KR100819743B1 - 3차원 구조의 다결정 화합물 반도체 이미지센서용 포토다이오드 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 3차원 구조의 다결정 화합물 반도체 이미지센서용 포토다이오드 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 빛의 수광 면적을 극대화시켜 광감응 효율을 크게 개선시킬 수 있고, 빛이 최초 입사되는 표면인 반도체 에피층에 메탈전극을 형성하여 역바이어스용 접지전극으로 사용할 수 있도록 한 3차원 구조의 다결정 화합물 반도체 이미지센서용 포토다이오드 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 제1도전형(P형) 반도체기판와; 상기 제1도전형(P형) 반도체기판 위에 형성되며, 제2도전형(N형)의 불순물층으로 이루어진 신호전달영역과; 상기 신호전달영역과 이격 형성되며, 제2도전형(N형) 불순물층으로 이루어진 신호검출영역과; 상기 신호검출영역에 전기적으로 연결되는 복수의 메탈라인과; 상기 제1도전형(P형) 반도체기판 위에 형성되며, 상기 신호전달영역과 신호검출영역간에 전하를 전송하기 위하여 연결된 전달게이트와; 상기 신호전달영역 및 전달게이트, 신호검출영역를 포함하는 상기 제1도전형(P형) 반도체기판 위에 형성된 층간절연층과; 상기 신호전달영역에 연결되어 층간절연층에 내재되는 수직 메탈전극과, 이 수직 메탈전극으로부터 연장되면서 상기 층간절연층의 표면으로 노출되는 수평 형태의 최상위 메탈전극으로 이루어진 메탈전극과; 상기 최상위 메탈전극을 포함하는 층간절연층의 표면에 형성되며 P형과 N형 불순물을 주입하여 PN접합이 구현되는 포토다이오드 영역이 되는 다결정 실리콘 에피층 또는 다결정 화합물 반도체 에피층; 을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 3차원 구조의 다결정 화합물 반도체 이미지센서용 포토다이오드 및 그 제조 방법을 제공한다.
화합물 반도체, 이미지센서, 포토다이오드, 메탈전극, 다결정 화합물 반도체 에피층, 접지전극
Description
도 1은 종래의 이미지센서의 개략적 구조도 및 APS 회로도,
도 2는 본 발명에 따른 3차원 구조의 다결정 화합물 반도체 이미지센서용 포토다이오드의 일실시예로서, 그 제조 공정을 설명하는 단면도.
<도면의 주요한 부분에 대한 부호의 설명>
101 : 전달게이트 102 : 포토다이오드 영역
103 : 신호검출 회로부 201 : 접지전극
202 : 다결정 실리콘 에피층 또는 다결정 화합물 반도체 에피층
203 : 메탈전극 204 : 전달게이트
205 : 반도체 기판 206 : 신호전달영역
207 : 메탈라인 208 : 신호검출영역
209 : 포토다이오드 영역 210 : 층간절연층
211 : 수직 메탈전극 212 : 수평 형태의 최상위 메탈전극
본 발명은 3차원 구조의 다결정 화합물 반도체 이미지센서용 포토다이오드 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 빛의 수광 면적을 극대화시켜 광감응 효율을 크게 개선시킬 수 있고, 빛이 입사되는 표면인 반도체 에피층에 메탈전극을 형성하여 역바이어스용 접지전극으로 사용할 수 있도록 한 3차원 구조의 다결정 화합물 반도체 이미지센서용 포토다이오드 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
주지된 바와 같이, 이미지 인식 소자로 사용되는 이미지센서는 빛을 감지하는 광감지 부분과 감지된 빛을 전기 신호로 바꾸어 처리해주는 회로 부분으로 구성되어 있다.
상기 광감지부는 단위화소로 입사하는 빛을 전자정공쌍으로 바꾸어 주는 포토다이오드로 이루어져 있으며, 통상 포토다이오드는 실리콘 기판 내부에 불순물 이온 주입 공정을 통하여 형성된다.
이렇게 구성된 포토다이오드에서는 불순물 접합층에 가해지는 역방향 바이어스에 의하여 공핍층이 형성되고, 시간이 지남에 따라 상기 공핍층에 누적되는 전하의 양을 회로적으로 읽어냄으로써 영상신호를 복원해낼 수 있다.
따라서, 상기 포토다이오드의 공핍층에 충분한 전하가 누적되기 위해서는 포토다이오드의 넓은 면적 확보가 중요하며, 이를 통하여 이미지센서의 우수한 광감도 특성을 얻어낼 수 있다.
