KR20060094373A - 이미지 센서 - Google Patents
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Abstract
실리콘 기반의 포토다이오드를 사용하는 이미지 센서에 비하여 감도를 향상시키고 작은 크기의 이미지 센서를 제공할 수 있는 게르마늄 기반의 포토다이오드를 구비하는 이미지센서가 개시된다.
본 발명에 따른 이미지 센서는 소정 깊이의 홈이 형성된 제1 도전형 실리콘 기판과, 상기 홈에 결정 성장된 제2 도전형 불순물도핑 게르마늄층과, 상기 제1 도전형 실리콘 기판과 상기 제2 도전형 불순물도핑 게르마늄층상에 형성된 제1 도전형 불순물도핑 실리콘층과, 상기 제1 도전형 불순물도핑 실리콘층을 통하여 상기 제1 도전형 실리콘 기판의 소정 깊이까지 도핑에의하여 형성된 제2 도전형 불순물도핑 실리콘층, 상기 제1 도전형 불순물도핑 실리콘층과 상기 제2 도전형 불순물도핑 실리콘층상에 형성된 절연막층, 및 상기 절연막층상에 형성된 게이트 전극;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면 게르마늄 기반의 포토다이오드를 적용함으로써 감도가 Si을 기반으로 하는 소자에 비하여 수 백배 향상될 뿐만 아니라, 실리콘 기판을 사용함으로써 기존의 실리콘을 기반으로 하는 제조 공정을 상당 부분 사용할 수 있다.
이미지센서, 포토다이오드, 게르마늄, 감도, 실리콘 기판
Description
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 이미지 센서의 구조를 도시한 단면도,
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 이미지 센서의 구조를 도시한 단면도,
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 이미지 센서의 구조를 도시한 단면도,
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 이미지 센서의 구조를 도시한 단면도, 및
도 5는 본 발명에 따른 이미지 센서를 제조하기 위한 주요 공정을 간략히 도시한 흐름도.
본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로, 더 상세하게는 실리콘(Si) 기판상에 게르마늄(Ge)과 같은 순수 반도체나 갈륨비소(GaAs), 인화인듐(InP), 비소화알루미늄갈륨(Al0.33Ga0.67As), 카드뮴델러라이드(CdTe), 카퍼인듐셀러라이드(CuInSe2) 또는 카퍼인듐갈륨셀러라이드(CuInGaSe2) 등과 같은 화합물 반도체 층을 결정 성장시키고 성장된 접합 층을 포토다이오드로 사용하는 이미지 센서에 관한 것이다.
이미지 센서는 빛의 강도를 측정하는데 사용되는 소자인데, 일반적으로 이러한 이미지 센서는 다수개의 포토다이오드들로 구성되며, 이러한 포토다이오드는 실리콘(Si)을 기반으로 제조되고 있다. 하지만, 종래의 실리콘을 기반으로 한 이미지 센서용 포토다이오드의 제조 방법에 의하여 제조된 이미지 센서용 포토다이오드는 빛에 대한 감도가 그다지 높지 않으며, 적색 파장대를 예로 들면 그 투과 깊이가 5미크론 정도로 깊고, 이러한 깊은 침투 깊이는 포토센서의 영역이 깊어지는 원인이 되어 크로스토크를 발생하게 되는 문제점이 있다. 또한 실리콘 반도체의 약한 빛 흡수특성 때문에 충분한 신호를 얻기 위하여 넓은 면적의 포토다이오드를 필요로 하게 되어 소자의 소형화에 장애가 된다는 문제점이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 실리콘 기반의 포토다이오드를 사용하는 이미지 센서에 비하여 감도를 향상시키고 작은 크기의 이미지 센서를 제조할 수 있는 것으로써, 실리콘(Si) 기판상에 게르마늄(Ge)과 같은 순수 반도체나 갈륨비소(GaAs), 인화인듐(InP), 비소화알루미늄갈륨(Al0.33Ga0.67As), 카드뮴델러라이드(CdTe), 카퍼인듐셀러라이드(CuInSe2) 또는 카퍼인듐갈륨셀러라이드(CuInGaSe2) 등과 같은 화합물 반도체층을 결정 성장시키고 성장된 접합층을 포토다이오드로 사용하는 이미지 센서를 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 