KR20050065888A - 반도체 광센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 위에 계면전하 또는 포획전하를 가지는 투광성의 비전도성 물질을 증착하여, 반도체 표면을 공핍시키고, 이 공핍영역을 빛의 감지영역으로 사용하는 광센서를 제작함으로서, 자외선 및 푸른색 영역 파장의 빛에 대한 감지 능력을 향상시키고, 가시광 및 적외선 영역의 광을 여과할 수 있으며, 일반적인 실리콘 CMOS 공정과도 양립할수 있는 광센서를 제작하는 것이다.
Description
본 발명은 반도체 광센서(Photodetector)에 관한 것으로서, 특히 자외선 및 푸른색(blue) 영역 파장의 광을 검출하는데 유용하게 제작된 광센서에 관한 것이다.
반도체 소자 기술 중 광센서 제조 기술분야로서, 자외선 센서는 불꽃감지기 (Frame Monitoring), 정수 시스템(Water Purification System), 지폐 계산기 및 위조지폐 감지기(Money Counting and Fake Detection Machines), 자외선 지수 감지기(Sunlight Exposure Meter) 뿐만 아니라, 광화학 현상(Photochemical Phenomena) 감지 등 군사, 환경, 산업분야에서 그 응용범위가 크게 확대되고 있다.
가장 널리 이용되는 반도체 물질인 실리콘은 1.1eV의 작은 에너지 갭(Energy Gap)을 가지므로 가시광에 대해서도 응답을 보이기 때문에 자외선 영역의 빛만을 선택적으로 감지하기 어려우며, 또한 대표적인 광센서인 PN 또는 PIN Junction Diode의 경우 자외선이 반도체 표면근처에서 모두 흡수되고 생성된 케리어들은 대부분 재결합하여 실질적인 전기적인 신호로 감지되지 못한다. 이러한 이유로 자외선 센서은 GaN, SiC 등 에너지 갭이 큰 물질을 주로 사용하고, 또한 재결합에 의한 손실을 없애기 이하여 쇼키(Schottky) 다이오드 형태로 제작하는 것이 일반적이다.
반도체를 이용한 광센서는 PN Junction Diode, PIN Diode, Schottky Diode 또는 MOS Capacitor 등의 형태로 제작되며, 반도체의 공핍영역(Depletion Region)을 수광 영역으로 사용한다.
종래 기술에 의한 PIN 다이오드를 이용한 광센서는 기판 위에 N- Intrinsic 층이 에피텍셜 방법으로 형성되어 있는 것을 사용할 수 있고, 그 위에 P+ 확산영역과 P 가드링(Guardring) 영역을 이온주입 등의 방법으로 형성하고, 절연막 형성하고 수광영역을 개구하는 방식으로 제조된다. 즉, 수광영역은 P+ 확산영역을 포함하여 구성된다.
그러나, 이와 같은 방법으로 실리콘 웨이퍼를 이용하여 제작된 PIN 다이오드는 광을 감지하는데는 효과적이지만, 광의 거의 대부분이 반도체 표면에서 흡수되는 자외선 및 푸른색 파장의 광을 검출하는데는 한계가 있으며, 또한 자외만을 선택적으로 감지하기 위한 광센서로는 사용할 수 없었다.
한편, 실리콘이 아닌 SiC, GaN 등의 반도체 물질을 사용하면 가시광선 및 적외선 등 긴파장의 광은 필터링(Filtering)할 수 있지만, 역시 반도체 표면에서의 자외선 흡수에 의한 손실은 막을수 없다. 또한 SiC의 경우 카본 오염 등의 문제로 일반적인 실리콘 공정과 함께 사용할 수 없고, 실리콘 CMOS 공정과 Compatible 하지도 않으며, GaN 등 화합물 반도체의 경우 웨이퍼 가격이 비싸고 공정이 까다롭다는 단점이 있었다.
한편, 실리콘 웨이퍼를 이용하여 제작된 쇼트키 다이오드(Schottky Diode)는 자외선 파장의 광 감지능력을 개선할 수 있지만, 쇼트키 컨택(Schottky Contact)용 금속에 의한 광의 반사 및 흡수를 막을 수 없고, 역시 실리콘 CMOS 공정과 Compatible 하지도 않다. 반면 GaN, SiC 등 화합물 반도체를 이용한 쇼트키 다이오드의 경우 웨이퍼 가격이 비싸고 공정이 까다롭다는 단점이 있었다.