그러나, 상술한 종래의 이미지센서에서는 포토다이오드가 단위화소 안에 신호 검출을 위한 회로 부분과 동일한 평면에 형성되기 때문에, 포토다이오드의 면적 확보에 한계가 있고, 그로 인하여 우수한 광감도 특성을 얻어내기 어려운 문제점이 있다.
첨부한 도 1은 종래의 이미지센서의 개략적 구조 및 APS 회로를 도시하고 있다.
도 1에 도시된 종래의 이미지센서는 단위화소 안에 포토다이오드 영역(102)과, 신호 검출을 위한 신호검출 회로부(103)가 동일한 평면에 형성되어 있고, 그 사이에는 신호 교환을 위한 전달게이트(101)가 형성되어 있다.
또한, 상기 신호검출 회로부(103) 즉, 4개의 트랜지스터를 갖는 4T APS 회로는 리셋단자(RST), 전달게이트(TX), 소스팔로워(SF), 열선택단자(Sel)를 포함하고 있다.
한편, 도 1에 도시된 통상적인 이미지센서의 포토다이오드는 이온 주입 공정을 통하여 실리콘기판 내부에 불순물이 주입되어 형성된다.
상기 이미지센서의 동작을 보면, 입사된 빛(L)이 포토다이오드 영역(102)의 공핍층 부분에서 전자정공쌍으로 변환되고, 빛의 세기에 비례하여 형성되는 전자정공쌍의 양은 신호검출 회로부(103)을 통하여 신호로 얻어진다.
그러나, 도 1에 도시된 종래의 이미지센서에 사용되는 포토다이오드는 전술한 바와 같이, 공핍층에 충분한 전하가 누적되기 위해서는 포토다이오드의 넓은 면적 확보가 중요하며 이를 통하여 이미지센서의 우수한 광감도 특성을 얻어낼 수 있지만, 포토다이오드가 단위화소 안에 신호 검출을 위한 회로 부분과 동일한 평면에 형성되어 있기 때문에, 결국 포토다이오드의 면적 확보에 한계가 있고, 그로 인하여 우수한 광감도 특성을 얻어내기 어려운 단점이 있다.
이에, 포토다이오드의 넓은 면적을 확보하여, 빛을 보다 용이하게 수광할 수 있는 구조의 포토다이오드의 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 이미지센서에 사용되는 포토다이오드의 면적 확보와 관련된 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 이미지센서용 포토다이오드의 감광 면적을 극대화하여 입사하는 빛의 양을 극대화시켜줌으로써, 반도체 칩이 소형화됨에 따라 나타나는 광감응 효율의 저하 및 전하 용량의 저하를 개선시켜줄 수 있고, 포토다이오드에 입사하는 빛의 투과도를 높임으로써, 특히 투과도가 낮은 단파장 빛에 대한 광감응 효율을 높여줄 수 있으며, 또한 빛이 입사되는 표면인 반도체 에피층에 메탈전극을 형성하여 역바이어스용 접지전극으로 사용할 수 있도록 한 3차원 구조의 다결정 화합물 반도체 이미지센서용 포토다이오드 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 신호 검출 회로가 구현된 기판의 최상층부 금속전극 상부에 포토다이오드를 구현하는 적층형 픽셀 구조로서 반도체 후공정을 사용하여 다양한 광학적 특성을 갖는 포토다이오드를 구현하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 신호 검출 회로가 구현된 기판의 최상층부 금속전극 상부에 포토다이오드를 구현하는 적층형 픽셀 구조로서 반도체 후공정을 사용하여 다양한 광학적 특성을 갖는 포토다이오드를 구현하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 3차원 구조의 다결정 화합물 반도체 이미지센서용 포토다이오드는:
