KR101660943B1 - 근적외선 광 검출기 및 이를 채용한 이미지 센서, 그 반도체 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 근적외선 다이폴 안테나를 이용하는 실리콘 광 검출기에 대하여 개시된다. 광 검출기는 반도체 기판 위에 형성된 실리콘 영역, 실리콘 영역을 사이에 두고 암(arm)들이 분리되어 형성되고 입사광을 전기 신호로 생성하는 다이폴 안테나, 그리고 다이폴 안테나의 수직 방향으로 배치되고 실리콘 영역을 사이에 두고 분리되어 형성된 전극들을 포함한다. 전극들에는 임계 바이어스 전압을 인가하여 실리콘 영역에서의 애벌런치 이득 동작을 일으킨다.

Description

근적외선 광 검출기 및 이를 채용한 이미지 센서, 그 반도체 제조 방법{Near-infrared photodetector and image sensor employing the same and manufacturing method thereof}
본 발명은 광학 장치에 관한 것으로, 특히 애벌런치 현상을 유도하는 근적외선 광 검출기 및 이를 채용한 이미지 센서, 그리고 그 반도체 제조 방법에 관한 것이다.
광학(optics)과 전자학(electronics)의 접목에 있어서 가장 큰 걸림돌은, 광학의 마이크로미터 스케일이 최근 전자 장치의 나노미터 스케일보다 상당히 크다는 것이다. 광 검출기에 의해 양자들(photons)을 전자들(electrons)로 변환하는데 있어서, 이들 사이즈의 불일치는 전력 소모(power dissipation), 면적(area), 레이턴시(latency) 그리고 노이즈에 실제적인 불이익으로 이끈다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 나노미터 스케일의 근적외선 광 검출기를 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 상기 광 검출기의 반도체 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 또다른 기술적 과제는 상기 광 검출기를 채용한 이미지 센서를 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일면에 따른 광 검출기는, 반도체 기판 위에 형성된 실리콘 영역, 실리콘 영역을 사이에 두고 암들이 분리되어 형성되고, 입사광의 전자기파 신호를 유도하는 다이폴 안테나, 그리고 다이폴 안테나의 수직 방향으로 배치되고, 실리콘 영역을 사이에 두고 분리되어 형성된 전극들을 포함하고, 전극들에는 임계 바이어스 전압을 인가하여 실리콘 영역에서의 애벌런치 이득 동작을 일으킨다.
본 발명의 실시예들에 따라, 광 검출기는 근적외선 영역의 빛을 전기 신호로 생성할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따라, 다이폴 안테나는 근적외선 파장 길이의 1/4에 해당하는 길이의 암들을 갖도록 설정될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따라, 다이폴 안테나는 반도체 기판 위에 형성된 실리콘 산화막 위에 얹혀지는 구조를 갖도록 설정될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따라, 실리콘 영역은 다이폴 안테나의 방향으로 100 nm 정도 그리고 전극들의 방향으로 200 nm 정도 되는 면적의 나노스케일 구조를 갖도록 설정될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따라, 전극들에는 3 V 내지 5 V 정도의 임계 바이어스 전압이 인가되도록 설정될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따라, 광 검출기는 디바이스-투-디바이스 통신 수단에 의하여 정보를 교환하는 적외선을 이용한 광통신 방식에 이용될 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 다른 일면에 따른 광 검출기의 반도체 제조 방법은, 반도체 기판 상에 산화막을 형성하는 단계, 산화막 상에 실리콘막을 형성하는 단계, 실리콘막을 패터닝하는 단계, 패터닝된 실리콘막 위로 도전막을 증착하는 단계, 그리고 도전막을 패터닝하여, 패터닝된 실리콘막을 사이에 두고 이격된 다이폴 안테나를 형성하며, 다이폴 안테나의 수직 방향으로 배치되고 패터닝된 실리콘막을 사이에 두고 이격되되, 패터닝된 실리콘막의 일부분 위로 전극들을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예들에 따라, 패터닝된 실리콘막은 강한 광학 필드 집중이 일어나도록 70 nm 정도의 얇은 두께를 갖도록 형성될 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 또다른 면에 따른 이미지 센서는 반도체 기판 상에 행렬로 배열되는 복수개의 픽셀들을 포함한다. 픽셀은 입사광을 전기 신호로 생성하는 광 검출기와, 전기 신호를 픽셀 데이터 신호로 출력하는 신호 전송부를 구비한다. 광 검출기는, 반도체 기판 위에 형성된 실리콘 영역, 실리콘 영역을 사이에 두고 암들이 분리되어 형성되고, 입사광의 전자기파 신호를 유도하는 다이폴 안테나, 그리고 다이폴 안테나의 수직 방향으로 배치되고, 실리콘 영역을 사이에 두고 분리되어 형성된 전극들을 포함하고, 전극들에는 임계 바이어스 전압을 인가하여 실리콘 영역에서의 애벌런치 이득 동작을 일으킨다.
