッシベーション層３７０と、第１型半導体層３４０および第２型半導体層３６０にそれぞれ接する、第１コンタクト層３８０および第２コンタクト層３９０と、を含む。
本実施例のイメージセンサ３００は、図３のイメージセンサ２００の変形例であり、イメージセンサ２００と比較すると、第１型半導体層３４０だけがＥＬＯＧ法で横方向に成長され、活性層３５０、第２型半導体層３６０は、第１型半導体層３４０上において縦方向に成長されているという点で差がある。
すなわち、第１型半導体層３４０は、絶縁マスク層２３０の貫通ホールＨに形成されたシード層２２０から成長され、絶縁マスク層２３０の上面に沿って、ＥＬＯＧ法によって、横方向に延長されるように形成される。活性層３５０と第２型半導体層３６０は、第１型半導体層３４０上に、一般的な縦方向成長法によって順次に積層形成される。
本実施例のイメージセンサ３００も、図３のイメージセンサ２００と同様に、読み取り回路部ＲＯＩＣ及び活性層２５０それぞれを基板２１０面に投影した領域が、オーバーラップされる形態であり、画素１つの断面積を最小化させることができる。図示された構造は、１つの画素に対応する構造であり、本実施例のイメージセンサ３００は、１つの画素をより小さく形成することができ、または１つの画素内において、受光領域が占める面積を最大化させることができる。
本実施例のイメージセンサ３００は、図４のような平面図を有し、すなわち、基板２１０上の領域は、多数の画素ＰＸを含み、それぞれの画素ＰＸ領域には、フォトダイオードＰＤ及びＲＯＩＣが形成されている。フォトダイオードＰＤとＲＯＩＣは、基板２１０の表面と垂直である方向に、層を異ならせて構成されているので、１つの画素ＰＸ内において、フォトダイオードＰＤが形成される面積は、ＲＯＩＣの大きさや位置に影響されない。従って、画素ＰＸの面積のほとんどを受光領域として使用することができる。
図１６Ａないし図１６Ｆは、図１５のイメージセンサ３００の製造方法について説明する図面である。
図１６Ａのように、読み取り回路部ＲＯＩＣが形成されたシリコン基板２１０上に、読み取り回路部ＲＯＩＣをパッシベーションし、さらにＥＬＯＧマスクの役割を行うように、貫通ホールＨが形成された絶縁マスク層２３０を形成する。貫通ホールＨ内に、シード層２２０を形成する。シード層２２０の形成は、省略されてもよい。
次に、図１６Ｂのように、絶縁マスク層２３０をＥＬＯＧマスクにし、第１型半導体層３４０を、貫通ホールＨを介して横方向成長法で形成する。そのとき、横方向成長の程度は、第１型半導体層３４０が、絶縁マスク層２３０の上面に沿って横方向成長され、読み取り回路部ＲＯＩＣのほとんどの領域と対向する程度とする。
次に、図１６Ｃのように、第１型半導体層３４０上に、活性層３５０、第２型半導体層３６０を順次形成する。そのとき、一般的な縦方向成長法による。
次に、図１６Ｄのように、第１型半導体層３４０の領域の一部が現れるように、第２型半導体層３６０、活性層３５０の領域の一部をエッチングする。
次に、図１６Ｅのように、第１型半導体層３４０、活性層３５０、第２型半導体層３６０を保護するパッシベーション層３７０を形成する。
次に、図１６Ｆのように、パッシベーション層３７０をパターニングし、第１型半導体層３４０、第２型半導体層３６０の領域の一部を露出させた後、第１型半導体層３４０、第２型半導体層３６０にそれぞれ接する、第１コンタクト層３８０、第２コンタクト層３９０を形成する。
以上、本発明である横型フォトダイオード及びイメージセンサ、その製造方法について、図面に図示された実施例を参照して説明したが、それらは、例示的なものに過ぎず、当該分野の当業者であるならば、それらから多様な変形及び均等な他の実施例が可能であるという点を理解するであろう。従って、本発明の技術的保護範囲は、特許請求の範囲によって決められるものである。
本発明の横型フォトダイオード、及びそれを含むイメージセンサ、並びにフォトダイオード及びイメージセンサの製造方法は、例えば、画像処理関連の技術分野に効果的に適用可能である。
１００ 横型フォトダイオード、
１１０，ＳＵ 基板、
１２０，２２０，ＳＥ シード層、
１３０，２３０，ＩＭ 絶縁マスク層、
１４０，２４０，２４０’，２４１，２４２，２４３，３４０ 第１型半導体層、
１５０，２５０，２５０’，２５１，２５２，３５０ 活性層、
１６０，２６０，２６０’，２６１，２６２，３６０ 第２型半導体層、
１７０，２７０，３７０ パッシベーション層、
１８０，２８０，３８０ 第１コンタクト層、
１９０，２９０，３９０ 第２コンタクト層、
２００，２００’，３００ イメージセンサ、
２１０ シリコン基板、
２５３，２５４，２６３，２６４ ２領域、
Ｈ 貫通ホール、
ＲＯＩＣ 読み取り回路部、
ＳＭ 半導体物質。

Claims (17)

  1. シリコン基板と、
    前記シリコン基板上に形成された読み取り回路部と、
    前記読み取り回路部を覆い、少なくとも１つの貫通ホールが形成された絶縁マスク層と、
    前記貫通ホールから成長され、前記絶縁マスク層の一面に沿って延設された第１型半導体層と、
    前記第１型半導体層に接する活性層と、
    前記活性層に接する第２型半導体層と、を含むイメージセンサ。