제1도전형(P형) 반도체기판와; 상기 제1도전형(P형) 반도체기판 위에 형성되며, 제2도전형(N형)의 불순물층으로 이루어진 신호전달영역과; 상기 신호전달영역과 이격 형성되며, 제2도전형(N형) 불순물층으로 이루어진 신호검출영역과; 상기 신호검출영역에 전기적으로 연결되는 복수의 메탈라인과; 상기 제1도전형(P형) 반도체기판 위에 형성되며, 상기 신호전달영역과 신호검출영역간에 전하를 전송하기 위하여 연결된 전달게이트와; 상기 신호전달영역 및 전달게이트, 신호검출영역를 포함하는 상기 제1도전형(P형) 반도체기판 위에 형성된 층간절연층과; 상기 신호전달영역에 연결되어 층간절연층에 내재되는 수직 메탈전극과, 이 수직 메탈전극으로부터 연장되면서 상기 층간절연층의 표면으로 노출되는 수평 형태의 최상위 메탈전극으로 이루어진 메탈전극과; 상기 최상위 메탈전극을 포함하는 층간절연층의 표면에 형성되며 P형과 N형 불순물을 주입하여 PN접합이 구현되는 포토다이오드 영역이 되는 다결정 실리콘 에피층 또는 다결정 화합물 반도체 에피층; 을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
바람직한 구현예로서, 상기 다결정 실리콘 에피층 또는 다결정 화합물 반도체 에피층에는 역바이어스용 접지전극을 형성하되, 상기 에피층의 면적범위에서 그 외곽쪽 위치에 복수의 역바이어스용 접지전극을 이격되게 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 3차원 구조의 다결정 화합물 반도체 이미지센서용 포토다이오드 제조 방법은:
제1도전형(P형) 반도체기판 위에 신호전달(포토다이오드) 영역이 되는 제2도전형(N형)의 불순물층과, 복수의 메탈라인이 연결되는 신호검출영역용 제2도전형(N형) 불순물층을 형성하는 단계와; 상기 신호전달(포토다이오드) 영역과 신호검출영역간에 전하를 전송하기 위한 게이트로 사용되는 전달게이트를 형성하는 단계와; 상기 신호전달(포토다이오드) 영역 및 전달게이트, 신호검출영역를 포함하는 상기 제1도전형(P형) 반도체기판 위쪽으로 메탈전극을 포함하는 층간절연층을 증착하는 단계와; 상기 층간절연층의 표면 및 이 표면으로 노출된 상기 메탈전극의 최상위 메탈전극 위에 다결정 실리콘 에피층 또는 다결정 화합물 반도체 에피층이 형성되는 단계와; 상기 다결정 화합물 반도체 에피층 내부에 P형과 N형 불순물을 주입하여 포토다이오드 영역이 되는 다결정 화합물 반도체 에피층의 PN접합을 구현하는 단계; 를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
바람직한 구현예로서, 상기 다결정 실리콘 에피층 또는 다결정 화합물 반도체 에피층에 역바이어스용 접지전극을 형성하되, 상기 에피층의 면적범위에서 그 외곽쪽 위치에 복수의 역바이어스용 접지전극을 이격되게 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
첨부한 도 2는 본 발명에 따른 포토다이오드의 제조 공정에 대한 일 실시예를 설명하는 단면도이다.
먼저, 제1도전형(P형) 반도체기판(205) 위에 신호전달영역(206)이 되는 제2도전형(N형)의 불순물층과 이 불순물층에 인접되게 전달게이트(204)를 형성하고, 바로 옆쪽에는 신호검출영역(208)이 되는 제2도전형(N형) 불순물층을 형성한다.
보다 상세하게는, 상기 제1도전형(P형) 반도체기판(205) 위에 제2도전형(N형)의 불순물층인 신호전달영역(206) 및 신호검출영역(208)을 이격 형성하고, 신호전달영역(206)에서 신호검출영역(208)으로 전하를 전송하기 위한 게이트로 사용되는 트랜스퍼 트랜지스터의 게이트 전극을 말하는 전달게이트(204)를 형성한다.
이때, 상기 제2도전형(N형) 불순물층은 마스크 및 이온주입공정을 통해 N형 불순물 이온주입을 실시하여 형성된다.
다음으로, 상기와 같은 전압검출부 즉, 신호전달영역(206) 및 전달게이트(204), 그리고 신호검출영역(208)를 포함하는 상기 제1도전형(P형) 반도체기판(205) 위쪽으로 복수의 층간절연층(210)이 증착된다.
이때, 상기 신호검출영역(208) 위에는 층간절연층(210)내에 내재되는 복수의 메탈라인(207)이 전기적으로 연결되며, 이 메탈라인(207)은 신호검출회로부(미도시됨)쪽으로 전기적으로 연결된다.
특히, 상기 신호전달영역(206)에는 층간절연층(210)에 내재되는 수직 메탈전극(211)과, 층간절연층(210)의 상면에 노출되며 위치하는 수평형태의 최상위 메탈전극(212)으로 이루어진 메탈전극(203)이 연결된다.
