WO2011115369A2 - 배면광 적외선 이미지 센서 - Google Patents

배면광 적외선 이미지 센서 Download PDF

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이병수
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(주)실리콘화일
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Definitions

  • the present invention relates to an image sensor, and more particularly, to an image sensor having a back light photodiode structure that collects light from the back surface of a wafer, bulk silicon is deposited on the photodiode to block light in a short wavelength band. It relates to an infrared image sensor characterized in that it comprises.
  • an image sensor is obtained by forming an optical filter that transmits light of a specific band on a plurality of photodiodes.
  • Specific bands of light transmitted by a specific band such as red, green, or blue optical filters, are exposed to a photodiode to emit a specific band of light.
  • a method of measuring the intensity of light in a band is used.
  • the infrared image sensor uses light in a non-visible light band, and when silicon (Si) is used as the photosensitive device, the wavelength band is about 600 nm to 1100 nm.
  • Infrared bands are widely used in bio-applications because they exhibit characteristic absorption lines in organic matter, etc., or strongly reflect from plants.
  • the infrared band is a band that cannot be recognized by humans, it is generally used for night surveillance, fingerprint recognition, and iris recognition.
  • ⁇ is an absorption coefficient, and is a value related to the wavelength of light incident on the material used for photosensitization. 1 / ⁇ is called penetration depth and has a dimension of length unit [m].
  • an infrared image sensor using silicon (Si) as a photosensitive device
  • Si silicon
  • infrared photodiodes are typically fabricated deep into the surface.
  • FIG. 1 illustrates the structure of a conventional front light image sensor.
  • the conventional front light image sensor 100 includes a microlens 110, an optical filter 120, an interconnection layer 130 on which an oxide and a metal layer are formed, and a plurality of photos.
  • An epitaxial silicon layer 140 including epitaxial silicon including diodes 141 and 142 and a bulk silicon layer 150 formed of bulk silicon are provided.
  • the conventional front light image sensor 100 uses an ordinary front-side illumination (“FSI”) method, whereby oxide and metal formed on the wiring forming layer 130 are formed.
  • FSI front-side illumination
  • Light reflection decreases due to internal reflection caused by the layer, or the distance between the surface of the wiring forming layer 130 and the photodiode 141 is too long to allow light from adjacent pixels to cross talk. There was a problem that the phenomenon occurs.
  • the back-side illumination (BSI) method that is, the same process as the conventional front light image sensor (FSI) image sensor has recently been used.
  • a back light (BSI) image sensor using a method of inverting a wafer processed at the end and collecting light is often used.
  • FIG. 2 illustrates a structure of a back light image sensor using a conventional SOI wafer.
  • a back light image sensor 200 using a conventional SOI wafer includes a micro lens 210, an optical filter 220, an oxide layer 245, and a plurality of photodiodes 241 and 242. And an epi-silicon layer 240 including epitaxial silicon including an epitaxial silicon and a wiring forming layer 230 forming an oxide and a metal layer.
  • the back light (BSI) image sensor has a light sensitivity due to internal reflection because the wiring forming layer 230 is disposed on the lower surface of the plurality of photodiodes 241 and 242, unlike the conventional front light (FSI) image sensor. Problems such as loss of light sensitivity and cross talk were solved.
  • FIG 3 illustrates a process of removing a bulk silicon layer by a CMP process using a conventional SOI wafer.
  • the most difficult technique is the bulk silicon layer 243 to improve the sensing efficiency of the image sensor formed on the bulk silicon layer 243. It is a technique to effectively remove.
  • an SOI wafer refers to a wafer including a bulk silicon layer 243, a silicon oxide layer 245, and an epi-Silicon layer 240, and the prior art refers to Chemical Mechanical Polarization,
  • the silicon oxide layer 245 is used as an etch stop layer in removing the bulk silicon layer 243 by a CMP " process to prevent the bulk silicon layer 243 from remaining. .
  • the present invention has been made in an effort to provide a back light infrared image sensor including an infrared sensing photodiode not only using an expensive SOI wafer but also using a separate optical filter.
  • a back light infrared image sensor includes a bulk silicon layer formed of bulk silicon, and epitaxial silicon including a plurality of photodiodes under the bulk silicon layer.
  • a micro lens 410 may be formed on the bulk silicon layer 443 in order to more effectively focus the light emitted from the light source.