상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 자외선 및 푸른색 영역 파장의 빛에 대한 감지 능력을 향상시키고, 가시광 및 적외선 영역의 광을 여과할 수 있는 광센서를 제조하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 실리콘을 이용할 수 있고, 일반적인 실리콘 CMOS 공정과도 양립할수 있는 광센서(Photodetector)를 제작하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일측면은 광을 검출하기 위한 수광영역이 정의된 반도체 기판; 반도체 기판 상부의 상기 수광영역 위에 형성되며, 전하를 가지는 투광성 비전도층; 및 상기 수광영역에서 감지된 전하를 전달하기 위한 적어도 하나의 전극을 포함하여 구성되되, 상기 투광성 비전도층에 있는 트랩된 전하에 의해 상기 수광영역의 반도체층 표면이 공핍되어 형성된 공핍영역을 가지는 광센서를 제공한다.
바람직하게는, 상기 투광성 비전도성 물질이 가지는 전하를 상세하게 구분하면 이온전하(Ionic Charge), 포획전하(Trapped Charge), 고정전하(Fixed Charge), 계면전하(Interface Charge) 등 일수 있으며, 이온주입, 플라즈마 처리 등의 인위적 방법으로 추가된 전하일 수 있다. 투광성 비전도층은 입사광의 파장에 맞게 조절하여 반반사막(antireflection film)으로 이용되는 것을 특징으로 하는 광센서를 제공한다.
바람직하게는, 적어도 하나의 전극은, 공핍된 반도체 표면의 한쪽 끝단에 형성된 제 1 유형의 고농도 확산영역의 제 1 전극; 및 상기 공핍된 반도체 표면의 다른쪽 끝단에 형성된 제 2 유형의 고농도 확산영역의 제 2 전극으로 구성될 수도 있고, 공핍된 반도체 표면의 양쪽 끝단들에 형성된, 제 1 유형(기판의 농도 유형과 반대)의 고농도 확산영역의 제 1 전극; 및 반도체 기판의 뒷면에 상기 제 1 유형과 반대되는 유형의 고농도 확산영역의 제 2 전극으로 구성될 수도 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
(제 1 실시예)
이하, 도 1a를 참조하여 본 발명의 제 1 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도 1a는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 광센서의 단면 구조도이다.
반도체 기판(14) 위에 이온주입 등의 방법으로 수광 영역(6)의 양 끝단에 N+또는 P+ 확산 영역(15)을 형성한다. 반도체 기판(14)은 P 또는 N형이 가능하나 본 실시예에서는 P형 기판을 이용하는 경우를 도시하고 있다. N+ 확산 영역(15)은 예컨대 대략 1018/cm3 이상의 도핑농도로 도핑할 수 있다. N형 기판을 이용하는 경우는 P+ 확산 영역(15)은 예컨대 대략 1018/cm3 이상의 도핑농도로 도핑할 수 있다.
그 후, 절연막(5)을 1000 내지 10000Å 두께로 형성한 후, 사진 및 식각공정 으로 수광영역(6)을 개구한다. 다음으로, 계면 전하(Interface Charge) 또는 포획전하(Trapped Charge)를 가지는 투광성의 비전도성 물질(16)을 증착한다. 투광성의 비도전성 물질(16)은 도전성이 없고 투명한 물질이면 반드시 한정되지 않고 다양한 종류가 가능하며, 예를 들어 실리콘산화막(SiOx)과 실리콘 질화막(SiNx)일 수 있다. 투광성의 비전도성 물질(16)은 두께를 입사광의 파장에 맞게 조절하여 광센서의 반반사막의 기능을 할 수 있도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 투광성 비전도성 물질(16)의 굴절률을 n, 입사광의 파장 λ인 경우, 반반사막(anti-reflection)으로 이용할 수 있기 위해서는 투광성의 비전도성 물질(16)의 두께는 식 (1)과 같다.
(1)
(여기서, m은 1,3,5,...)
따라서, 실리콘 질화막(n=2.05)을 투광성 비전도성 물질로 이용하는 경우, 입사광의 파장이 900nm 정도이면, 바람직한 두께는 약 1100Å정도를 가지도록 구성할 수 있다.
