KR20060125744A - 실리콘 기판 및 실리콘 회로에 집적된 절연 게르마늄 광검출기들을 포함하는 이미지 센서 - Google Patents

실리콘 기판 및 실리콘 회로에 집적된 절연 게르마늄 광검출기들을 포함하는 이미지 센서 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 개선된 이미지 센서는 실리콘 기판과 실리콘 판독 회로들에 집적된 게르마늄 감광성 엘리먼트들의 어레이를 포함한다. 공지된 실리콘 웨이퍼 제조 기술들을 이용하여 실리콘 트랜지스터들이 실리콘 기판 상에 먼저 형성된다. 애피택셜 성장에 의해 상기 실리콘 상부에 게르마늄 엘리먼트들이 순차적으로 형성된다. 상기 게르마늄 엘리먼트들은 유전체 클래딩의 표면 개구들 내에서 성장되는 것이 바람직하다. 절연된 게르마늄 광다이오드들을 형성하기 위해 웨이퍼 제조 기술들이 상기 엘리먼트들에 제공된다. 게르마늄 처리를 위해 요구되는 온도들은 실리콘 처리를 위해 요구되는 온도들보다 더 낮기 때문에, 게르마늄 소자들의 형성은 이전에 형성된 실리콘 소자들에 영향을 줄 필요가 없다. 그 다음, 실리콘 소자들을 상호접속시키고 게르마늄 소자들을 상기 실리콘 회로들에 접속시키기 위해 절연 및 금속 층들이 증착 및 패터닝된다. 따라서, 게르마늄 엘리먼트들은 애피텍셜 성장에 의해 실리콘에 집적되고 공통의 금속 층들에 의해 실리콘 회로에 집적된다.

Description

실리콘 기판 및 실리콘 회로에 집적된 절연 게르마늄 광 검출기들을 포함하는 이미지 센서{IMAGE SENSOR COMPRISING ISOLATED GERMANIUM PHOTODETECTORS INTEGRATED WITH A SILICON SUBSTRATE AND SILICON CIRCUITRY}
본 출원은 "Method to Fabricate an Integrated Image Sensor Using Isolated Germanium Photodetectors"란 명칭으로 C.A. King 및 C.S. Rafferty에 의해 2003년 10월 13일자 제출된 미국 가출원 시리얼 넘버 60/510,932의 장점을 청구하며, 상기 출원은 참조로 본 발명에 포함된다.
본 발명은 이미지 감지 장치들에 관한 것으로서, 특히 실리콘 기판과 실리콘 회로에 집적된 게르마늄 광검출기들의 어레이를 포함하는 이미지 감지 장치에 관한 것이다. 상기 장치들은 적외선으로 이미지들을 감지하는데 특히 유용하다.
적외선, 특히 단파 적외선으로 이미지들을 감지할 수 있는 이미지 센서들은 광 통신(파이버 및 자유 공간 모두), 레이저 검출 및 탐지(LADAR), 얼음(ice) 검출(도로들과 항공기 상), 및 조제약 제조를 포함하는 광범위한 애플리케이션들에서 중요하다. 이러한 센서들은 또한 기술 보전, 종양의 검출, 천문학, 연기와 구름을 통한 이미징, 오염 검출, 적외선 현미경, 적외선 망원경 및 집적회로 제조에 사용된다. 적외선 이미지 센서들은 3차원 레이저 검출 및 탐지(3-D LADAR)와 야간용 장비의 핵심이다.
통상적인 이미지 센서는 판독 집적회로(ROIC)와 조합된 2차원 어레이의 광검출기들(소위 초점면 어레이라 함)을 포함한다. 광검출기들은 입력 광선에 민감하다. ROIC는 광검출기들로부터의 출력들을 정량적으로 평가하고 이들을 이미지로 처리한다.
초점면 어레이들(FPAs)은 1970년대 이래로 절대 제로 근처로 냉각하는데 요구되는 시스템에서 파장에 따라 실온 근처에서 동작할 수 있는 시스템들으로 진화했다. 첨부된 참조문현들의 리스트에서 참조문헌1(이하 [1])을 참조한다. 냉각 요구조건들에서 이러한 경감은 적외선 이미징을 위한 훨씬 더 작고 신뢰가능한 값싼 시스템들을 허용하였고, 다수의 새로운 애플리케이션들을 허용하였다.
동작 온도의 증가는 검출기들에서 새로운 물질들의 사용 때문이다. 초창기 어레이들은 도핑된 실리콘을 검출기 재료로서 사용했다(예, As, In, 또는 Ga와 같은 얕은 레벨 불순도로 도핑되는 외성 실리콘). 이들은 광섬의 존재를 검출하기 위해 입력 적외선 광자들에 의한 얕은 레벨 불순도의 이온화에 의존했다. 오늘날의 광검출기들은 InGaAs, InSb 및 HgCdTe와 같은 화합물 반도체 물질들 또는 PtSi와 같은 실리사이드들을 사용한다. 결과적인 검출기들은 훨씬 더 높은 온도들에서 동작할 수 있다.
불행히도, 보다 새로운 검출기 재료들을 위한 처리 기술은 실리콘 판독 전자장치들을 처리하는 기술과 호환될 수 없다. 결과적으로, 2개의 개별 칩들이 혼합된 이미지 센서를 형성하는데 요구된다. 2개의 칩들은 통상적으로 검출기들 및 판 독 집적회로(ROIC)의 적정 노드들 상에 인듐 범프(bump)들을 부착함으로써 서로 결합된다. 배치된 인듐 범프들과 함께 2개의 칩들이 정렬되어 서로 본딩된다.
