KR102214237B1 - 유기 포토다이오드들을 가지는 이미지 센서들 및 그 형성 방법 - Google Patents

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Abstract

유기 포토다이오드들을 가지는 이미지 센서를 형성하는 실시예들이 제공된다. 트렌치들이 유기 포토다이오드들 내에 형성되어 P-N 접합부 계면 면적을 증가시키고, 그러한 면적 증가는 포토다이오드들의 양자 효율(QE)을 개선한다. 유기 P-타입 재료가 액체 형태로 도포되어 트렌치들을 충진한다. 다른 일 함수 값들 및 두께를 가지는 P-타입 재료들의 혼합을 이용하여 포토다이오드들에 대한 희망하는 일 함수 값을 충족시킬 수 있을 것이다.

Description

유기 포토다이오드들을 가지는 이미지 센서들 및 그 형성 방법{IMAGE SENSORS WITH ORGANIC PHOTODIODES AND METHODS FOR FORMING THE SAME}
본원은 명칭이 "Organic Photodiode with Dual Electron-Blocking Layers"Attorney docket TSMC2013-0287)인 미국 출원 제 _______ 호, 및 명칭이 "Organic Photosensitive Device with an Electron-Blocking and Hole-Transport Layer"Attorney docket TSMC2013-0288)인 미국 출원 제 _______ 호와 관련된 것이다. 상기 언급된 출원들 모두는 그 전체가 본원에서 참조로서 포함된다. 본원 및 상기 전술한 양 출원들은 동일한 날짜에 출원되었다.
전면 조사형(front side illumination; FSI) 이미지 센서 칩들 및 후면 조사형(BSI) 이미지 센서 칩들을 포함하는 이미지 센서 칩들이 카메라와 같은 적용예들에서 널리 이용되고 있다. 이미지 센서 칩들을 형성하는데 있어서, 이미지 센서들(예를 들어, 포토 다이오드들) 및 로직 회로들이 실리콘 기판(또는 웨이퍼) 상에 형성되고, 이어서 웨이퍼의 전면 상에 상호접속(internnect) 구조물을 형성한다. 전면 이미지 센서 칩들에서, 컬러 필터들 및 마이크로-렌즈들이 상호접속 구조물 위에 형성된다. BSI 이미지 센서 칩들의 형성에서, 상호접속 구조물의 형성 후에, 웨이퍼가 박판화되고(thinned), 그리고 컬러 필터들 및 마이크로-렌즈들과 같은 후면 구조물들이 실리콘 기판의 후면에 형성된다. 이미지 센서 칩들이 이용될 때, 광이 이미지 센서들 상으로 투사되고, 상기 이미지 센서들에서 광이 전기적 신호들로 변환된다.
이미지 센서 칩들 내의 이미지 센서들은 광자들에 의한 자극에 응답하여 전기적 신호들을 생성한다. 감광성 디바이스의 양자 효율(Quantum efficiency; QE)은, 디바이스의 광반응성 표면을 타격하는 광자들 중 전하 캐리어들(운반체들)을 생산하는 광자들의 백분율을 측정한 것이다.
실시예들 및 그 실시예들의 장점들에 대한 보다 완전한 이해를 위해서, 이제, 첨부 도면들과 함께 작성된 이하의 설명들을 참조한다.
도 1은, 일부 실시예들에 따른, 이미지 센서의 평면도이다.
도 2는, 일부 실시예들에 따른, 도 1의 이미지 센서의 횡단면도이다.
도 3은, 일부 실시예들에 따른, 포토다이오드의 횡단면도이다.
도 4a는, 일부 실시예들에 따른, 전극 층 위에 형성된 N-타입 층의 횡단면도이다.
도 4b 및 4c는, 일부 실시예들에 따른, 도 4a의 패터닝된 N-타입 층의 평면도들이다.
도 5는, 일부 실시예들에 따른, 포토다이오드의 횡단면도이다.
도 6a는, 일부 실시예들에 따른, 트렌치들을 가지는 포토다이오드의 전극 층의 횡단면도이다.
도 6b는, 일부 실시예들에 따른, 도 6a의 유전체 층 위의 N-타입 층 및 전자 운반 층의 횡단면도이다.
