KR100718881B1 - 이미지센서용 포토다이오드 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 포토다이오드에 입사하는 빛의 반사를 줄이고 투과된 빛이 포토다이오드에 효과적으로 흡수할 수 있는 이미지센서용 포토다이오드 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 이미지센서용 포토다이오드는 실리콘 기판 상에 실리콘 산화물(SiOx, x=0.5~1.5) 층을 형성하고 열처리하여 나노 크기의 실리콘 요철 면을 형성하고, 요철이 있는 실리콘 하부에 포토다이오드 영역이 형성된다.
이 경우 요철이 있는 실리콘 면에서 반사된 빛은 다른 요철 면에 충돌함으로써 빛의 흡수율이 높아지며, 평면 형태의 포토다이오드의 경우보다 실효적인 포토다이오드의 길이가 길어지므로 포토다이오드의 양자 효율이 높아진다.
포토다이오드, 이미지센서, 포토 센서

Description

이미지센서용 포토다이오드 및 그 제조 방법{A photodiode for image sensor and method of manufacturing the same}
도 1a는 종래의 포토다이오드의 단면을 나타내는 도면.
도 1b는 실리콘 질화물 층의 두께에 대한 RGB 반사율 곡선을 나타내는 도면.
도 2는 본 발명에 의한 이미지센서용 포토다이오드의 단면을 나타내는 도면.
도 3은 본 발명에 의한 이미지센서용 포토다이오드의 3차원 단면을 나타내는 도면.
도 4는 본 발명에 의한 이미지센서용 포토다이오드를 제조하기 위한 일실시예를 나타내는 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100, 200, 300, 400 : 실리콘 기판
110, 210, 310 : 포토다이오드 영역
120 : 무반사 코팅 220, 320, 420 : 요철 면
230, 430 : SiO2 층 140, 240, 330: 도핑 영역
150, 250 : 입사된 빛 160, 260 : 반사된 빛
170, 270 : 투과된 빛 410 : 산소 부족인 실리콘 산화물 층
본 발명은 이미지센서용 포토다이오드에 관한 것으로, 특히 실리콘(Si) 기반의 포토다이오드 표면에서 반사하는 빛의 양을 줄이고, 포토다이오드 내부에서의 빛의 흡수를 증가시키는 구조를 가지는 포토다이오드와 그 제조 방법에 관한 것이다.
이미지센서는 빛의 강도를 측정하는데 사용되는 소자인데, 일반적으로 이러한 이미지센서는 다수개의 포토다이오드들로 구성되며, 이러한 포토다이오드는 대부분 실리콘을 기반으로 제조되고 있다.
그러나 실리콘을 기반으로 한 이미지센서용 포토다이오드는 실리콘의 빛 흡수율이 낮아서, 적색 파장 대를 예로 들면 그 투과 깊이가 크다.
이러한 큰 투과 깊이는 포토센서의 영역이 깊어지는 원인이 되어 크로스토크를 발생하게 되는 단점이 있다. 또한 실리콘 반도체의 약한 빛 흡수특성 때문에 충분한 신호를 얻기 위하여 넓은 면적의 포토다이오드를 필요로 하게 되어 소자의 소형화에 장애가 된다는 문제점이 있고, 실리콘 표면에서의 반사된 빛이 인접한 포토다이오드로 재입사하여 크로스토크를 일으키는 원인이 되기도 한다.
실리콘에 수직으로 입사하는 빛의 반사율은 실리콘의 녹색 광(파장 450nm)에 대한 굴절률(n=4.75)과 손실 계수(k=0.163)로부터 수학식 1과 같이 표현된다.
Figure 112005077061347-pat00001
여기서, n0는 실리콘 기판 위의 매질의 굴절률이다. 따라서 공기 중에서 실리콘으로 입사하는 경우(n0=1)의 반사율(R)은 대략 0.43이며, SiO2 층을 통과하여 실리콘 기판으로 입사하는 경우(n0~1.5)의 반사율(R)은 대략 0.27이다. 보통의 포토다이오드는 반사를 줄이기 위하여 포토다이오드 위에 무반사 코팅(Anti-reflection coating; AR coating)으로 질화규소(Silicon nitride) 등을 적당한 두께로 삽입하는 방법을 사용한다.