인듐 범프 본딩 프로세스는 보다 고온에서의 새로운 애플리케이션들을 가능하게 하였지만, 본딩 프로세스는 신뢰성, 처리, 크기 및 속도 문제들을 나타낸다. 본딩 신뢰성이 주된 관심사이다. 열팽창 불일치, 높은 g 힘들 및 진동은 모두 본딩이 실패하도록 할 수 있다. 검출기 재료와 실리콘 ROIC 사이의 열적 불일치는 검출기 암전류(dark current)를 감소시키기 위해 많은 애플리케이션들에 대해 이미지 센서의 냉각이 요구되기 때문에 생가는 특정한 문제이다. Barton [2]는 열적 불일치 문제를 경감시키기 위한 제 3 기판 물질을 사용하는 방법을 제시하지만, 상기 제 3 재료는 복잡성을 부가하고 비용을 증가시킨다. 범프 본딩 결함들을 초래할 수 있는 높은 g 힘들은 종종 공간 애플리케이션들에 사용되는 이미지 센서 장치들에 의해 생기고, 모든 애플리케이션들에서 혼합된 이미지 센서의 적절한 진동은 개별 검출기들(픽셀들)의 결함을 발생시킬 수 있다. 이러한 제한들은 이러한 장치들이 받는 가혹한 필드 환경들에서 매우 중요하다.
본딩의 부가 단계들은 또한 비용을 증가시키고 수율을 감소시킨다. 검출기 어레이들은 통상적으로 후면으로부터 조명되기 때문에, 어레이들은 일반적으로 매우 얇다. 얇은 어레이들은 조립 동안 처리하기 어렵고, 이러한 어려움은 인듐 범프 본딩에 동반되는 수율 문제들을 부가시킨다.
인듐 범프 본드들은 또한 개별 픽셀들의 크기 감소를 제한한다. 인듐 범프 본드들은 상대적으로 크다(대략 10㎛ 직경). 인듐 범프들을 이용하는 FPA들의 가 장 작은 픽셀 크기는 약 25x25 ㎛2이다. 이는 훨씬 더 작은 픽셀 크기의 Si 이미지 센서들(2x2 ㎛2에 근접함)과 대조적이다. 더 큰 어레이 크기는 이미지 해상도를 제한하고 더 큰 FPA 치수들은 어레이를 완전히 조명하는데 요구되는 광학계의 크기를 증가시키기 때문에, 범프 본딩은 카메라 무게와 부피가 중요한 애플리케이션들에서 바람직하지 못하다.
인듐 범프 본드들은 3-D LADAR 이미징과 같은 애플리케이션들에 요구되는 이미지 센서들의 속도를 추가로 제한한다. 인듐 범프 본드들은 검출 및 판독 전자장치들을 느리게 하는 부가적인 용량성 로드를 나타낸다. 또한, 본드들은 전력 소비를 증가시키고 픽셀-대-픽셀 커패시턴스를 증가시키기 때문에, 어레이 노이즈를 증가시키고 노이즈 분석 [4]를 복잡하게 할 수 있다. 따라서, 작은 픽셀 크기를 갖는 고속의 단파 적외선을 검출할 수 있는 보다 용이하게 제조되는 이미지 센서에 대한 요구, 특히 신뢰할 수 있는 소형 센서에 대한 필요성이 있다.
본 발명에 따라, 개선된 이미지 센서는 실리콘 기판에 집적되고 실리콘 판독 회로들과 집적되는 게르마늄 감광성 엘리먼트들의 어레이를 포함한다. 실리콘 트랜지스터들은 공지된 실리콘 웨이퍼 제조 기술들을 이용하여 실리콘 기판 상에 먼저 형성된다. 게르마늄 엘리먼트들은 애피택셜 성장에 의해 실리콘 위에 순차적으로 형성된다. 상기 게르마늄 엘리먼트들은 유전체 클래딩의 표면 개구들내에서 성장되는 것이 바람직하다. 웨이퍼 제조 기술들은 절연된 게르마늄 광다이오드들을 형성하는 엘리먼트들에 제공된다. 게르마늄 처리를 위해 필요한 온도들은 실리콘 처리를 위한 온도들 보다 더 낮기 때문에, 게르마늄 장치들의 형성은 이전에 형성된 실리콘 소자들에 영향을 줄 필요가 없다. 그 다음, 절연 및 금속 층들이 증착 및 패턴화되어 실리콘 소자들을 상호접속시키고 게르마늄 소자들을 실리콘 회로들에 접속시킨다. 따라서 상기 게르마늄 엘리먼트들은 애피택셜 설장에 의해 실리콘에 집적되고 공통의 금속층들에 의해 실리콘 회로에 집적된다.