도 6c 및 6d는, 일부 실시예들에 따른, 도 6a의 패터닝된 전극 층의 평면도들이다.
이하의 개시 내용은 여러 실시예들의 상이한 피쳐들(features)을 구현하기 위한 많은 상이한 실시예들, 또는 예들을 제공한다. 본원 개시 내용을 단순화하기 위해서, 성분들 및 배열체들(arrangements)의 구체적인 예들이 이하에서 설명된다. 물론, 이들은 단지 예들이고 그리고 제한적인 것으로 의도된 것이 아니다. 또한, 본원 개시 내용은 여러 가지 예들에서 참조 번호들 및/또는 문자들을 반복할 수 있을 것이다. 이러한 반복은 단순함 및 명료함을 위한 것이고 그리고 그것 자체가 개시된 여러 가지 실시예들 및/또는 구성들 사이의 관계를 구술하는 것은 아니다. 또한, 이하의 개시 내용에서 제 2 피쳐 상에 또는 그 위에 제 1 피쳐를 형성하는 것은, 제 1 및 제 2 피쳐들이 직접적으로 접촉되어 형성되는 실시예들을 포함할 수 있을 것이고, 또한 부가적인 피쳐들이 상기 제 1 및 제 2 피쳐들 사이에 형성되어 제 1 및 제 2 피쳐들이 직접적으로 접촉하지 않을 수 있는 실시예들을 포함할 수 있을 것이다.
도 1을 참조하면, 일부 실시예들에 따라서, 이미지 센서(50)가 전면 조사형(또는 전방 조사형) 조사형 픽셀들(100)의 그리드(grid)를 제공한다. 적어도 본 실시예에서, 픽셀들(100)은, 다이오드 상의 광의 세기 또는 휘도를 기록하기 위한, 감광성 다이오드들 또는 포토다이오드들이다. 일부 실시예들에서, 픽셀들(100)의 최소 폭이 약 0.75 ㎛ 내지 약 1.4 ㎛ 범위이다. 픽셀들(100)은 리셋 트랜지스터들, 소오스 팔로워(source follower) 트랜지스터들, 및 트랜스퍼(transfer) 트랜지스터들, 등을 포함한다. 일부 실시예들에서, 이미지 센서(50)가 전하-결합 소자(CCD), 상보적인 금속 산화물 반도체(CMOS) 이미지 센서(CIS), 능동-픽셀(active-pixel) 센서(ACP), 또는 피동-픽셀 센서를 포함한다. 일부 실시예들에서, 유기 반도체 재료들(비-실리콘계 재료)로 제조된 유기 광검출기들(광 센서들)이, 낮은 제조 비용으로 인해서, 이용된다. 그러한 유기 반도체 재료들은 CMOS 프로세스 기술과 용이하게 통합될 수 있을 것이다. 픽셀들을 위한 동작 분위기를 제공하기 위해서 그리고 픽셀들과의 외부 통신들을 지원하기 위해서, 부가적인 디바이스들 및 회로망이 픽셀들(100)의 그리드에 인접하여 통상적으로 제공된다. 일부 실시예들에서, 부가적인 디바이스들 및 회로망들이 CMOS 프로세스 기술에 의해서 제조된다. 결과적으로, CMOS 프로세스 기술과 함께 유기 광검출기들을 이용하는 이미지 센서들이 하이브리드 CMOS 이미지 센서들로 지칭된다.
전술한 바와 같이, 유기 반도체 재료들이 매력적인데, 이는 낮은 제조 비용 때문이다. 그러나, 유기 반도체 재료들을 이용하는 기존의 이미지 센서들은 낮은 양자 효율(QE) 또는 높은 암전류(dark current)를 가진다. 결과적으로, 높은 QE 및 낮은 암전류를 가지는 유기 반도체 재료들을 이용하는 이미지 센서들이 요구되고 있다.
