KR20070083300A - 가시광선 및 적외선을 감지할 수 있는 광 감지 소자 및 그제조 방법 - Google Patents

가시광선 및 적외선을 감지할 수 있는 광 감지 소자 및 그제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가시광선 및 적외선을 감지할 수 있는 광 감지 소자 및 그 제조 방법에 관한 발명으로써, 보다 구체적으로 가시광선뿐만 아니라 적외선도 감지할 수 있는 광 감지 소자 및 그 제조 방법에 관한 발명이다.
본 발명은 제1 도전형의 반도체 기판; 상기 반도체 기판에 형성되며, 제1 컬러 필터를 통과하여 입사된 광을 감지하며, 상기 제1 도전형의 반대인 제2 도전형으로 도핑된 제1 도핑 영역; 상기 반도체 기판에 형성되며, 제2 컬러 필터를 통과하여 입사된 광을 감지하며, 상기 제2 도전형으로 도핑된 제2 도핑 영역; 상기 반도체 기판에 형성되며, 제3 컬러 필터를 통과하여 입사된 광을 감지하며, 상기 제2 도전형으로 도핑된 제3 도핑 영역; 및 상기 반도체 기판에 형성되며, 상기 제1 내지 제3 도핑 영역들 중 적어도 어느 한 도핑 영역의 아래에 거리를 두고 떨어져 위치하며, 상기 제1 내지 제3 컬러 필터들 중 적어도 어느 한 컬러 필터를 통과하여 입사된 광을 감지하며, 상기 제2 도전형으로 도핑된 제4 도핑 영역을 포함하는 광 감지 소자를 제공한다.

Description

가시광선 및 적외선을 감지할 수 있는 광 감지 소자 및 그 제조 방법{light sensing device for sensing visible light and infrared light, and method for fabricating the same}
도 1은 적색, 청색 및 녹색 필터의 파장에 대한 투과도(transmittance)를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 컬러용 광 감지 소자의 간략한 단면도를 나타내는 도면이다
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 컬러용 광 감지 소자의 간략한 평면도를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 컬러용 광 감지 소자의 제조 방법의 각 단계를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 의한 흑백용 광 감지 소자의 간략한 단면도를 나타내는 도면이다
도 6은 본 발명의 실시예에 의한 흑백용 광 감지 소자의 간략한 평면도를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 의한 흑백용 광 감지 소자의 제조 방법의 각 단계를 나타내는 도면이다.
*도면의 주요 부분에 부호의 설명*
10R : 적색 필터 10G : 녹색 필터
10B : 청색 필터
20R : 적색 감지를 위한 도핑 영역 20G : 녹색 감지를 위한 도핑 영역
20B : 청색 감지를 위한 도핑 영역 20IR : 적외선 감지를 위한 도핑 영역
20VR : 가시광선 감지를 위한 도핑 영역
30 : 반도체 기판
30A : 에피택셜 층을 성장시키기 이전의 원래의 반도체 기판
30B : 에피택셜 층 40R : 적색용 포토 다이오드
40G : 녹색용 포토 다이오드 40B : 청색용 포토 다이오드
40IR : 적외선용 포토 다이오드 40VR : 가시광선용 포토 다이오드
본 발명은 가시광선 및 적외선을 감지할 수 있는 광 감지 소자 및 그 제조 방법에 관한 발명으로써, 보다 구체적으로 가시광선을 감지하기 위한 가시광선용 포토 다이오드를 구비하는 종래의 광 감지 소자에 가시광선용 포토 다이오드들의 PN 접합들보다 아래에 형성된 PN 접합을 가지며, 적외선을 감지하기 위한 적외선용 포토 다이오드를 더 포함함으로써, 가시광선뿐만 아니라 적외선도 감지할 수 있는 광 감지 소자 및 그 제조 방법에 관한 발명이다.
근래에 들어서, 디지털 카메라, 디지털 캠코더 및 이들의 기능을 포함하는 휴대폰 등이 널리 보급됨에 따라, 이미지 센서가 급속히 발전하고 있다. 이미지 센서는 광학 영상을 전기적인 신호로 변환시키는 반도체 장치로서, 크게 CCD(charge coupled device, 전하 결합 소자)형 이미지 센서와 CMOS(complementary metal oxide semiconductor, 상보성 금속 산화막 반도체)형 이미지 센서로 나눌 수 있다. 이들 중 CCD형 이미지 센서는 광에 의하여 발생된 전자를 그대로 CCD를 이용하여 출력부까지 이동시키며, CMOS형 이미지 센서는 광에 의하여 발생된 전자를 화소 내에서 전압으로 변환한 후 출력부까지 이동시킨다. 이로 인하여, CCD형 이미지 센서는 화질이 우수하고, 감도가 높아 고품질 영상 기기에 주로 사용되지만, CMOS 회로와의 단일 칩화가 용이하지 아니하고, 소비 전력이 높다는 문제점이 있다. 이에 반하여, CMOS형 이미지 센서는 잡음이 많이 발생하고, 감도가 낮으나, CMOS 회로와 단일 칩화가 용이하며, 소비 전력이 낮고, 일반적인 CMOS 공정을 사용하여 제조할 수 있다는 장점이 있다. 이러한, CCD형 이미지 센서 및 CMOS 형 이미지 센서는 일반적으로 화소들의 어레이를 포함한다. 각 화소는 광 감지 소자 및 광 감지 소자에 연결된 화소 회로를 포함한다. CCD형 이미지 센서의 경우, 화소 회로는 화소 회로로 입력되는 제어 신호에 따라 광 감지 소자에서 축적한 전하를 출력하고, CMOS형 이미지 센서의 경우, 화소 회로는 화소 회로로 입력되는 제어 신호에 따라, 광 감지 소자에서 축적된 전하량에 대응하는 전압을 출력한다. 광 감지 소자는 화소에 입사되는 가시광선을 전기적 신호인 전하량으로 변환하는 포토 다이오드(이하 가시광선용 포토 다이오드라 함)를 포함한다. 본 발명은 이러한 광 감지 소자에 관한 발명이다.