  2. 前記第１型半導体層、前記活性層、前記第２型半導体層は、前記絶縁マスク層の一面と接触し、前記一面と平行な方向に沿って順次配置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。
  3. 前記活性層は、前記第１型半導体層の側面を取り囲む形態に形成され、
    前記第２型半導体層は、前記活性層の側面を取り囲む形態に形成されたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のイメージセンサ。
  4. 前記活性層は、前記第１型半導体層の互いに対向する両側面から、互いに反対である２方向に沿ってそれぞれ配置された２領域からなり、
    前記第２型半導体層は、前記活性層の２領域の両端から、前記互いに反対である２方向に沿ってそれぞれ配置された２領域からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のイメージセンサ。
  5. 前記活性層、前記第２型半導体層は、前記第１型半導体層上に、前記絶縁マスク層の一面と垂直である方向に順次積層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。
  6. 前記絶縁マスク層は、酸化物または窒化物からなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のイメージセンサ。
  7. 前記貫通ホール内に、シード層が形成されたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のイメージセンサ。
  8. 前記読み取り回路部と前記活性層とを、それぞれ前記基板面に投影するとき、投影された領域が互いにオーバーラップされることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のイメージセンサ。
  9. 前記第１型半導体層、前記活性層、前記第２型半導体層は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体物質からなることを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。
  10. 読み取り回路部が形成されたシリコン基板を準備する段階と、
    前記シリコン基板の一面を露出する貫通ホールが形成され、前記読み取り回路部を覆う絶縁マスク層を形成する段階と、
    エピタキシャル横方向成長（ＥＬＯＧ）法を使用し、前記貫通ホール内部から、前記絶縁マスク層上の一面に沿って延長されるように、第１型半導体層を成長させる段階と、
    前記第１型半導体層に接する活性層を形成する段階と、
    前記活性層に接する第２型半導体層を形成する段階と、を含むイメージセンサの製造方法。
  11. 前記活性層を形成する段階は、ＥＬＯＧ法を使用して、前記第１型半導体層の側面から、前記絶縁マスク層上の一面と平行な方向に沿って活性層を成長させる段階であり、
    前記第２型半導体層を形成する段階は、ＥＬＯＧ法を使用して、前記活性層の側面から、前記絶縁マスク層上の一面と平行な方向に沿って、第２型半導体層を成長させる段階であることを特徴とする請求項１０に記載のイメージセンサの製造方法。
  12. 前記活性層、前記第２型半導体層を形成するとき、横方向成長の方向を、前記第１型半導体層の側面から放射形にすることを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載のイメージセンサの製造方法。
  13. 前記活性層、前記第２型半導体層を形成するとき、横方向成長の方向を、前記第１型半導体層の側面から互いに反対である２方向にすることを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載のイメージセンサの製造方法。
  14. 前記第１型半導体層、前記活性層、前記第２型半導体層の上面が、互いに同一平面をなすように平坦化される段階をさらに含むことを特徴とする請求項１０〜１３のいずれか一項に記載のイメージセンサの製造方法。
  15. 平坦化された、前記第１型半導体層、前記活性層、前記第２型半導体層を覆うパッシベーション層を形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１４に記載のイメージセンサの製造方法。
  16. 前記第１型半導体層、前記第２型半導体層の領域の一部が露出されるように、前記パッシベーション層に貫通ホールを形成し、
    前記貫通ホールを介して、前記第１型半導体層、前記第２型半導体層とそれぞれ接する、第１コンタクト層、第２コンタクト層を形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１５に記載のイメージセンサの製造方法。
  17. 前記活性層と前記第２型半導体層は、
    前記第１型半導体層上に、前記絶縁マスク層上の一面に垂直である方向に沿って順次形成されることを特徴とする請求項１０に記載のイメージセンサの製造方法。
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