도 2는, 일부 실시예들에 따른, 이미지 센서(50)의 횡단면도이다. 일부 실시예들에 따라, 센서(50)는 실리콘 기판(110)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 기판(110)은 실리콘, 게르마늄, 또는 다이아몬드와 같은 원소 반도체를 포함한다. 일부 실시예들에서, 기판(110)은 실리콘 탄화물, 갈륨 비소, 인듐 비화물, 또는 인듐 인화물과 같은 화합물 반도체를 포함한다. 또한, 일부 실시예들에서, 실리콘-온-인슐레이터(silicon-on-insulator) 및/또는 에피텍셜 층과 같은 반도체 배열체들(arrangements)이 제공된다. 일부 실시예들에서, 기판(110)이 실리콘 게르마늄, 실리콘 게르마늄 탄화물, 갈륨 비소 인화물, 또는 갈륨 인듐 인화물과 같은 합금 반도체를 포함한다. 적어도 본 실시예에서, 기판(110)이 P-타입 실리콘을 포함한다. 여러 단계들에서 이온 주입 또는 확산과 같은 프로세스를 이용하여 모든 도핑을 구현할 수 있을 것이다.
*이미지 센서(50)는, 반도체 기판(110)의 전방 표면에 형성된 100R, 100G, 및 100B 와 같은 복수의 픽셀들(100)을 포함한다. 예로서, 도 2에 도시된 픽셀들이, 예를 들어, 적색, 녹색, 및 청색의 광 파장들에 각각 상응하도록 100R, 100G, 및 100B 로 추가적으로 라벨 표시된다.
이미지 센서(50)는, 제 1 및 제 2 금속 층들(120, 122)과 같은 부가적인 층들, 콘택들/비아들(119, 121, 123), 그리고 중간-높이(inter-level) 유전체(ILD)(124)를 포함하는 상호접속 구조물(126)을 더 포함한다. 일부 실시예들에서, 금속 층들 및 콘택들/비아들이 단일 또는 이중 다마신(damascene) 프로세스에 의해서 형성된다. 만약 금속 층들 및 콘택/비아들이 이중 다마신 프로세스에 의해서 형성된다면, 층(122)과 같은 금속 층, 및 상응하는 비아들(121)과 같은 비아들이 도금 프로세스와 같은 성막(deposition) 프로세스에 의해서 형성된다. 콘택들(119)이 제 1 금속 층(120)을 디바이스 구조물들(115)과 연결시킨다. 도 2는, 콘택들(119)이 디바이스 구조물들(115)의 소오스/드레인 영역들(114)에 연결되는 것을 도시한다. 그러나, 콘택들(119)이 또한 게이트 구조물들(113)에 연결될 수 있을 것이다. 비아들(123)이 디바이스 구조물들(115)의 상호접속를 픽셀 전극 층(170)과 연결시키고, 상기 디바이스 구조물들(115)은 픽셀들(100)의 일부이다. 상이한 픽셀들(100) 내의 디바이스 구조물들(115)은, 쉘로우 트렌치 아이솔레이션(shallow trench isolation; STI) 구조물들과 같은 격리 구조물들(112)에 의해서 분리된다.
ILD(124)는, 하나 이상의 저-k 재료들을 포함하는 유전체 필름들의 복수의 층들을 포함한다. 저-k 재료들은 실리콘 이산화물의 유전 상수 보다 낮은 유전 상수를 가진다. 일부 실시예들에서, ILD(124)가 탄소-도핑형 실리콘 산화물, 불소-도핑형 실리콘 산화물, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 유지 저-k 재료, 또는 이들의 조합들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 120 및 122와 같은 금속 층들의 전도성 재료(들)가 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리, 구리 합금, 텅스텐, 티타늄 질화물, 탄탈륨, 탄탈륨 질화물, 금속 실리사이드, 텅스텐 또는 이들의 조합들을 포함한다.
사용되는 타입의 픽셀들(100) 및 감지되는 광의 타입을 취급하기 위한 적절한 기능성을 제공하기 위한 부가적인 회로망이 또한 존재한다. 당업자는, 적색, 녹색, 및 청색 파장들이 단지 예로서 제공된 것이고, 그리고 픽셀들(100)이 광센서들과 같은 포토다이오드들(135)을 포함한다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 일부 실시예들에서, 포토다이오드들(135)은 유기 반도체 재료들을 이용한다. 유기 포토다이오드들(135)을 형성하는데 있어서 이용되는 재료 층들에 관한 상세한 내용을 이하에서 설명한다.