컬러용 광 감지 소자에 있어서, 적색 필터를 통과한 광을 입사받는 포토 다이오드(이하 적색용 포토 다이오드라 함)는 적색 광의 세기에 대응하는 전하량을 형성한다. 또한, 녹색 필터를 통과한 광을 입사받는 포토 다이오드(이하 녹색용 포토 다이오드라 함)는 녹색 광의 세기에 대응하는 전하량을 형성한다. 또한, 청색 필터를 통과한 광을 입사받는 포토 다이오드(이하 청색용 포토 다이오드라 함)는 청색 광의 세기에 대응하는 전하량을 형성한다. 그러나, 도 1에 표현된 바와 같이, 적색, 녹색 및 청색 필터는 각각 적색 광, 녹색 광 및 청색 광을 통과시킬 뿐만 아니라, 700nm 이상의 파장을 가지는 적외선 또한 통과시킨다. 따라서, 적색용, 녹색용 및 청색용 포토 다이오드는 원하지 않는 적외선에 대응하는 전하량 또한 축적시켜, 결과적으로 감지된 컬러의 정확도를 떨어뜨린다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 종래에는 이미지 센서 칩 외부에 별도로 구현된 적외선 필터를 사용하거나, 한국공개특허공보 제2002-17853호(발명의 명칭: 칩 내부에 적외선 필터를 구비하는 이미지 센서)와 같이 포토 다이오드 위에 질화막과 산화막을 수차례 적층함으로써, 적외선의 투과를 방지하였다. 그러나, 이러한 종래기술들에 의하는 경우, 이미지 센서의 제조 비용을 많이 상승시킨다는 문제점이 있다.
만일, 광 감지 소자가 적색용, 녹색용, 및 청색용 포토 다이오드뿐만 아니 라, 적외선 측정을 위한 포토 다이오드(이하 적외선용 포토 다이오드라 함)를 추가적으로 구비한다면, 적외선용 포토 다이오드가 측정한 적외선 세기를 이용하여 적색용, 녹색용 및 청색용 포토 다이오드에서 원치 않게 측정된 적외선을 용이하게 보상할 수 있을 것이다.
한편, 근래에 들어서 적외선 이미지 센서의 필요성이 대두되고 있다. 특히, 디지털 카메라, 디지털 캠코더 및 이들의 기능을 포함하는 휴대폰의 사용자들은 요구 사항은 날로 증가하여, 밝은 환경뿐만 아니라 어두운 환경에서도 촬영하기를 원하고 있다. 이러한 요구에 따라, 컬러 이미지 센서뿐만 아니라, 적외선 이미지 센서도 이러한 장치들에 점차 탑재되고 있다. 그러나, 이러한 장치에 있어서, 컬러 이미지 센서와 별도로 적외선 이미지 센서가 구현되어 있으므로, 비용이 많이 증가하며, 많은 공간을 차지하여 소형화에 지장을 주며, 컬러 이미지와 적외선 이미지를 동시에 촬영할 수 없다는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기한 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 가시광선 이미지뿐만 아니라 적외선 이미지를 감지할 수 있는 광 감지 소자 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 한 화소 내에 가시광선용 포토 다이오드뿐만 아니라 적외선용 포토 다이오드를 구비함으로써, 저렴하고, 소형 화가 가능하며, 가시광선 이미지와 적외선 이미지를 동시에 감지할 수 있는 광 감지 소자 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 한 화소 내에 가시광선용 포토 다이오드뿐만 아니라 적외선용 포토 다이오드를 구비함으로써, 가시광선용 포토 다이오드에서 원치 않게 측정된 적외선을 용이하게 보상할 수 있는 광 감지 소자 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 제1 측면은 제1 도전형의 반도체 기판; 상기 반도체 기판에 형성되며, 제1 컬러 필터를 통과하여 입사된 광을 감지하며, 상기 제1 도전형의 반대인 제2 도전형으로 도핑된 제1 도핑 영역; 상기 반도체 기판에 형성되며, 제2 컬러 필터를 통과하여 입사된 광을 감지하며, 상기 제2 도전형으로 도핑된 제2 도핑 영역; 상기 반도체 기판에 형성되며, 제3 컬러 필터를 통과하여 입사된 광을 감지하며, 상기 제2 도전형으로 도핑된 제3 도핑 영역; 및 상기 반도체 기판에 형성되며, 상기 제1 내지 제3 도핑 영역들 중 적어도 어느 한 도핑 영역의 아래에 거리를 두고 떨어져 위치하며, 상기 제1 내지 제3 컬러 필터들 중 적어도 어느 한 컬러 필터를 통과하여 입사된 광을 감지하며, 상기 제2 도전형으로 도핑된 제4 도핑 영역을 포함하는 광 감지 소자를 제공한다.
본 발명의 제2 측면은 반도체 기판에 형성된 가시광선용 포토 다이오드를 포함하는 광 감지 소자에 있어서, 상기 가시광선용 포토 다이오드의 PN 접합보다 깊 게 위치한 PN 접합을 가지며, 상기 반도체 기판에 형성된 적외선용 포토 다이오드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 감지 소자를 제공한다.