이와같이 반도체 기판(14) 상에 형성된 투광성의 비전도성 물질(16)에는 계면전하(Interface Charge) 또는 포획전하(Trapped Charge)가 포함되어 있다. 이러한 전하들에 의해 반도체 표면을 공핍(Depletion)시키고, 이 공핍영역을 광 감지영역으로 사용할 수 있게 되는 것이다. 예를 들어 실리콘 산화막의 경우 이온전하(Ionic Charge), 포획전하(Trapped Charge), 고정전하(Fixed Charge), 계면전하(Interface Charge) 등의 전하가 존재할 수 있다. 이온전하의 대표적인 예로는 Na+ 등 오염물에 의한 전하가 있을 수 있다. 포획전하(Trapped Charge)는 벌크 절연막에 전자나 정공이 포획된데서 기인하며, 산화물이나 질화물의 경우 SiO2 또는 Si3N4 격자 자체의 결함이나 불완전성 때문에 포획된 전하를 가지게 된다. 이러한 격자 결함은 이온주입공정, 이온빔증착공정(Electron-beam Evaporation), 건식식각공정(Reactive-ion Etching) 등 일반적인 반도체제조공정에서도 많이 발생할 수 있다. 계면전하(Inteface Charge)의 경우 Si-SiO2 계면의 계면상태로부터 일련의 계면전하(양전하)가 생긴다. 이들 전하는 반도체의 결정격자가 산화물 계면에서 갑자기 끊어지는 데서부터 비롯되며, 산화막 형성방법에 따라 전하밀도는 달라지는데, 열산화막(Termal Oxidation)에 의하여 형성된 실리콘 산화막의 경우 ~3x1010 개/cm2 의 전하밀도를 가지며, 여타 CVD 방법에 의한 산화막 또는 실리콘 질화막의 경우 전하밀도는 더욱 크며 ~1014 개/cm2 이상의 정공 트랩 사이트(Trap Site)를 가질 수 있다. 고정전하(Fixed Charge)는 Si이 SiO2로 전이되는 과정에서 발생한 여분의 실리콘 이온(Excess Ionic Silicon)에 의한 것으로서 반도체의 결정 방향에 따라 다른 값을 가지며 (100)면을 갖는 실리콘의 경우 최소 1.1x1010 개/cm2 이상의 값을 가지게 된다. 이상의 계면전하 또는 포획전하를 가지는 절연막에 의하여 반도체 표면이 공핍될 수 있으며, 공핍층의 두께는 반도체 기판의 농도에 따라 달라진다. 예를 들어 5x1010 개/cm2 의 양의 전하밀도를 가지는 절연막이 1015/cm3 의 도핑농도를 가지는 실리콘위에 증착된 경우 반도체 표면은 ~0.5㎛ 공핍된다)
한편, 플라즈마 처리 등의 방법으로 투광성의 비전도성 물질(16)에 인위적으로 전하를 트랩(Trap)시킬 수도 있다. 이때 반도체 표면이 계면 전하 또는 포획 전하에 의하여 공핍된다. 상술한 바와 같이 포획전하(Trapped Charge)는 이온주입공정, 전자빔증착공정(Electron-beam Evaporation), 건식식각공정(Reactive-ion Etching) 등 일반적인 반도체제조공정에서도 많이 발생할 수 있으며, 이들은 Plasma 조건을 조절함으로서 조절이 가능하다. 일반적으로 반도체공정에서 O+, O2
+, N+, F+, CF3
+ 등의 Plasma를 많이 사용하며 이들은 이온의 상태로 절연막 위에 주입되어 이온상태로 남거나, 주위의 전자와 결합하고 전자가 제공된 자리를 정공이 Trap된 상태로 만들기도 하며, 또한 절연막 격자에 결함을 만들어 전하를 가지게 하기도 한다.
전극을 형성하기 위하여 사진 및 식각공정으로 컨택을 개구하고 상부금속배선(8)을 형성한다. 상부 금속배선(8)은 알루미늄, 구리등의 물질이 가능하고 스퍼터링등의 공지된 방식으로 1000 내지 20000Å정도로 형성가능하고, 예컨대 8000Å정도가 적당하다.
한편, 반도체 기판(14)의 하부면에는 하부전극(9)로 알루미늄, 구리등의 물질을 이용하여 스퍼터링등의 공지된 방식으로 1000 내지 20000Å정도로 형성함으로써 전체 광센서의 제작이 완료된다.