일부 실시예들에서, 픽셀들(100) 사이에 광-차단 구조물들(125)이 존재한다. 광-차단 구조물들(125)은 이웃하는 컬러 필터들(160)로부터의 광의 전달을 차단하고 그리고 픽셀들(100) 사이의 크로스-토크(cross-talk)를 감소시킨다.
이미지 센서(50)는 동작 중에 반도체 기판(110)의 전방 표면을 향해서 지향된 광(150)을 수신하도록 디자인되어, 게이트 피쳐들 및 금속 라인들과 같은 다른 객체들에 의한 광학적 경로들에 대한 장애물들을 배제하고, 그리고 조사되는 광에 대한 광-감지 영역의 노출을 최대화한다. 조사된 광(150)은 가시 광선으로 제한되지 않고, 그리고 적외선(IR), 자외선(UV), 또는 다른 적합한 복사 비임을 포함할 수 있을 것이다.
이미지 센서(50)는 부동태화(passivation) 층(130) 위의 컬러 필터 층(160)을 더 포함한다. 부동태화 층(130)은 160R, 160G, 및 160B 와 같은 컬러 필터들 및 마이크로-렌즈들(140)의 형성 중에 픽셀들(100)이 손상되는 것을 방지한다. 일부 실시예들에서, 부동태화 층(130)이 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물, 폴리머들, 예를 들어, 폴리이미드, 폴리벤즈옥사졸(polybenzoxaxole; PBO), 또는 벤조시클로부텐(BCB), 또는 이들의 조합들과 같은 유전체 재료로 제조된다. 컬러 필터 층(160)이 몇 개의 상이한 컬러 필터들(예를 들어, 적색, 녹색, 및 청색)을 지원할 수 있고, 그리고 입사 광이 그 상부로 지향되도록 그리고 통과하도록 배치된다. 적어도 하나의 실시예에서, 그러한 컬러 필터들(160R, 160G, 및 160B)은 폴리머계 재료(예를 들어, 아크릴계 폴리머를 기초로 하는 음성(negative) 포토레지스트) 또는 수지를 포함한다. 일부 실시예들에서, 컬러 필터 층(160)은, 컬러 염료들(pigments)을 포함하는 아크릴계 폴리머를 기초로 하는 음성 포토레지스트를 포함한다. 일부 실시예들에서, 컬러 필터들(160R, 160G, 및 160B)은 픽셀들(100R, 100G, 및 100B)에 각각 상응한다.
이미지 센서(50)는 컬러 필터들(160R, 160G, 및 160B) 위에 형성된 많은 수의 마이크로-렌즈들(140)을 포함한다. 마이크로-렌즈들(140)은 조사된 광(150)을 픽셀들(100R, 100G, 및 100B)을 향해서 포커스한다.
도 3은, 일부 실시예들에 따른, 포토다이오드(135)의 횡단면도이다. 각각의 포토다이오드(135)가 2개의 전극들을 가진다. 포토다이오드(135)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 전도성 재료로 형성되고 그리고 상호접속 구조물들(126) 위에 형성된 픽셀 전극 층(170)을 포함한다. 픽셀 전극 층(170)은 픽셀(100)의 포토다이오드의 음극을 형성한다. 일부 실시예들에서, 전극 층(170)의 일 함수는 약 4.5 eV 미만이다. 일부 실시예들에서, 픽셀 전극 층(170)이 Ag, Al, Ca, Mg, 또는 다른 적용가능한 전도성 재료들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 전극 층(170)의 두께가 약 50 nm 내지 약 500 nm 범위가 된다. 픽셀 전극 층(170)의 일 함수가, 재료의 선택에 의해서 그리고 두께의 변경에 의해서, 조절될 수 있다. 일부 실시예들에서, 픽셀 전극 층(170)이 물리 기상 증착(PVD)에 의해서 성막된다. 그러나, 화학 기상 증착(CVD) 또는 원자 층 증착(ALD)과 같은 다른 성막 방법이 또한 가능하다.