본 발명의 제3 측면은 (a) 제1 도전형으로 도핑된 반도체 기판에 제1 도전형의 반대인 제2 도전형으로 도핑된 적외선 감지를 위한 도핑 영역을 형성하는 단계; (b) 상기 (a) 단계 이후에 수행되며, 상기 반도체 기판에 상기 제1 도전형으로 도핑된 에피택셜 층을 성장시키는 단계; 및 (c) 상기 (b) 단계 이후에 수행되며, 상기 제2 도전형으로 도핑된 제1 내지 제3 색 감지를 위한 도핑 영역들을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 제1 내지 제3 색 감지를 위한 도핑 영역들 중 적어도 어느 하나는 상기 적외선 감지를 위한 도핑 영역의 위에 형성된 광 감지 소자의 제조 방법을 제공한다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 여러가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인하여 한정되는 식으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 실시예들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 컬러용 광 감지 소자의 간략한 단면도를 나타내는 도면이고, 도 3의 (a)는 본 발명의 실시예에 의한 컬러용 광 감지 소자의 간략한 평면도의 일례를 나타내는 도면이고, 도 3의 (b)는 본 발명의 실시예에 의 한 컬러용 광 감지 소자의 간략한 평면도의 다른 일례를 나타내는 도면이다.
도 2 및 3을 참조하면, 컬러용 광 감지 소자는 반도체 기판(30)과 반도체 기판(30)에 형성된 제1 내지 제5 도핑영역(20R, 20G, 20B, 20IR, 20IR')을 포함한다.
반도체 기판(30)은 P형 및 N형 중 어느 하나인 제1 도전형으로 도핑된 반도체 기판일 수 있다. 도면에는 P형 반도체 기판(30)이 표현되어 있다. 반도체 기판(30)은 바람직하게 실리콘 기판이다. 반도체 기판(30)은 도면과 같이 에피택셜 층(epitaxial layer)이 성장되기 이전의 원래의 반도체 기판(30A)과 원래의 반도체 기판(30A) 위에 성장된 에피택셜 층(30B)으로 구성될 수 있다. 이 경우, 에피택셜 층(30B)은 원래의 반도체 기판(30A)와 같은 도전형이다. 원래의 반도체 기판(30A)과 에피택셜 층(30B)의 경계면은 제1 내지 제3 도핑 영역(20R, 20G, 20B)과 제4 도핑 영역(20IR) 사이에 위치할 수 있다. 또한, 도면과 달리, 반도체 기판(30)은 에피택셜 층을 포함하지 아니할 수도 있다. 반도체 기판(30)이 에피택셜 층(30B)을 포함하는 경우는 에피택셜 층을 포함하지 아니하는 경우에 비하여, 제4 도핑 영역(20IR)을 보다 깊이 형성할 수 있다는 장점이 있다.
제1 도핑 영역(20R)은 반도체 기판(30)에 형성되며, 제1 도전형의 반대인 제2 도전형으로 도핑된 영역으로서, 적색 필터(10R)를 통과하여 입사된 광을 감지한다. 도면에는 N형으로 도핑된 제1 도핑 영역(20R)이 표현되어 있다. 적색용 포토 다이오드(40R)는 상호 접합된 제1 도핑 영역(20R) 및 반도체 기판(30)으로 구성된다. 적색용 포토 다이오드(40R)에는 역방향 바이어스가 인가된다. 적색 필터(10R)는 도면에 표현된 바와 같이 적색 광뿐만 아니라 적외선도 통과시킨다. 광의 파장 이 길수록 반도체 물질에 더 적게 흡수되므로, 상대적으로 파장이 긴 적외선은 상대적으로 파장이 짧은 적색 광보다 더 깊은 영역까지 침투하여, 제4 도핑 역역(20IR)에서도 적색 필터(10R)를 통과한 적외선을 감지할 수 있다.
제2 도핑 영역(20G)은 반도체 기판(30)에 형성되며, 제2 도전형으로 도핑된 영역으로서, 녹색 필터(10G)를 통과하여 입사된 광을 감지한다. 도면에는 N형으로 도핑된 제2 도핑 영역(20G)이 표현되어 있다. 녹색용 포토 다이오드(40G)는 상호 접합된 제2 도핑 영역(20G) 및 반도체 기판(30)으로 구성된다. 녹색용 포토 다이오드(40G)에는 역방향 바이어스가 인가된다. 녹색 필터(10G)는 도면에 표현된 바와 같이 녹색 광뿐만 아니라 적외선도 통과시킨다. 광의 파장이 길수록 반도체 물질에 더 적게 흡수되므로, 상대적으로 파장이 긴 적외선은 상대적으로 파장이 짧은 녹색 광보다 더 깊은 영역까지 침투하여, 제4 도핑 역역(20IR)에서도 녹색 필터(10G)를 통과한 적외선을 감지할 수 있다.
제3 도핑 영역(20B)은 반도체 기판(30)에 형성되며, 제2 도전형으로 도핑된 영역으로서, 청색 필터(10B)를 통과하여 입사된 광을 감지한다. 도면에는 N형으로 도핑된 제3 도핑 영역(20B)이 표현되어 있다. 청색용 포토 다이오드(40B)는 상호 접합된 제3 도핑 영역(20B) 및 반도체 기판(30)으로 구성된다. 청색용 포토 다이오드(40B)에는 역방향 바이어스가 인가된다. 청색 필터(10B)는 도면에 표현된 바와 같이 청색 광뿐만 아니라 적외선도 통과시킨다. 광의 파장이 길수록 반도체 물질에 더 적게 흡수되므로, 상대적으로 파장이 긴 적외선은 상대적으로 파장이 짧은 청색 광보다 더 깊은 영역까지 침투하여, 제4 도핑 역역(20IR)에서도 청색 필터(10B)를 통과한 적외선을 감지할 수 있다.
적색, 녹색 및 청색은 각각 가시광선의 일종이므로, 적색용 포토 다이오드(40R), 녹색용 포토 다이오드(40G) 및 청색용 포토 다이오드(40B)은 각각 가시광선용 포토 다이오드의 일종에 해당한다.
