KR100718875B1 - 이미지 센서용 포토다이오드의 제조 방법 및 그 포토다이오드 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 실리콘 기반의 소자에 비하여 감도를 획기적으로 향상시키고 소형화에 유리한 이미지 센서용 포토다이오드의 제조 방법 및 그 포토다이오드가 개시된다.
본 발명에 따른 이미지 센서용 포토다이오드는 (a)실리콘 기판상에 포토 레지스트를 코팅하는 단계와, (b)감광 및 식각을 통하여 실리콘 기판상에 소정 깊이의 홈을 형성하는 단계, (c)상기 (b)단계에서 형성된 홈에 빛 흡수층을 형성하는 단계, 및 (d)상기 (c)단계에서 형성된 빛 흡수층을 결정성장하는 단계;를 포함하고 상기 실리콘 기판과 상기 빛 흡수층의 접합은 이종접합으로 이루어지며, 상기 빛흡수층은 게르마늄(Ge), 갈륨비소(GaAs), 인화인듐(InP), 비소화알루미늄갈륨(Al0.33Ga0.67As), 카드뮴델러라이드(CdTe), 카퍼인듐셀러라이드(CuInSe2) 또는 카퍼인듐갈륨셀러라이드(CuInGaSe2) 중에서 선택된 것인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 이미지 센서용 포토다이오드 제조 방법에 따르면, 실리콘 기판상에 빛 흡수층을 형성시키는데, 게르마늄이 빛 흡수율이 높기 때문에 얇은 빛 흡수층으로도 실리콘 기반의 이미지 센서에 비하여 우수한 광 강도 감지 특성을 가지므로 실리콘을 사용한 이미지 센서에 비해 얇은 두께의 빛 흡수층을 사용하여 충분히 빛을 흡수 할 수 있으며, 작은 크기의 이미지 센서를 제조하는 것이 가능하게 된다.
게르마늄, 이미지 센서, 포토 센서, 감도
Description
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 이미지 센서용 포토다이오드의 제조 방법을 나타낸 흐름도,
도 2a 내지 도 2e는 도 1의 제조 방법에 따라 제조되는 공정을 설명하기 위한 단면도,
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 이미지 센서용 포토다이오드의 제조 방법을 나타낸 흐름도, 및
도 4a 내지 도 4c는 도 3의 제조 방법에 따라 제조되는 공정을 설명하기 위한 단면도.
본 발명은 이미지 센서용 포토다이오드에 관한 것으로, 더 상세하게는 Si 기반의 소자에 비하여 감도를 획기적으로 향상시키고 소형화에 유리한 이미지 센서용 포토다이오드에 관한 것이다.
이미지 센서는 빛의 강도를 측정하는데 사용되는 소자인데, 일반적으로 이러한 이 미지 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 깊고, 이러한 깊은 침투 깊이는 포토센서의 영역이 깊어지는 원인이 되어 크로스토크를 발생하기 되는 문제점이 있다. 또한 실리콘 반도체의 약한 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 이미지 센서용 포토다이오드를 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 일측면에 따른 이미지 센서용 포토다이오드의 제조 방법은 광을 받아들여 그 광의 강도를 측정하는데 사용되는 이미지 센서의 제조 방법에 있어서,
(a)실리콘 기판상에 포토 레지스트를 코팅하는 단계; (b)감광 및 식각을 통하여 실리콘 기판상에 소정 깊이의 홈을 형성하는 단계; (c)상기 (b)단계에서 형성된 홈에 빛 흡수층을 형성하는 단계; 및 (d)상기 (c)단계에서 형성된 빛 흡수층을 결정성장하는 단계;를 포함하고 상기 실리콘 기판과 상기 빛 흡수층의 접합은 이종접합으로 이루어지며, 상기 빛흡수층은 게르마늄(Ge), 갈륨비소(GaAs), 인화인듐(InP), 비소화알루미늄갈륨(Al0.33Ga0.67As), 카드뮴델러라이드(CdTe), 카퍼인듐셀러라이드(CuInSe2) 또는 카퍼인듐갈륨셀러라이드(CuInGaSe2) 중에서 선택된 것인 것을 특징으로 한다.