일부 실시예들에서, 전자 운반 층(171)이 픽셀 전극 층(170) 위에 형성된다. 전자 운반 층(171)은 전자의 운반을 보조하고 홀들의 운반을 차단하는 일 함수를 제공한다. 그에 따라, 전자 운반 층(171)이 또한 홀 차단 층으로 지칭된다. 일부 실시예들에서, 전자 운반 층(171)의 일 함수가 소정 범위의 일 함수 값들을 가진다. 가장 높은 일 함수 값은 가장 높게 점유된 분자 궤도(HOMO)로 지칭되고 그리고 가장 낮은 일 함수 값은 가장 낮게 점유된 분자 궤도(LUMO)로 지칭된다. 일부 실시예들에서, 전자 운반 층(171)의 LUMO가 약 2.8 eV 내지 약 4.5 eV 범위이고 그리고 전자 운반 층(171)의 HOMO가 약 6.1 eV 내지 약 7.8 eV의 범위이다. 일부 실시예들에서, 전자 운반 층(171)이LiF, TiO2, ZnO, Ta2O5, ZrO2, 또는 다른 적용가능한 전도성 재료들로 제조된다. 전자 운반 층(171)의 일 함수가, 재료의 선택에 의해서 그리고 두께의 변경에 의해서, 조절될 수 있다. 일부 실시예들에서, 전자 운반 층(171)이 생략된다. 일부 실시예들에서, 전자 운반 층(171)이 물리 기상 증착(PVD)에 의해서 성막된다. 그러나, 화학 기상 증착(CVD) 또는 원자 층 증착(ALD)과 같은 다른 성막 방법이 또한 가능하다.
그 후에, N-타입 층(172)이 전자 운반 층(171) 위에, 또는 전자 운반 층(171)이 존재하지 않는 경우에 전극 층(170) 위에 성막된다. N-타입 층(172) 및 후속되는 P-타입 층이 P-N 접합부 다이오드들을 형성하고, 상기 P-타입 층에 대해서는 이하에서 설명한다. 일부 실시예들에서, N-타입 층(172)이 ZnO, TiO2 와 같은 금속 산화물 또는 다른 적합한 금속 산화물 재료들로 제조된다. 일부 실시예들에서, 전자 운반 층(171)의 LUMO가 약 3.7 eV 내지 약 4.5 eV 범위이고 그리고 전자 운반 층(171)의 HOMO가 약 6.7 eV 내지 약 7.8 eV 범위이다.
일부 실시예들에 따라서, N-타입 층(172)의 두께(TT)가 약 50 nm 내지 약 300 nm 범위이다. 유사하게, N-타입 층(172)의 일 함수가, 재료의 선택에 의해서 그리고 두께의 변경에 의해서, 조절될 수 있다. 일부 실시예들에서, N-타입 층(172)이 물리 기상 증착(PVD)에 의해서 성막된다. 그러나, 화학 기상 증착(CVD) 또는 원자 층 증착(ALD)과 같은 다른 성막 방법이 또한 가능하다.
이어서, N-타입 층(172)을 패터닝하여 트렌치들(177)을 형성함으로써 N-타입 층(172)의 표면적을 증가시키고, 그러한 표면 증가는 포토다이오드(135)의 P-N 접합부들의 계면 면적을 증가시킨다. 전술한 바와 같이, 감광성 디바이스의 양자 효과(QE)는 디바이스의 광반응성 표면을 타격하는 광자들 중 전하 캐리어들을 생산하는 광자들의 백분율을 측정한 것이다. 큰 P-N 접합부 계면 면적을 가지는 포토다이오드들은, 다이오드들을 타격하는 광자들이 전하 캐리어들로 보다 효율적으로 변환될 수 있게 한다. 결과적으로, 트렌치들(177)의 포함에 의해서 QE가 증가된다. 일부 실시예들에서, 작은 P-N 접합부 계면 면적을 구비하는 편평한 표면들을 가지는 다이오드들과 대비할 때, QE가 약 20% 내지 약 200% 범위로 개선된다.