이어서, 상기 최상위 메탈전극(212)을 포함하는 층간절연층(210) 위에 다결정 실리콘 에피층 또는 다결정 화합물 반도체 에피층(202)이 포토다이오드 영역(209)으로 형성된다.
이때, 상기 다결정 화합물 반도체 에피층(202) 내부에 P형과 N형 불순물을 주입함으로써, 다결정 화합물 반도체 에피층(202)의 PN접합을 구현해낼 수 있다.
마지막으로, 상기 다결정 화합물 반도체 에피층(202)에 접지전극(201)을 형성하되, 상기 에피층(202)의 면적범위에서 그 외곽쪽 위치에 복수의 접지전극(201)을 이격되게 형성하게 된다.
이와 같이, 상기 다결정 화합물 반도체 에피층(202)에 P형과 N형 불순물을 주입하고, 상기 접지전극을 pn접합의 역바이어스 동작에 이용하여 상기 다결정 화합물 반도체 에피층(202)을 포토다이오드로 사용할 수 있게 한다. 이러한 구조의 포토다이오드는 빛이 흡수되는 면적을 크게 조절할 수 있도록 함으로써, 본 발명의 포토다이오드는 넓은 면적으로 빛(L)을 흡수할 수 있는 장점을 제공하게 된다.
상기 pn 접합은 순방향 바이어스와 역방향 바이어스의 전압 인가 동작이 이루어지는 바, pn접합에 p형쪽에 (+), n형쪽에 (-)전압을 외부에서 인가했을 때, 이 전압을 순방향 바이어스(forward bias)라 하고, 외부에서 전압을 인가했을 경우를 역방향 바이어스(reverse bias)라 하며, 역방향 바이어스의 경우 (+)단자는 n형쪽에, (-)단자는 p형쪽에 연결하면 n형의 전자는 (+)단자로 끌리게 되며, p형의 정공은 (-)단자로 끌려서 다수 캐리어가 접합면으로부터 멀어지게 된다.
이때, 다수캐리어에 의해서 전류가 흐르지 않도록 외부에서 전압을 인가하는 방법을 역방향 전압이라 하며, 이러한 역방향 바이어스시 접지를 위한 종래의 접지전극은 반도체기판 주변에 복잡한 공정으로 형성되었지만, 본 발명에 따르면 역바이어스용 접지전극(201)을 손쉬운 공정으로 최상위층을 이루는 다결정 화합물 반도체 에피층(202)에 형성시킬 수 있다.
이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 3차원 구조의 다결정 화합물 반도체 이미지센서용 포토다이오드 및 그 제조 방법에 의하면, 반도체 기판에 형성된 하나 또는 복수의 전압감지부, 이 전압감지부 위에 형성되며 복수의 연결선을 포함하는 하나 또는 복수의 층간절연층, 이 층간절연층 내의 최상위 메탈전극 위에 형성되는 다결정 실리콘 에피층 또는 다결정 화합물 반도체 에피층으로 구성하여, 빛의 수광 넓이를 극대화시킬 수 있는 포토다이오드의 구현이 가능하고, 이로 인하여 기존의 포토다이오드에서 제한되었던 광감응 효율을 크게 개선시킬 수 있으며, 반도체 회로 후공정을 사용하여 다양한 광학적 특성을 갖는 포토다이오드를 구현할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 포토다이오드의 최상위층을 이루는 반도체 에피층에 역바이어스용 접지전극을 손쉽게 형성할 수 있다.
결국, 본 발명의 포토다이오드 구조에서는 입사되는 빛이 종래보다 포토다이오드 영역에 더 쉽게 도달되어 투과도 측면에서 유리한 효과를 기대할 수 있고, 이러한 효과는 더 우수한 광감응 효율을 제공하며, 특히 투과도가 낮은 단파장 빛에 대한 광감응 효율을 개선시킬 수 있다.