본 발명의 실시예들에 따라, 광 검출기와신호 전송부는 반도체 MOS 제조 공정으로 동시에 제작될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따라, 이미지 센서는 광 검출기 내 다이폴 안테나의 암 길이를 검출하고자 하는 빛의 파장 성분에 따라 서로 다르게 형성할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따라, 신호 전송부는, 광 검출기에서 생성된 광전하를 플로팅 확산 영역으로 전송하는 트랜스퍼 트랜지스터, 플로팅 확산 영역을 전원 전압 레벨로 리셋시켜 플로팅 확산 영역에 저장된 전하를 배출하는 리셋 트랜지스터, 플로팅 확산 영역에 축적되는 전하에 대응되는 픽셀 데이터 신호를 생성하는 드라이브 트랜지스터, 그리고 스위칭 및 어드레싱 신호를 받아 픽셀 데이터 신호를 출력으로 전송하는 셀렉트 트랜지스터를 포함할 수 있다.
상술한 본 발명의 광 검출기는 수십 나노미터 메탈릭 구조의 70 nm 정도 얇은 실리콘막에서 강한 광학 필드 집중(strong optical field concentrations)이 일어나도록 강화한다. 이에 따라, 나노스케일 실리콘 광 검출기는 매우 빠른 응답 특성을 갖는다.
또한, 본 발명의 광 검출기는 벌크 실리콘 애벌런치 다이오드들에 비해 상당히 낮은 임계 바이어스 전압에서 애벌런치 이득을 일으킨다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 광 검출기를 설명하는 도면이다.
도 2 내지 도 4는 도 1의 광 검출부의 A-A' 단면도의 반도체 제조 방법을 설명하는 도면들이다.
도 5는 도 2 내지 도 4의 반도체 제조 방법에 따른 공정 후에 도 1의 광 검출부의 B-B' 단면도를 보여준다.
도 6 내지 도 8은 도 1의 광 검출기가 반도체 제조 공정된 후의 실제적인 모습들을 보여준다.
도 9는 서로 다른 광력들(different light powers)과 바이어스 전압 사이의 관계에 있어서 도 6의 광 검출기가 발생하는 광전류를 보여주는 도면이다.
도 10a 내지 도 10d은, 도 1의 광 검출기가 갖는 응답 속도를 설명하기 위하여, 고속 측정에 충분한 광전류 신호를 발생하는 넓은 면적의 광 검출기를 보여주는 도면들이다.
도 11은 도 10a의 멀티-핑거 광 검출기의 응답 속도를 측정하는 장치를 보여준다.
도 12는 도 10a의 멀티-핑거 광 검출기에 대한 펌프-프로브 전자-광학 샘플링 측정 결과에 따른 응답 특성을 나타난다.
도 13은 도 1의 광 검출기를 포함하는 적외선 모듈과 카메라 모듈을 장착하는 휴대폰을 보여준다.