  • the present invention uses a low-cost general wafer instead of a high-cost SOI wafer without using a separate IR pass filter, and thus provides a low-cost back light infrared image sensor having a simple configuration. There is an advantage that can be produced.
  • FIG. 1 illustrates the structure of a conventional front light image sensor.
  • FIG. 2 illustrates a structure of a back light image sensor using a conventional SOI wafer.
  • FIG 3 illustrates a process of removing a bulk silicon layer by a CMP process using a conventional SOI wafer.
  • FIG 4 shows the structure of a back light infrared image sensor using the bulk silicon of the present invention.
  • Figure 5 illustrates the relationship between depth and light intensity within the silicon of the present invention.
  • Fig. 6 shows the relationship between depth and photocharge generation rate within the silicon of the present invention.
  • FIG 4 shows the structure of a back light infrared image sensor using the bulk silicon of the present invention.
  • the back light infrared image sensor 400 using the bulk silicon of the present invention has a microlens 410 and a doping concentration of 10 21 / cc to 10 16 / cc on the lower surface of the microlens 410.
  • the micro lens 410 may not be formed as necessary.
  • IR band filters may be formed under the micro lens 410 to separate the spectrum in the IR band, and in this case, the micro lens 410 may be omitted.
  • a portion of the episilicon layer 440 includes a plurality of photodiodes 441 and 442, and each of the plurality of photodiodes 441 and 442 senses light in an infrared wavelength band. do.
  • Figure 5 illustrates the relationship between depth and light intensity within the silicon of the present invention.
  • the light intensity I for the red wavelength (600 nm) and the infrared wavelength (950 nm) of the visible light band decreases exponentially with depth (depth, x) and decreases. The degree can be seen that the light intensity I for the red wavelength (600 nm) is greater than the light intensity I for the infrared wavelength (950 nm).
  • Equation 1 shows the relationship between the depth (x) and the light intensity (I) according to the wavelength.
  • I 0 represents the light intensity on the silicon surface
  • ⁇ ( ⁇ ) means an absorption coefficient depending on the wavelength
  • Fig. 6 shows the relationship between depth and photocharge generation rate within the silicon of the present invention.
  • the light charge generation rate (g) for the red wavelength (600 nm) and the infrared wavelength (950 nm) of the visible light band is exponentially dependent on the depth (x) inside the silicon. It can be seen that the photocharge generation rate (g) for the red wavelength (600 nm) decreases at a faster rate than the photocharge generation rate (g) for the infrared wavelength (950 nm).
  • Equation 2 shows the relationship between the depth (x) and the optical charge generation rate (g) according to the wavelength.
  • ⁇ ( ⁇ ) means an absorption coefficient depending on the wavelength.
  • Conditions for the bulk silicon layer 443 to function as a long-wave band transmission filter should absorb the light in the short-wave band to the maximum and the light in the long-wave band to the minimum.
  • the optimal condition for satisfying the above conditions is the point where the photocharge generation rate (g) of the band where the bulk silicon thickness (t bulk ) is to be cut and the photocharge generation rate (g) of the band to pass ( Obtained in C), the bulk silicon thickness (t bulk ) is defined as optimal filtering thickness (L op ).
  • Equation 3 shows a relationship between an optimal filtering thickness (L op ) and an absorption coefficient according to a wavelength.
  • ⁇ ( ⁇ 1 ) represents an absorption coefficient when the short wavelength ⁇ 1 is 600 nm
  • ⁇ ( ⁇ 2 ) represents an absorption coefficient when the long wavelength ⁇ 2 is 950 nm.
  • Table 1 shows the sensitivity ratio of light to short wavelength 600 nm and long wavelength 950 nm according to the thickness (t bulk ) of the bulk silicon of the present invention, respectively.
  • the epitaxial silicon thickness (t epi ) increases from 5um to 30um, the light sensitivity ratio for 600nm has a small value, but the light sensitivity ratio for the infrared band of 950nm is large. It can be seen that having.
  • the bulk silicon thickness (t bulk ) is 16um
  • the epitaxial silicon thickness (t epi ) increases to 5um, 20um, and 30um, respectively
  • the sensitivity ratio of light to 600nm is 3.5% and 4.1, respectively.
  • the ratio of light sensitivity in the infrared band of 950 nm increases to 8.1%, 28% and 38%, respectively.
