KR101887259B1 - 자외선 반도체 센서 장치 및 자외선 방사 측정 방법 - Google Patents
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Abstract
포토 다이오드(2) 및 추가 포토 다이오드(3)는 주 표면(10)에서 또는 그 근방에서 기판(1)에 마련된다. 포토 다이오드들은 입사 자외선 방사(26)의 경우, 포토 다이오드(2)로부터의 전기신호가 추가 포토 다이오드(3)로부터의 추가 전기신호보다 큰 방식으로 형성 및 마련된다. 특히 제1포토 다이오드는 추가 포토 다이오드보다 자외선 방사에 더 민감할 수 있다. 포토 다이오드로부터의 전기신호는 추가 전기신호에 의해 감쇄되어 입사 자외선 방사를 1차로 측정한 전기신호를 생성한다. 제1포토 다이오드로부터의 전기신호의 감쇄는 집적회로(25)를 사용하여 내부적으로 또는 별도의 장치를 사용하여 외부적으로 달성될 수 있다.
Description
본 발명은 자외선 반도체 센서 장치 및 자외선 방사 측정 방법에 관한 것이다.
실리콘 포토 다이오드는 200nm 내지 400nm 범위의 파장을 갖는 UV (자외선) 방사 검출에 사용될 수 있다. 종래 광학 패키지에 사용되는 플라스틱 및 유리에서는 흡수가 이루어져 전 범위의 자외선 광이 패키지 내 포토 다이오드에 도달하지 못하게 한다.
미국특허 공개번호 US 2006/0038249 A1호는 캐소드 층 및 캐소드 층 표면에 형성된 애노드 층들을 포함하는 UV 센서 장치를 개시하고 있다. 캐스드 층과 두 애노드 층으로 형성된 pn 접합들 사이에 위치하는 캐소드 층의 일부는 수광 영역으로 동작한다.
미국특허번호 US 8,084,728 B2호는 다수의 포토다이오드 소자와 다중 공동 패브리 페로(Fabri-Perot) 주변광 필터 구조를 갖는 광 감지 장치를 개시하고 있다.
이 장치는 700 nm 내지 1100 nm 범위의 파장을 갖는 적외선 광을 차단한다.
미국특허 공개번호 US 2009/0184254 A1호는 실리콘 내 형성된 p+-형 및 n+-형 층들이 낮은 도핑 농도의 얇은 층에 의해 분리된 포토 다이오드 쌍을 포함하는 자외선 센서를 개시하고 있다. 질화 실리콘을 포함한 필터 막은 상술한 포토 다이오드들 중 하나를 형성하여 적어도 제1UV 파장을 갖는 방사선을 투과시킨다. 다른 포토 다이오드 및 필터 막을 커버하는 밀폐 막은 적어도 다른 제2UV 파장을 갖는 방사선을 투과시킨다. 반도체 장치의 반도체 본체로 이어지는 전기적인 도전성을 갖는 배선은 웨이퍼 관통(through-wafer) 비아 또는 기판 관통(through-substrate) 비아로 알려져 있다. 웨이퍼 관통 비아 또는 기판 관통 비아를 포함하는 반도체 장치는 미국특허 공개번호 US 2010/0123254 Al, US 2010/0314762 Al, US 2011/0260284 Al 및 US 2012/0286430 Al 호에 개시되어 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 자외선 범위 내 방사를 측정하는 반도체 센서 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 향상된 감도 또는 감응도(responsivity)로 자외선 방사를 측정하는 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적은 청구항 1항에 따른 반도체 센서 장치 및 청구항 12항에 따른 자외선 방사를 측정하는 방법으로 달성될 수 있다. 다수의 실시예들와 변형예들이 종속항들로부터 도출된다.
반도체 센서 장치는 주 표면을 갖는 반도체 기판을 포함한다. 포토 다이오드 및 추가 포토 다이오드는 주 표면에서 또는 주 표면 근방에서 기판에 배열된다. 포토 다이오드는 입사 방사선에 응답하여 전기 신호를 생성하고 추가 포토 다이오드는 입사 방사선에 응답하여 추가 전기 신호를 생성한다. 포토 다이오드 및 추가 포토 다이오드는, 입사 방사선의 경우, 포토 다이오드에서 출력되는 전기 신호가 추가 포토 다이오드로부터 출력되는 추가 전기 신호보다 큰 방식으로 형성 및 배열된다. 특히, 제1포토 다이오드는 추가 포토 다이오드보다 자외선 방사에 더 민감할 수 있다. 포토 다이오드에서 출력되는 전기 신호는 추가 전기 신호에 의해 감쇄되고 그에 따라 입사 자외선 방사을 1차 측정한 전기 신호로 생성된다. 따라서 이 측정은 입사 방사선에 응답하여 제1포토 다이오드에서 생성된 전기신호 및 추가 포토 다이오드에 의해 동시에 생성된 추가 전기 신호에 의한 상술한 전기신호의 감쇄를 포함한다. 포토 다이오드에서 출력된 전기신호 및 추가 포토 다이오드에서 출력된 추가 전기신호는 이런 방식으로, 예를 들어, 집적 회로에 의해 센서 장치에서 내부적으로 처리될 수 있거나 혹은 추가 전기신호에 의한 전기신호의 감쇄는 외부에서 두 전기신호를 별도로 끌어내서 외부 장치에 의해 처리하여 수행될 수 있다. 특히, 포토 다이오드 및 추가 포토 다이오드는 포토 다이오드에서 출력되는 전기신호가 추가 전기신호에 의해 감쇄되고, 그에 따라 입사 자외선 방사을 1차 측정한 전기신호를 출력하는 방식으로 결합될 수 있다.
반도체 센서 장치의 일 실시예에서, 감쇄는 추가 포토 다이오드에서 출력된 추가 전기신호를 포토 다이오드에서 생성된 전기신호로부터 감산하는 것을 포함한다.