이와같이 제작된 광센서는 특히 자외선 및 푸른색 파장의 광 감지능력을 향상시킬 수 있다. 즉 반도체 위에 계면전하 또는 포획전하를 가지는 투광성의 비전도성 물질을 증착하여, 반도체 표면을 공핍시키고, 이 공핍영역을 감지영역으로 사용하는 광센서를 제작함으로서, 입사광의 거의 대부분이 반도체 표면에서 흡수되는 자외선 및 푸른색 영역 파장의 빛에 대한 감지 능력을 향상시킬 수 있고, 가시광 및 적외선 영역의 광을 여과할 수 있으며, 또한 실리콘을 이용할 수 있고, 일반적인 실리콘 CMOS 공정과도 양립할수 있는 광센서를 제작할 수도 있다.
(제 2 실시예)
이하, 도 1b를 참조하여 본 발명의 제 2 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도 1b는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 광센서의 단면 구조도이다. 제 2 실시예의 설명에 있어서는 설명의 편의를 위해 제 1 실시예와의 차이점을 기준으로 설명한다.
제 2 실시예에서는, 공핍 영역의 한쪽 끝단은 N+ 확산영역(15), 다른 한쪽은 P+ 확산영역(18)을 형성함으로써, 일반적인 반도체 공정과 호환가능하게 하여, 트랜지스터 등의 기타 반도체 소자와 본 발명의 광센서를 하나의 칩화할 수 있는 가능성을 높였다. 이때, 반도체 기판(14)의 하부면의 금속배선 공정이 필요하지 않다.
P+ 확산 영역(18) 또는 N+ 확산영역(15)은 예컨대 대략 1018/cm2 이상의 도핑농도로 도핑할 수 있다.
(제 3 실시예)
이하, 도 1c를 참조하여 본 발명의 제 3 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도 1c는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 광센서의 단면 구조도이다. 제 2 실시예의 설명에 있어서는 설명의 편의를 위해 제 1 실시예와의 차이점을 기준으로 설명한다.
제 3 실시예의 경우는 P형(또는 N형) 반도체 기판(14)과, 고농도의 P+도핑층(또는 N+층)(19), 저농도의 P도핑층(또는 N층)(20)이 차례로 적층된 반도체 기판을 사용한다. 이하, 반도체 기판(14)은 P 또는 N형이 가능하나 본 실시예에서는 P형 기판을 이용하는 경우를 예를 설명 및 도시한다.
상기 3개의 적층구조는 에피택셜 성장에 의해 제작될 수 있으며, 또한 P형 반도체 기판(14)에 수백 keV 이상의 에너지로 이온주입을 실시하여 매몰된 고농도 P+ 도핑층(19)과 표면의 저농도 P도핑층(20)을 형성할 수도 있다. P형 기판에 이온주입시는 보론(B)을 주입할 수 있고, n형 기판에 이온주입시는 인(P)을 주입할 수 있다. 또한, P형 반도체 기판(14)은 고농도의 P+도핑층(19)과 동일한 층, 즉 P+ 기판위에 저농도 P도핑층(20)이 형성된 2개의 적층구조일 수도 있다. 한편, 고농도 도핑의 경우는 1017/cm3 이상, 저농도 도핑의 경우는 1011~ 1016
/cm3 정도의 농도를 갖도록 구성가능하다. 반도체 기판의 표면으로부터 수백 nm ~ 수 um 깊이에 고농도의 반도체 층을 형성함으로서 응답시간(Response Time)을 빠르게 할 수 있을 뿐 만 아니라 가시광 및 적외선 영역의 광을 여과할 수 있다.
구체적인 제작방법을 살펴보면, 상술한 에피택셜 성장 또는 고에너지 이온주입의 방법으로 2 또는 3개의 적층구조로 된 반도체 기판을 제작한다. 기판 상에 이온주입 등의 방법으로 수광부(6)의 양 끝단에 N+ 확산영역(15)을 형성한다. 다음으로, 절연막(5)을 형성하고 사진 및 식각공정으로 수광부(6)를 개구한다. 다음으로, 계면전하 또는 포획전하를 가지는 투광성의 비전도성 물질(16)을 증착한다. 전술한 방식으로, 플라즈마 처리 등의 방법으로 투광성의 비전도성 물질(16)에 인위적으로 전하를 트랩시킬 수도 있다. 이때 반도체 표면이 계면전하 또는 포획전하에 의하여 공핍영역(17)이 된다. 전극을 형성하기 위하여 사진 및 식각공정으로 컨택을 개구하고 금속배선(8)을 형성한다. 기판의 뒷면에 금속 전극(9)을 형성함으로서 광센서의 제작을 완료한다.