도 14는 도 1의 광 검출기를 포함하는 이미지 센서의 단위 픽셀을 설명하는 도면이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 도면에 기재된 내용을 참조하여야 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 광 검출기를 설명하는 도면이다. 도 1은 광 검출기(10)의 상부면(top-view)을 보여준다. 광 검출기(10)는 입사하는 빛을 전기 신호로 생성한다. 광 검출기(10)는 실리콘 산화막(22) 상에 y-축 방향으로 이중극(dipole)을 구성하는 다이폴 안테나(28)가 형성되어 있고, x-축 방향으로 2 전극(30)이 형성되어 있다. 2 전극(30)의 일부 아래로 그리고 다이폴 안테나(28)의 암(arm) 사이의 공백 영역(gap region)에 실리콘 영역(24)이 형성되어 있다. 실리콘 영역(24)은 예컨대, 100 X 200 nm 정도로 형성되어 있다.
일반적으로 포토 다이오드로 구현되는 광 검출기가 수 um X 수 um 정도의 넓은 면적의 p-n 접합 다이오드를 사용하는 것에 비하면, 도 1의 광 검출기(10)는 나노스케일의 작은 실리콘 광 검출기를 보여준다. 2 전극(30)에는 전원(40)에 의해 소정의 바이어스 전압이 인가되는 데, 바이어스 전압은 실리콘 영역(24)에서의 애벌런치 이득 동작을 일으킨다.
광 검출기(10)는 근적외선 영역(near-infrared region)의 빛에 대하여 강화된 특성을 갖도록 설계된다. 근적외선 영역은, 예컨대, 750 nm - 850 nm 정도의 파장을 갖는다. 다이폴 안테나(28)는 반파장 다이폴 안테나로서, 예컨대 380 nm 정도의 길이를 갖는다. 반파장 다이폴 안테나는 전기장과 자기장을 동시에 발생시킬 수 있는 헤르츠 다이폴 안테나이다. 다이폴 안테나(28)는 광 검출기(10)로 입사되는 근적외선 영역의 전자기파를 유도한다. 다이폴 안테나(28)의 암은 예컨대, 160 nm 정도의 길이를 갖는다.
다이폴 안테나(28)의 길이는 안테나의 주요한 공진 특성을 결정한다. 근적외선 주파수에서의 실제 메탈의 특성과 반도체 기판의 유전 상수 효과 때문에, 공진 안테나 길이는 자유 공간(free space)에서의 반파장 보다 실제적으로 짧을 수 있다. 또한, 실리콘 영역(24)이 2 전극(230)의 측면 일부 영역 아래에 형성되는 관계로 공진 파장이 조금 쉬프트될 수 있다.
광 검출기(10)는, 작은 수의 수광 전자들(photogenerated electrons)을 많은 수의 전자들(collected elctrons)로 증폭시키는 애벌런치 이득(avalanche gain)을 이용한다. 비록 광 검출기(10)처럼 그 구조가 매우 작다 하더라도, 애벌런치 이득을 일으키는 데 소정의 최소 전압이 요구된다. 이것은 전자들이 추가적인 전자-홀 쌍들의 이온 충돌이 가능하기 전에 밴드갭 에너지를 초과하는 에너지를 필요로 하기 때문이다.
이온 충돌은 애벌런치 이득 프로세스 동안 전자-홀 쌍들을 생성하는 과정이다. 연속적으로 많은 전자-홀 쌍들의 발생은 애벌런치 프로세스를 제공하는 이온 충돌에 의해 더 많은 전자-홀 쌍들의 발생을 유도한다. 전자들에게는 이온 충돌을 시작하기 위해 밴드갭 에너지보다 다소 큰 에너지가 주어져야 한다. 이에 따라, 인가 전압은 일렉트론-볼트(electron-Volts, eV) 단위의 밴드갭 에너지보다 다소 커야 한다. 1 eV는 전자가 1 V 전위를 통과하여 자유롭게 가속되는데 필요한 에너지이다.