도 1a는 무반사 코팅을 사용하는 일반적인 이미지센서용 포토다이오드의 단면을 나타낸 것이다.
실리콘 기판(100) 위에 포토다이오드 영역(110)과 포토다이오드를 표면과 분리하기 위한 도핑 층(140)과 무반사 코팅층(120)이 설치되고, 포토다이오드로 입사한 빛(150)은 반사(160)되거나 투과(170)된다. 일반적으로 사용되는 무반사 코팅은 표면에 수직으로 입사하는 빛에 대해서만 효과적으로 작용하며 파장에 따라 반사율이 다르게 되는 단점이 있다.
또한, 가시광 이미지센서에서는 보통 550nm의 파장을 갖는 녹색(green)의 빛에 대하여 무반사 코팅을 실시하게 되는데, 센서에서 사용되는 파장이 400nm ~ 700nm의 영역을 차지하기 때문에 붉은색(red)와 푸른색(blue)의 빛에 대하여 반사가 커져서 이미지센서에서 요구되는 모든 가시광에 대한 동일한 무반사 코팅이 불 가능하다는 단점이 있다.
도 1b는 글라스(glass)를 통과한 빛이 일반적인 무반사 코팅인 실리콘 질화물 층을 통과하여 실리콘에 입사할 때, 실리콘 질화물 층의 두께에 대한 Red, Green, Blue의 반사율 곡선이다.
도 1b에서 볼 수 있듯이, 특정한 두께의 실리콘 질화물 층은 Red(R), Green(G), Blue(B)의 모든 빛에 대하여 무반사 코팅으로 작용할 수 없다. 따라서 무반사 코팅에 의하여 RGB의 투과 비율이 달라진다. 또한 포토다이오드에 일정한 각을 가지고 입사하는 빛에 대하여는 무반사의 조건이 성립되지 않으므로 특정한 파장대의 빛을 심하게 반사하는 현상이 나타난다. 이 때 반사된 빛은 여러 경로를 거쳐서 인접한 포토다이오드로 입사하게 되므로 광학적 크로스토크의 원인이 된다.
따라서 이상적인 포토다이오드는 RGB에 대하여 동일한 반사율을 갖고 반사된 빛이 인접한 포토다이오드로 들어가지 않아야 하는데, 인접한 포토다이오드로 들어가는 빛을 막기 위하여 차폐 막을 포토다이오드 이외의 지역에 설치하는 방법 등을 사용한다.
또한 도 1a와 같은 구조를 갖는 포토다이오드에서 포토다이오드 내부로 입사한 빛은 거의 수직에 가깝게 포토다이오드를 통과하게 된다. 따라서 포토다이오드를 통과하는 빛의 진행 거리는 포토다이오드의 수직 길이와 거의 일치하게 된다. 빛이 포토다이오드를 지나가는 동안 흡수가 일어나므로 빛의 흡수가 일어나는 길이는 포토다이오드의 수직 길이와 거의 일치하게 된다.
실리콘(k=0.163)은 게르마늄(k=2.18) 등에 비하여 빛의 흡수가 낮다. 이러한 낮은 빛의 흡수 때문에 포토다이오드로 입사한 빛을 모두 흡수하기 위해서는 도 1a와 같은 구조에서는 포토다이오드를 깊게 설치해야 하는데, 포토다이오드를 깊게 설치하는 것은 잡음을 발생시켜 포토다이오드의 성능을 떨어트린다.