삭제
또한, 상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 이미지 센서용 포토다이오드의 제조 방법은 광을 받아들여 그 광의 강도를 측정하는데 사용되는 이미지 센서의 제조 방법에 있어서,
(a)제1 도전형 실리콘 기판상에 제2 도전형 빛 흡수층을 형성하는 단계; (b)상기 (a)단계에서 형성된 빛 흡수층 위에 포토 레지스트를 코팅하는 단계; (c)감광 및 패턴을 형성하는 단계; 및 (d)상기 (c)단계에서 패턴에서 노출된 빛 흡수층을 제거하는 단계; 및 (e)상기 (d)단계에서 형성된 빛 흡수층을 결정성장하는 단계;를 포함하고 상기 실리콘 기판과 상기 빛 흡수층의 접합은 이종접합으로 이루어지며, 상기 빛 흡수층은 게르마늄(Ge), 갈륨비소(GaAs), 인화인듐(InP), 비소화알루미늄갈륨(Al0.33Ga0.67As), 카드뮴델러라이드(CdTe), 카퍼인듐셀러라이드(CuInSe2) 또는 카퍼인듐갈륨셀러라이드(CuInGaSe2) 중에서 선택된 것인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 따른 이미지 센서용 포토다이오드는 광을 받아들여 그 광의 강도를 측정하는데 사용되는 이미지 센서에 있어서 소정 깊이의 홈이 형성된 실리콘 기판; 및 상기 홈에 형성된 게르마늄층을 결정성장한 빛 흡수층;을 포함하고 상기 실리콘 기판과 상기 빛 흡수층의 접합은 이종접합으로 이루어지며, 상기 빛 흡수층은 게르마늄(Ge), 갈륨비소(GaAs), 인화인듐(InP), 비소화알루미늄갈륨(Al0.33Ga0.67As), 카드뮴델러라이드(CdTe), 카퍼인듐셀러라이드(CuInSe2) 또는 카퍼인듐갈륨셀러라이드(CuInGaSe2) 중에서 선택된 것인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 이미지 센서는 상기 실리콘 기판과 빛 흡수층 상에는 에피텍셜 성장되어 형성된 실리콘층; 및 상기 실리콘층상에 형성된 절연막층;을 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 따른 이미지 센서용 포토다이오드는 광을 받아들여 그 광의 강도를 측정하는데 사용되는 이미지 센서에 있어서, 실리콘 기판; 및 상기 실리콘 기판상에 결정성장된 빛 흡수층;을 포함하고 상기 실리콘 기판과 상기 빛 흡수층의 접합은 이종접합으로 이루어지며, 상기 빛 흡수층은 게르마늄(Ge), 갈륨비소(GaAs), 인화인듐(InP), 비소화알루미늄갈륨(Al0.33Ga0.67As), 카드뮴델러라이드(CdTe), 카퍼인듐셀러라이드(CuInSe2) 또는 카퍼인듐갈륨셀러라이드(CuInGaSe2) 중에서 선택된 것인 것을 특징으로 한다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세히 설명하기로 한다. 또한 빛 흡수층은 게르마늄(Ge)층을 예로 들어서 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 이미지 센서용 포토다이오드의 제조 방법을 나타낸 흐름도이다. 도 2a 내지 도 2e는 도 1의 제조 방법에 따라 제조되는 공정을 설명하기 위한 단면도이다. 도 2a 내지 도 2e는 이하에서 수시로 참조된다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 이미지 센서용 포토다이오드의 제조 방법에서는 먼저, p형 실리콘(이하, Si라 칭함) 기판(20)상에 포토 레지스트(Photo Resist: 이하 PR이라 칭함)를 코팅(단계 S102)하여 PR층(22)을 형성한다. 다음으로, PR층(22)을 감광 및 식각(단계 S104)하여 p형 실리콘 기판상에 홈(21: 도 2b)을 형성하고, 식각된 홈(21)에 n형 게르마늄(이하 Ge라 칭함)층(24: 도 2c)을 형성(단계 S106)하고 PR층을 제거한다.
다음으로, 상기 단계(S106)에서 형성된 n형 게르마늄층을 결정 성장(단계 S108)하고, Si를 에피텍셜 성장(단계 S110)시켜 Si층(26: 도 2d)을 형성하고, SiO2층과 같은 절연막(28: 도 2e) 및 게이트 전극을 형성하는 MOS(Metal Oxide Semiconductor) 공정이 이루어질 수 있다. 위와 같이 제조된 하나의 단위는 p형 실리콘 기판(20)과 n형 게르마늄(24)을 사용하거나 p형 불순물을 실리콘 기판(20)상에 도핑하고 n형 불순물을 게르마늄층(24)에 도핑함으로써 이미지 센서에서 하나의 픽셀을 이루게 됨은 당업자라면 이해될 수 있을 것이다.