광 검출기(10)는 나노스케일의 작은 구조에서도 애벌런치 이득을 일으키기 위한 임계 전압으로 예컨대, 3 V 내지 5 V 정도의 바이어스 전압이 요구된다. 이는 벌크 실리콘 애벌런치 다이오드들이 100 V 정도의 매우 큰 전압을 사용하는 것에 비하면 상당히 낮은 전압 레벨임을 알 수 있다.
도 2 내지 도 4는 도 1의 광 검출부의 A-A' 단면도의 반도체 제조 방법을 설명하는 도면이다. 도 5는 도 2 내지 도 4의 반도체 제조 방법에 따른 공정 후에 도 1의 광 검출부의 B-B' 단면도를 보여준다. 도 2를 참조하면, 반도체 기판(20) 위에 실리콘 산화막(22)을 형성하여 실리콘-온-옥사이드(silicon-on-oxide) 구조의 기판을 준비한다. 실리콘막(24)을 그로잉(growing)하고, 실리콘막(24)은 340nm 정도의 두께로 형성된다. 이 후, 실리콘막(24)은 아래로 식각되거나 갈아져서, 도 3에 도시된 바와 같이, 70nm 정도의 두께로 남는다.
얇은 실리콘막(24)을 보호하기 위하여 실리콘막(24) 위에 산화막(26)이 형성된다. 산화막(26) 식각 후, 도 4에 도시된 바와 같이, 실리콘막(24)을 패터닝한다. 패터닝된 실리콘막(24) 위로 Al, Ag, Au, Cr 등의 메탈 도전막을 증착한 후, 이-빔 리소그래피(e-beam lithography)를 이용하여 패터닝하여 다이폴 안테나(28)와 전극(30)를 형성한다. 다이폴 안테나(28)는 패터닝된 실리콘막(24)을 사이에 두고 이격되어 2개의 암 형태로 형성되고, 전극(30)은 도 5에 도시된 바와 같이 패터닝된 실리콘막(24)과 실리콘 산화막(22) 위에 형성된다.
본 실시예에서의 70 nm 정도의 얇은 실리콘막(24)은 수십 나노미터의 메탈릭 구조에서 강한 광학 필드 집중(strong optical field concentrations)이 일어나도록 강화한다. 전형적으로, 두꺼운 실리콘 구조는 실리콘 속 깊은 곳에서 발생된 광전류(photocurrent)를 유도하는 데, 이러한 구조는 나노메탈릭-강화 신호를 측정하는 데 적합하지 않다. 또한, 실리콘 속 깊은 곳에서 발생된 광캐리어들(photocarriers)은 광전류로 모아지는 데 시간이 많이 걸리기 때문에, 광 검출기의 응답 특성을 나쁘게 한다.
다이폴 안테나(28)는 낮은 유전율의 실리콘 산화막(22) 위에 얹혀진다. 만약 다이폴 안테나(28)가 반도체 기판(20)인 실리콘 위에 바로 얹혀지면, 실리콘의 높은 유전율로 인하여 반파장 길이의 응답이 상당히 짧아지게 된다.
도 6 내지 도 8은 도 1의 광 검출기가 반도체 제조 공정된 후의 실제적인 모습들을 보여준다. 도 6은 양측의 금 전극들에 연결되어 있고 실리콘 산화막 위에 얹혀있는 실리콘 나노구조의 광 검출기를 보여주고, 도 7은 85 nm 길이의 나노메탈릭 안테나 암들을 보여준다. 도 6의 광 검출기 상부에서 850 nm 정도의 근 적외선(near infrared) 파장의 빛을 조사하면, 이 빛 스팟은 수 마이크론 정도로 광 검출기보다 충분히 크다. 즉, 도 8에 도시된 바와 같이, 도 6의 광 검출기가 중간의 가느다란 수평 와이어로 보이는 것에 비하여, 빛 스팟은 원형 스팟(circular spot)처럼 보인다.