다른 실시예에서, 집적 회로는 기판에 배열되고, 추가 포토 다이오드에 의해 생성된 추가 전기신호만큼 포토 다이오드에서 생성된 전기신호를 감쇄한다.
다른 실시예는 입사 자외선 방사의 포토 다이오드로의 투과를 감소하거나 억제하지 않고 입사 자외선 방사의 추가 포토 다이오드로의 투과를 감소하거나 억제하는 필터층을 더 포함한다. 예를 들어 필터층은 질화 실리콘 또는 폴리실리콘(polysilicon)일 수 있다.
다른 실시예는 주 표면에 있는 또는 주 표면 근처의 기판에 형성되고 제1타입 전기 전도도를 갖는 도핑 우물 및 도핑 우물에 또는 그 내부에 배열된 pn-접합을 더 포함한다.
다른 실시예에서, 기판은 제1타입 전기 전도도와 반대되는 제2타입 전기 전도도를 갖도록 도핑되고, 제1타입 전기 전도도의 순 도핑 (net doping)은 도핑 우물에 존재하여 pn-접합을 형성한다.
또 다른 실시예에서, 기판은 제1타입 전기 전도도와 반대인 제2타입 전기 전도도를 갖도록 도핑된 단결정층(epitaxial layer)을 포함한다. 단결정층은 주 표면을 형성하고 도핑 우물은 단결정층 내에 배열된다. 제1타입 전기 전도도의 순 도핑은 도핑 우물 내에 존재하고 pn-접합을 형성한다.
다른 실시예는 도핑 우물 내에 배열되고 제1타입 전기 전도도와 반대인 제2전기 전도도를 갖는 도핑 영역을 더 포함한다. pn-접합은 도핑 우물과 도핑 영역 사이의 경계에 형성된다.
다른 실시예에서, 추가 포토 다이오드의 도핑 영역은 주 표면쪽으로 증가하는 도핑 농도를 포함하여 전하 캐리어의 확산 길이가 감소된 표면 불감층(dead layer)을 형성한다.
자외선 방사을 측정하는 방법은 포토 다이오드 및 추가 포토 다이오드를 사용해 입사 방사선에 응답하여 포토 다이오드로부터의 전기신호 및 추가 포토 다이오드로부터의 추가 전기신호를 동시에 생성한다. 포토 다이오드 및 추가 포토 다이오드는, 입사 방사선의 경우, 포토 다이오드에서 출력되는 전기 신호가 추가 포토 다이오드로부터 출력되는 추가 전기 신호보다 큰 방식으로 마련된다. 포토 다이오드에서 출력되는 전기 신호는 입사 자외선 방사을 1차 측정하는 전기 신호를 생성하도록 추가 전기 신호에 의해 감쇄된다.
상기 방법의 변형으로, 포토 다이오드에서 출력된 전기신호는 추가 전기신호를 감산하여 감쇄된다.
상기 방법의 추가 변형으로, 필터층은 입사 자외선 방사이 포토 다이오드로 투과시키는 것을 감소하거나 억제하지 않고 입사 자외선 방사을 추가 포토 다이오드로 투과시키는 것을 감소하거나 억제한다.
상기 방법의 추가 변형으로, 필터층은 입사되는 비 자외선 방사이 포토 다이오드 및 추가 포토 다이오드로 투과시키는 것을 감소하거나 억제한다.
다음으로 반도체 센서 장치 및 자외선 방사 측정 방법의 예를 상세하게 설명한다.
도 1은 집적 포토 다이오드를 구비한 반도체 센서 다이오드의 개략적인 단면도이다.
도 2는 서로 다른 구조의 포토 다이오드들을 포함하는 실시예에 대한 도 1에 따른 단면도이다.
도 3는 동일한 구조의 포토 다이오드들을 포함하는 실시예에 대한 도 1에 따른 단면도이다.
도 4는 추가 필터 층을 구비한 실시예에 대한 도 3에 따른 단면도이다.
도 5는 다른 필터 구조를 갖는 실시예에 대한 도 4에 따른 단면도이다.
도 6은 다른 구조의 포토 다이오드들을 포함하는 다른 실시예에 대한 도 2에 따른 단면도이다.
도 7은 동일한 구조의 포토 다이오드들을 포함하는 다른 실시예에 대한 도 3에 따른 단면도이다.
도 8은 다른 필터 구조를 갖는 실시예에 대한 도 7에 따른 단면도이다.
도 9는 다른 구조의 포토 다이오드들을 포함하는 다른 실시예에 대한 도 6에 따른 단면도이다.
도 10은 동일한 구조의 포토 다이오드들을 포함하는 다른 실시예에 대한 도 9에 따른 단면도이다.
도 11은 다른 필터 구조를 갖는 실시예에 대한 도 10에 따른 단면도이다.
도 12는 기판 관통 비아들을 포함하는 추가 실시예에 대한 단면도이다.
도 2는 서로 다른 구조의 포토 다이오드들을 포함하는 실시예에 대한 도 1에 따른 단면도이다.
도 3는 동일한 구조의 포토 다이오드들을 포함하는 실시예에 대한 도 1에 따른 단면도이다.
도 4는 추가 필터 층을 구비한 실시예에 대한 도 3에 따른 단면도이다.
도 5는 다른 필터 구조를 갖는 실시예에 대한 도 4에 따른 단면도이다.
도 6은 다른 구조의 포토 다이오드들을 포함하는 다른 실시예에 대한 도 2에 따른 단면도이다.
도 7은 동일한 구조의 포토 다이오드들을 포함하는 다른 실시예에 대한 도 3에 따른 단면도이다.
도 8은 다른 필터 구조를 갖는 실시예에 대한 도 7에 따른 단면도이다.