Claims (4)
- 제1도전형(P형) 반도체기판(205)와;상기 제1도전형(P형) 반도체기판(205) 위에 형성되며, 제2도전형(N형)의 불순물층으로 이루어진 신호전달영역(206)과;상기 신호전달영역(206)과 이격 형성되며, 제2도전형(N형) 불순물층으로 이루어진 신호검출영역(208)과;상기 신호검출영역(208)에 전기적으로 연결되는 복수의 메탈라인(207)과;상기 제1도전형(P형) 반도체기판(205) 위에 형성되며, 상기 신호전달영역(206))과 신호검출영역(208))간에 전하를 전송하기 위하여 연결된 전달게이트(204)와;상기 신호전달영역(206) 및 전달게이트(204), 신호검출영역(208)을 포함하는 상기 제1도전형(P형) 반도체기판(204) 위에 형성된 층간절연층(210)과;상기 포토다이오드 영역(206)에 연결되어 층간절연층(210)에 내재되는 수직 메탈전극(211)과, 이 수직 메탈전극(211)으로부터 연장되면서 상기 층간절연층(210)의 표면으로 노출되는 수평 형태의 최상위 메탈전극(212)으로 이루어진 메탈전극(203)과;상기 최상위 메탈전극(212)을 포함하는 층간절연층(210)의 표면에 형성되며 P형과 N형 불순물을 주입하여 PN접합이 구현되어 포토다이오드 영역(209)이 되는 다결정 실리콘 에피층 또는 다결정 화합물 반도체 에피층(202);을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 3차원 구조의 다결정 화합물 반도체 이미지센서용 포토다이오드.
- 청구항 1에 있어서, 상기 다결정 실리콘 에피층 또는 다결정 화합물 반도체 에피층(202)에는 역바이어스용 접지전극(201)을 형성하되, 상기 에피층(202) 의 면적범위에서 그 외곽쪽 위치에 복수의 역바이어스용 접지전극(201)을 이격되게 형성되는 것을 특징으로 하는 3차원 구조의 다결정 화합물 반도체 이미지센서용 포토다이오드.
- 제1도전형(P형) 반도체기판(205) 위에 신호전달영역(206)이 되는 제2도전형(N형)의 불순물층과, 복수의 메탈라인(207)이 연결되는 신호검출영역(208)용 제2도전형(N형) 불순물층을 형성하는 단계와;상기 신호전달영역(206)과 신호검출영역(208)간에 전하를 전송하기 위한 게이트로 사용되는 전달게이트(204)를 형성하는 단계와;상기 신호전달영역(206) 및 전달게이트(204), 신호검출영역(208)을 포함하는 상기 제1도전형(P형) 반도체기판(205) 위쪽으로 메탈전극(203)을 포함하는 층간절연층(210)을 증착하는 단계와;상기 층간절연층(210)의 표면 및 이 표면으로 노출된 상기 메탈전극(203)의 최상위 메탈전극(212) 위에 다결정 실리콘 에피층 또는 다결정 화합물 반도체 에피층(202)이 형성되는 단계와;상기 다결정 화합물 반도체 에피층(202) 내부에 P형과 N형 불순물을 주입하여 다결정 화합물 반도체 에피층(202)의 PN접합을 구현하여 포토다이오드 영역(209)을 형성하는 단계;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 3차원 구조의 다결정 화합물 반도체 이미지센서용 포토다이오드 제조 방법.
- 청구항 3에 있어서, 상기 다결정 실리콘 에피층 또는 다결정 화합물 반도체 에피층(202)에 역바이어스용 접지전극(201)을 형성하되, 상기 에피층(202)의 면적범위에서 그 외곽쪽 위치에 복수의 역바이어스용 접지전극(201)을 이격되게 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 구조의 다결정 화합물 반도체 이미지센서용 포토다이오드 제조 방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020070013618A KR100819743B1 (ko) | 2007-02-09 | 2007-02-09 | 3차원 구조의 다결정 화합물 반도체 이미지센서용 포토다이오드 및 그 제조 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020070013618A KR100819743B1 (ko) | 2007-02-09 | 2007-02-09 | 3차원 구조의 다결정 화합물 반도체 이미지센서용 포토다이오드 및 그 제조 방법 |
Publications (1)
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|---|---|
| KR100819743B1 true KR100819743B1 (ko) | 2008-04-08 |
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ID=39533873
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| KR (1) | KR100819743B1 (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100954927B1 (ko) | 2007-12-14 | 2010-04-27 | 주식회사 동부하이텍 | 이미지 센서 및 그 제조방법 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20000003407A (ko) * | 1998-06-29 | 2000-01-15 | 김영환 | 이미지센서의 포토다이오드 |
-
2007
- 2007-02-09 KR KR1020070013618A patent/KR100819743B1/ko not_active IP Right Cessation
Patent Citations (1)
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| KR100954927B1 (ko) | 2007-12-14 | 2010-04-27 | 주식회사 동부하이텍 | 이미지 센서 및 그 제조방법 |
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