도 9는 서로 다른 광력들(different light powers)과 바이어스 전압 사이의 관계에 있어서 도 6의 광 검출기가 발생하는 광전류를 보여주는 도면이다. 서로 다른 광력들 각각은 10 uW, 50 uW, 100 uW 정도의 에너지를 갖도록 하고, 이들 광력들에 대하여 바이어스 전압을 0 V 에서 6 V 로 증가시킬 때 발생되는 광전류를 검출하였다.
도 9에서, 바이어스 전압 0 V 에서 1 V 구간은 광력이 증가함에 따라 검출되는 광전류는 거의 선형적으로 증가한다. 바이어스 전압 1 V 에서 2 - 3 V 구간은 광전류가 거의 일정한 선형 구간(linear region)이다. 이 선형 구간은 적당한 바이어스 전압에서 광 검출기가 메탈-반도체-메탈 구조로 작용하는 것으로 이해된다. 바이어스 전압 1 V 에서 2 - 3 V 사이의 거의 평평한 구간은 메탈 전극들 사이의 공핍 영역에 휩쓸리면서 생성된 광 캐리어들의 유효한 집합에 해당한다. 선형 구간 이후, 바이어스 전압을 증가시킴에 따라 광 전류의 뚜렷한 이득을 볼 수 있다. 높은 바이어스 전압을 인가할수록 점진적으로 더 큰 광 전류가 발생된다. 이것은 애벌런치 이득의 전형적인 동작을 나타낸다.
도 10a 내지 도 10d은, 도 1의 광 검출기가 갖는 응답 속도를 설명하기 위하여, 고속 측정에 충분한 광전류 신호를 발생하는 넓은 면적의 광 검출기를 보여주는 도면들이다. 도 10a 내지 도 10d은 접지-신호-접지 전기적 평면 스트립 라인의 중간 신호 도전부의 중앙에 형성된 멀티-핑거 광 검출기 구조를 순차적으로 확대한 도면들이다. 평면적인 전기 도파관의 중간 신호 도전부의 좌우 부분들에 바이어스 전압이 인가되고, 광 검출기에 짧은 광 펄스가 조사된다. 광 검출은 평면적인 전기 라인에 발진하는 전기적인 펄스를 유도한다. 이 전기적인 펄스의 길이가 광 검출기의 응답 속도 측정 요소가 된다.
도 10a의 멀티-핑거 광 검출기의 응답 속도 측정을 위하여, 도 11과 같은 장치가 설치된다. 도 11을 참조하면, 티타니움-사파이어 레이저(T-sapphire laser)가 150 fs 광학 펄스가 80 MHZ 반복율로 제공된다. 펌프 펄스 빔(점선으로 표시) 이 광 검출기로 조사된다. 프로브 펄스 빔(파선으로 표시)은 제어 가능한 정도로 지연되어 광 검출기 우측의 전송 라인 위에 엊혀진 리튬탄탈륨산화물(LiTaO2) 전자-광학 결정체 위로 조사된다.
우측 전송 라인의 전압이 변하면, 리튬탄탈륨산화물(LiTaO2) 전자-광학 결정체에 반사된 펄스들의 극성이 바뀌고, 이 극성은 편광 빔스플리터(PBS)를 통과한 후 2 개의 광 검출기들(PD)을 사용하여 측정된다. 결과적으로, 이 2 셋트의 펄스들, 즉 펌프 펄스와 프로브 펄스 사이의 상대적인 지연을 변화시킴에 따라, 2 개의 광 검출기의 측정을 바탕으로 전기적인 펄스 형태로 배치된다. 도 10a의 멀티-핑거 광 검출기에 대한 펌프-프로브 전자-광학 샘플링 측정 결과는 도 12의 응답 특성으로 나타난다.