도 4a는, 일부 실시예들에 따라, 픽셀 전극 층(170) 위에 형성된 N-타입 층(172)의 횡단면도이다. 전술한 바와 같이, 트렌치들(177)이 층(172) 내에 형성된다. 일부 실시예들에서, 트렌치들(177)이 약 10nm 내지 약 200 nm 범위의 폭(WT)을 가진다. 일부 실시예들에서, 상이한 트렌치들(177)의 폭들(WT)이 동일하다. 그러나, 일부 실시예들에서, 적어도 하나의 트렌치(177)의 폭들(WT)이 적어도 하나의 다른 트렌치(177)와 상이하다. 일부 실시예들에서, 2개의 이웃하는 트렌치들(177) 사이의 N-타입 층(172)의 폭(WT)이 약 10 nm 내지 약 200 nm 이다. 트렌치들(177)의 깊이(DT)는 약 10 nm 내지 약 290 nm 범위이다. 일부 실시예들에서, 상이한 트렌치들(177)의 깊이(DT)가 동일하다. 그러나, 일부 실시예들에서, 적어도 하나의 트렌치(177)의 깊이(DT)가 적어도 하나의 다른 트렌치(177)와 상이하다. 일부 실시예들에서, N-타입 층(172)의 전체 두께(TT)가 약 50 nm 내지 약 300 nm 범위이다. 일부 실시예들에서, 트렌치들(177)의 하단부들 아래로 층(170)의 표면까지의 N-타입 층(172)의 나머지 두께(TR)는 약 10nm 내지 약 290 nm의 범위이다. 트렌치들(177)은 먼저 포토레지스트 층(미도시)으로 층(172)의 표면을 패터닝하고 이어서 포토레지스트 층에 의해서 덮이지 않은 N-타입 층(172)을 제거하기 위한 에칭 프로세스의 이용에 의해서 형성된다.
도 4b 및 4c는, 일부 실시예들에 따른, 도 4a의 패터닝된 층(172)의 평면도들이다. 도 4b는 N-타입 층(172)의 길고 중실형인(solid)(그리고 연속적인) 스트립들을 분리하는 길고 연속적인 트렌치들인 트렌치들(177)을 포함한다. 도 4c는 X 및 Y 방향들 모두를 따라서 연장하는 길고 연속적인 트렌치들(177)을 포함한다. 트렌치들(177)은 N-타입 층(172)의 섬들(islands)을 분리한다. 도 4b 및 4c는 2개의 예들이다. N-타입 층(172)의 다른 구성들 및 평면도들도 역시 가능하다. 트렌치들(177)의 존재는, 후속하는 P-타입 층과 함께 P-N 접합부를 형성하는 N-타입 층(172)의 표면적을 증가시킨다. 큰 P-N 접합부 계면은, 각각의 픽셀들이 보다 많은 광을 흡수하여 보다 높은 세기의 전기 신호들을 생성할 수 있게 한다.
N-타입 층(172)이 패터닝된 후에, 유기 P-타입 층(173)이 패터닝된 N-타입 층(172) 위에 성막된다. 유기 P-타입 층(173)은 유기 반도체 재료로 제조된다. 일부 실시예들에서, 유기 P-타입 층(173)이 공액(conjugated) 폴리머로 제조된다. 예를 들어, 적용가능한 공액 폴리머들에는, 티오펜계(thiophene-based) 공액 폴리머, 예를 들어, 폴리(3-헥실티오펜)(P3HT), 벤조디티오펜계(benzodithiophene-based) 공액 폴리머, 티에노[3,4-c]피롤-4,6-디온(thieno[3,4-c]pyrrole-4,6-dione)(TPD)계 공액 폴리머, 디케토-피롤-피롤(diketo-pyrrole-pyrrole)(DPP)계 공액 폴리머, 비티아졸(bithiazole)(BTz)계 공액 폴리머들, 벤조티아디아졸(benzothiadiazole)(BT)계 공액 폴리머, 티에노[3,2-b]티오펜(thieno[3,2-b]thiophene)(TT)계 공액 폴리머 또는 이들의 조합들이 포함된다. 일부 실시예들에서, 유기 P-타입 층(173)는, P3HT와 같은 선택된 공액 폴리머(들)와 톨루엔 및/또는 1,2-디클로로벤젠과 같은 방향족 용매(들)를 혼합하고, 이어서 상기 혼합물을 상승된 온도에서 교반하는 것에 의해서 형성된다. 일부 실시예들에서, 상승된 온도가 약 60 ℃이다. 이어서, 공액 폴리머(들) 및 용매(액체 형태)의 혼합물이, 예를 들어, 노즐을 이용한 분무에 의해서, N-타입 층(172)의 표면 상으로 도포된다. 이어서, 증발에 의해서 용매(들)를 제거한다. P3HT와 같은 유기 P-타입 재료와 용매(들)의 혼합물이 N-타입 층(172)의 표면 상으로 도포될 때 액체 형태이기 때문에, 혼합물은 트렌치들(177)을 충진하고 그리고 실질적으로 편평한 표면(178)을 남긴다.