도 9는 다른 구조의 포토 다이오드들을 포함하는 다른 실시예에 대한 도 6에 따른 단면도이다.
도 10은 동일한 구조의 포토 다이오드들을 포함하는 다른 실시예에 대한 도 9에 따른 단면도이다.
도 11은 다른 필터 구조를 갖는 실시예에 대한 도 10에 따른 단면도이다.
도 12는 기판 관통 비아들을 포함하는 추가 실시예에 대한 단면도이다.
도 1은 두 집적 포토 다이오드들(2,3)을 구비한 반도체 기판(1)을 포함하는 반도체 센서 장치의 개략적인 단면도이다. 포토 다이오드들에 대한 참조를 용이하게 하기 위해, 포토 다이오드(2) 및 추가 포토 다이오드(3)는 다음에서 각각 채널 A 포토 다이오드(2) 및 채널 B 포토 다이오드(3)로 지정된다.
한정사 "채널 A" 및 "채널 B"는 포토 다이오드들의 구조 또는 물리적 특성을 특징짓는 것이 아니라 단지 포토 다이오드들이, 하나는 채널 A 신호, 다른 하나는 채널 B 신호로 전송되는 서로 다른 전기신호를 생성하는 것을 나타낸다.
포토 다이오드들(2, 3)은 입사 전자기 방사선(26)에 대해 다른 감응도 또는 다른 감도를 갖는다. 채널 A 포토 다이오드(2)는 자외선 방사에 응답하며, 가시광선 또는 적외선과 같이 다른 파장을 갖는 전자기 방사선에도 반응할 수 있다. 채널 B 다이오드 (3)은 자외선 방사 범위 밖의 파장들을 갖는 전자기 방사에 1차 응답한다. 다른 감응도 또는 감도는 간접 자외선 방사에 응답하여 포토 다이오드들(2, 3)에 의해 생성된 다른 전기신호들을 만들어내고, 채널 A 포토 다이오드(2)에서 출력된 전기신호는 채널 B 포토 다이오드(3)에서 출력된 전기신호보다 크다. 다른 파장들에 응답하여 생성된 전기신호들은 동일하거나 적어도 기본적으로 포토 다이오드들(2, 3)의 그것들과 동일하다.
검출된 입사 자외선 방사선은 채널 A 포토 다이오드(2)에 의해 생성된 전기신호 chA 및 채널 B 포토 다이오드(3)에 의해 생성된 전기신호 chB 사이의 차 Δ = chA - chB 로 계산될 수 있다. 두 포토 다이오드들(2, 3)의 이상적이지 않는(non-ideal) 응답을 설명하기 위해, 이 계산은 두 전기신호들 간의 약간 변형된 차분 Δm = chA-KㆍchB 를 렌더링하는 보정 인자 K를 삽입하여 개선할 수 있다. 인자 K는 보통 근사적으로 1이고, 예를 들어, 특히 모든 계산에서 일정하게 유지될 수 있다. 어느 경우이든, 채널 A 포토 다이오드(2)에서 출력된 전기신호는 채널 B 포토 다이오드(3)에서 출력된 전기신호에 의해 감쇄된다. 이러한 방식으로, 자외선 방사 범위 밖에 있는 파장에서 파생된 신호 성분들은 적어도 부분적으로 제거되는 반면, 자외선 방사에서 파생된 신호 성분들은 유지된다. 기능면에서, 이 장치는 "차등 듀얼 포토 다이오드 자외선 센서"로 부를 수 있다. 계산은, 예를 들어, 집적회로에 의해 또는 포토 다이오드들에서 출력된 신호를 수신하는 외부 장치를 이용해 수행될 수 있다.
포토 다이오드(2, 3)는 주 표면(10)에 또는 그 근처에 있는 기판(1)에 형성된 제1타입의 전기 전도도를 갖는 도핑 우물을 사용하여 집적될 수 있다. 포토 다이오드를 형성하는 pn-접합(24)은 도핑 우물(4)에 또는 그 내부에 마련된다. 기판(1)의 반도체 재질이 제1타입과 반대인 제2타입의 전기 전도도를 갖도록 기본 도핑이 되어 있다면, 도핑 우물(4)은 제1타입을 갖도록 더 높은 도핑 농도로 마련되어 제1타입의 전기 전도도를 갖는 순 도핑(net doping)을 이룬다. 따라서 pn-접합(24)은 도핑 우물(4)의 경계에 형성된다. 제1타입 전기 전도도는 n-타입 전도도이고, 제2타입은 반대로 p-타입 전도도를 갖는다.
배선은 포토 다이오드(2,3)의 단자들과 선택적인 집적회로(25)의 단자들을 전기적으로 연결할 수 있다. 반도체 산화물, 특히 이산화실리콘일 수 있는 유전체(5)는, 예를 들어, 주 표면(10)에 마련되어 배선을 수용할 수 있다. 도면에서 배선은 개략적으로 수직 배선을 갖는 복수의 금속 구조층을 포함할 수 있는 배선영역(6)으로 나타낼 수 있고, 유전체(5)는 금속간 유전체를 형성한다.
집적 회로(25)는 직접 장치상에서 계산을 수행한다. 외부 단자는 배선상의 접촉 패드로 마련될 수 있고, 따라서 측정결과로서 전기신호가 전달된다.
표면보호층(passivation layer, 7)은 커버로 마련되어 접촉 패드 위에서 개방될 수 있다. 표면보호층(7)이 질화실리콘인 경우, 높은 굴절률이 포토 다이오드의 스펙트럼 반응 곡선에 강력한 맥동을 일으키는 박막 효과를 일으키기 때문에 포토 다이오드에서 제거되는 것이 좋다.
또한 질화실리콘은 종류와 두께에 따른 스펙트럼 투과 곡선을 갖는 자외선 방사을 흡수한다. 도 1의 실시예에서, 표면보호층(7)은 포토 다이오드(2, 3) 상부에 윈도우(17)를 형성하는 개구부를 포함한다.