  • the optimal thickness of the bulk silicon (t bulk ) and the optimal thickness of the epi silicon (t epi ) are selected, the epi silicon on which the photodiode is formed is removed without using an IR pass filter. This suggests that it is possible to implement an infrared image sensor that sufficiently detects light in the 950nm infrared band.
  • the optimum bulk silicon thickness (t bulk ) used in the present invention is in the range of 5um to 50um, and the thicker the episilicon, the higher the infrared sensitivity, but the thicker the episilicon, the adjacent pixels. Since cross talk, which is mixed with the signal, increases, the thickness of the epi silicon, which has low cross talk and can improve sensitivity, is most suitably in the range of 3 ⁇ m to 30 ⁇ m.

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Abstract

본 발명에 따른 배면광 적외선 이미지 센서는, 벌크 실리콘(bulk silicon) 으로 형성된 벌크 실리콘층, 상기 벌크 실리콘 층의 하부에 복수의 포토 다이오드를 포함하는 에피택셜 실리콘(epitaxial silicon)이 형성된 에피 실리콘층 및 상기 에피 실리콘층의 하부에 산화물(Oxide) 및 금속(metal) 층이 형성되는 배선 형성층을 구비하되, 상기 벌크 실리콘 층의 두께(tbulk )를 조절함으로써 특정 대역의 빛을 통과(pass) 시키는 것을 특징으로 한다.

Description

배면광 적외선 이미지 센서
본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 웨이퍼의 배면으로부터 광 수집을 하는 배면광 포토다이오드 구조를 갖는 이미지 센서에서 단파장 대역의 빛을 차단하기 위하여 포토다이오드 상부에 벌크 실리콘(bulk silicon)을 구비하는 것을 특징으로 하는 적외선용 이미지센서에 관한 것이다.
일반적으로 이미지센서는 복수 개의 포토다이오드(photo diode) 상부에 특정 대역(band)의 빛을 투과시키는 광학 필터(optical filter)를 형성하여 얻어진다.
특정 대역(band), 이를 테면 붉은색(red), 녹색(green), 파란색(blue)의 광학 필터에 의해서 투과된 특정 대역(band)의 빛은 포토다이오드에 감광됨으로써 특정 위치에서 방사되는 특정한 대역(band)의 빛의 세기를 측정하는 방식을 사용한다.
대다수의 이미지 센서는 실리콘(Si)을 사용하여 얻어지며, 이 경우 감광되는 빛의 파장 대역(band)은 400nm 내지 1100nm 이다.
적외선 이미지 센서는 비 가시광 대역의 빛을 사용하며, 감광소자로 실리콘(Si)을 사용하는 경우 파장 대역(band)은 600nm 내지 1100nm 정도이다.
적외선 대역은 생명체를 구성하는 유기물 등에서 특성 흡수선을 보이거나, 식물에서 강하게 반사되는 특징을 가지므로 바이오 응용에 많이 사용된다. 또한 적외선 대역은 사람이 인지할 수 없는 대역이므로 보다 일반적으로 야간 감시, 지문인식, 홍체 인식 등에 사용되고 있다.
일반적으로 빛이 반도체에 입사하는 경우, 반도체 내에서는 전자-정공 쌍(electron-hole pair) 이 발생하며, 이에 따라 빛의 세기는 점차 감소하게 된다.
이 경우, 반도체 표면에서의 빛의 세기를 1이라 하면 반도체 표면에서 깊이가 x인 곳에서의 빛의 세기는 exp(-α/x)와 같이 지수 함수적으로 감소한다. 여기에서 α는 흡수 계수(absorption coefficient) 이며, 감광에 사용되는 물질과 입사하는 빛의 파장에 관계되는 값이다. 1/α는 침투 깊이(penetration depth)라 하며 길이 단위[m]의 차원(dimension)을 갖는다.
일반적으로 실리콘(Si)을 감광소자로 사용하여 적외선 이미지센서를 구성하는 경우, 적외선 대역에서의 빛의 감도를 결정하는 것은 포토다이오드의 구조이며, 적외선 대역에서 빛의 침투 깊이(penetration depth)는 가시광 대역보다 훨씬 크게 되어서 일반적으로 적외선 포토다이오드는 표면에서 깊이 들어가는 형태로 제작된다.