각각의 픽쳐 엘리먼트 또는 픽셀에서, 게르마늄 엘리먼트는 입력 광을 전기 신호로 변환시킨다. 상기 픽셀에서 실리콘 회로는 게르마늄 엘리먼트로부터의 신호를 검출 및 증폭시킨다. 각 픽셀의 출력을 판독 및 고유하게 식별하는 로우 및 칼럼 어드레싱 회로에 의해 상기 픽셀들이 판독된다. 따라서, 이미지가 어레이로부터 판독된다. 게르마늄은 가시광선에서부터 약 1.7㎛ 파장까지의 적외선을 통해 감광성이기 때문에, 가시광선 및 적외선 이미지들이 형성될 수 있다. 각 픽셀로부터의 신호는 오프-칩으로 전송되기 이전에 아날로그 전류 또는 전압에서 디지털 값으로 변환된다. 이것은 신호 저하를 감소시킨다. 바람직한 실시예에서, 각각의 게르마늄 픽셀은 유전체 표면 클래딩의 작은 결정형 섬(island)으로서 실리콘 상에 애피택셜 성장된다.
본 발명의 장점들, 특성 및 다양한 부가적 특징들은 첨부된 도면들과 연계하여 상세히 설명되는 예시적인 실시예들의 고려를 통해 보다 완전히 나타날 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 개선된 이미지 센서를 제조하는데 포함 되는 단계들의 개념적 흐름도이다.
도 2a는 실리콘 회로의 층들에 대한 Ge 층의 상대적 위치를 나타내는 단면도이다.
도 2b는 Ge 층의 상대적 위치를 도시하는 다른 단면도이다.
도 3은 특정 로우 어드레스 회로의 선택과 특정 칼럼 판독 회로가 주어진 픽셀에서의 광 세기를 고유하게 식별하는 개별적으로 어드레스가능한 픽셀 어레이를 도시한다.
도 4a 및 4b는 각각의 광검출기에 수용되는 전하를 수집 및 증폭시키는데 사용되는 픽셀 내의 예시적 회로들을 도시한다.
도 5는 도 2의 실리콘 회로와 게르마늄 광검출기를 집적시킨 픽셀의 레이아웃을 도시한다.
도 6은 픽셀 레이아웃 레벨들의 3차원 도면이다.
도 7은 비행 시간형 및 세기 정보를 수집하는데 사용되는 픽셀 내의 예시적인 회로를 도시한다.
상기 도면들은 본 발명의 개념들을 도시하는 목적이며 실제 크기가 아니다.
도면들을 참조하면, 도 1은 이미지 센서를 제조하는 바람직한 방법의 개념적 흐름도이다. 상기 방법은 또한 도 2a 및 도 2b를 참조로 설명될 것이다. 도 2a는 금속화와 각 픽셀 상의 마이크로렌즈의 포함하는 최종 소자 구조를 도시하고, 도 2b는 Ge 시드층을 포함하는 소자의 단면도를 도시한다.
도 1의 Block A에 도시된 것처럼, 제조 프로세스의 제 1 단계는 실리콘을 포함하는 기판을 제공하는 것이다. 실리콘은 선택된 실리콘 소자 처리 기술, 일반적으로 CMOS 또는 BiCMOS 처리에 적합한 저항성과 결정 배향을 갖도록 선택된다.
그 다음 단계(Block B)는 선택된 실리콘 처리 기술에 따라 실리콘 기판에서 실리콘 판독 집적회로(ROIC)의 컴포넌트들을 제조하는 것이다.
도 2a를 참조하면, 예시적인 제조는 실리콘 기판(200)에서 시작된다. 얕은 트렌치 절연부(202)가 형성된 다음 트랜지스터 웰(204)이 형성된다. 얇은 절연층과 전도성 게이트 물질층으로 이루어진 게이트 적층부(206)가 증착 또는 성장 및 패턴화된다. 그 다음, 스페이서들(208)이 증착되고 이방성 에칭을 이용하여 에칭된다. 스페이서 형성 이후, 소스 및 드레인 영역들(210)이 주입을 통해 또는 선택적 애피택시 및 필요시 어닐링과 같은 다른 수단을 통해 형성된다. 소스/드레인 어닐링은 일반적으로 최종 고온 처리(1-30s 동안 900-1050℃)이다. 소스 및 드레인들이 완성되면, 고체 상태 확산을 방지하기 위해 열적 버짓(thermal budget)이 제한되어야 한다. 그 다음, 저온(350-750℃) 증착 프로세스를 이용하여 종래의 방식으로 제 1 유전체(212)가 형성되고 화학적 기계적 폴리싱(CMP)에 의해 평탄화된다. 유전체(212)는 실리콘 산화물, 실리콘 옥시니트라이드, 또는 임의의 유사한 낮은 유전상수 물질일 수 있다.
제 3 단계(도 1의 Block C)는 실리콘 위에 놓이는 게르마늄을 포함하는 애피택셜 성장된 광검출기들의 어레이를 형성하는 것이다. 바람직하게는, 상기 게르마늄 광검출기들은 기판의 유전체 클래드 표면 상의 개구들내에서 애피택셜 성장된 작은 절연 게르마늄 섬들의 어레이로부터 형성된다. 섬들의 성장 및 치수들은 낮은 결함 성장을 제공하도록 선택된다. 결과적으로, 게르마늄 광검출기들은 실리콘 회로와 모놀리식으로 집적된다.