한편, 식각에 의하지 않고 실리콘 기판상에 직접 Ge층을 형성한 후 그 Ge층상에 결정성장을 기반으로 Ge를 성장시킬 수도 있을 것이다. 도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 이미지 센서의 제조 방법을 나타낸 흐름도이고, 도 4a 내지 도 4c는 도 3의 제조 방법에 따라 제조되는 공정을 설명하기 위한 단면도이다. 도 4a 내지 도 4c는 이하에서 수시로 참조된다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 이미지 센서용 포토다이오드의 제조 방법에서는 먼저, Si 기판(40)상에 Ge층(44)을 형성하고(단계 S301) 포토 레지스트(Photo Resist: 이하 PR이라 칭함)를 코팅(단계 S302)하여 PR층(42)을 형성한다. 다음으로, PR층(42)에 감광 및 패턴을 형성(단계 S304)하고, 형성된 패턴의 Si 기판상에서 노출된 Ge층(44-1)을 제거(단계 S306)시키고, PR층을 제거(단계 S308)한다. 다음으로, 단계(S306)에서 형성된 Ge층을 결정성장시킨다(단계 S309). 본원 발명의 이미지 센서는 상기 Si 기판(40)상에 결정 성장되어 형성된 Ge층(44)을 구비하는 포토센서를 기반으로 한다는 것이다.
다음으로, Si를 에피텍셜 성장(단계 S310)시켜 Si층(46: 도 4b)을 형성하고, SiO2층과 같은 절연막(48: 도 4c) 및 게이트 전극을 형성하는 MOS(Metal Oxide Semiconductor) 공정(단계 S312)이 이루어질 수 있다. 위와 같이 제조된 하나의 단위는 p형 실리콘 기판(20)과 n형 게르마늄(24)을 사용하거나 p형 불순물을 실리콘 기판(20)상에 도핑하고 n형 불순물을 게르마늄층(24)에 도핑함으로써 이미지 센서 에서 하나의 픽셀을 이루게 됨은 당업자라면 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같이 제조된 이미지 센서용 포토다이오드에서 실리콘 기판상에 식각에 의하여 홈을 형성하고 그 위에 증착 또는 스퍼터링되거나 식각에 의하지 아니하고 결정 성장될 수 있는 게르마늄(이하 Ge이라 칭함)은 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 이미지 센서용 포토다이오드는 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 비하여 우수한 광 강도 감지 특성을 가지므로 격자상수 차에 의해 제한된 두께의 Ge층을 사용하여 충분히 빛을 흡수 할 수 있으며, 작은 크기의 이미지 센서를 제조하 는 것이 가능하게 된다.
또한, Ge의 녹는점은 940˚C 정도로, 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 형성하여도 아무런 문제가 없다.
또한, 상기와 같은 본 발명에 따른 이미지 센서용 포토다이오드의 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, 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.
한편, 실리콘 기판위에 Ge층을 형성하면 Ge은 폴리크리스탈(poly-crystal) 형태가 되는데, 이 상태를 포토다이오드로 사용하면 결정 결함 때문에 빛에 의하여 발생한 전자-정공쌍이 결정결함부분에서 쌍소멸(전자-정공결합)하게 되어 감도가 낮아진다. 따라서 Ge을 결정성장하는 과정이 필요한데, 알려진 바로는 실리콘기판위에 게르마늄(Ge)을 에피성장하면 게르마늄은 3 모노층(Monolayer)이상 성장하지 못한다. 따라서 에피성장이 불가능한데, 본원 발명에서는 게르마늄(Ge)을 녹는점의 온도까지 올려서 단결정인 실리콘(Si)기판이 시드(seed)가되어 게르마늄(Ge)의 결정화가 이루어지는 결정 성장 과정을 포함하는 것에 주목하여야 한다.
도핑에 대하여 보다 상세히 설명하기로 한다. 포토다이오드를 만들기 위해서는 n형 반도체 물질과 p형 반도체 물질의 접합이 필요한데, 포토다이오드가 되기위해서는 Si이 p형 일 경우, Ge이 n형이 가능할 것이다. 또는 실리콘이 n형일 경우에는 Ge이 p형이 가능할 것이다. 실리콘(Si)과 게르마늄(Ge)의 접합은 이종접합이며, 실리콘 에너지갭이 ~ 1.1eV인데 비하여 Ge은 ~ 0.66eV로 낮다. 다이오드로 만들기 위해서는 각 층에 불순물을 주입해야 하는데, 실리콘에 p 도핑하고 게르마늄에 n 도핑하면 실리콘측의 에너지 준위는 올라가고, 게르마늄측의 에너지 준위는 내려가게 된다. 이러한 접합은 다이오드 접합으로 작용하게되고, 포토다이오드로 쓸 수 있다. 접합면에서 빛에 의하여 전자-정공쌍이 발생할 경우, 전자는 n-Ge에 모이게 되고, 정공은 p-Si에 모이게 된다. 따라서, 기판을 p형 실리콘 기판을 사용하고, n형 게르마늄층을 형성하여 결정성장하는 방법이 가능하고, 기판을 p형 실리콘 기판을 사용하고, 게르마늄층을 형성한 후에, 또는 결정성장까지 마친 후에, 게르마늄층에 n형 불순물을 도핑하는 것이 가능할 것이며, p형와 n형을 바꾸는 것이 가능할 것임은 물론이다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 이미지 센서용 포토다이오드 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.