도 1은 종래의 전면광 이미지 센서의 구조를 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 종래의 전면광 이미지 센서(100)는 마이크로 렌즈(110), 광학필터(120), 산화물(Oxide) 및 금속(metal) 층이 형성되는 배선 형성층(130), 복수의 포토다이오드(141, 142)를 포함하는 에피택셜 실리콘(epitaxial silicon)이 형성된 에피 실리콘층(140) 및 벌크 실리콘(bulk silicon)으로 형성된 벌크 실리콘 층(150)을 구비한다.
하지만, 종래의 전면광 이미지 센서(100)는 보통의 전면광(Front-side illumination, 이하 "FSI" 라 함) 방식을 사용함으로써, 배선 형성층(130)에 형성된 산화물(Oxide) 및 금속(metal) 층에 의하여 내부 반사가 일어나서 광 감도(light sensitivity)가 떨어지거나, 배선 형성층(130)의 표면과 포토다이오드(141) 사이의 거리가 멀어서 인접한 픽셀(pixel)의 빛이 들어오는 크로스토크(cross talk) 현상들이 발생하는 문제점이 있었다.
상기 종래의 전면광 이미지 센서(100)가 갖는 문제점을 개선하기 위하여 최근에는 배면광(Back-side illumination, 이하 "BSI" 라 함) 방식, 즉 종래의 전면광(FSI) 이미지 센서와 동일 공정을 거친 후, 마지막에 공정 진행된 웨이퍼(Wafer)를 반대로 뒤집은 뒤 광(light) 수집을 하는 방식을 사용하는 배면광(BSI) 이미지 센서를 많이 사용한다.
도 2는 종래의 SOI 웨이퍼를 사용한 배면광 이미지 센서의 구조를 도시한 것이다.
도 2를 참조하면, 종래의 SOI 웨이퍼를 사용한 배면광 이미지 센서(200)는 마이크로 렌즈(210), 광학필터(220), 산화물(Oxide) 층(245), 복수의 포토다이오드(241, 242)를 포함하는 에피택셜 실리콘(epitaxial silicon)이 형성된 에피 실리콘(epi-Silicon) 층(240) 및 산화물(Oxide) 및 금속(metal) 층을 형성하는 배선 형성층(230)을 포함한다.
배면광(BSI) 이미지 센서는 종래의 전면광(FSI) 이미지 센서가 배치된 구성과 달리 배선 형성층(230)이 복수의 포토 다이오드(241, 242)의 하부면에 배치함으로 내부 반사로 인한 광 감도(light sensitivity) 손실 및 크로스 토크(cross talk) 현상 등의 문제점을 해결 할 수 있었다.
도 3은 종래의 SOI 웨이퍼를 사용하여 벌크 실리콘 층을 CMP 공정에 의해 제거하는 과정을 도시한 것이다.
도 3을 참조하면, 종래의 배면광(BSI) 이미지 센서의 제조 과정에 있어서 가장 난이도가 높은 기술은 벌크 실리콘 층(243) 상에 형성된 이미지 센서의 감지 효율을 향상시키기 위해 벌크 실리콘 층(243)을 효과적으로 제거하는 기술이다.
이는 만일, 벌크 실리콘 층(243)이 존재 할 경우 복수의 포토다이오드(241, 242)가 빛을 감지하는 감도는 지수함수 형태로 감소하며, 또한 잔류하는 벌크 실리콘 층(243)의 두께가 상이할 경우 이미지센서의 균일도를 보장할 수 없는 문제가 발생한다.
따라서 종래에는 상기 문제를 해결하는 하나의 방편으로 SOI(Silicon On Insulator) 웨이퍼를 사용하여 벌크실리콘 층(243)을 효과적으로 제거하는 기술을 사용 하였다.
이를 부연 설명하면, SOI 웨이퍼는 벌크 실리콘 층(243), 실리콘 산화물 층(245) 및 epi-Silicon 층(240)이 포함된 웨이퍼를 지칭하는데, 종래 기술은 화학적 기계적 평탄화(Chemical Mechanical Polarization, 이하 "CMP" 라 함) 공정에 의해 벌크 실리콘 층(243)을 제거하는데 있어서 상기 실리콘 산화물 층(245)을 식각 정지 층(etch stop layer)으로 사용하여 벌크 실리콘 층(243)이 잔류하는 것을 방지하도록 하였다.