낮은 결함 성장을 갖는 섬들을 형성하기 위한 바람직한 프로세스는 2003년 6월 3일 Bude 외에 의해 제출된 미국 특허출원 시리얼 넘버 10/453,037에 기술되며, 이는 참조로 본 발명에 포함된다. 상기 프로세스는 다음의 단계들을 포함한다:
(a) 실리콘 기판의 주표면 상에 유전체 클래딩 영역을 형성하는 단계;
(b) 상기 클래딩 영역 내에서 제 1 깊이로 연장되는 제 1 개구들을 형성하는 단계;
(c) 상기 제 1 깊이 보다 더 큰 제 2 깊이로 연장되고 상기 실리콘을 노출시키는 더 작은 제 2 개구를 각각의 제 1 개구 내에 형성하는 단계;
(d) 각각의 상기 개구들의 실리콘 및 각 클래딩 영역의 상부에 게르마늄을 포함하는 물질의 영역들을 애피택셜 성장시키는 단계;
(e) 상기 제 2 개구들 내에서 성장되는 제 1 애피택셜 영역과 상기 클래딩 영역의 상부 상에서 과성장된(overgrown) 애피택셜 영역들에 결함들이 제한되도록 상기 제 2 개구들의 치수들을 제어하는 단계 - 미리 정해진 제 1 영역은 상기 제 1 개구 내에 위치되고 본질적으로 결함들이 없음 -; 및
(f) 상기 클래딩 층의 상부에서 연장되는 애피택셜 과성장된 영역들을 제거하도록 상기 소자의 상부를 평탄화함으로써, 상기 제 2 개구에서 성장된 상기 미리 정해진 제 1 영역의 상부가 상기 클래딩 영역의 상부와 본질적으로 동일 평면이 되 게 하는 단계.
일 예로서, 게르마늄 광검출기들을 형성하는 바람직한 방법에서, 표준 코어 실리콘 프로세스는 Ge 흡수층의 성장을 포함하기 위해 중단된다. 도 2a를 참조하면, 프로세스에서 나중에 에칭 스톱으로서 작용하는 얇은 실리콘 질화물층(214)이 증착된다. 그 다음, 유전체(216)(이러한 유전체는 212에 대해 사용되는 것과 동일한 물질 또는 상이한 물질일 수 있음)가 Ge 흡수층의 요구된 두께에 해당하는 두께로 표면(214) 상에 증착된다. 최적 두께는 검출되는 광의 파장에 좌우된다. 예를 들어, 1.3㎛의 파장에서, 최저 노이즈 등가 전력이 약 1.3㎛에서 달성된다. 1.55㎛ 파장에서, 최적 Ge 두께는 약 2.3㎛이다. 전형적인 애플리케이션들에 대해, Ge 두께는 최소한 400 내지 1700nm의 파장 범위에서 입사광의 적어도 1%를 흡수하기에 충분해야 한다. 배치된 212, 214 및 216으로 구성된 유전체 클래딩 적층부와 함께, 질화물(214) 상부의 유전체(216)에 선택적인 플라즈마 에칭을 이용하여 레지스트 및 에칭 유전체(216)로 표면을 패턴화함으로써 웰 영역(218)이 형성된다[5]. 질화물(214)의 나머지 부분은 핫 인산의 용액을 이용하거나 주의깊게 시간조절되는 플라즈마 에칭에 의해 에칭될 수 있다. 질화물(214)을 절연시키기 위해, 산화물(220)은 컨포멀한 증착을 통해 형성된다. 그 다음, 유전체(212)의 노출된 부분을 패터닝하고 실리콘 기판에 대해 에칭함으로써 시드 윈도우(217)가 형성된다. 그 다음, 시드 채널(217)과 Ge 웰(218)을 충진시키도록 비도핑된 Ge 선택성 애피택셜 성장(SEG)이 수행된다. 애피택시 동안 백그라운드 도핑은 애피택시의 기술에 공지된 사전조치들을 수행함으로써 가능한 많이 제한되어야 한다. 그 다음, 주변 유전 체(216)와 동일 평면이 되는 Ge 영역(218)을 형성하기 위해 화학적-기계적 폴리싱(CMP)이 최종 Ge 성장을 평탄화하는데 사용된다.
표면 재결합 속도를 감소시키기 위해, 얇은 선택성 실리콘 층(222)이 218의 표면 상에 성장되고 부분적으로 산화된다. 그 다음, 콘택 영역(224)을 형성하기 위해 p형 도펀트(예, 붕소)를 주입시키고 콘택 영역(226)을 형성하기 위해 n형 도펀트(예, 인)를 주입시킴으로써 p-i-n 광검출기가 형성될 수 있다. 실질적인 거리를 Ge 웰로 연장시킬 수 있는 고 에너지 주입들이 고속 p-i-n 소자를 위해 바람직하다. 그 다음, 구조물 상에 유전체(228)가 증착된다.
상술한 흡수층은 게르마늄이지만, 실리콘 및 게르마늄의 합금 (Si1-xGex)(여기서 x는 0 내지 100%로 가변됨)을 동일하게 이용할 수 있음을 이해해야 한다. 이 경우, 컷오프 파장과 암전류 사이의 교환(trade-off)이 있을 수 있다. Ge 부분으로서 x가 감소됨에 따라, 암전류는 더 낮아지고 컷오프 파장은 더 작아진다.
측면 p-i-n 소자 구조물이 상술되었지만, 수직 p-i-n 광다이오드들, 애벌런치 광다이오드들, 가이거-모드 광다이오들, 광트랜지스터들 및 종래기술에 공지된 다른 소자들과 같은 선택적 소자들이 적외선을 전기 신호로 변환시키기 위해 Ge 층에 형성될 수 있음을 이해해야 한다.