일측면에 따른 이미지 센서는, 소정 깊 이의 홈이 형성된 제1 도전형 실리콘 기판; 상기 홈에 결정 성장된 제2 도전형 불순물도핑 게르마늄층; 상기 제1 도전형 실리콘 기판과 상기 제2 도전형 불순물도핑 게르마늄층상에 형성된 제1 도전형 불순물도핑 실리콘층; 상기 제1 도전형 불순물도핑 실리콘층을 통하여 상기 제1 도전형 실리콘 기판의 소정 깊이까지 도핑에의하여 형성된 제2 도전형 불순물도핑 실리콘층; 및 상기 제1 도전형 불순물도핑 실리콘층과 상기 제2 도전형 불순물도핑 실리콘층상에 형성된 절연막층; 및 상기 절연막층상에 형성된 게이트 전극;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제2 도전형 불순물도핑 게르마늄층은 갈륨비소(GaAs), 인화인듐(InP), 비소화알루미늄갈륨(Al0.33Ga0.67As), 카드뮴델러라이드(CdTe), 카퍼인듐셀러라이드(CuInSe2) 또는 카퍼인듐갈륨셀러라이드(CuInGaSe2) 중에서 선택된 것으로 대체될 수 있다.
또한, 상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 이미지 센서는, 제1 도전형 실리콘 기판; 상기 제1 도전형 실리콘 기판상의 소정 영역에 결정 성장시켜 형성된 제2 도전형 불순물도핑 게르마늄층; 상기 제1 도전형 실리콘 기판과 상기 제2 도전형 불순물도핑 게르마늄층상에 형성된 제1 도전형 불순물도핑 실리콘층; 상기 제1 도전형 불순물도핑 실리콘층을 통하여 상기 제1 도전형 실리콘 기판의 소정 깊이까지 도핑에의하여 형성된 제2 도전형 불순물도핑 실리콘층; 및 상기 제1 도전형 불순물도핑 실리콘층과 상기 제2 도전형 불순물도핑 실리콘층상에 형성된 절연막층; 및 상기 절연막층상에 형성된 게이트 전극;을 포함하는 것을 특 징으로 한다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 이미지 센서의 구조를 도시한 단면도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 이미지 센서는 소정 깊이의 홈이 형성된 p형 실리콘 기판(102), 상기 홈에 결정 성장된 n+ 불순물도핑 게르마늄층(104), 상기 p형 실리콘 기판(102)과 상기 n+ 불순물도핑 게르마늄층(104)상에 형성된 p+ 불순물도핑 실리콘층(106), 상기 p+ 불순물도핑 실리콘층(106)을 통하여 상기 p형 실리콘 기판(102)의 소정 깊이까지 도핑에의하여 형성된 n+ 불순물도핑 실리콘층(108a, 108b, 108c, 108d), 및 상기 p+ 불순물도핑 실리콘층(106)과 상기 n+ 불순물도핑 실리콘층(108a, 108b, 108c, 108d)상에 형성된 SiO2층(110), 및 상기 SiO2층(110)상에 형성된 게이트 전극(112a, 112b, 112c, 112d)을 포함한다.
또한, 게이트전극(112a)는 Tx, 게이트전극(112b)는 Rx, 게이트전극(112d)는 Sx로 접속되며, 게이트전극(112c)는 n+ 불순물도핑 실리콘층(108a)와 접속된다. n+ 불순물도핑 실리콘층(108b)은 전원전압선(Vdd)이 접속되고 n+ 불순물도핑 실리콘층(108d)은 출력전압선(Vout)이 접속된다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 이미지 센서의 구조를 도시한 단면도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 이미지 센서는 소정 깊이의 홈이 형성된 p형 실리콘 기판(202), 상기 홈에 결정 성장된 n+ 불순물도핑 게르마늄층(204), 상기 p형 실리콘 기판(202)과 상기 n+ 불순물도핑 게르마늄층(204)상에 형성된 p+ 불순물도핑 실리콘층(206), 상기 p+ 불순물도핑 실리콘층(206)을 통하여 상기 p형 실리콘 기판(202)의 소정 깊이까지 도핑에의하여 형성된 n+ 불순물도핑 실리콘층(208a, 208b, 208c, 208d), 및 상기 p+ 불순물도핑 실리콘층(206)과 상기 n+ 불순물도핑 실리콘층(208a, 208b, 208c, 208d)상에 형성된 SiO2층(210), 및 상기 SiO2층(210)상에 형성된 게이트 전극(212a, 212b, 212c)을 포함한다.