자외선 센서 장치의 다른 실시예들은 다음과 같다. 장치 구조는 반도체 재질, 특히 실리콘, 내 광의 흡수 길이는 파장에 따라 달라지는 사실을 고려하여 조정될 수 있다. 자외선 광은 200 nm 내지 400 nm 범위의 파장을 갖고, 반도체 바디(body) 표면 가까이에서, 보통 입사표면으로부터 0.1 μm 미만의 거리에서 흡수된다. 이와 반대로, 700 nm 보다 큰 파장을 갖는 적외선 광은 반도체 바디 내부 깊은 영역에서 1차 흡수된다.
도 2는 단결정층(9) 내에 형성된 기판(1)을 포함한 실시예의 단면도이다. 도 1에 따른 실시예의 유사 구성요소들에 대응하는 도 2에 따른 실시예의 구성요소들은 동일한 참조번호로 표시된다. 단결정층(9)은 도핑 우물(4)의 전도도 타입과 반대되는 타입의 전도도를 갖도록 도핑되므로, pn 접합은 도핑 우물(4)의 경계에 형성된다. 기판(1)은 p+ 도핑된 실리콘 바디, 특히 내부에 n 타입 도핑 우물(4)을 갖는 p타입 도핑 단결정층(9)을 포함할 수 있다. 단결정층(9)은 채널 A 포토다이오드(2)의 유효 두께(t2)를 규정한다.
특히 주 표면(10)과 단결정층(9)의 하부 경계 사이의 흡수 영역에서 입사광에 의해 생성된 모든 전하 캐리어들은 채널-A 포토 다이오드(2)의 단자에 0V 바이어스가 인가되어도 pn-접합(24)에 모아진다. 제1타입 전도도를 갖도록 도핑된 제1타입 접촉 영역(11)은, 도 1에서 수직 배선(8)으로 나타낸 바와 같이, 도핑 우물(4)에 외부 전기 접촉용으로 제공될 수 있다. 제1타입 접촉 영역(11)은 충분히 높아진 농도로 도핑되어 반도체 재질상에서 낮은 옴 접촉(ohmic contact)을 형성한다.
제2타입 전도도를 갖도록 도핑된 제2타입 접촉 영역(12)은 단결정층(9) 내에 마련될 수 있다. 제2타입 접촉영역(12)도 낮은 옴 금속/반도체 접촉에 충분한, 높은 도핑 농도를 갖는다.
도 2에 따른 실시예의 채널 B 포토 다이오드(3)에서, 제1타입 접촉영역(11)은 도핑 우물(4)이 점유한 영역 대부분까지 확장되고, 주 표면(10) 측으로 증가되는 도핑 농도를 갖는다. 주 표면(10) 근처에서 도핑 농도가 높으면 전하 캐리어의 확산길이가 매우 짧아지고, 따라서 표면 불감층(14)을 형성하여 이 층에서 생성된 전하 캐리어가 pn 접합에 모아지지 못하게 한다. 채널 B 포토 다이오드(3)의 유효 두께 (t3)는 표면 불감층(14)의 하부 경계와 단결정층(9)의 하부 경계 사이의 거리로 주어진다. 따라서 채널 B 포토 다이오드(3)의 흡수 영역은 주 표면(10)으로부터 일정 거리에 위치하고, 채널 A 포토 다이오드(2)와 비교하여, 입사 자외선 방사에 대한 응답이 억제되거나 적어도 채널 B 포토 다이오드(3) 내에서 감소된다. 자외선 방사 측정의 정확성은 두 포토 다이오드(2, 3) 상부에 저역통과필터로서 공통 필터층(13)을 마련함으로써 더 개선될 수 있다. 공통 필터층(13)의 재료와 형상은, 특히, 그 두께는 가시광선 및 적외선을 차단 또는 적어도 감쇄하면서 자외선 방사을 통과시키도록 조정된다. 공통 필터층(13)에 의해 필터링되는 범위를 제한하는 차단 파장은 특정 애플리케이션의 요구에 따라 조정될 수 있다.
도 3은 단결정층(9)으로 형성된 기판(1)을 포함하는 추가 실시예에 대한 단면도이다. 도 2에 따른 실시예와 유사한 구성요소에 해당하는 도 3에 따른 실시예의 구성요소들은 동일한 참조번호로 표시된다. 도 3에 따른 실시예에서, 채널 A 포토 다이오드(2) 및 채널 B 포토 다이오드(3)은 동일한 구조를 가지며, 물리적 특성이 동일할 수 있다. 자외선 방사에 대한 채널 B 다이오드(3)의 응답은 고역통과필터에 의해 감쇄되고, 고역통과필터는 하기에서 채널 B 필터로 지칭된다. 채널 B 필터층(15)은 채널 B 포토 다이오드(3)의 상부에 마련되어 가시광선 및 적외선 전부 또는 거의 대부분을 통과시키는 반면, 채널 B 포토 다이오드(3)으로 입사하는 자외선 방사의 통과를 차단 또는 감쇄시키지만, 채널 A 포토 다이오드(2)의 상부에는 마련되지 않는다.
채널 B 필터층(15)은 채널 A 포토 다이오드(2)를 커버하지 않기 때문에, 입사 자외선 방사은 채널 A 포토 다이오드(2)에 의해 차단되지 않는다.