제4 도핑 영역(20IR)은 반도체 기판(30)에 형성되며, 제2 도전형으로 도핑된 영역이다. 제4 도핑 영역(20IR)은 제1 내지 제3 도핑 영역(20R, 20G, 20B)들 중 적어도 어느 한 도핑 영역의 아래에 거리를 두고 떨어져 위치하며, 적색, 녹색 및 청색 필터(10R, 10G, 10B)들 중 적어도 어느 한 필터를 통과하여 입사된 광을 감지한다. 바람직하게 제4 도핑 영역(20IR)은 도면과 같이 제1 내지 제3 도핑 영역들(20R, 20G, 20B)의 아래에 위치한다. 이 경우에, 도 3의 (b)와 같이 제4 도핑 영역(20IR)이 제1 내지 제3 도핑 영역(20R, 20G, 20B)들의 모든 영역을 다 포함하게 형성될 수도 있으며, 도 3의 (a)와 같이 제1 도핑 영역(20R)의 일부 영역, 제2 도핑 영역(20G)의 일부 영역 및 제3 도핑 영역(20B)의 일부 영역만을 포함하게 형성될 수도 있다. 반도체 기판(30)의 표면으로부터 제4 도핑 영역(20IR)까지의 깊이는 적색, 녹색 및 청색 광의 극히 일부만이 전달되고, 적외선은 측정이 가능할 정도로 상당히 전달되도록 결정되어야 하며, 바람직하게 0.5 마이크로미터 이상이어야 한다. 적외선용 포토 다이오드(40IR)는 상호 접합된 제4 도핑 영역(20IR) 및 반도체 기판(30)으로 구성된다. 적외선용 포토 다이오드(40IR)에는 역방향 바이어스가 인가된다. 적외선용 포토 다이오드(40IR)의 PN 접합은 적색용, 녹색용 및 청색용 포토 다이오드(40R, 40G, 40B)의 PN 접합들보다 깊은 곳에 위치하여, 적외선용 포토 다이오드(40IR)의 PN 접합에는 가시광선보다 적외선이 많이 전달되도록 하는 것이 바람직하다.
제5 도핑 영역(20IR')은 반도체 기판(30)에 형성되며, 제2 도전형으로 도핑된 영역이다. 제5 도핑 영역(20IR')은 제4 도핑 영역(20IR)과 전기적으로 접속되며, 제4 도핑 영역(20IR)에서 형성된 정공 또는 전자를 반도체 기판(30)의 표면에 전달하기 위하여 상기 제4 도핑 영역과 상기 반도체 기판의 표면 사이에 형성된다.
도면에 표현된 광 감지 소자는 이와 같은 구성을 가짐으로써, 가시광선의 세기뿐만 아니라, 적외선의 세기 또한 감지할 수 있다. 그러나, 광 감지 소자에 의하여 측정된 세기는 정확한 세기가 아니다. 왜냐하면, 적외선은 적외선용 포토 다이오드(40IR)뿐만 아니라, 적색용, 녹색용 및 청색용 포토 다이오드들(40R, 40G, 40B)에서도 흡수되므로, 적색용, 녹색용 및 청색용 포토 다이오드들(40R, 40G, 40B)에 의하여 측정된 값은 각각 입사된 적색, 녹색 및 청색 광들뿐만 아니라, 적외선에 의하여도 영향을 받는다. 따라서, 적색용, 녹색용, 청색용 및 적외선용 포토 다이오드들(40R, 40G, 40B, 40IR)에 의하여 측정된 값을 각각 R, G, B 및 IR이라고 할 때 보정된 적색, 청색 및 녹색 측정값 R', G' 및 B'는 수학식 1과 같이 구해질 수 있다.
R' = (R - A1×IR)
G' = (G - A2×IR)
B' = (B - A3×IR)
수학식 1에서, A1 내지 A3는 소정의 상수이며, A1×IR, A2×IR 및 A3×IR은 각각 적색용, 녹색용 및 청색용 포토 다이오드(40R, 40G, 40B)에 흡수된 적외선의 값을 의미한다. 이와 같은 방식으로 보정된 색을 구하면, 적외선 필터를 사용하지 아니하고도, 적외선에 의한 영향을 제거할 수 있다.
또한, 적색, 녹색 및 청색 광들도 어느 정도 적외선용 포토 다이오드에 영향을 끼치며, 적색, 녹색 및 청색 광들 사이에 컬러 보정이 필요한 경우가 있으므로, 상기 수학식 1은 보다 일반화되어 아래의 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112006011339535-PAT00001
상기 수학식 2에서, R, G, B, IR은 각각 광 감지 소자에 의하여 측정된 적색, 녹색, 청색 및 적외선의 세기이며, R', G', B', IR'은 각각 보정된 적색, 녹색, 청색 및 적외선의 세기이며, a11 내지 a44는 소정의 계수이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 컬러용 광 감지 소자의 제조 방법의 각 단계를 나타내는 도면이다. 도 4에 표현된 제조 방법은 특히 반도체 기판(30)이 에피택셜 층이 성장되기 이전의 원래의 반도체 기판(30A)과 원래의 반도체 기판(30A) 위에 성장된 에피택셜 층(30B)으로 구성된 경우의 제조 방법이다. 도 4를 참조하면, 광 감지 소자의 제조 방법은 제4 도핑 영역 형성 단계(도 4의 (a)), 에피택셜 층 성장 단계(도 4의 (b)), 제5 도핑 영역 형성 단계(도 4의 (c)), 및 제1 내지 제3 도핑 영역 형성 단계(도 4의 (d))를 포함한다.