하지만, 종래 기술은 사용되는 SOI 웨이퍼가 고가(high cost)이므로 이를 통상의 이미지 센서 제작 과정에 사용하기에는 비용적인 부담이 있었고, 이로 인해 일반적으로 고화소 이미지센서 등 특수한 용도의 제한된 범위 내에서 사용해야 하는 문제점이 있었다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 고가의 SOI 웨이퍼를 사용하지 않을 뿐 아니라 별도의 광학 필터를 사용하지 않는 적외선 감지 포토다이오드를 포함하는 배면광 적외선 이미지센서를 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 배면광 적외선 이미지 센서 는, 벌크 실리콘(bulk silicon) 으로 형성된 벌크 실리콘층, 상기 벌크 실리콘 층의 하부에 복수의 포토 다이오드를 포함하는 에피택셜 실리콘(epitaxial silicon)이 형성된 에피 실리콘층 및 상기 에피 실리콘층의 하부에 산화물(Oxide) 및 금속(metal) 층이 형성되는 배선 형성층을 구비하되, 상기 벌크 실리콘 층의 두께(tbulk )를 조절함으로써 특정 대역의 빛을 통과(pass) 시키는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 배면광 적외선 이미지 센서는, 광원으로부터 방사된 빛을 보다 효과적으로 집속하기 위하여 마이크로 렌즈(410)가 벌크 실리콘 층(443)의 상부에 형성될 수 있다.
본 발명은 별도의 적외선 투과 필터(IR pass filter)를 사용하지 않고, 고가(high cost)의 SOI 웨이퍼 대신 저가(low cost)의 일반적인 웨이퍼를 사용함으로 간단한 구성을 갖는 저가의 배면광 적외선 이미지센서를 제작할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래의 전면광 이미지 센서의 구조를 도시한 것이다.
도 2는 종래의 SOI 웨이퍼를 사용한 배면광 이미지 센서의 구조를 도시한 것이다.
도 3은 종래의 SOI 웨이퍼를 사용하여 벌크 실리콘 층을 CMP 공정에 의해 제거하는 과정을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 벌크 실리콘을 사용한 배면광 적외선 이미지 센서의 구조를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 실리콘 내부에서의 깊이와 광 강도의 관계를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 실리콘 내부에서의 깊이와 광전하 생성율의 관계를 도시한 것이다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시 예를 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
도 4는 본 발명의 벌크 실리콘을 사용한 배면광 적외선 이미지 센서의 구조를 도시한 것이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 벌크 실리콘을 사용한 배면광 적외선 이미지 센서(400)는 마이크로 렌즈(410), 상기 마이크로 렌즈(410)의 하부면에 도핑 농도가 1021/cc 내지 1016/cc 정도인 고농도의 벌크 실리콘(bulk silicon)으로 형성된 벌크 실리콘 층(443), 상기 벌크 실리콘 층(443)의 하부면에 1016/cc 이하의 저농도의 에피택셜 실리콘(epitaxial silicon)이 형성된 에피 실리콘 층(440) 및 상기 에피 실리콘 층(440) 하부 면에 산화물(Oxide) 및 금속(metal) 층이 형성되는 배선 형성층(430)을 구비한다.
본 발명은 필요에 따라 마이크로 렌즈(410)는 형성되지 않을 수 있다. 또한 IR 대역에서의 스펙트럼(spectrum)의 분리를 위한 용도로 마이크로 렌즈(410)의 하부에 IR 대역 필터들이 형성될 수 있으며, 이 경우에도 마이크로 렌즈(410)는 생략될 수 있다.
상기 에피 실리콘 층(440)의 일부 영역은 복수 개의 포토다이오드(441, 442)를 포함하며, 상기 복수 개의 포토다이오드(441, 442) 각각은 적외선(Infrared) 파장 대역(band) 에서의 빛을 감지한다.
도 5는 본 발명의 실리콘 내부에서의 깊이와 광 강도의 관계를 도시한 것이다.
도 5를 참조하면, 가시광선 대역의 붉은색 파장(600nm) 및 적외선 파장(950nm)에 대한 광 강도(light intensity, I)는 깊이(depth, x)에 따라 지수 함수적으로 감소하며, 감소하는 정도는 붉은색 파장(600nm)에 대한 광 강도(I)가 적외선 파장(950nm)에 대한 광 강도(I) 보다 큼을 알 수 있다.