또한, 게이트전극(212a)는 Rx, 게이트전극(212c)는 Sx로 접속되며, 게이트전극(212b)은 n+ 불순물도핑 실리콘층(208a)와 접속되며, n+ 불순물도핑 실리콘층(208a)은 n+ 불순물도핑 게르마늄층(204)에 접하고 있다. 또한, n+ 불순물도핑 실리콘층(208b)은 전원전압선(Vdd)이 접속되고 n+ 불순물도핑 실리콘층(208d)은 출력전압선(Vout)이 접속된다.
상기 제1 실시예와 제2 실시예에서는 실리콘 기판위에 홈을 형성하고 그 홈에 게르마늄을 성장시킨 구조이나 홈을 형성하지 않고 게르마늄층을 형성한 다음에 상기 게르마늄층상에 게르마늄을 결정 성장시키는 것도 가능하다. 이하의 제3 실시예와 제4 실시예에 따른 이미지센서의 구조는 이에 해당한다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 이미지 센서의 구조를 도시한 단면도이다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 이미지 센서는 p형 실리콘 기판(302), 상기 p형 실리콘 기판(302)의 소정 영역에 결정 성장시켜 형성된 n+ 불순물도핑 게르마늄층(304), 상기 p형 실리콘 기판(302)과 상기 n+ 불순물도핑 게르마늄층(304)상에 형성된 p+ 불순물도핑 실리콘층(306), 상기 p+ 불순물도핑 실리콘층(306)을 통하여 상기 p형 실리콘 기판(302)의 소정 깊이까지 도핑에의하여 형성된 n+ 불순 물도핑 실리콘층(308a, 308b, 308c, 308d), 및 상기 p+ 불순물도핑 실리콘층(306)과 상기 n+ 불순물도핑 실리콘층(308a, 308b, 308c, 308d)상에 형성된 SiO2층(310), 및 상기 SiO2층(310)상에 형성된 게이트 전극(312a, 312b, 312c)을 포함한다.
또한, 게이트전극(312a)는 Tx, 게이트전극(312b)는 Rx, 게이트전극(312d)는 Sx로 접속되며, 게이트전극(312c)은 n+ 불순물도핑 실리콘층(308a)와 접속된다. 또한, n+ 불순물도핑 실리콘층(308b)은 전원전압선(Vdd)이 접속되고 n+ 불순물도핑 실리콘층(308d)은 출력전압선(Vout)이 접속된다.
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 이미지 센서의 구조를 도시한 단면도이다. 도 4를 참조하면, 본 발명의 제4 실시예에 따른 이미지 센서는 p형 실리콘 기판(402), 상기 p형 실리콘 기판(402)의 소정 영역에 결정 성장시켜 형성된 n+ 불순물도핑 게르마늄층(404), 상기 p형 실리콘 기판(402)과 상기 n+ 불순물도핑 게르마늄층(404)상에 형성된 p+ 불순물도핑 실리콘층(406), 상기 p+ 불순물도핑 실리콘층(406)을 통하여 상기 p형 실리콘 기판(402)의 소정 깊이까지 도핑에의하여 형성된 n+ 불순물도핑 실리콘층(408a, 408b, 408c, 408d), 및 상기 p+ 불순물도핑 실리콘층(406)과 상기 n+ 불순물도핑 실리콘층(408a, 408b, 408c, 408d)상에 형성된 SiO2층(310), 및 상기 SiO2층(310)상에 형성된 게이트 전극(412a, 412b, 412c)을 포함한다.