제4 도핑 영역 형성 단계(도 4의 (a))에서, 에피택셜 층이 성장되지 아니한 원래의 반도체 기판(30A)에 이온 주입(ion implantation) 방법으로 제4 도핑 영역(20IR)을 형성한다. 원래의 반도체 기판(30A)은 실리콘 기판일 수 있으며, 제1 도전형으로 도핑되어 있다. 제4 도핑 영역(20IR)은 제1 도전형의 반대인 제2 도전형으로 도핑된다. 도면에는 제1 도전형이 P형이고, 제2 도전형이 N형인 일례가 표현되어 있다. 제4 도핑 영역을 형성하기 위하여, 먼저 반도체 기판(30A) 상에 제4 도핑 영역(20IR)이 형성될 부분을 개방하는 이온 주입 마스크(미도시)를 형성한다. 그 후, N형의 도펀트(dopant)를 주입하여 제4 도핑 영역을 형성한다. 그 후, 이온 주입 마스크를 제거한다. 이온 주입 마스크는 일례로 산화막일 수 있다. N형의 도펀트는 일례로 비소(Arsenic)일 수 있으며, 그 주입량(dose)은 1011 내지 1013/cm2일 수 있다. 또한, 이후에 형성될 에피택셜 층의 두께를 줄이기 위해서는 이온 주입 에너지는 높은 것이 바람직하며, 따라서, 100 KeV 이상의 높은 에너지로 수행되는 것이 바람직하다. 제4 도핑 영역은 적외선 감지를 위한 도핑 영역이라고도 호칭될 수 있다.
에피택셜 층 성장 단계(도 4의 (b))에서, 바람직하게 0.2 내지 0.4 마이크로 미터의 에피택셜 층(30B)을 성장시킨다. 에피택셜 층(30B)은 제1 도전형으로 도핑되며, 가급적 저온으로 형성되며, 그 농도는 원래의 반도체 기판(30A)의 농도와 유사한 것이 바람직하다.
제5 도핑 영역 형성 단계(도 4의 (c))에서, 이온 주입 방법으로, 제2 도전형의 제5 도핑 영역(20IR')을 형성한다. 이를 위하여, 먼저 반도체 기판(30) 상에 제5 도핑 영역(20IR')이 형성될 부분을 개방하는 이온 주입 마스크(미도시)를 형성한 다음, N형의 도펀트를 주입하여 제5 도핑 영역(20IR')을 형성한다. 그 후, 이온 주입 마스크를 제거한다. 제5 도핑 영역(20IR')은 적외선 감지를 위한 도핑 영역(20IR)과 전기적으로 접속되며, 적외선 감지를 위한 도핑 영역(20IR)에서 형성된 정공 또는 전자를 반도체 기판(30)의 표면에 전달하기 위하여 상기 제4 도핑 영역과 상기 반도체 기판(30)의 표면 사이에 형성된다.
제1 내지 제3 도핑 영역 형성 단계(도 4의 (d))에서, 이온 주입 방법으로 제2 도전형의 제1 내지 제3 도핑 영역들(20R, 20G, 20B)을 형성한다. 이를 위하여, 먼저 반도체 기판(30) 상에 제1 내지 제3 도핑 영역(20R, 20G, 20B)이 형성될 부분을 개방하는 이온 주입 마스크(미도시)를 형성한 다음, N형의 도펀트를 주입하여 제1 내지 제3 도핑 영역들(20R, 20G, 20B)을 형성한다. 그 후, 이온 주입 마스크를 제거한다. 제1 내지 제3 도핑 영역의 도핑 농도는 일례로 1012ions/cm3 정도일 수 있다. 적색, 녹색 및 청색 감지를 위한 도핑 영역들(20R, 20G, 20B) 중 적어도 어느 하나는 상기 적외선 감지를 위한 도핑 영역의 위에 형성되며, 바람직하게, 적색, 녹색 및 청색 감지를 위한 도핑 영역들(20R, 20G, 20B)이 상기 적외선 감지를 위한 도핑 영역(20IR)의 위에 형성된다. 제1 내지 제3 도핑 영역(20R, 20G, 20B)은 각각 적색, 녹색 및 청색 감지를 위한 도핑 영역이라고도 호칭될 수 있다.
이와 같은 방법으로 공정을 진행하면, 도 2와 같은 구조가 형성된다. 적외선의 감지를 위해서는, 최종적으로 형성된 광 감지 소자에서 적외선 감지를 위한 도핑 영역(20IR)은 에피택셜 층(30B)의 표면으로부터 0.5 마이크로 미터 이상의 깊이에 형성되는 것이 바람직하다. 도면에 표현된 제조 방법을 따르는 경우, 특히 적외선 감지를 위한 도핑 영역(20IR)을 먼저 형성한 후 에피택셜 층(30B)을 형성하므로, 0.5 마이크로 미터 이상의 깊이를 원하는 적외선 감지를 위한 도핑 영역(20IR)을 충분히 깊게 형성할 수 있다는 장점이 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 의한 흑백용 광 감지 소자의 간략한 단면도를 나타내는 도면이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 의한 흑백용 광 감지 소자의 간략한 평면도를 나타내는 도면이다.
도 5 및 6을 참조하면, 흑백용 광 감지 소자는 반도체 기판(30)과 반도체 기판(30)에 형성된 제1 내지 제3 도핑영역(20VR, 20IR, 20IR')을 포함한다.
반도체 기판(30)은 P형 및 N형 중 어느 하나인 제1 도전형으로 도핑된 반도체 기판일 수 있다. 도면에는 P형 반도체 기판(30)이 표현되어 있다. 반도체 기판(30)은 바람직하게 실리콘 기판이다. 반도체 기판(30)은 도면과 같이 에피택셜 층(epitaxial layer)이 성장되기 이전의 원래의 반도체 기판(30A)과 원래의 반도체 기판(30A) 위에 성장된 에피택셜 층(30B)으로 구성될 수 있다. 이 경우, 에피택셜 층(30B)은 원래의 반도체 기판(30A)와 같은 도전형이다. 원래의 반도체 기판(30A)과 에피택셜 층(30B)의 경계면은 제1 도핑 영역(20VR)과 제2 도핑 영역(20IR) 사이에 위치할 수 있다. 또한, 도면과 달리, 반도체 기판(30)은 에피택셜 층을 포함하지 아니할 수도 있다. 반도체 기판(30)이 에피택셜 층(30B)을 포함하는 경우는 에피택셜 층을 포함하지 아니하는 경우에 비하여, 제2 도핑 영역(20IR)을 보다 깊이 형성할 수 있다는 장점이 있다.