도 1의 Block D로서 도시된 그 다음 단계는 Ge 광검출기들을 실리콘 ROIC 회로와 상호접속시키기 위해 콘택들과 금속화를 형성하는 것이다. 유전체(228)의 증착 이후, 트랜지스터들의 소스/드레인(또는 바이폴라 소자들의 에미터, 베이스 및 콜렉터)과 광검출기의 애노드 및 캐소드에 접촉되는 비아(230)들은 모든 유전체 물질들을 통해 표면으로부터 에칭된다. 유전체 물질들의 적층부는 에칭 플라즈마에서 상이하게 작용할 수 있는 유전체(214)를 포함한다. 후단부 금속화 단계들을 포함하는 프로세스의 나머지 부분은 이후에 상세화되는 2개의 명확한 예외(exception)들로 일반적으로 처리된다. 비아들이 에칭된 이후, 텅스텐과 같은 전도성 금속으로 충진된 다음, 일반적인 방식으로 폴리싱된다. 표준 프로세스들을 이용하여 연속적인 유전체 및 금속층들이 형성된다.
일반적인 후단부 프로세스는 특정 파장 또는 파장들의 대역에 대한 필터를 포함하도록 변형될 수 있다. 레벨간 유전체층들 중 하나를 평탄화한 이후에 특정 파장들을 필터링할 수 있는 필터 물질(236)이 광검출기 상부에 증착 및 패턴화될 수 있다. 선택적으로, 후단부 금속 라인들은 자체적으로 적절히 패턴화되어 각각의 픽셀 센서들 상의 가시광선 및 적외선 입사광에 대한 필터로서 사용될 수 있다[6]. 마지막으로, 각각의 픽셀 엘리먼트의 효과적인 채움 인자를 개선하기 위해 각각의 픽셀 상부에 마이크로렌즈(244)가 증착, 패터닝 및 플로우될 수 있다.
선택적 애피택셜 성장에 의해 Ge 층을 형성하는 것을 설명했지만, 상기 층은 고상 애피택시, 수소 주입 및 웨이퍼 본딩, 액상 애피택시, 및 종래에 공지된 다른 기술들과 같은 다른 방법들에 의해 수행될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
도 3은 예시적인 이미지출력기(imager)의 블록도이다. 이미지출력기(30)는 로우 어드레스 회로(31), 각각 게르마늄 광검출 층을 포함하는 픽셀들(32)의 어레이, 칼럼 판독 회로(33), 아날로그-대-디지털 변환기(ADC)(34), 및 칩 출력(36)을 구동하는 출력 버퍼(35)를 포함한다. 또한 클럭 및 제어 로직이 있지만 도면에 도시되지 않는다. 로우 어드레싱 회로(31)는 다수의 로우 어드레스 라인들(37) 중 하나를 선택한다. 각각의 로우 어드레스 라인은 어레이의 각각의 칼럼들에 대해 하나씩 다수의 픽셀들(32)에 연결된다. 주어진 로우의 픽셀들은 모두 로우 어드레스 라인에 의해 동시적으로 선택된다. 선택된 로우에서 각각의 픽셀(32)은 픽셀이 마지막으로 리셋된 이후에 수신된 축적된 광에 관련된 전압으로 그 칼럼 버스(38)를 충전시킨다. 한번에 하나의 로우만이 선택되어, 동일한 칼럼 버스에 접속된 동일한 칼럼의 다른 픽셀들은 칼럼 버스 상의 전압에 영향을 주지 않는다. 로우 어드레스 및 선택된 칼럼의 조합은 각각의 픽셀을 고유하게 식별한다. 각각의 로우를 교번으로 선택적 어드레싱하고, 각각의 로우가 선택되는 동안 각각의 칼럼 버스를 연속적으로 샘플링 및 홀딩함으로써, 어레이의 각 픽셀에서의 광 세기가 검출되고 이미지가 형성될 수 있다. 칼럼 버퍼들로부터의 아날로그 전압은 아날로그-대-디지털 변환기(34)에 의해 디지털 형태로 변환되고 출력 버스(36) 상의 칩을 빠져나오기 이전에 출력 버퍼(35)로 전송된다. 본 발명의 범주를 벗어남이 없이, 육각형 그리드의 픽셀들, 바둑판 패턴의 픽셀들, 또는 몇몇 애플리케이션들을 위한 단일 라인의 픽셀들과 같은 다른 패턴들의 픽셀들이 사용될 수 있다는 것을 통상의 당업자는 이해할 것이다.
도 4a를 참조하면, 예시적인 픽셀(40)은 게르마늄 광다이오드(41), 집적 커패시터(42), 증폭기(43), 픽셀이 칼럼 버스(38)에 접속되는 시기를 결정하는 로우 선택 트랜지스터(44), 및 리셋 회로(45)로 구성된다. 집적 커패시터(42)는 개별 엘리먼트일 필요는 없고, 광검출기의 내성 커패시턴스 및 다른 스트레이 커패시턴스들과 병렬인 증폭기 입력 커패시턴스에 의해 구성될 수 있다. 칼럼 판독부(도 3의 33)의 샘플-앤드-홀드 회로들(46A 또는 46B)은 어레이의 각 칼럼을 연속적으로 판독하고, 그 출력들은 ADC(44)에 의해 디지털화된다.