또한 포토다이오드에서 흡수되지 못하고 깊게 침투한 빛이 발생하는 광전자는 확산에 의하여 인접한 포토다이오드로 흡수되어 크로스토크의 원인이 된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 무반사 코팅의 단점을 해소하여 포토다이오드 표면에 입사하는 빛의 반사를 빛이 입사하는 각도와 파장에 관계없이 동일하게 감소시키고, 제한된 두께를 갖는 포토다이오드를 사용하여 포토다이오드 내부로 입사한 빛이 포토다이오드를 지나가는 경로를 길게 하여 빛의 흡수를 증가시킬 수 있는 이미지센서용 포토다이오드와 그 제조 방법을 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한 이미지센서용 포토다이오드는 실리콘 기판에 형성되는 포토다이오드 영역; 상기 실리콘 기판 및 상기 포토다이오드 영역의 표면에 요철모양으로 형성되는 실리콘 요철 면; 상기 형성된 포토다이오드 영역이 표면과 분리되도록 상기 실리콘 요철 면 상에 형성되는 도핑 영역; 및 상기 도핑 영역 상에 형성되는 실리콘 산화물 층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한 이미지센서용 포토다이오드 제조 방법은 (a)실리콘 기판에 포토다이오드 영역을 형성하는 단계; (b)상기 포토다이오드 영역 상에 산소 부족인 실리콘 산화물 층을 형성하는 단계; (c)상기 산소 부족인 실리콘 산화물 층을 열처리하여 요철모양을 갖는 실리콘 요철 면을 형성하는 단계; 및 (d)상기 실리콘 요철 면 상에 실리콘 산화물 층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 따른 이미지센서용 실리콘 포토다이오드의 단면을 개략적으로 나타낸 것으로서, 포토다이오드 영역(210), 실리콘 요철 면(220) 및 실리콘 산화물 층(230) 및 도핑 영역(240)으로 구성된다.
나노 두께를 갖는 실리콘 요철 면(220)은 실리콘 기판(200)에 형성되는 포토다이오드 영역(210) 상에 형성되어 있으며, 광 투과성의 실리콘 산화물 층(230)은 실리콘 요철 면(220) 상에 형성되어 있다.
포토다이오드 영역(210)과 포토다이오드를 표면과 분리하기 하여 포토다이오드의 누설 전류를 억제하기 위하여 실리콘 산화물 층(230)이 형성되기 전에 실리콘 요철 면(220) 상에 도핑 영역(240)을 도핑에 의하여 더 포함하여 형성할 수 있다.
삭제
본 발명에 의한 포토다이오드 표면은 나노 사이즈(10nm ~ 1,000nm)의 실리콘 요철 면(220)을 갖는다. 또한 실리콘 요철 면(220)은 90° 이하의 경사를 가지고 있다.
실리콘 요철 면(220)으로 입사한 빛(250)은 일부가 실리콘 내부로 흡수(270)되고, 반사된 빛(260)은 인접한 실리콘 요철 면(220)으로 재입사하게 된다. 따라서 반사계수는 평면에 입사하는 경우의 반사율의 제곱이 된다. 또한 실리콘 내부로 입사한 빛(270)은 큰 입사각을 가지고 포토다이오드를 지나가게 되므로 종래의 포토다이오드의 경우보다 포토다이오드 영역을 통과하는 길이가 길어진다.
빛이 실리콘 내부를 통과하는 동안의 빛의 세기는 수학식 2와 같다.
Figure 112005077061347-pat00002
따라서 표면에서부터 길이, L을 이동하는 동안 흡수되는 강도는 수학식 3과 같다.
Figure 112005077061347-pat00003
따라서 빛이 포토다이오드를 지나가는 길이가 클수록 빛이 전하로 변환되는 양자효율은 증가하게 된다. 따라서 투과된 파(270)와 같이 큰 입사각을 갖는 구조가 수직으로 투과된 파(170)에 비하여 양자효율이 높게 된다.
도 3은 본 발명에 의한 이미지센서용 포토다이오드의 3차원 단면을 나타내는 것이다.
도 3을 참조하면, 실리콘 기판(300)에 형성된 포토다이오드 영역(310) 상에 나노 두께의 실리콘 요철 면(320)이 형성되어 있고, 실리콘 요철 면(320) 상에 포토다이오드 영역(310)과 포토다이오드를 표면과 분리하기 위한 도핑 영역(330)이 형성되어 있다.
도 3과 같은 구조에서 표면으로 입사한 빛은 일부가 흡수되고, 반사된 빛은 인접한 실리콘 요철 면(320)에 재입사하게 되어 투과율이 높아지며, 실리콘으로 입사하는 각이 크게 되어 포토다이오드를 지나는 경로가 길어져서 양자효율이 향상된다.
본 발명에 의한 이미지센서용 포토다이오드는 앞서서 설명한 바와 같이 실리 콘 기판에 포토다이오드 영역을 형성하고, 포토다이오드 영역의 표면에 요철모양을 갖는 실리콘 요철 면을 형성한 후, 실리콘 요철 면 위에 실리콘 산화물 층을 형성함으로써 제조된다. 또한, 실리콘 요철 면 상에 상기 포토다이오드 영역을 표면과 분리하여 도핑 영역을 형성하면 누설 전류를 억제할 수 있다.