제1 도핑 영역(20VR)은 반도체 기판(30)에 형성되며, 제1 도전형의 반대인 제2 도전형으로 도핑된 영역으로서, 가시광선을 감지한다. 도면에는 N형으로 도핑된 제1 도핑 영역(20VR)이 표현되어 있다. 가시광선용 포토 다이오드(40VR)는 상호 접합된 제1 도핑 영역(20VR) 및 반도체 기판(30)으로 구성된다. 가시광선용 포토 다이오드(40VR)에는 역방향 바이어스가 인가된다.
제2 도핑 영역(20IR)은 반도체 기판(30)에 형성되며, 제2 도전형으로 도핑된 영역이다. 제2 도핑 영역(20IR)은 제1 도핑 영역(20VR)의 아래에 거리를 두고 떨어져 위치한다. 반도체 기판(30)의 표면으로부터 제2 도핑 영역(20IR)까지의 깊이는 가시광선의 극히 일부만이 전달되고, 적외선은 측정이 가능할 정도로 상당히 전달 되도록 결정되어야 하며, 바람직하게 0.5 마이크로미터 이상이어야 한다. 적외선용 포토 다이오드(40IR)는 상호 접합된 제2 도핑 영역(20IR) 및 반도체 기판(30)으로 구성된다. 적외선용 포토 다이오드(40IR)에는 역방향 바이어스가 인가된다. 적외선용 포토 다이오드(40IR)의 PN 접합은 가시광선용 포토 다이오드(40VR)의 PN 접합들보다 깊은 곳에 위치하여, 적외선용 포토 다이오드(40IR)의 PN 접합에는 가시광선보다 적외선이 많이 전달되도록 하는 것이 바람직하다.
제3 도핑 영역(20IR')은 반도체 기판(30)에 형성되며, 제2 도전형으로 도핑된 영역이다. 제3 도핑 영역(20IR')은 제2 도핑 영역(20IR)과 전기적으로 접속되며, 제2 도핑 영역(20IR)에서 형성된 정공 또는 전자를 반도체 기판(30)의 표면에 전달하기 위하여 상기 제2 도핑 영역과 상기 반도체 기판의 표면 사이에 형성된다.
도면에 표현된 광 감지 소자는 이와 같은 구성을 가짐으로써, 가시광선의 세기뿐만 아니라, 적외선의 세기 또한 감지할 수 있다. 그러나, 광 감지 소자에 의하여 측정된 세기는 정확한 세기가 아니다. 왜냐하면, 적외선은 적외선용 포토 다이오드(40IR)뿐만 아니라, 가시광선용 포토 다이오드들(40VR)에서도 흡수되므로, 가시광선용 포토 다이오드들(40VR)에 의하여 측정된 값은 입사된 가시광선뿐만 아니라, 적외선에 의하여도 영향을 받는다. 따라서, 가시광선용 및 적외선용 포토 다이오드(40VR, 40IR)에 의하여 측정된 값을 각각 VR 및 IR이라고 할 때 보정된 가시광선 측정값 VR'는 수학식 3과 같이 구해질 수 있다.
VR' = (VR - A×IR)
수학식 3에서, A는 소정의 상수이며, A×IR은 가시광선용 포토 다이오드(40VR)에 흡수된 적외선의 값을 의미한다. 이와 같은 방식으로 보정된 가시광선의 세기를 구하면, 적외선 필터를 사용하지 아니하고도, 적외선에 의한 영향을 제거할 수 있다.
또한, 가시광선도 어느 정도 적외선용 포토 다이오드에 영향을 끼치므로, 상기 수학식 3은 보다 일반화되어 아래의 수학식 4와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112006011339535-PAT00002
상기 수학식 4에서, VR 및 IR은 각각 광 감지 소자에 의하여 측정된 가시광선 및 적외선의 세기이며, VR' 및 IR'은 각각 보정된 가시광선 및 적외선의 세기이며, a11 내지 a22는 소정의 계수이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 의한 흑백용 광 감지 소자의 제조 방법의 각 단계를 나타내는 도면이다. 도 7에 표현된 제조 방법은 특히 반도체 기판(30)이 에피 택셜 층이 성장되기 이전의 원래의 반도체 기판(30A)과 원래의 반도체 기판(30A) 위에 성장된 에피택셜 층(30B)으로 구성된 경우의 제조 방법이다. 도 7을 참조하면, 광 감지 소자의 제조 방법은 제2 도핑 영역(적외선 감지를 위한 도핑영역) 형성 단계(도 7의 (a)), 에피택셜 층 성장 단계(도 7의 (b)), 제3 도핑 영역 형성 단계(도 7의 (c)), 및 제1 도핑 영역 형성 단계(도 7의 (d))를 포함한다.
제2 도핑 영역 형성 단계(도 7의 (a))에서, 에피택셜 층이 성장되지 아니한 원래의 반도체 기판(30A)에 이온 주입(ion implantation) 방법으로 제2 도핑 영역(20IR)을 형성한다. 원래의 반도체 기판(30A)은 실리콘 기판일 수 있으며, 제1 도전형으로 도핑되어 있다. 제2 도핑 영역(20IR)은 제1 도전형의 반대인 제2 도전형으로 도핑된다. 도면에는 제1 도전형이 P형이고, 제2 도전형이 N형인 일례가 표현되어 있다. 제2 도핑 영역을 형성하기 위하여, 먼저 반도체 기판(30A) 상에 제2 도핑 영역(20IR)이 형성될 부분을 개방하는 이온 주입 마스크(미도시)를 형성한다. 그 후, N형의 도펀트(dopant)를 주입하여 제2 도핑 영역을 형성한다. 그 후, 이온 주입 마스크를 제거한다. 이온 주입 마스크는 일례로 산화막일 수 있다. N형의 도펀트는 일례로 비소(Arsenic)일 수 있으며, 그 주입량(dose)은 1011 내지 1013/cm2일 수 있다. 또한, 이후에 형성될 에피택셜 층의 두께를 줄이기 위해서는 이온 주입 에너지는 높은 것이 바람직하며, 따라서, 100 KeV 이상의 높은 에너지로 수행되는 것이 바람직하다. 제2 도핑 영역은 적외선 감지를 위한 도핑 영역이라고도 호칭될 수 있다.