이와 같은 광센서에 의하면, 특히 공핍영역에서 발생한 캐리어의 표동(Drift)거리 및 시간이 짧아져 광센서의 응답시간이 향상되며, 또한 자외선 영역의 빛보다 상대적으로 반도체 표면 깊은 곳까지 침투하여 흡수되는 가시광선 및 근적외선 영역 파장의 빛은 고농도의 P+(또는 N+) 영역 또는 그 아래에서 흡수되어 전자 정공 캐리어를 생성하지만, 캐리어들의 표동 도중 고농도의 P+(또는 N+) 영역에서 재결합되어 전기적인 신호로 감지되지 못하므로 가시광선 및 근적외선 영역 파장의 빛을 필터링 하는 효과를 가지게 된다.
(제 4 실시예)
이하, 도 1d를 참조하여 본 발명의 제 4 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도 1d는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 광센서의 단면 구조도이다. 제 4 실시예의 설명에 있어서는 설명의 편의를 위해 제 3 실시예와의 차이점을 기준으로 설명한다.
제 4 실시예에서는, 공핍 영역의 한쪽 끝단은 N+ 확산영역(15), 다른 한쪽은 P+ 확산영역(20)을 형성함으로써, 일반적인 반도체 공정과 호환가능하게 하여, 트랜지스터 등의 기타 반도체 소자와 본 발명의 광센서를 하나의 칩화할 수 있는 가능성을 높였다. 이때, 반도체 기판(14)의 하부면의 금속배선 공정이 필요하지 않다.
다음으로, 본 발명의 제 2 및 제 4 실시예에 따른 광센서의 평면 모양을 설명한다. 도 2는 본 발명의 제 2 및 제 4 실시예에 따른 광센서의 평면도이다.
도 2를 참고하면, 본 광센선의 N+ 확산영영역(15)와 P+확산영역(18)은 스트립형태를 갖고 제작되어 서로 깍지낀 형상을 가진다. 스트립사이의 간격은 대략 5 내지 1000 μm정도인 것이 바람직하다. 스트립사이의 간격이 지나치게 크면 응답속도가 늦어지고, 지나치게 적으면 수광효율이 감소하기 때문이다.
이하, 도 3을 참조하여 본 발명의 제 4 실시예에 따른 광센서와 일반적인 실리콘 CMOS공정을 이용하여 동시에 생성될 수 있음을 보여주기 위한 제작예를 설명한다.
도 3을 참조하면, 실리콘 CMOIS영역(21)과 광센서 영역(22)이 분리되어 형성되어 있고, 실리콘 CMOS영역(21)의 경우, NMOS와 PMOS가 형성될 수 있음을 도시하고 있다. 실리콘 CMOS영역(21)과 광센서 영역(22), 그리고 NMOS와 PMOS도 소자분리막(27)에 의해 분리되어 있다. NMOS는 P웰(23)에 형성되고 N+ 접합영역(25), 게이트 절연막(28), 게이트 물질(29)을 포함하여 구성되고, 필요에 따라 스페이서, LDD영역등이 형성될 수 있음은 당연하다. PMOS는 N웰(24)에 형성되고 P+접합 영역(26), 게이트 절연막(28), 게이트 물질(29)을 포함하여 구성되고, 필요에 따라 스페이서, LDD영역등이 형성될 수 있다. 한편, 광센서 영역(22)에서는 N+ 접합영역(25), P+접합 영역(26) 을 포함하며, 필요에 따라 제 4 실시예에 명시된 고농도의 P+확산영역(19) 을 이온주입 등의 방법으로 형성할 수 있다.
다음으로, 층간 절연막(30), 컨택구멍(31), 제1 금속배선(32), 금속간 층간절연막(33), 비어홀(34), 제2 금속배선(35), 패시베이션막(36) 등이 형성되고, 패드 영역(36)이 노출된다. 한편, 광센서 영역(22)의 최상층에는 전하를 갖는 투광성의 비전도성 물질(16)이 형성되어 있다.