즉 파장이 큰 빛은 실리콘 내부의 깊은 곳까지 도달하지만, 파장이 짧은 빛은 실리콘 내부의 깊은 곳까지 도달하지 못함을 알 수 있다.
하기 [수학식1]은 파장에 따른 깊이(x)와 광 강도(I)의 관계를 나타낸 것이다.
수학식 1
Figure PCTKR2011000996-appb-M000001
여기서, I0는 실리콘 표면에서의 광 강도를 나타내며, α(λ)는 파장(wavelength)에 의존하는 흡수 계수(absorption coefficient)를 의미한다.
도 6은 본 발명의 실리콘 내부에서의 깊이와 광전하 생성율의 관계를 도시한 것이다.
도 6을 참조하면, 가시광선 대역의 붉은색 파장(600nm) 및 적외선 파장(950nm)에 대한 광 전하 생성율(light charge generation rate, g)은 실리콘 내부에서의 깊이(x)에 따라 지수 함수적으로 감소하며, 붉은색 파장(600nm)에 대한 광 전하 생성율(g)은 적외선 파장(950nm)에 대한 광 전하 생성율(g) 보다 더 빠른 비율로 감소함을 알 수 있다.
하기 [수학식2]는 파장에 따른 깊이(x)와 광 전하 생성율(g)의 관계를 나타낸 것이다.
수학식 2
Figure PCTKR2011000996-appb-M000002
여기서, α(λ)는 파장에 의존하는 흡수 계수(absorption coefficient)를 의미한다.
이하 도 6을 참조하여, 본 발명의 벌크 실리콘이 광학 필터(optical filter)의 기능을 하기 위한 조건에 대하여 설명한다.
벌크 실리콘(bulk silicon) 층(443)이 장파 대역의 투과 필터의 기능을 수행하기 위한 조건은 벌크 실리콘 영역에서 단파 대역의 빛은 최대로 흡수하고, 장파 대역의 빛은 최소로 흡수해야 한다.
상기 조건을 만족시키는 최적의 조건은 벌크 실리콘의 두께(tbulk )가 컷(cut)할 대역의 광전하 생성율(g)과 패스(pass) 할 대역의 광전하 생성율(g)이 일치하는 지점(C)에서 얻어지며, 이때 벌크 실리콘의 두께(tbulk )를 최적 필터링 두께(optimal filtering thickness, Lop )라 정의한다.
하기 [수학식 3]은 최적 필터링 두께(optimal filtering thickness, Lop )와 파장에 따른 흡수 계수(absorption coefficient)와의 관계를 나타낸 것이다.
수학식 3
Figure PCTKR2011000996-appb-M000003
여기서, α(λ1)는 단 파장(λ1)이 600nm일 경우의 흡수 계수(absorption coefficient)를 나타내며, α(λ2)는 장 파장(λ2)이 950nm일 경우의 흡수 계수(absorption coefficient)를 의미한다.
하기 [표1]은 본 발명의 벌크 실리콘의 두께(tbulk )에 따른 단파장 600nm와 장파장 950nm에 대한 빛의 감도(sensitivity) 비율을 각각 나타낸 것이다.
표 1
Bulk Silioon Thickness (tbulk ) Effective Sensitivity (Infinite PD) Effective Sensitivity (5um Epi) Effective Sensitivity (20um Epi) Effective Sensitivity (30um Epi)
600nm 950nm 600nm 950nm 600nm 950nm 600nm 950nm
0um 100% 100% 63% 5% 98% 18% 100% 26%
1um 82% 99% 71% 9.4% 82% 32% 82% 45%
10um 14% 90.5% 12% 8.6% 14% 30% 14% 41%
16um 4.1% 85% 3.5% 8.1% 4.1% 28% 4.1% 38%
20um 1.8% 82% 1.6% 7.8% 1.8% 27% 1.8% 37%
30um 0.3% 74% 0.2% 7% 0.25% 24% 0.25% 33%
[표1]을 참조하면, 단파장 600nm와 장파장 950nm에 대한 빛의 감도(sensitivity) 비율은 벌크 실리콘의 두께(tbulk )를 0 um(표면) 내지 30um(depth, x) 까지 변화시킬 경우 앞에서 설명한 [도5], [도6]의 지수함수로 감소하는 분포를 형성한다.