도 3에 따른 실시예가 자외선 방사 측정에 사용되는 경우, 변경된 차분 Δm = chA-KㆍchB 은 단순 차분보다 더 정확한 결과를 만들 수 있다. 예시적인 채널 B 필터층(15)의 경우, 예를 들어, K = 0.92-1 라는 전형적인 값이 선택될 수 있다. 계산은, 예를 들어, 집적회로에 의해 또는 포토 다이오드들로부터 출력된 신호를 수신하는 외부 장치를 이용해 수행될 수 있다. 채널 B 필터층(15)은 특히 질화 실리콘으로 형성될 수 있다. 질화 실리콘 박막은 원하는 효과를 얻기에 충분하다. 질화 실리콘으로 형성된 채널 B 필터층(15)은 특히 배선의 금속층보다 더 얇을 수 있다. 도 3에 따른 실시예에서, 자외선 방사 측정의 정확성은 도 4에 도시된 바와 같이 두 포토 다이오드들(2, 3) 상부에 저역통과필터를 포함함으로써 더 개선될 수 있다.
도 4는 포토 다이오드(2,3) 상부에 마련된 공통 필터층(13)을 추가로 포함하는, 도 3에 따른 다른 실시예의 단면이다. 도 3에 따른 실시예와 유사한 구성요소에 해당하는 도 4에 따른 실시예의 구성요소들은 동일한 참조번호로 표시된다. 저역통과필터로서 공통 필터층(13)의 기능은 도 2에 따른 실시예를 참조하여 위에서 설명되었다. 도 4에 따른 실시예에서, 공통 필터층(13)은 커버층(15)에 마련되고, 예를 들어 배선을 포함하는 유전체(5)와 동일한 유전체 재질을 가질 수 있다. 커버층(16)은 선택사항이지만, 공통 필터층(13)이 채널 B 필터층(15)과 분리된 경우, 이를 구비하는 것이 바람직하다.
도 5는 배선의 금속층과 동일하거나 또는 배선영역(6) 레벨보다 낮은 레벨에서 유전체(5) 내에 마련된 채널 B 필터층(15)을 갖는, 도 4에 따른 다른 실시예의 단면도이다. 도 4에 따른 실시예와 유사한 구성요소에 해당하는 도 5에 따른 실시예의 구성요소들은 동일한 참조번호로 표시된다. 도 5에 따른 실시예에서, 채널 B 필터층(15)은 폴리실리콘으로 형성될 수 있다. 폴리실리콘 박층은 자외선 방사을 차단하고 따라서 고역통과필터로 적용될 수 있다. 채널 B 필터층(15)이 폴리실리콘으로 형성된 경우, 보통, 예를 들어 약 0.2μm 두께일 수 있다. 도 5에 도시된 공통 필터층(13)은 선택사항이고, 도 3에 따른 실시예와 같이 생략될 수 있다.
도 2 내지 도 5에 따른 실시예들은 도핑 우물(4)의 경계에 형성되는 pn 접합(24)을 포함한다. 단결정층(9)은 본 실시예에서 선호되며, 그 이유는 기판(1)의 기본 도핑과 무관하게 인접한 반도체 재질의 도핑 농도를 pn접합(24)의 요구에 따라 조정되게 하고, 이로써 포토 다이오드와 무관하고 특히 도면에 도시되지 않은 다른 집적 콤포넌트들에게 적합하게 될 수 있기 때문이다. 도 6 내지 도 11에 따른 실시예는 도핑 우물(4) 내에 형성된 pn 접합(24)을 포함하고, 단결정층(9)은 본 실시예에서 덜 선호되고 따라서 생략될 수 있다.
도 6은 표면 불감층(14)을 포함하는 도 2에 따른 다른 실시예의 단면도이다. 도 2에 따른 실시예와 유사한 구성요소에 해당하는 도 6에 따른 실시예의 구성요소들은 동일한 참조번호로 표시된다. pn 접합(24)은 도핑된 채널 A 포토 다이오드(2)의 채널 A 영역(18)의 경계 및 채널 B 포토 다이오드(3)의 도핑된 채널 B 영역(19)의 경계에 형성된다. 채널 A 영역(18) 및 채널 B 영역(19)은 반대되는 제2타입의 전기 전도도를 갖도록 도핑된다. 채널 A 영역(18)은 외부 전기배선을 위해 제2타입의 접촉영역(12)으로 마련되는 것이 바람직하다. 채널 A 포토 다이오드(2)의 유효 두께(t2)는 대략 주 표면(10)으로부터 채널 A 영역(18)의 하부에 점선으로 표시된 깊이까지의 거리일 수 있다.
도 6에 따른 실시예에서, 채널 B 포토 다이오드(3)의 채널 B 영역(19)은 도핑 우물(4)이 점유한 영역의 대부분까지 확장되고 주 표면(10) 쪽으로 증가하는 도핑 농도를 갖는다. 주 표면(10) 근처에서 도핑 농도가 높으면 전하 캐리어의 확산길이가 매우 짧아지고, 따라서 표면 불감층을 형성하여 이 층에서 생성된 전하 캐리어가 pn 접합에 모아지는 것을 방지한다. 채널 A 포토 다이오드(2) 내 표면 불감층(14) 발생은 주 표면(10) 근처에서 채널 A 영역(18)의 충분히 낮은 도핑 농도에 의해 방지될 수 있다. 채널 B 포토 다이오드(3)의 유효 두께(t3)는 대략 도 6에서 채널 B 영역(19) 내 점선으로 표시된 표면 불감층(14)의 하부 경계로부터 채널 B 영역(19) 하부에 다른 점선으로 표시된 깊이까지의 거리이다.
주 표면(10)에서부터 측정된 표면 불감층(14)의 깊이는 보통, 예를 들어, 약 0.1 μm일 수 있고, 또한 주 표면(10)에서부터 측정되고 다른 점선으로 표시된 흡수영역의 깊이는 예를 들어, 보통 약 0.5μm 일 수 있다. 따라서 채널 B 포토 다이오드(3)의 흡수 영역은 주 표면(10)으로부터 일정 거리에 위치하고, 채널 A 포토 다이오드(2)와 비교하여, 도 2에 따른 실시예와 유사한 방식으로, 입사 자외선 방사에 대한 응답이 억제되거나 적어도 채널 B 포토 다이오드(3) 내에서 감소된다. 도 6에 도시된 공통 필터층(13)은 저역통과필터로 마련되지만, 이는 선택적이며 생략될 수 있다.