에피택셜 층 성장 단계(도 7의 (b))에서, 바람직하게 0.2 내지 0.4 마이크로 미터의 에피택셜 층(30B)을 성장시킨다. 에피택셜 층(30B)은 제1 도전형으로 도핑되며, 가급적 저온으로 형성되며, 그 농도는 원래의 반도체 기판(30A)의 농도와 유사한 것이 바람직하다.
제3 도핑 영역 형성 단계(도 7의 (c))에서, 이온 주입 방법으로, 제2 도전형의 제3 도핑 영역(20IR')을 형성한다. 이를 위하여, 먼저 반도체 기판(30) 상에 제3 도핑 영역(20IR')이 형성될 부분을 개방하는 이온 주입 마스크(미도시)를 형성한 다음, N형의 도펀트를 주입하여 제3 도핑 영역(20IR')을 형성한다. 그 후, 이온 주입 마스크를 제거한다. 제3 도핑 영역(20IR')은 적외선 감지를 위한 도핑 영역(20IR)과 전기적으로 접속되며, 적외선 감지를 위한 도핑 영역(20IR)에서 형성된 정공 또는 전자를 반도체 기판(30)의 표면에 전달하기 위하여 상기 제2 도핑 영역과 상기 반도체 기판(30)의 표면 사이에 형성된다.
제1 도핑 영역 형성 단계(도 7의 (d))에서, 이온 주입 방법으로 제2 도전형의 제1 도핑 영역(20VR)을 형성한다. 이를 위하여, 먼저 반도체 기판(30) 상에 제1 도핑 영역(20VR)이 형성될 부분을 개방하는 이온 주입 마스크(미도시)를 형성한 다음, N형의 도펀트를 주입하여 제1 도핑 영역(20VR)을 형성한다. 그 후, 이온 주입 마스크를 제거한다. 제1 도핑 영역의 도핑 농도는 일례로 1012ions/cm3 정도일 수 있다. 제1 도핑 영역(20VR)은 가시광선 감지를 위한 도핑 영역이라고도 호칭될 수 있다.
이와 같은 방법으로 공정을 진행하면, 도 5와 같은 구조가 형성된다. 적외선의 감지를 위해서는, 최종적으로 형성된 광 감지 소자에서 적외선 감지를 위한 도핑 영역(20IR)은 에피택셜 층(30B)의 표면으로부터 0.5 마이크로 미터 이상의 깊이에 형성되는 것이 바람직하다. 도면에 표현된 제조 방법을 따르는 경우, 특히 적외선 감지를 위한 도핑 영역(20IR)을 먼저 형성한 후 에피택셜 층(30B)을 형성하므로, 0.5 마이크로 미터 이상의 깊이를 원하는 적외선 감지를 위한 도핑 영역(20IR)을 충분히 깊게 형성할 수 있다는 장점이 있다.
상술한 컬러용 광 감지 소자 및 그 제조 방법은 적색 필터를 통과한 적색 광, 녹색 필터를 통과한 녹색 광, 및 청색 필터를 통과한 청색 광을 중심으로 설명되었으나, 본 발명은 이러한 적색, 녹색 및 청색 광을 이용하여 컬러를 감지하는 경우에만 한정되지 아니한다. 가령, 시안(cyan), 황색 및 녹색을 이용하여 컬러를 감지할 수도 있다. 즉, 시안은 녹색과 청색의 합이고, 황색은 적색과 녹색의 합이므로, 시안, 황색 및 녹색을 측정하면, 적색, 녹색 및 청색의 세기를 알 수 있다. 또한, 시안 및 황색뿐만 아니라 마젠타(magenta) 백색 등 다양한 색을 이용하여 컬러를 감지할 수 있다. 이와 같이, 적색, 녹색 및 청색 중 적어도 어느 하나를 대신하여, 또는 적색, 녹색 및 청색에 추가적으로 시안, 황색, 마젠타 중 적어도 어느 하나가 사용된다면, 그에 적합한 컬러 필터가 사용되어야 한다. 그러나, 적색, 녹색 및 청색 중 어느 하나를 대신하여, 또는 적색, 녹색 및 청색에 추가적으로 백색이 사용되는 경우에는 백색에 대한 컬러 필터를 필요로 하지 아니할 수 있다.
본 발명에 의한 광 감지 소자 및 그 제조방법은 가시광선 이미지뿐만 아니라 적외선 이미지를 동시에 감지할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 의한 광 감지 소자 및 그 제조방법은 한 화소 내에 가시광선용 포토 다이오드뿐만 아니라 적외선용 포토 다이오드를 구비함으로써, 컬러뿐만 아니라 적외선을 감지할 수 있는 장치를 저렴하고, 소형화가 가능하게 구현할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 의한 광 감지 소자 및 그 제조방법은 한 화소 내에 가시광선용 포토 다이오드뿐만 아니라 적외선용 포토 다이오드를 구비함으로써, 가시광선용 포토 다이오드에서 원치 않게 측정된 적외선을 용이하게 보상할 수 있으므로, 적외선 필터를 사용하지 않을 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 의한 광 감지 소자 및 그 제조방법은 적외선 감지를 위한 도핑 영역을 먼저 형성한 후 에피택셜 층을 형성하므로 적외선 감지를 위한 도핑 영역을 충분히 깊게 형성할 수 있다는 장점이 있다.