도 12를 참조하면, 도 10a의 멀티-핑거 광 검출기는 2 ps 정도의 응답 시간을 갖고, 측정된 밴드위스는 54 GHz 정도인 것으로 보여준다. 이러한 시간 스케일들은 전자들과 정공들이 전극들 사이에 분리된 250 nm를 통과하여 이동하는 속도에 제한되는 광 검출기에 잘 부합한다. 대체로 반도체들에서 속도는 1 마이크론 이동하는 데 10 ps 정도인 포화된 드리프트 속도로 제한되는 데, 200 nm 이동하는 데에는 2 ps 정도 걸리므로, 멀티-핑거 광 검출기의 측정 시간과 잘 부합한다. 이에 따라, 나노스케일 실리콘 광 검출기는 매우 빠른 응답 특성을 갖는다는 것을 알 수 있다.
도 1의 광 검출기(10)는 디바이스-투-디바이스 통신 수단에 의하여 정보를 교환하는 IrDA(Infrared Data Association)와 같은 광 무선 통신 방식에 이용될 수 있다. 도 1의 광 검출기(10)는 근적외선 영역에 대하여 강화된 특성을 갖기 때문에, 적외선 통신을 구현하는 적외선 모듈에 적용될 수 있다. 적외선 통신은 통신 속도가 빠르고, 전파와 달리 혼선이 없어 안전하다. 적외선 통신은 한 방향으로만 직진하므로 사용자가 지향한 곳으로만 지불 정보를 보낼 수 있다, 그리고, 통신 거리가 1 m 정도로 사용자의 시야 내에서만 교신하므로 안전한 금융 거래가 가능하다. 또한, 전파 간섭이나 잡음의 우려가 없어 병원, 주유소, 항공기 내에서도 제한 없이 사용할 수 있다. 도 1의 광 검출기(10)를 포함하는 적외선 모듈(50)은 도 13에 도시된 바와 같이, 소형 경량형 휴대용 정보기기인 휴대폰(40)에 장착될 수 있다. 이외에도 일반 광섬유를 이용하는 광통신에도 사용이 가능하다. 또한, 고속동작이 가능하므로 고속을 요구하는 광통신에 더욱 적합하다
도 1의 광 검출기(10)는 광학 영상(optical image)을 전기 신호로 변환하는 이미지 센서에 적용될 수 있다. 이미지 센서는 디지털 카메라, 캠코더 외에 개인 휴대 단말기(PDA), 휴대폰을 포함한 휴대용 단말 장치에 사용될 수 있는 영상 시스템에 이용될 수 있다. 이미지 센서에는 CCD형 이미지 센서와 CMOS 이미지 센서가 있다. CCD형 이미지 센서는 10V 이상의 고전압을 사용하기 때문에 나노 CMOS 회로를 채용하기 힘들어 고집적화가 어렵고, 제조 공정도 일반 CMOS 공정과 호환이 안되어 이미지 센서 모듈을 제작할 때 단일 칩이 아닌 적어도 3개의 칩으로 구성되어 부피도 크다. 더욱이 고전압으로 인하여 전력소모가 CMOS 이미지 센서에 비하여 10배 이상 커서 휴대 정보 단말기용으로는 부적당하다.
반면, CMOS 이미지 센서는 각각의 이미지 픽셀 내부에서 일반적인 CMOS 공정과 유사하게 포토 다이오드 및 트랜지스터들을 구현한다. 이에 따라서, 별도의 칩에서 이미지 신호 처리부를 가져야 하는 CCD형 이미지 센서에 비하여, CMOS 이미지 센서는 픽셀 외부 블락에 이미지 신호 처리 및 검출을 위한 회로를 일체화하여 집적할 수 있고 저전압 동작이 가능하며 제조 단가가 낮은 장점이 있다.