도 4는 본 발명에 의한 이미지센서용 포토다이오드를 제조하기 위한 일실시예를 나타내는 것으로 실리콘 산화물(SiO2)에 비해서 산소 부족인 실리콘 산화물(SiOx, x=0.5~1.5) 층(410)을 실리콘(400) 표면에 형성하는 단계(S410)와 열처리에 의하여 실리콘 요철 면(420)을 형성하는 단계(S420)로 구성된다.
실리콘의 표면에 산소 부족인 실리콘 산화물 층(410)을 증착하고 열처리 할 경우, 산소 부족인 실리콘 산화물은 실리콘 상(Si)과 실리콘 산화물 상(SiO2)으로 분리되게 된다. 기판이 실리콘이므로 상 분리에서 실리콘 상은 실리콘 표면에서 주로 일어나게 된다. 결과적으로 실리콘 상은 표면에서부터 요철을 갖는 형태가 되고, 실리콘 산화물(430)은 실리콘 요철 면(420)을 덮는 형태가 된다.
실리콘의 요철 면의 크기와 높이는 증착된 산소부족인 실리콘 산화물 층(410)의 산소 농도와 증착된 산소 부족인 실리콘 산화물 층(410)의 두께, 열처리의 온도와 시간에 의하여 결정된다.
상기와 같은 방법으로 형성된 실리콘 요철 면을 사용하여 도핑에 의하여 도 2와 같은 포토다이오드(210, 도 2)와 포토다이오드를 표면과 분리하는 도핑 영역(240, 도 2)을 형성할 수 있다.
이상으로, 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예 시적인 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.
본 발명에 따른 이미지센서용 포토다이오드와 그 제조 방법은 입사하는 빛의 파장과 입사각에 무관하게 반사율을 낮추어서 광학적 크로스토크를 줄이고, 포토다이오드로 입사하는 빛의 입사각을 크게 하여 빛이 포토다이오드를 지나가는 경로를 길게 하여 양자효율을 높임으로써 감도를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

Claims (9)

  1. 삭제
  2. 이미지센서용 포토다이오드에 있어서,
    실리콘 기판에 형성되는 포토다이오드 영역;
    상기 실리콘 기판 및 상기 포토다이오드 영역의 표면에 요철모양으로 형성되는 실리콘 요철 면;
    상기 형성된 포토다이오드 영역이 표면과 분리되도록 상기 실리콘 요철 면 상에 형성되는 도핑 영역; 및
    상기 도핑 영역 상에 형성되는 실리콘 산화물 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지센서용 포토다이오드.
  3. 제2항에 있어서, 상기 실리콘 요철 면은,
    90° 이하의 경사로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이미지센서용 포토다이오드.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 실리콘 요철 면은,
    두께가 10nm ~ 1,000nm 인 것을 특징으로 하는 이미지센서용 포토다이오드.
  5. 실리콘 요철 면을 형성하여 이미지센서용 포토다이오드 제조방법에 있어서,
    (a)실리콘 기판에 포토다이오드 영역을 형성하는 단계;
    (b)상기 포토다이오드 영역 상에 산소 부족인 실리콘 산화물 층을 형성하는 단계;
    (c)상기 산소 부족인 실리콘 산화물 층을 열처리하여 요철모양을 갖는 실리콘 요철 면을 형성하는 단계; 및
    (d)상기 실리콘 요철 면 상에 실리콘 산화물 층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지센서용 포토다이오드 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 (d)단계 이전에, 상기 실리콘 요철 면 상에 도핑 영역을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지센서용 포토다이오드 제조방법.
  7. 삭제
  8. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 산소 부족인 실리콘 산화물 층(SiOx)은,
    0.5 ~ 1.5의 x 값을 가지는 것을 특징으로 하는 이미지센서용 포토다이오드 제조방법.
  9. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 실리콘 요철 면은,
    상기 산소 부족인 실리콘 산화물 층의 산소 농도, 상기 산소 부족인 실리콘 산화물 층의 두께, 상기 열처리 온도 및 상기 열처리 시간 중에서 어느 하나 또는 둘 이상의 조절에 의하여 크기와 높이가 결정되는 것을 특징으로 하는 이미지센서용 포토다이오드 제조방법.
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