도 7은 채널 B 포토 다이오드(3)의 상부에만 고역통과필터로 마련된 채널 B 필터층(15)을 포함하는, 도 3에 따른 다른 실시예의 단면도이다. pn 접합(24)은, 도 6에 따른 실시예에서처럼, 채널 A 포토 다이오드(2)의 채널 A 영역(18)의 경계 및 채널 B 포토 다이오드(3)의 도핑된 채널 B 영역(19)의 경계에서 도핑 우물(4) 내에 형성된다. 도 6에 따른 실시예와 유사한 구성요소에 해당하는 도 7에 따른 실시예의 구성요소들은 동일한 참조번호로 표시된다. 도 7에 따른 실시예에서, 채널 A 포토 다이오드(2) 및 채널 B 포토 다이오드(3)는 동일한 구조를 가지며, 물리적 특성이 동일할 수 있다. 따라서 채널 A 다이오드(2)의 유효 두께(t2)는 채널 B 다이오드(3)의 유효 두께(t3)와 동일할 수 있다. 유사한 제2타입 접촉영역(12)이 채널 A 영역(18) 내 채널 A 포토 다이오드(2) 및 채널 B 영역(19) 내 채널 B 포토 다이오드(3) 에 마련될 수 있다.
도 3에 따른 실시예를 참조한 상술한 설명은 또한, 특히 질화실리콘으로 형성될 수 있는 채널 B 필터층(15)에 대해서 도 7에 따른 실시예에 적용된다. 변경된 차분 Δm = chA-KㆍchB 의 계산은 자외선 방사에 대해 가장 정확한 측정 결과를 얻도록 사용될 수 있고, 예를 들어, K= 0.92-1 값은 보통 예시적인 채널 B 필터층(15)을 갖는 실시예의 경우 보정 인자 K에 적합할 수 있다. 계산은, 예를 들어, 집적회로에 의해 또는 포토 다이오드들로부터 출력된 신호를 수신하는 외부 장치를 이용해 수행될 수 있다.
도 8은 배선의 금속층과 동일하거나 또는 배선영역(6) 레벨보다 낮은 레벨에서 유전체(5) 내에 마련된 채널 B 필터층(15)을 갖는, 도 7에 따른 다른 실시예의 단면도이다. 도 7에 따른 실시예와 유사한 구성요소에 해당하는 도 8에 따른 실시예의 구성요소들은 동일한 참조번호로 표시된다. 도 8에 따른 실시예에서, 채널 B 필터층(15)은 고역통과필터로 기능하는 폴리실리콘으로 형성될 수 있고, 예를 들어, 보통 약 0.2μm의 두께를 가질 수 있다. 도 8에 도시된 공통 필터층(13)은 저역통과필터로 마련되지만, 이는 선택적이며 도 7에 따른 실시예에서와 같이 생략될 수 있다.
도 9는 표면 불감층(14)을 포함하는 다른 실시예에 대한 도 6에 따른 단면도이다. 도 6에 따른 실시예와 유사한 구성요소에 해당하는 도 9에 따른 실시예의 구성요소들은 동일한 참조번호로 표시된다. 도 6 및 도 9에 따른 실시예들의 차이는 채널 A 포토 다이오드(2)의 구조로, 도 9에 따른 실시예에서 작고 가까이 위치한 스트립(strip) 또는 섬(island)을 포함하는 도핑된 채널 A 영역(18)을 갖는 것이다. 채널 A 영역(18)은 제2타입의 접촉 영역(12)을 형성하기 위해 주 표면(10) 측으로 증가하는 도핑 농도를 가질 수 있다.
채널 A 포토 다이오드(2)의 외부의 전기연결을 위한 금속층에 마련될 수 있는 배선 패턴은, 바람직하게는, 채널 A 영역(18)의 스트립 또는 섬을 커버하는 구조를 가져 중간 영역만 입사 방사선에 노출될 수 있다. 이 경우, 유사한 배선 패턴은 입사 방사선에 노출된 두 포토 다이오드(2, 3)의 동일 영역을 갖도록, 그리고, 단순 감산으로 비 자외선(non-ultraviolet) 방사에 의해 만들어진 신호 영역 제거를 용이하게 하기 위해 채널 B 포토 다이오드(3)에 마련되는 것이 바람직하다. 도 9에 도시된 공통 필터층(13)은 저역통과필터로 마련되지만, 이는 선택적이며 도 7에 따른 실시예에서와 같이 생략될 수 있다.
도 10은 채널 B 필터층(15)을 포함하는 다른 실시예에 대한 도 9에 따른 단면도이다. 도 9에 따른 실시예와 유사한 구성요소에 해당하는 도 10에 따른 실시예의 구성요소들은 동일한 참조번호로 표시된다. 도 10에 따른 실시예에서, 채널 A 포토 다이오드(2) 및 채널 B 포토 다이오드(10)는 동일한 구조를 가질 수 있다. 특히, 도핑된 채널 A 영역(18) 및 도핑된 채널 B 영역(19)은 도 10에 도시된 바와 같이 동일한 스트립 또는 섬 패턴을 포함할 수 있다. 채널 A 다이오드(2)의 유효 두께(t2)는 채널 B 다이오드(3)의 유효 두께(t3)와 동일하다. 입사 자외선 방사에 대한 채널 B 포토 다이오드(3)의 응답은 고역통과필터로 기능하는 채널 B 필터층(15)에 의해 감쇄된다. 채널 B 필터층(15)은 도 3, 4, 및 7에 따른 실시예에서와 같이 채널 B 포토 다이오드(3)의 상부에 마련되지만, 채널 A 포토 다이오드(3)의 상부에는 마련되지 않는다. 도 10에 따른 실시예에서, 자외선 방사 측정의 정확성은 상술한 바와 같이 두 포토 다이오드들(2,3) 상부에 저역통과필터를 공통 필터층(13)으로 포함함으로써 더 획득될 수 있다.