일반적으로 사용되는 CMOS 이미지 센서는 반도체 기판 상에 행렬로 배열되는 복수개의 픽셀들을 구비하는 데, 하나의 픽셀을 이루는 트랜지스터의 수에 의해 4-트랜지스터 픽셀 구조와 3-트랜지스터 픽셀 구조로 나눠진다. 필 펙터와 제조 단가의 측면에서 3-트랜지스터 픽셀 구조가 장점을 가짐에도 불구하고, 수광부와 검출부를 분리시키고 표면을 제외한 실리콘 벌크로 수광부를 만듦으로써 빛에 대한 응답성과 민감도가 높고 암전류, 잡음 등에 강한 4-트랜지스터 픽셀 구조가 일반적으로 사용되고 있다.
도 14는 도 1의 광 검출기(10)를 채용한 CMOS 이미지 센서의 단위 픽셀 회로도로서, 광 검출기(10)와 CMOS 신호 전송부(100)로 구성되는 단위 픽셀을 보여준다. 광 검출기(10)에서 생성된 전기 신호는 CMOS 신호 전송부(100)를 통하여 출력(OUT)으로 전송된다. CMOS 신호 전송부(100)는 4개의 NMOS 트랜지스터로 구성되는데, 반도체 기판 상에 CMOS 공정 기술을 이용하여 형성될 수 있다.
4개의 NMOS 트랜지스터 중 트랜스퍼 트랜지스터(TX)는 광 검출기(10)에서 생성된 광전하를 플로팅 확산 노드(FD)로 전송하는 역할을 하고, 리셋 트랜지스터(RX)는 플로팅 확산 노드(FD)를 전원 전압(VDD) 레벨로 리셋시켜 플로팅 확산 노드(FD)에 저장된 전하를 배출하는 역할을 한다. 드라이브 트랜지스터(DX)는 플로팅 확산 노드(FD)에 축적되는 전하에 대응되는 픽셀 데이터 신호를 생성하는 역할을 하고, 셀렉트 트랜지스터(SX)는 스위칭 및 어드레싱 신호를 받아 픽셀 데이터 신호를 출력(OUT)으로 전송한다.
도 14의 이미지 센서의 단위 픽셀은 나노스케일의 광 검출기(10)와 CMOS 신호 전송부(100)를 반도체 MOS 제조 공정으로 동시에 최소 사이즈로 제작할 수 있으므로, 나노스케일의 최소 사이즈 단위 픽셀을 구현할 수 있다.
일반적인 이미지 센서는 칼러 구현을 위하여 R(적색), G(녹색), B(청색) 등으로 구현된 칼러 필터 어레이(CFA)를 사용하고 있다. 이에 대하여, 본 발명은 도 1의 광 검출기(10) 내 안테나 암 길이를 검출하고자 하는 빛의 파장 성분에 따라 서로 다르게 형성한다. 예컨대, 780 nm 정도의 R(적색) 컬러를 검출하기 위하여, 안테나의 암 길이를 780/4 = 195 nm 정도로 형성하고, 600 nm 정도의 G(녹색) 컬러를 검출하기 위하여, 안테나의 암 길이를 600/4 = 150 nm 정도로 형성하고, 400 nm 정도의 B(청색) 컬러를 검출하기 위하여, 안테나의 암 길이를 400/4 = 100 nm 정도로 형성할 수 있다.
도 1의 광 검출기(10)를 포함하는 CMOS 이미지 센서(CMOS Image sensor :CIS)를 채용한 카메라 모듈(60)이, 도 13에 도시된 바와 같이, 휴대폰(40)에 장착될 수 있다. CIS 카메라 모듈은 광 검출기(10)에 의해 칼러 영상 신호를 발생하는 CMOS 이미지 센서 칩과, 칼러 영상 신호를 처리하여 디스플레이부로 전달하는 ISP(Image Signal Processor) 칩 또는 DSP(Digital Signal Processor) 칩으로 구성될 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10: 광 검출기 24: 실리콘 영역, 실리콘막
28: 다이폴 안테나 30: 전극들

Claims (10)

  1. 기판;
    상기 기판 위에 형성된 반도체 영역;
    상기 기판 위에 상기 반도체 영역을 사이에 두고 제1 방향으로 이격되어 형성된 제1 및 제2 암들을 포함하는 안테나; 및
    상기 기판 위에 상기 반도체 영역을 사이에 두고 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 이격되어 형성된 제1 및 제2 전극들을 구비하고,
    상기 제1 및 제2 전극들에 바이어스 전압을 인가하여 상기 반도체 영역에서의 애벌런치 이득을 일으키는 것을 특징으로 하는 광 검출기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 광 검출기는
    근적외선 영역의 빛을 전기 신호로 생성하는 것을 특징으로 하는 광 검출기.