각각의 집적 주기의 개시에서, 픽셀 집적 커패시터(42)는 리셋 스위치(45)에 의해 기준 전압으로 충전된다. 광이 광검출기에 제공됨에 따라, 커패시터(42)를 방전시키는 전류가 생성된다. 커패시터의 플로팅 노드(47)는 증폭기(48)에 대한 입력이다. 집적 주기의 말단에서, ROW 선택 신호(22)가 제공되고, 로우 트랜지스터(44)는 픽셀의 증폭 출력을 칼럼 판독부의 샘플-앤드-홀드 회로(46A, 46B)에 의해 판독되는 COL 버스(38) 상에 제공한다. 그 다음, 픽셀(40)이 리셋되고 다음 집적 주기가 개시된다.
도 4b는 도 4a 회로의 보다 구체적인 예이다. 리셋 회로(45)는 단일 트랜지스터이고 증폭기(43)는 단일-트랜지스터 소스-폴로워(follower) 회로이다. 이 경우 전체 픽셀 회로는 단지 3개의 트랜지스터들이다.
도 5는 픽셀이 컴팩트한 방식으로 배치될 수 있음을 도시하고, 도 6은 동일한 픽셀의 3차원 사시도를 도시한다. 게르마늄 층(50)은 높은 채움 인자(즉, 셀의 큰 퍼센티지는 광에 응답함)를 제공하는 픽셀의 대형 엘리먼트이다. 리셋 트랜지스터(51), 소스 폴로워 트랜지스터(52) 및 로우 선택 트랜지스터(53)는 게르마늄 픽셀 아래의 실리콘 기판에 형성된다. 전력 라인(54)과 접지 라인(55)은 하나의 레벨의 금속 상의 로우 선택 라인들(22)에 평행하게 연장되고, 리셋 라인(56)과 칼 럼 라인(38)은 제 2 금속 레벨 상에 수직으로 연장된다. 집적 커패시터(도 4a의 42)의 하나의 플레이트를 구성하는 플로팅 노드(58)는 금속층 중 하나상에 있을 수 있고, 소스 폴로워 트랜지스터(52)의 게이트와 리셋 트랜지스터(51)의 소스 뿐만 아니라 게르마늄 엘리먼트(50)에 연결된다. 통상의 당업자는 이러한 기본 픽셀의 많은 다른 가능한 레이아웃들이 있다는 것을 이해할 것이다.
많은 다른 집적회로들이 게르마늄 광다이오드의 출력을 판독하는데 사용될 수 있다는 것 또한 이해할 것이다. 예를 들어, 고속 판독 회로들은 판독 노이즈를 감소시키기 위해 저항성 또는 용량성 피드백을 갖는 트랜스임피던스 증폭기들을 사용할 수 있다. 노이즈 감소 회로들은 공간 및 일시적 노이즈를 감소시키기 위해 부가될 수 있다. 다이오드 누출 전류의 영향들을 감소시키기 위한 회로들이 픽셀들에 부가될 수 있다. 또한, 목표된 애플리케이션의 프레임 비율 요구조건에 따라, 다양한 판독 아키텍쳐들이 가능할 수 있다. 전체 칩에 대한 단일 ADC 대신에, 개별 ADC가 각 칼럼의 저면에 배치될 수 있고, 모든 ADC 변환들이 병렬로 수행될 수 있다. 선택적으로, 충분히 진보된 실리콘 기술은 각각의 픽셀로의 ADC 도입을 허용할 것이다. 따라서, 광범위한 어레이 아키텍쳐들이 본 발명에 사용될 수 있다.
통상의 당업자는 게르마늄 픽셀의 상이한 깊이들에서 많은 접합부들을 갖는 픽셀이 상이한 파장들의 광자들의 개별적 포획을 하용할 것이라는 것을 이해할 것이다. 이러한 픽셀들 또한 본 발명의 범주 내에서 고려되어야 한다.
도 7은 비행-시간형 이미징을 위해 최적화된 픽셀 어레이 영상출력기의 선택 적 실시예를 도시한다. 이러한 애플리케이션들 위해, 각각의 픽셀(701)은 픽셀 상에 제공되는 조명의 전체 양을 간단히 측정하는 것이 아니라, 광 세기의 피크값들과 이러한 피크값들이 발생하는 횟수를 간단히 측정한다. 도 7의 영상출력기는 거리 측정 카메라에 사용될 수 있고, 여기서 대상물들과 떨어진 거리는 적외선의 플래쉬로 장면을 조명함으로써 측정되고, 카메라로 그 반사들이 리턴되는 횟수는 장면의 각 부분에 대한 거리를 직접 측정한다.