또한, 에피 실리콘의 두께(tepi)가 5um 내지 30um 으로 증가함에 따라 600nm에 대한 빛의 감도(sensitivity) 비율은 작은 값을 갖지만, 950nm의 적외선 대역에 대한 빛의 감도(sensitivity) 비율은 큰 값을 갖는 것을 알 수 있다.
이를 테면, 벌크 실리콘의 두께(tbulk )가 16um 일 경우 에피 실리콘의 두께(tepi)가 5um, 20um, 30um 로 각각 증가할 경우 600nm에 대한 빛의 감도(sensitivity) 비율은 각각 3.5%, 4.1%, 4.1%의 작은 값을 갖지만, 950nm의 적외선 대역에 대한 빛의 감도(sensitivity) 비율은 각각 8.1%, 28%, 38% 로 증가하는 비율이 커짐을 알 수 있다.
상기 결과는 최적의 벌크 실리콘의 두께(tbulk ) 및 최적의 에피 실리콘의 두께(tepi)를 선택하면, 별도의 적외선 투과 필터(IR pass filter)를 사용하지 않고, 포토다이오드가 형성된 에피 실리콘에서 950nm의 적외선 대역에 대한 빛을 충분히 감지하는 적외선 이미지 센서를 구현할 수 있음을 시사한다.
상기 실험 결과를 토대로 본 발명에서 사용한 최적의 벌크 실리콘의 두께(tbulk )는 5um 내지 50um의 범위에 있으며, 에피 실리콘의 두께는 두꺼울수록 적외선 감도는 향상되나, 에피 실리콘의 두께가 두꺼워지면 인접한 픽셀과 신호가 섞이게 되는 크로스 토크(cross talk)가 증가하므로, 크로스 토크(cross talk)가 적으며 감도를 향상시킬 수 있는 에피 실리콘의 두께는 3um 내지 30um의 범위에 있는 것이 가장 적당하다.
이상에서는 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 이라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims (9)

  1. 배면광 적외선 이미지 센서에 있어서,
    벌크 실리콘(bulk silicon) 으로 형성된 벌크 실리콘층;
    상기 벌크 실리콘 층의 하부에 복수의 포토 다이오드를 포함하는 에피택셜 실리콘(epitaxial silicon)이 형성된 에피 실리콘층; 및
    상기 에피 실리콘층의 하부에 산화물(Oxide) 및 금속(metal) 층이 형성되는 배선 형성층을 구비하되,
    상기 벌크 실리콘 층의 두께(tbulk )를 조절함으로써 특정 대역의 빛을 통과시키는 것을 특징으로 하는 배면광 적외선 이미지 센서.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 벌크 실리콘 층의 두께(tbulk )는,
    5um 내지 50um 인 것을 특징으로 하는 배면광 적외선 이미지 센서.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 에피 실리콘층의 두께는,
    3um 내지 30um인 것을 특징으로 하는 배면광 적외선 이미지 센서.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 벌크 실리콘 층은,
    두께 조절에 의해 단파 대역(band)의 빛은 최대로 흡수하고, 장파 대역(band)의 빛은 최소로 흡수하는 광학필터의 역할을 하는 것을 특징으로 하는 배면광 적외선 이미지 센서.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 장파 대역(band)은,
    적외선 대역의 파장인 것을 특징으로 하는 배면광 적외선 이미지 센서.
  6. 제 4항에 있어서, 상기 벌크 실리콘 층의 최적 필터링 두께(optimal filtering thickness, Lop )는,
    상기 벌크 실리콘층의 두께가 컷(cut) 할 대역의 광전하 생성율(g)과 패스(pass) 할 대역의 광전하 생성율(g)이 일치되는 지점의 두께로 결정되는 것을 특징으로 하는 배면광 적외선 이미지 센서.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 최적 필터링 두께(optimal filtering thickness, Lop )는,
    α(λ1) 및 α(λ2)이 각각 단 파장(λ1) 및 장 파장(λ2)에 대한 흡수 계수(absorption coefficient)로 정의될 경우,
    Figure PCTKR2011000996-appb-I000001
    수학식에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 배면광 적외선 이미지 센서.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 단 파장(λ1) 및 상기 장 파장(λ2)은 각각 600nm 및 950nm의 파장을 갖는 것을 특징으로 하는 배면광 적외선 이미지 센서.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 벌크 실리콘 층의 상부에 광원으로부터 방사된 빛을 보다 효과적으로 집속하기 위하여 마이크로 렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배면광 적외선 이미지 센서.
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