또한, 게이트전극(412a)는 Rx, 게이트전극(412c)는 Sx로 접속되며, 게이트전극(412b)은 n+ 불순물도핑 실리콘층(408a)와 접속되며 n+ 불순물도핑 실리 콘층(408a)은 n+ 불순물도핑 게르마늄층(404)에 접하고 있다. 또한, n+ 불순물도핑 실리콘층(408b)은 전원전압선(Vdd)이 접속되고 n+ 불순물도핑 실리콘층(408d)은 출력전압선(Vout)이 접속된다.
상기와 같은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서는 실리콘 기판상에 결정 성장된 게르마늄(이하 Ge이라 칭함)층을 구비하여 그 접합을 포토다이오드로 사용하는데 게르마늄은 실리콘(이하 Si이라 칭함)에 비하여 가시 광 영역에서 200 배 이상의 감도를 갖는다. 또한 Ge은 Si과의 격자상수의 차가 5% 이내로써, Si위에 Ge을 특정한 두께까지 결정 성장 시키는 것이 가능하다.
상기와 같은 게르마늄 기반의 포토다이오드를 적용하는 이미지 센서는 감도가 Si을 기반으로 하는 소자에 비하여 수 백배 향상된다. Si을 기반으로 하는 이미지 센서는 Si의 낮은 감도 특성 때문에 깊은 침투 깊이를 갖게 되는데, 적색 파장대인 700nm 파장의 빛에 대하여 최대 5㎛까지 침투하게 되며, 이러한 깊은 침투 깊이는 포토센서의 영역이 깊어지는 원인이 되며, 또한 크로스토크의 원인이 된다. 또한 Si의 낮은 빛의 흡수는 Si 포토다이오드가 넓은 영역을 차지하는 이유가 된다.
반면에, 본 발명에 따른 이미지 센서용 포토다이오드 제조 방법에 따르면, Ge을 사용하며, Ge에서의 적색 파장 대역을 가지는 광의 침투 깊이는 Ge의 강한 흡수특성 때문에 Si에 비하여 수백분의 일로 작아지게 된다. 즉, 격자상수가 기판과 다른 물질을 기판 위에 성장시키는 경우 격자상수 차가 클수록 성장 층의 두께는 제한을 받는데, 본 발명에 따르면, 실리콘 기판상에 Ge층을 형성시키는데, Ge이 빛 흡수율이 높기 때문에 얇은 Ge층으로도 실리콘 기반의 이미지 센서용 포토다이오드에 비 하여 우수한 광 강도 감지 특성을 가지므로 격자상수 차에 의해 제한된 두께의 Ge층을 사용하여 충분히 빛을 흡수 할 수 있으며, 작은 크기의 이미지 센서를 제조하는 것이 가능하게 된다.
도 5에는 상기와 같은 본 발명에 따른 이미지 센서를 제조하기 위한 주요 공정을 흐름도로써 간략히 도시하였다. 도 5를 참조하면, p-Si 기판상에 n+ Ge층과 p-Si층을 결정성장(단계 S502)시키고, SiO2층(절연층)을 형성(단계 S504)하며, 게이트 전극을 형성(단계 S506)한 다음, n+ Si층을 형성(단계 S508)한다. 상기와 같은 본 발명에 따른 이미지센서의 제조 방법은 실리콘 기판을 사용함으로써 기존의 실리콘을 기반으로 하는 제조 공정을 상당 부분 사용할 수 있고, 게르마늄을 포토다이오드로 사용함으로써 빛에 대한 감도가 실리콘 기반의 포토 다이오드보다 우수하고, 크기는 작은 이미지센서를 만드는 것이 가능하다.