이러한 애플리케이션에 대한 픽셀(701)의 아키텍쳐는 비교적 지능화되어 있다. 광다이오드(702)의 출력은 고속의 저-노이즈 증폭기(703)로 공급된다. 증폭된 신호는 증폭기(705)에 의해 추가로 증폭되어 피크 검출기(706)에 진입하기 이전에 필터(704)에 의해 제거되는 DC 및 저-주파수 컴포넌트들을 갖는다. 상기 피크 검출기는 입력 신호가 피크로 상승한 다음 픽셀의 시계에서 보다 먼 대상물들로부터의 반사들에 대응하게 다시 떨어질 때마다 출력을 생성한다. 각각의 피크에서, 피크(707)의 세기는 저장 커패시터(708) 상에 기록되고, 피크의 존재는 다수의 저장 커패시터들(710) 사이의 온-칩 전압 램프(709)를 스위칭하는데 사용된다. 경사 전압(709)은 플래쉬가 방출될 때 상승하기 시작한다. 제 1 저장 커패시터(710)가 연결해제되면, 경사 값은 상기 커패시터에서 고정되고 반사가 도달할 때의 측정값으로서 작용한다. 멀티플렉서들(711, 712)을 사용함으로써, 장면의 일 부분으로부터의 다수의 반사들의 피크 세기들과 도착 시간들이 기록된다. 모든 반사들이 리턴된 이후, 타이밍 커패시터들(710)과 세기 커패시터들(708)상의 전압들은 출력 멀티플렉서(713)와 픽셀 출력 증폭기(714)를 통해 판독된다.
이러한 회로 상에서 많은 변형들이 가능할 수 있다. 예를 들어, 경사 전압 대신에, 일정한 전류 소스가 타이밍 커패시터들에 제공될 수 있다. 타이밍 커패시터들 상에 수집되는 전체 전하는 비행-시간의 측정값일 수 있다. 단일 펄스 리턴만이 요구된다면 단일 세기 커패시터와 단일 타이밍 커패시터가 각각의 픽셀에 사용될 수 있다. 피크 검출을 위해 사용되는 임계값은 시간에 대해 적응적으로 가변될 수 있다. 선택적으로, 디지털 타이밍 신호는 각각의 픽셀의 디지털 저장 엘리먼트들 상에 고정될 수 있다. 따라서, 예시의 형태로 본 발명에 주어진 특정 회로는 본 발명의 범주를 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다.
따라서, 게르마늄 감광성 엘리먼트들의 어레이는 실리콘 판독회로들과 집적되어 적외선 영상출력기를 형성한다. 통상의 당업자에게 공지된 실리콘 웨이퍼 제조 기술들을 이용하여 실리콘 트랜지스터들이 먼저 형성된다. 게르마늄 엘리먼트들은 순차적인 단계로 부가되고, 게르마늄 광다이오드들을 형성하도록 웨이퍼 제조 기술들이 제공된다. 게르마늄 처리를 위해 요구되는 온도들은 실리콘 처리를 위해 필요한 온도들 보다 더 낮기 때문에, 게르마늄 소자들은 이전에 형성된 실리콘 소자들에 영향을 주지 않으면서 형성될 수 있다. 그 다음, 절연 및 금속 층들이 증착 및 패턴화되어 회로 배선을 형성하고 게르마늄 소자들을 실리콘 회로들에 연결시킨다. 본 발명의 일 실시예는 실리콘을 포함하는 기판 상에 배치된 다수의 광검출기들을 포함하는 이미지 센서라는 것을 알 수 있다. 광검출기들은 게르마늄을 포함하는 절연된 섬들을 포함한다. 섬들은 애피택셜 성장에 의해 실리콘과 집적된다. 상기 기판은 광검출기들의 광 응답들을 개별적으로 어드레싱 및 판독하기 위 해 광검출기들에 연결되는 집적된 실리콘 회로를 포함한다. 바람직하게는, 상기 기판은 개구들을 포함하는 외부 유전체 클래딩 표면을 갖는다. 게르마늄을 포함하는 절연된 섬들은 개구들에 배치되고 애피택셜 성장에 의해 실리콘과 집적된다. 바람직하게는, 외부 표면은 평면형이고, 상기 섬들은 실리콘과 동일 평면인 외부 표면들을 갖는다. 통상적인 애플리케이션들에 대해, 상기 섬들은 400 내지 1700nm 파장 범위의 입사광의 적어도 1%를 흡수하기에 충분한 두께를 가져야 한다. 상기 기판과 상기 섬들은 바람직하게는 단결정 물질이고 결정학적으로 정렬될 수 있다. 하나 이상의 상기 섬들은 섬에 의해 흡수되는 광의 스펙트럼을 구별하기 위해 상이한 각각의 깊이들에서 다수의 p-n 접합부들을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 상기 섬들은 미국 특허출원 시리얼 넘버 10/510,932에 기술된 프로세스에 의해 형성된다.
상기 기판 내에 형성된 집적회로의 컴포넌트들은 서로 접속될 수 있고 공통의 금속화 층에 의해 광검출기들에 접속될 수 있다. 비행-시간형 이미징을 위해 상기 집적회로는 입사광의 피크들을 측정하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 장점들은 다수이다. 장점들은 다음을 포함한다:
· 1.7㎛까지의 감도를 갖는 실리콘 기판 상의 단파 적외선 검출기 어레이
· 낮은 암전류를 갖는 어레이를 형성하는 능력
· 고주파수 응답을 갖는 어레이를 형성하는 능력
· 개별 검출기들의 웰 깊이를 제어함으로써 높은 양자 효율의 어레이
· 게르마늄 흡수 층은 트랜지스터들이 하부 영역을 차지하게 하도록 기판 상부에 놓임으로써 채움 인자를 증가시킴
· Si 처리 기술들로 형성된 웰의 사용으로 인한 어레이에 대한 높은 균일도
· 픽셀들간의 캐리어 확산이 불가능하기 때문에 낮은 픽셀 크로스토크
· 다른 컴포넌트들 뿐만 아니라 높은 밀도 및 높은 속도의 트랜지스터들이 어레이에 집적될 수 있음
· 모듈형 집적으로 인한 처리 모델들과 표준 셀들의 완전한 재사용
· 픽셀 크기가 매우 작게 형성될 수 있기 때문에, 주어진 개수의 픽셀들에 대해 결과적인 영상출력기 크기를 감소시키고, 보다 작고 보다 경량의 카메라 광학계를 사용할 수 있도록 함
· 픽셀 크기가 매우 작게 형성됨으로써 주어진 영상출력기 영역에 대해 고해상도 어레이들을 허용함
· Ge 소자들, Si 소자들, 및 수동 컴포넌트들과 접촉하는데 사용되는 동일한 금속화 프로세스
· 이러한 기술은 라인폭 감소에 따른 채움 인자 또는 전자장치 복잡도 증가를 개선함으로써 실리콘 스케일링 비율들의 장점을 가짐. 혼합된 어레이들의 피치는 지난 10년간 실질적으로 변하지 않음.