Claims (19)

  1. 제1 도전형의 반도체 기판;
    상기 반도체 기판에 형성되며, 제1 컬러 필터를 통과하여 입사된 광을 감지하며, 상기 제1 도전형의 반대인 제2 도전형으로 도핑된 제1 도핑 영역;
    상기 반도체 기판에 형성되며, 제2 컬러 필터를 통과하여 입사된 광을 감지하며, 상기 제2 도전형으로 도핑된 제2 도핑 영역;
    상기 반도체 기판에 형성되며, 제3 컬러 필터를 통과하여 입사된 광을 감지하며, 상기 제2 도전형으로 도핑된 제3 도핑 영역; 및
    상기 반도체 기판에 형성되며, 상기 제1 내지 제3 도핑 영역들 중 적어도 어느 한 도핑 영역의 아래에 거리를 두고 떨어져 위치하며, 상기 제1 내지 제3 컬러 필터들 중 적어도 어느 한 컬러 필터를 통과하여 입사된 광을 감지하며, 상기 제2 도전형으로 도핑된 제4 도핑 영역을 포함하는 광 감지 소자.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 컬러 필터는 적색 필터이고, 상기 제2 컬러 필터는 녹색 필터이고, 상기 제3 컬러 필터는 청색 필터인 광 감지소자.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제4 도핑 영역에서 형성된 정공 또는 전자를 상기 반도체 기판의 표면 에 전달하기 위하여, 상기 제4 도핑 영역과 상기 반도체 기판의 표면 사이에 형성되며, 상기 제2 도전형으로 도핑된 제5 도핑 영역을 더 포함하는 광 감지 소자.
  4. 제1 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제4 도핑 영역은 상기 제1 내지 제3 도핑 영역의 아래에 위치하는 광 감지 소자.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 반도체 기판은 에피택셜 층이 성장되기 이전의 원래의 반도체 기판과 상기 원래의 반도체 기판 위에 성장된 제1 도전형의 에피택셜 층을 포함하는 광 감지 소자.
  6. 제4 항에 있어서,
    상기 제4 도핑 영역은 상기 반도체 기판의 표면으로부터 0.5 마이크로미터 이상의 깊이에 위치하는 광 감지 소자.
  7. 반도체 기판에 형성된 가시광선용 포토 다이오드를 포함하는 광 감지 소자에 있어서,
    상기 가시광선용 포토 다이오드의 PN 접합보다 깊게 위치한 PN 접합을 가지며, 상기 반도체 기판에 형성된 적외선용 포토 다이오드를 더 포함하는 것을 특징 으로 하는 광 감지 소자.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 가시광선용 포토 다이오드는 컬러를 감지하기 위하여 제1 내지 제3 포토 다이오드들을 포함하는 광 감지 소자.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 제1 포토 다이오드는 적색용 포토 다이오드이고, 상기 제2 포토 다이오드는 녹색용 포토 다이오드이고, 상기 제3 포토 다이오드는 청색용 포토 다이오드인 광 감지 소자.
  10. 제7 항에 있어서,
    상기 가시광선용 포토 다이오드는 흑백만을 감지하는 포토 다이오드인 광 감지 소자.
  11. 제7 내지 제10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적외선용 포토 다이오드는 상기 가시광선용 포토 다이오드의 아래에 위치하는 광 감지 소자.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 적외선용 포토 다이오드의 PN 접합은 상기 반도체 기판의 표면으로부터 0.5 마이크로미터 이상의 깊이에 형성된 광 감지 소자.
  13. 제11 항에 있어서,
    상기 반도체 기판은 에피택셜 층이 성장되기 이전의 원래의 반도체 기판과 상기 원래의 반도체 기판 위에 성장된 에피택셜 층을 포함하는 광 감지 소자.
  14. 제11 항에 있어서,
    상기 가시광선용 포토 다이오드 및 상기 적외선용 포토 다이오드에는 역방향 바이어스가 인가되는 광 감지 소자.
  15. (a) 제1 도전형으로 도핑된 반도체 기판에 제1 도전형의 반대인 제2 도전형으로 도핑된 적외선 감지를 위한 도핑 영역을 형성하는 단계;
    (b) 상기 (a) 단계 이후에 수행되며, 상기 반도체 기판에 상기 제1 도전형으로 도핑된 에피택셜 층을 성장시키는 단계; 및
    (c) 상기 (b) 단계 이후에 수행되며, 상기 제2 도전형으로 도핑된 제1 내지 제3 색 감지를 위한 도핑 영역들을 형성하는 단계를 포함하며,
    상기 제1 내지 제3 색 감지를 위한 도핑 영역들 중 적어도 어느 하나는 상기 적외선 감지를 위한 도핑 영역의 위에 형성된 광 감지 소자의 제조 방법.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 제1 색은 적색이고, 상기 제2 색은 녹색이고, 상기 제3 색은 청색인 광 감지 소자의 제조 방법.
  17. 제15 항에 있어서,
    (d) 상기 (b) 단계와 상기 (c) 단계 사이에 수행되며, 상기 적외선 감지를 위한 도핑 영역과 전기적으로 접속되도록 상기 적외선 감지를 위한 도핑 영역과 에피택셜 층의 표면 사이에 형성되며, 상기 제2 도전형으로 도핑된 도핑 영역을 형성하는 단계를 더 포함하는 광 감지 소자의 제조 방법.
  18. 제15 내지 제17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 내지 제3 색 감지를 위한 도핑 영역들은 상기 적외선 감지를 위한 도핑 영역의 위에 형성된 광 감지 소자의 제조 방법.
  19. 제18 항에 있어서,
    상기 적외선 감지를 위한 도핑 영역은 상기 에피택셜 층의 표면으로부터 0.5 마이크로 미터 이상의 깊이를 가지는 광 감지 소자의 제조 방법.
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