일부 실시예들에서, P-타입 층(173)의 LUMO가 약 2.8 eV 내지 약 3.6 eV 범위이고, 그리고 P-타입 층(173)의 HOMO가 약 4.5 eV 내지 약 5.6 eV의 범위이다. 2.8 eV 및 4.0 eV와 같은 낮은 값들은 픽셀 전극 층(170)(음극)의 일 함수에 근접한다. 4.5 eV 및 5.6 eV와 같은 높은 값들은 양극의 일 함수에 근접한다.
일부 실시예들에 따라서, 도 3에 도시된 바와 같이, N-타입 층(172)의 상단부 표면 위의 유기 P-타입 층(173)의 두께(DP)가 약 20 nm 내지 약 300 nm 범위이다. N-타입 층(172)의 하단부 표면 위의 유기 P-타입 층(173)의 두께(DPT)는 약 30 nm 내지 약 500 nm 범위이다. P-타입 층의 두께는, 상이한 타입들의 유기 P-타입 재료들의 이용으로 조정된다. P-타입 층(173) 및 N-타입 층(172)은 P-N 접합부(180)를 형성하고, 그러한 P-N 접합부는 포토다이오드의 P-타입 및 N-타입 재료들 사이의 계면이다.
도 3을 다시 참조하면, 일부 실시예들에서, 유기 P-타입 층(173)이 성막된 후에, 홀 운반(또는 전자 차단) 층(174)이 유기 P-타입 층(173) 위에 성막된다. 홀 운반 층(174)은, 홀들의 운반을 보조하고 그리고 전자들의 운반을 차단하는 일 함수를 가진다. 또한, 홀 운반 층(174)은 투명하고, 이는 광(도 2에 도시된 바와 같이, 150)이 통과할 수 있게 하고 P-N 접합부(180)에 도달할 수 있게 한다.
일부 실시예들에서, 홀 운반 층(174)이 MoO3, WO3, NiO, CuO, V2O5, 등과 같은 금속 산화물로 제조된다. 그 대신에, 홀 운반 층(174)이 폴리(3,4-에틸렌디오시티오펜):폴리(스틸렌술포네이트) (PEDOT:PSS)의 조합과 같은 폴리머들로 제조된다. 홀 운반 층(174)의 일 함수는 유기 P-타입 층(173) 및 양극(이하에서 설명됨)의 일 함수들의 사이이다.
일부 실시예들에서, 홀 운반 층(174)의 LUMO가 약 1.5 eV 내지 약 3.0 eV 범위이고 그리고 홀 운반 층(174)의 HOMO가 약 4.8 eV 내지 약 5.6 eV 범위이다. 예를 들어, PEDOT:PSS 의 일함수가 약 5.0 eV 이다. 만약, MoO3, WO3, NiO, CuO, V2O5, 등과 같은 금속 산화물이 홀 운반 층(174)을 위해서 이용된다면, 홀 운반 층(174)이 물리 기상 증착(PVD), 화학 기상 증착(CVD), 원자 층 증착(ALD), 또는 다른 적용가능한 프로세스에 의해서 성막될 수 있을 것이다. 일부 실시예들에서, 홀 운반 층(174)의 두께가 약 1 nm 내지 약 20 nm 범위이다. 전술한 바와 같이, 층(174)의 일 함수가, 재료의 선택 및 두께의 변경에 의해서, 조절될 수 있을 것이다.