이와 같은 구조에 의하면, 실리콘 CMOS 공정에서 수광부 오픈을 위한 사진 및 식각공정과, 전하를 가지는 투광성의 절연막을 증착하는 간단한 공정의 추가로 Silicon CMOS(21)와 광센선(22)를 하나의 칩화하여 제작할 수 있다.
(실험예)
도 4는 실리콘 기판을 이용하여 종래 기술로 제작된 PIN 광센서와 본 발명에 따른 4개의 실시예로 제작된 광센서의 양자효율(Quantum Efficiency)를 TCAD Tool을 이용하여 시뮬레이션한 결과의 그래프이다.
시뮬레이션의 각 조건은 다음과 같다.
1. 종래 기술에 의한 PN Diode : 일반적인 PN Junction Diode로서 수광부가 PN Junction에 의한 Depletion 영역으로 구성되어 있다. Substrate는 2x1015/cm3 의 농도를 갖는 P형 실리콘이며, N+ Diffusion은 5 x 1020/cm3 의 농도를 가지며, Junction Depth는 0.4um이고, 동작전압 5V에서의 공핍영역은 실리콘표면으로부터 0.2 ~ 2.2um 의 깊이에 걸쳐 존재하는 PN Diode 이다.
2. 본 발명의 제 1 실시 예 : Substrate는 2x1015/cm3 의 농도를 갖는 P형 실리콘이며, 5 x 1020/cm3 의 농도를 가지는 N+ Diffusion 영역이 공핍영역의 양 끝단에 존재한다. 비전도성의 투광성 절연막이 가지는 전하는 5x1010/cm2 이며, 이때 동작전압 5V에서의 공핍영역은 실리콘표면에서부터 0 ~ 0.25um 에 걸쳐 존재하게된다.
3. 본 발명의 제 2 실시 예 : Substrate는 2x1015/cm3 의 농도를 갖는 P형 실리콘이며, 5 x 1020/cm3 의 농도를 가지는 N+ Diffusion 영역과 P+ Diffusion 영역이 각각 공핍영역의 양 끝단에 존재한다. 비전도성의 투광성 절연막이 가지는 전하는 5x1010/cm2 이며, 이때 동작전압 5V에서의 공핍영역은 실리콘표면에서부터 0 ~ 0.25um 에 걸쳐 존재하게된다.
4. 본 발명의 제 3 실시 예 : Substrate는 2x1015/cm3 의 농도를 갖는 P형 실리콘이며, 그 위에 2 x 1019/cm3 의 농도를 가지는 0.5um 두께의 고농도 P형 실리콘층이 존재하고, 최상부에 2 x 1015/cm3 의 농도를 가지는 0.2um 두께의 저농도의 P형 실리콘층이 존재하는 구조이다. 5 x 1020/cm3 의 농도를 가지는 N+ Diffusion 영역이 공핍영역의 양 끝단에 존재하며, 비전도성의 투광성 절연막이 가지는 전하는 5x1010/cm2 이고, 동작전압 5V에서의 공핍영역은 실리콘표면에서부터 0 ~ 0.1um 에 걸쳐 존재하게된다.
5. 본 발명의 제 4 실시 예 : Substrate는 2x1015/cm3 의 농도를 갖는 P형 실리콘이며, 그 위에 2 x 1019/cm3 의 농도를 가지는 0.5um 두께의 고농도 P형 실리콘층이 존재하고, 최상부에 2 x 1015/cm3 의 농도를 가지는 0.2um 두께의 저농도의 P형 실리콘층이 존재하는 구조이다. 5 x 1020/cm3 의 농도를 가지는 N+ Diffusion 영역 및 P+ Diffusion 영역이 공핍영역의 양 끝단에 존재하며, 비전도성의 투광성 절연막이 가지는 전하는 5x1010/cm2 이고, 동작전압 5V에서의 공핍영역은 실리콘표면에서부터 0 ~ 0.1um 에 걸쳐 존재하게된다.
시뮬레이션 결과에 의하면, 본 발명에 의한 모든 실시 예(제 1 ~ 제 4 실시예)에서 단파장 영역의 향상된 광 감지 능력을 확인할 수 있으며, 특히 제 3 및 제 4실시예의 경우 단파장 영역의 더욱 향상된 광 감지 능력과 가시광선 및 근적외선의 필터링 효과를 확인할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명의 광센서에 따르면, 전하를 갖는 투광성의 비전도성 물질을 증착하여, 반도체 표면을 공핍(Depletion)시키고, 이 공핍영역을 감지영역으로 사용하는 광센서를 제작함으로서, 자외선 및 푸른색 영역 파장의 빛에 대한 감지 능력을 향상시키고, 반반사막의 역할을 동시에 할 수 있다.