· 인듐 범프 본딩 혼합화(hybridization)가 요구되지 않기 때문에 신뢰성과 수율을 증가시킴
· 혼합화가 요구되지 않으므로 비용을 감소시킴
· IR 광다이오드에서 회로로의 낮은 커패시턴스 커넥션들.
본 발명의 상세한 설명은 많은 특정 설명들을 포함하지만, 이들은 본 발명의 범주를 제한하는 것으로 해석되어서는 안되며, 몇가지 바람직한 또는 특징적인 실시예들의 예들로서 해석되어야 한다. 따라서, 본 발명의 범주는 예시된 특정 실시예들에 의해서가 아니라 첨부된 청구범위 및 이들의 법적 등가물들에 의해 결정되어야 한다.
첨부 A - 참조 문헌들
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[6] A.E. Gamal, "Trends in CMOS image sensor technology and design," in IEDM Tech. Digest, 2002, pp.805-808.

Claims (12)

  1. 실리콘을 포함하는 기판 상에 배치된 다수의 광검출기들을 포함하고,
    상기 광검출기들은 게르마늄을 포함하는 절연된 섬(island)들을 포함하며, 상기 섬들은 애피택셜 성장에 의해 상기 실리콘에 집적되고,
    상기 기판은 상기 광검출기들의 광 응답들을 개별적으로 어드레싱 및 판독하기 위해 상기 광검출기들에 연결되는 집적된 실리콘 회로를 포함하는, 이미지 센서.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 기판은 개구들을 포함하는 외부 유전체 클래딩 표면을 가지며, 상기 게르마늄을 포함하는 절연된 섬들은 상기 개구들에 배치되고 애피택셜 성장에 의해 상기 실리콘에 집적되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 기판은 개구들을 포함하는 평탄한 외부 표면을 가지며, 상기 게르마늄을 포함하는 절연된 섬들은 개구들에 배치되고 애피택셜 성장에 의해 상기 실리콘에 집적되며 동일 평면의 외부 표면들을 갖는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 절연된 섬들은 400 내지 1700nm 파장 범위의 입사광의 적어도 1%를 흡수하기에 충분한 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  5. 제 1 항에 있어서, 하나 이상의 상기 절연된 섬들은 흡수된 광의 스펙트럼을 구별하기 위해 상이한 깊이들의 다수의 p-n 접합부들을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 섬들은 단결정 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 기판은 단결정 물질을 포함하고, 상기 섬들은 상기 기판 단결정 물질에 결정학적으로 정렬되는 단결정 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 게르마늄을 포함하는 섬들 중 적어도 하나는 게르마늄 섬들인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 게르마늄을 포함하는 섬들 중 적어도 하나는 실리콘과 게르마늄을 포함하는 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 집적회로는 서로 접속되고 공통의 금속화 층에 의해 상기 광검출기들에 접속되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 집적회로는 비행-시간형 이미징(time-of-flight imaging)을 위해 피크값들을 측정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 섬들은,
    a) 실리콘을 포함하는 상기 기판의 주표면 상에 유전체 클래딩 영역을 형성하는 단계;
    b) 상기 클래딩 영역 내에서 제 1 깊이로 연장되는 제 1 개구들을 형성하는 단계;
    c) 상기 제 1 깊이보다 더 깊은 제 2 깊이로 연장되고 상기 실리콘을 노출시키는 보다 작은 제 2 개구를 각각의 제 1 개구 내에 형성하는 단계;
    d) 게르마늄을 포함하는 물질의 영역들을 각각의 상기 개구들의 실리콘과 각각의 클래딩 영역 상부에서 애피택셜 성장시키는 단계;
    e) 상기 제 2 개구들 내에서 성장되는 제 1 애피택셜 아이템 영역과 상기 클래딩 영역의 상부 상에서 과성장된(overgrown) 애피택셜 영역들에 결함들이 제한되도록 상기 제 2 개구들의 치수들을 제어하는 단계 - 상기 제 1 개구 내에 미리 정해진 제 1 영역이 위치되고 상기 미리 정해진 제 1 영역에는 본질적으로 결함들이 없음 -; 및
    f) 상기 클래딩 층의 상부에서 연장되는 애피택셜 과성장된 영역들을 제거하 기 위해 상기 소자의 상부를 평탄화하는 단계에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
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