도 11은 배선의 금속층과 동일하거나 또는 배선영역(6) 레벨보다 낮은 레벨에서 유전체(11) 내에 마련된 채널 B 필터층(15)을 갖는, 도 10에 따른 다른 실시예의 단면도이다. 도 10에 따른 실시예와 유사한 구성요소에 해당하는 도 11에 따른 실시예의 구성요소들은 동일한 참조번호로 표시된다. 도 11에 따른 실시예에서, 채널 B 필터층(15)은 고역통과필터로 기능하는 폴리실리콘으로 형성될 수 있고, 예를 들어, 보통 약 0.2μm의 두께를 가질 수 있다. 도 11에 도시된 공통 필터층(13)은 저역통과필터로 마련되지만, 이는 선택적이며 도 10에 따른 실시예에서와 같이 생략될 수 있다.
도 12는 기판 관통 비아를 포함하는 다른 실시에에 대한 도 1에 따른 개략적인 단면도이다. 도 1에 따른 실시예와 유사한 구성요소에 해당하는 도 12에 따른 실시예의 구성요소들은 동일한 참조번호로 표시된다. 도 12에 따른 실시예는 기판(1)에 비아 홀(via holes)을 식각하여 형성될 수 있는 기판 관통 비아(20)를 포함한다. 바람직하게는 후부(rear) 유전체(22)에 의해 기판(1)으로부터 절연되는 금속배선(21)은 배선과 주 표면(10)의 반대편에 있는 장치의 후면 사이에 마련되어 전기적으로 연결한다. 금속배선(21)은 배선영역(6) 내 배선상에 마련된 접촉 영역을 접촉한다. 따라서 금속배선(21)은 포토 다이오드(2, 3), 바람직하게는 후면에 접촉 패드를 갖는 집적회로의 전기 단자를 연결한다. 접촉 범프(23)는, 예를 들어, 인쇄회로기판 등과 같이 캐리어에 외부의 전기연결을 위한 후면 접촉 패드에 마련될 수 있다.
기판 관통 비아(20)는 기판(1)의 반도체 재질 안으로 비아 홀을 식각하여 만들어질 수 있고, 이는 주 표면이 예를 들어 CMOS 회로처럼 집적회로의 콤포넌트들로 마련된 후, 후면에서 이뤄질 수 있다. 그런 다음, 전기적 절연을 위해 후면 유전체(22)가 비아홀의 측벽과 기판(1)의 후면 표면에 증착될 수 있다. 금속배선(21)은 비아홀 내 측벽 및 표면(1)의 배면에 금속층으로 증착되고, 특히 이 목적에 따른 구조를 갖는 재배선층(redistribution layer)으로 마련될 수 있다.
질화실리콘일 수 있는 후면 표면보호층(27)은, 예를 들어, 수분 장벽 및 기계적인 보호를 위해 증착될 수 있다. 금속배선의 접촉 패드는 후면 표면보호층(27) 내에서 개방되고, 예를 들어, 금속 또는 솔더 볼(solder ball)일 수 있는 접촉 범프(23)로 마련된다.
상술한 실시예는 인터페이스 회로, 프로세서, 및 광학센서, 주변광 센서, 및 적외선 센서와 같은 다른 종류의 광학 센서와 함께 동일한 실리콘 다이(silicon die) 또는 웨이퍼 상에 집적될 수 있다. 상술한 저역 및 고역통과 필터는, 예를 들어, 각각 다른 유전체 재질의 다층으로 구성된 기존의 간섭필터일 수 있다. 다른 종류의 접합, 필터 및 코딩 또는 보호 기술이 사용될 수도 있다. 각 실시예에서, 다른 신호의 계산은 집적회로에 의해, 또는 포토 다이오드로부터 두 신호를 수신하는 외부 장치를 사용해 이뤄질 수 있다.
기판 통과 비아를 사용함으로써 센서 장치는 중간 물질을 흡수하지 않고 입사 자외선 광에 직접 노출될 수 있다. 왜냐하면, 외부의 전기연결은 전체적으로 장치의 배면에서 이뤄질 수 있고, 따라서 지나치게 입사광을 차폐할 수 있는 장치 구조는 광 입사를 위해 마련된 영역을 벗어날 수 있기 때문이다. 기판 관통 비아는 차등 듀얼 포토 다이오드 자외선 센서에 관련된 상술한 모든 실시예와 함께 사용될 수 있다. 기판 관통 비아를 사용하면 자외선 센서의 소형 패키지화 및 저비용 생산이 가능하다.