  3. 제1항에 있어서, 상기 광 검출기는
    상기 기판 위에 형성된 실리콘 산화막을 포함하고, 상기 실리콘 산화막 위에 상기 안테나가 얹혀지는 것을 특징으로 하는 광 검출기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 안테나의 상기 제1 및 제2 암들은
    검출하고자 하는 빛의 파장에 따른 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 광 검출기.
  5. 기판 상에 산화막을 형성하는 단계;
    상기 산화막 상에 실리콘막을 형성하는 단계;
    상기 실리콘막을 패터닝하는 단계;
    패터닝된 상기 실리콘막 위로 도전막을 증착하는 단계;
    상기 도전막을 패터닝하여, 상기 패터닝된 실리콘막을 사이에 두고 제1 방향으로 이격된 다이폴 안테나를 형성하는 단계; 및
    상기 패터닝된 실리콘막을 사이에 두고 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향으로 이격되되 상기 패터닝된 실리콘막의 일부분 위로 전극들을 형성하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 광 검출기의 반도체 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 다이폴 안테나는
    검출하고자 하는 빛의 파장에 따른 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 광 검출기의 반도체 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 다이폴 안테나는
    근적외선 파장 길이의 1/4에 해당하는 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 광 검출기의 반도체 제조 방법.
  8. 반도체 기판 상에 행렬로 배열되는 복수개의 픽셀들을 포함하는 이미지 센서에 있어서, 상기 픽셀들 중 하나는
    입사광을 전기 신호로 변환하는 광 검출기; 및
    상기 전기 신호를 픽셀 데이터 신호로 출력하는 신호 전송부를 구비하고,
    상기 광 검출기는
    상기 반도체 기판 위에 형성된 실리콘 영역;
    상기 반도체 기판 위에 상기 실리콘 영역을 사이에 두고 제1 방향으로 이격되어 형성된 2개 암들을 포함하는 다이폴 안테나; 및
    상기 반도체 기판 위에 상기 실리콘 영역을 사이에 두고 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 이격되어 형성된 제1 및 제2 전극들을 구비하고,
    상기 제1 및 제2 전극들에 바이어스 전압을 인가하여 상기 실리콘 영역에서의 애벌런치 이득을 일으키는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 다이폴 안테나의 상기 2개 암들은 검출하고자 하는 빛의 파장에 따른 길이를 갖고,
    상기 복수개의 픽셀들 중 하나의 픽셀 내 상기 광 검출기는 상기 복수개의 픽셀들 중 다른 픽셀 내 상기 광 검출기와는 다른 암 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  10. 제8항에 있어서, 상기 신호 전송부는
    상기 광 검출기에서 생성된 광전하를 플로팅 확산 영역으로 전송하는 트랜스퍼 트랜지스터;
    상기 플로팅 확산 영역을 전원 전압 레벨로 리셋시켜 플로팅 확산 영역에 저장된 전하를 배출하는 리셋 트랜지스터;
    상기 플로팅 확산 영역에 축적되는 전하에 대응되는 상기 픽셀 데이터 신호를 생성하는 드라이브 트랜지스터; 및
    스위칭 및 어드레싱 신호를 받아 상기 픽셀 데이터 신호를 출력으로 전송하는 셀렉트 트랜지스터를 구비하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
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