Claims (10)
- 광을 받아들여 그 광의 강도를 측정하는데 사용되는 이미지 센서용 포토다이오드의 제조 방법에 있어서,(a)제1 도전형 실리콘 기판상에 포토 레지스트를 코팅하는 단계;(b)감광 및 식각을 통하여 상기 제1 도전형 실리콘 기판상에 소정 깊이의 홈을 형성하는 단계;(c)상기 (b)단계에서 형성된 홈에 제2 도전형 빛 흡수층을 형성하는 단계; 및(d)상기 (c)단계에서 형성된 제2 도전형 빛 흡수층을 결정성장하는 단계;를 포함하고상기 실리콘 기판과 상기 빛 흡수층의 접합은 이종접합으로 이루어지며,상기 빛 흡수층은 게르마늄(Ge), 갈륨비소(GaAs), 인화인듐(InP), 비소화알루미늄갈륨(Al0.33Ga0.67As), 카드뮴델러라이드(CdTe), 카퍼인듐셀러라이드(CuInSe2) 또는 카퍼인듐갈륨셀러라이드(CuInGaSe2) 중에서 선택된 것인 것을 특징으로 하는 이미지 센서용 포토다이오드 제조방법.
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- 광을 받아들여 그 광의 강도를 측정하는데 사용되는 이미지 센서용 포토다이오드의 제조 방법에 있어서,(a)제1 도전형 실리콘 기판상에 제2 도전형 빛 흡수층을 형성하는 단계;(b)상기 (a)단계에서 형성된 빛 흡수층 위에 포토 레지스트를 코팅하는 단계;(c)감광 및 패턴을 형성하는 단계; 및(d)상기 (c)단계에서 패턴에서 노출된 빛 흡수층을 제거하는 단계; 및(e)상기 (d)단계에서 형성된 빛 흡수층을 결정성장하는 단계;를 포함하고상기 실리콘 기판과 상기 빛 흡수층의 접합은 이종접합으로 이루어지며,상기 빛 흡수층은 게르마늄(Ge), 갈륨비소(GaAs), 인화인듐(InP), 비소화알루미늄갈륨(Al0.33Ga0.67As), 카드뮴델러라이드(CdTe), 카퍼인듐셀러라이드(CuInSe2) 또는 카퍼인듐갈륨셀러라이드(CuInGaSe2) 중에서 선택된 것인 것을 특징으로 하는 이미지 센서용 포토다이오드 제조방법.
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- 광을 받아들여 그 광의 강도를 측정하는데 사용되는 이미지 센서용 포토다이오드에 있어서,소정 깊이의 홈이 형성된 실리콘 기판; 및상기 홈에 결정 성장된 빛 흡수층;을 포함하고상기 실리콘 기판과 상기 빛 흡수층의 접합은 이종접합으로 이루어지며,상기 빛 흡수층은 게르마늄(Ge), 갈륨비소(GaAs), 인화인듐(InP), 비소화알루미늄갈륨(Al0.33Ga0.67As), 카드뮴델러라이드(CdTe), 카퍼인듐셀러라이드(CuInSe2) 또는 카퍼인듐갈륨셀러라이드(CuInGaSe2) 중에서 선택된 것인 것을 특징으로 하는 이미지 센서용 포토다이오드.
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- 제5항에 있어서,상기 실리콘 기판과 빛 흡수층 상에는 에피텍셜 성장되어 형성된 실리콘층; 및상기 실리콘층상에 형성된 절연막층;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서용 포토다이오드.
- 광을 받아들여 그 광의 강도를 측정하는데 사용되는 이미지 센서용 포토다이오드에 있어서,실리콘 기판; 및상기 실리콘 기판상에 결정성장된 빛 흡수층;을 포함하고상기 실리콘 기판과 상기 빛 흡수층의 접합은 이종접합으로 이루어지며,상기 빛 흡수층은 게르마늄(Ge), 갈륨비소(GaAs), 인화인듐(InP), 비소화알루미늄갈륨(Al0.33Ga0.67As), 카드뮴델러라이드(CdTe), 카퍼인듐셀러라이드(CuInSe2) 또는 카퍼인듐갈륨셀러라이드(CuInGaSe2) 중에서 선택된 것인 것을 특징으로 하는 이미지 센서용 포토다이오드.
- 삭제
- 제8항에 있어서,상기 실리콘 기판과 빛 흡수층 상에는 에피텍셜 성장되어 형성된 실리콘층; 및상기 실리콘층상에 형성된 절연막층;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서용 포토다이오드.
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