또한 반도체 표면으로부터 수백 nm ~ 수 um 깊이에 고농도의 반도체 층을 형성함으로서 가시광 및 적외선 영역의 광을 여과(Filtering)할 수 있을뿐만 아니라 Photodetector의 Response Time을 빠르게 할 수 있다. 또한 실리콘을 이용할 수 있고, 일반적인 실리콘 CMOS 공정과도 양립할수 있는(CMOS Compatible) 광센서(Photodetector)를 제작할 수 있다.
도 1a는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 광센서의 단면 구조도이다.
도 1b는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 광센서의 단면 구조도이다.
도 1c는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 광센서의 단면 구조도이다.
도 1d는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 광센서의 단면 구조도이다.
도 2는 본 발명의 제 2 및 제 4 실시예에 따른 광센서의 평면도이다.
도 3은 본 발명의 제 2 및 제 4 실시예에 따른 광센서와 일반적인 실리콘 CMOS공정을 이용하여 동시에 생성될 수 있음을 보여주기 위한 제작예의 단면도이다.
도 4는 실리콘 기판을 이용하여 종래 기술로 제작된 PIN 광센서와 본 발명에 따른 4개의 실시예로 제작된 광센서의 양자효율을 TCAD Tool을 이용하여 시뮬레이션한 결과의 그래프이다.
Claims (12)
- 광을 검출하기 위한 수광영역이 정의된 반도체 기판;상기 반도체 기판 상부의 상기 수광영역 위에 형성되며, 전하를 가지는 투광성 비전도층; 및상기 수광영역에서 감지된 전하를 전달하기 위한 적어도 하나의 전극을 포함하여 구성되되,상기 투광성 비전도층에 있는 전하에 의해 상기 수광영역의 반도체층 표면이 공핍되어 형성된 공핍영역을 가지는 것을 특징으로 하는 광센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 트랩된 전하는 상기 투광성 비전도성 물질 고유의 계면 전하 또는 포획전하인 것을 특징으로 하는 광센서.
- 제 2 항에 있어서,상기 트랩된 전하는 인위적으로 추가된 전하인 것을 특징으로 하는 광센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 투광성 비전도층은 실리콘산화막 또는 실리콘 질화막인 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 광센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 투광성 비전도층은 입사광의 파장에 맞게 조절하여 반반사막으로 이용되는 것을 특징으로 하는 광센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 반도체 기판의 표면으로 부터 고농도 확산영역과 저농도 확산영역이 차례로 적층된 구조로 되어 있는 것을 특징으로 하는 광센서.
- 제 6 항에 있어서,상기 반도체 저농도 확산영역과 고농도 확산영역은 에피택셜층 또는 이온주입으로 형성된 층들인 것을 특징으로 하는 광센서.
- 제 7 항에 있어서,상기 반도체 고농도 확산영역은 기판 표면으로부터 수백 nm ~ 수 um 깊이에 형성된 것을 특징으로 하는 광센서.
- 제 1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 전극은,상기 공핍된 반도체 표면의 한쪽 끝단에 형성된 제 1 유형의 고농도 확산영역의 제 1 전극; 및 상기 공핍된 반도체 표면의 다른쪽 끝단에 형성된 제 2 유형의 고농도 확산영역의 제 2 전극으로 구성된 것을 특징으로 하는 광센서.
- 제 9 항에 있어서,상기 제 1 전극과 제 2 전극은 각각 스트립형상으로 제조되고, 서로 깍지 낀 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 광센서.
- 제 1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 전극은,상기 공핍된 반도체 표면의 양쪽 끝단들에 형성된, 제 1 유형(기판의 농도 유형과 반대)의 고농도 확산영역의 제 1 전극; 및 반도체 기판의 뒷면에 상기 제 1 유형과 반대되는 유형의 고농도 확산영역의 제 2 전극으로 구성된 것을 특징으로 하는 하는 광센서.
- 제 11 항에 있어서,상기 제 1 전극이 스트립형상으로 제조되는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 광센서.
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