1: 기판 2: 채널 A 포토 다이오드
3: 채널 B 포토 다이오드 4: 우물
5: 유전체 6: 배선영역
7: 표면보호층 8: 수직 연결
9: 단결정층 10: 주 표면
11: 제1타입 접촉 영역 12: 제2타입 접촉 영역
13: 공통 필터 영역 14: 표면 불감층
15: 채널 B 필터층 16: 커버층
17: 윈도우 18: 도핑된 채널 A 영역
19: 도핑된 채널 B 영역 20: 기판 관통 비아
21: 금속 배선 22: 후방 유전체
23: 접촉 범프 24: pn-접합
25: 집적회로 26: 입사 방사선
27: 후면 표면보호층 t2: 유효 두께
t3: 유효 두께
3: 채널 B 포토 다이오드 4: 우물
5: 유전체 6: 배선영역
7: 표면보호층 8: 수직 연결
9: 단결정층 10: 주 표면
11: 제1타입 접촉 영역 12: 제2타입 접촉 영역
13: 공통 필터 영역 14: 표면 불감층
15: 채널 B 필터층 16: 커버층
17: 윈도우 18: 도핑된 채널 A 영역
19: 도핑된 채널 B 영역 20: 기판 관통 비아
21: 금속 배선 22: 후방 유전체
23: 접촉 범프 24: pn-접합
25: 집적회로 26: 입사 방사선
27: 후면 표면보호층 t2: 유효 두께
t3: 유효 두께
Claims (15)
- 반도체 센서 장치에 있어서,
주 표면(10)을 갖는 반도체 기판(1);
상기 주 표면(10)에서 또는 상기 주 표면(10)의 근방에서 기판(1)에 마련되고, 입사 방사선(26)에 응답하여 전기신호를 생성하는 포토 다이오드(2); 및
상기 주 표면(10)에서 또는 상기 주 표면(10)의 근방에서 상기 기판(1)에 마련되고, 상기 입사 방사선(26)에 응답하여 추가 전기신호를 생성하는 추가 포토 다이오드(3)를 포함하고,
상기 포토 다이오드(2) 및 추가 포토 다이오드(3)는, 입사 자외선 방사의 경우, 상기 포토 다이오드(2)에서 출력되는 전기신호가 상기 추가 포토 다이오드(3)로부터 출력되는 추가 전기신호보다 크고,
상기 포토 다이오드(2)로부터의 전기신호가 상기 추가 전기신호에 의해 감쇄되어, 상기 입사 자외선 방사를 1차로 측정한 전기신호를 생성하는 방식으로 형성 및 마련되고,
제1타입 전기 전도도를 갖는 도핑 우물(4)이 상기 주 표면(10)에서 또는 상기 주 표면(10)의 근방에서 상기 기판(1) 내에 형성되고,
pn 접합(24)이 상기 도핑 우물(4)에 또는 그 내부에 마련되고, pn 접합(24)은 상기 포토 다이오드(2) 및 추가 포토 다이오드(3)를 형성하고,
접촉 영역(11) 또는 채널 B 영역(19)이 추가 포토 다이오드(3)의 도핑 우물(4)에 배치되고, 접촉 영역(11) 또는 채널 B 영역(19)은 주 표면(10) 쪽을 향해 증가하는 도핑 농도로 도핑되고,
제2타입 전도도를 갖도록 도핑된 접촉 영역(12)이 도핑 우물(4)의 외측에 배치되고,
접촉 영역(11)이 제공되는 경우, pn접합(24)은 도핑 우물(4)의 경계에 형성되고, 접촉 영역(11)은 제1타입 전도도를 갖도록 도핑되고 도핑 우물(4)에 의해 점유된 영역에 걸쳐 확장되며,
채널 B 영역(19)이 제공되는 경우, 추가 포토 다이오드(3)의 pn접합(24)이 채널 B 영역(19)의 경계에 형성되고, 채널 B 영역(19)은 제1타입 전기 전도도와 반대인 제2타입 전기 전도도를 갖도록 도핑되고, 도핑 우물(4)에 의해 점유된 영역에 걸쳐 확장되거나 스트립(strip) 또는 섬(island)의 패턴을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 센서 장치. - 제1항에 있어서,
상기 감쇄는 상기 포토 다이오드(2)에 의해 생성된 상기 전기신호로부터 상기 추가 포토 다이오드(3)에 의해 생성된 상기 추가 전기신호의 감산을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 센서 장치. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 기판(1)에 형성된 집적 회로(25)를 더 포함하고, 상기 집적 회로(25)는 상기 포토 다이오드(2)에 의해 생성된 상기 전기신호를 상기 추가 포토 다이오드(3)에 의해 생성된 상기 추가 전기신호만큼 감쇄시키도록 마련되는 것을 특징으로 하는 반도체 센서 장치. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 포토 다이오드(2)로 입사하는 자외선 방사(26)의 투과를 감소하거나 억제하지 않고, 상기 추가 포토 다이오드(3)로 입사하는 상기 자외선 방사(26)의 투과를 감소하거나 억제하는 필터층(15)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 센서 장치. - 제4항에 있어서,
상기 필터층(15)은 질화 실리콘으로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 센서 장치. - 제4항에 있어서,
상기 필터층(15)은 폴리실리콘으로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 센서 장치. - 삭제
- 제1항 또는 제2항에 있어서,
접촉 영역(11)이 추가 포토 다이오드(3)의 도핑 우물(4)에 배치되는 경우, 상기 기판(1)은 상기 제1타입의 전기 전도도와 반대인 제2타입의 전기 전도도를 갖도록 도핑되고, 상기 제1타입의 전기 전도도의 순도핑은 상기 도핑 우물(4) 내에 존재하고 상기 pn 접합(24)을 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 센서 장치. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 기판(1)에는 상기 제1타입의 전기 전도도와 반대인 제2타입의 전기 전도도를 갖도록 도핑된 단결정층(9)이 마련되고, 상기 단결정층(9)은 상기 주 표면(10)을 형성하고, 상기 도핑 우물(4)은 상기 단결정층(9) 내에 마련되며, 상기 제1타입 전기 전도도의 순도핑은 상기 도핑 우물(4) 내에 존재하고 상기 pn접합(24)을 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 센서 장치. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
채널 B 영역(19)이 추가 포토 다이오드(3)의 도핑 우물(4)에 배치되는 경우, 포토 다이오드(2)의 상기 도핑 우물(4)에 마련된 제1타입 전기 전도도와 반대인 제2타입 전기 전도도의 채널 A 영역(18)을 더 포함하고, 상기 pn접합(24)은 상기 도핑 우물(4)과 상기 채널 A 영역(18)과 상기 채널 B 영역(19) 사이의 경계에 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 센서 장치.
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