또한, Ge의 녹는점은 940˚C정도로, Si의 녹는점 1400˚C에 비하여 매우 낮다. 이와 같이 Ge는 녹는점이 낮기 때문에 Ge을 결정 성장시킬때 Si에 비하여 낮은 온도 분위기에서 이루어질 수 있는 것이다. 즉, Ge의 성장 공정은 기 공정된 Si 기판의 구조물들에 미치는 영향이 작다는 것을 의미하며, 다른 Si 기반의 소자들을 형성한 후에 Ge 층을 결정성장하여도 아무런 문제가 없다.
또한, 게르마늄(Ge) 대신에 갈륨비소(GaAs), 인화인듐(InP), 비소화알루미늄갈륨(Al0.33Ga0.67As), 카드뮴델러라이드(CdTe), 카퍼인듐셀러라이드(CuInSe2) 또는 카퍼인듐갈륨셀러라이드(CuInGaSe2) 등의 화합물 반도체를 포토다이오드로 사용하는 경우에는 특정한 파장대의 빛에 대하여 우수한 감광 소자를 만드는 것도 가능할 것이다.
이상으로, 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 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 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면 게르마늄 기반의 포토다이오드를 적용함으로써 감도가 Si을 기반으로 하는 소자에 비하여 수 백배 향상될 뿐만 아니라, 실리콘 기판을 사용함으로써 기존의 실리콘을 기반으로 하는 제조 공정을 상당 부분 사용할 수 있고, 게르마늄을 포토다이오드로 사용함으로써 빛에 대한 감도가 실리콘 기반의 포토 다이오드보다 우수하고, 크기는 작은 이미지센서를 만드는 것이 가능하다.
Claims (4)
- 광을 받아들여 그 광의 강도를 측정하는데 사용되는 이미지 센서에 있어서,소정 깊이의 홈이 형성된 제1 도전형 실리콘 기판;상기 홈에 결정 성장된 제2 도전형 불순물도핑 게르마늄층;상기 제1 도전형 실리콘 기판과 상기 제2 도전형 불순물도핑 게르마늄층상에 형성된 제1 도전형 불순물도핑 실리콘층;상기 제1 도전형 불순물도핑 실리콘층을 통하여 상기 제1 도전형 실리콘 기판의 소정 깊이까지 도핑에의하여 형성된 제2 도전형 불순물도핑 실리콘층; 및상기 제1 도전형 불순물도핑 실리콘층과 상기 제2 도전형 불순물도핑 실리콘층상에 형성된 절연막층; 및상기 절연막층상에 형성된 게이트 전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 제2 도전형 불순물도핑 게르마늄층은, 갈륨비소(GaAs), 인화인듐(InP), 비소화알루미늄갈륨(Al0.33Ga0.67As), 카드뮴델러라이드(CdTe), 카퍼인듐셀러라이드(CuInSe2) 또는 카퍼인듐갈륨셀러라이드(CuInGaSe2) 중에서 선택된 것인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 광을 받아들여 그 광의 강도를 측정하는데 사용되는 이미지 센서에 있어서,제1 도전형 실리콘 기판;상기 제1 도전형 실리콘 기판상의 소정 영역에 결정 성장시켜 형성된 제2 도전형 불순물도핑 게르마늄층;상기 제1 도전형 실리콘 기판과 상기 제2 도전형 불순물도핑 게르마늄층상에 형성된 제1 도전형 불순물도핑 실리콘층;상기 제1 도전형 불순물도핑 실리콘층을 통하여 상기 제1 도전형 실리콘 기판의 소정 깊이까지 도핑에의하여 형성된 제2 도전형 불순물도핑 실리콘층; 및상기 제1 도전형 불순물도핑 실리콘층과 상기 제2 도전형 불순물도핑 실리콘층상에 형성된 절연막층; 및상기 절연막층상에 형성된 게이트 전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제3항에 있어서, 상기 제2 도전형 불순물도핑 게르마늄층은, 갈륨비소(GaAs), 인화인듐(InP), 비소화알루미늄갈륨(Al0.33Ga0.67As), 카드뮴델러라이드(CdTe), 카퍼인듐셀러라이드(CuInSe2) 또는 카퍼인듐갈륨셀러라이드(CuInGaSe2) 중에서 선택된 것인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
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