홀 운반 층(174)이 성막된 후에, 투명한 전극 층(175)이 홀 운반 층(174) 위에 성막된다. 상기 투명한 전극 층(175)은 광(150)을 투과시켜 비출 수 있도록 투명하고 그리고 전극으로서 기능하도록 전도성을 가진다. 투명한 전극 층(175)을 위한 적합한 재료들의 예들에는 인듐 주석 산화물(ITO), 인듐 아연 산화물(IZO), 인듐 갈륨 산화물(IGZO), 등이 포함되나, 이러한 것으로 제한되는 것은 아니다. 일부 실시예들에서, 투명한 전극 층(175)이 물리 기상 증착(PVD)에 의해서 성막된다. 그러나, 화학 기상 증착(CVD) 또는 원자 층 증착(ALD)과 같은 다른 성막 프로세스들, 또는 다른 적용가능한 프로세스들이 또한 가능하다.
일부 실시예들에서, 투명한 전극 층(175)의 두께가 약 50 nm 내지 약 300 nm 범위이다. 일부 실시예들에서, 투명한 전극 층(175)의 일 함수가 약 4.5 eV 내지 약 5.5 eV 범위이다. 투명한 전극 층(175)의 일 함수는, 재료의 선택 및 두께의 변경에 의해서, 조절될 수 있을 것이다.
전술한 바와 같이, 포토다이오드들(135) 사이에 광-차단 구조물들(125)이 위치된다. 투명한 전극 층(175)이 성막된 후에, 패터닝 프로세스를 실시하여 포토다이오드들(135) 사이의, 층들(170-175)과 같은, 층들을 제거한다. 패터닝 프로세스는, 구조물들(125) 격리와 관련된 개구부들을 이용하여 포토레지스트 층(미도시)을 형성하는 단계, 및 개구부들 아래의 픽셀들(100)의 재료 층들의 일부를 제거하기 위해서 에칭하는 단계를 포함한다. 그 후에, 에칭이 완료되고, 나머지 포토레지스트 층이 제거된다. 이어서, 불-투명한 유전체 재료가 성막되어 개구부들을 충진하고 그리고 광-차단 구조물들(125)을 형성한다.
도 3은, N-타입 층(172)의 넓은 표면적으로 인한 큰 P-N 접합부(180)를 가지는 픽셀(100)을 포함한다. 큰 면적들의 P-N 접합부 계면을 생성하기 위한 다른 메커니즘들이 존재한다. 도 5는, 일부 실시예들에 따른, 포토다이오드(135')의 횡단면도를 포함한다. 포토다이오드(135')는 전술한 포토다이오드(135)와 유사하다. 그러나, 도 5에 도시된 바와 같이, 포토다이오드(135)를 위한 N-타입 층(172) 대신에, 픽셀 전극 층(170') 내에 트렌치들을 형성함으로써 포토다이오드(135')의 큰 P-N 접합부 계면(180')이 생성된다. 도 5는, 포토다이오드(135')가 도 3의 포토다이오드(135)의 층들(170-175)과 유사한 여러 가지 층들(170'-175')을 포함한다는 것을 도시한다. 그러나, N-타입 층(172') 의 큰 표면은 픽셀 전극 층(170') 내에 트렌치들을 형성하는 것에 의해서 생성된다.
픽셀 전극 층(170')의 재료 및 기능은 전술한 바와 같은 픽셀 전극 층(170)과 유사하다. 전술한 바와 같이, 픽셀 전극 층(170')이 전도성 재료로 형성되고 그리고 상호접속 구조물들(126) 위에 형성된다. 픽셀 전극 층(170')은 픽셀(100)의 포토다이오드의 음극을 형성한다. 일부 실시예들에서, 전극 층(170')의 전체 두께(TE)는 약 100 nm 내지 약 500 nm의 범위이다. 도 5에 도시된 실리콘의 층(170')의 두께는 도 4a-4c에 도시된 실시예의 층(170) 보다 더 두껍다. 층(170')에 적합한 재료가 앞서서 설명되었다. 도 6a에 도시된 바와 같이, 층(170')을 패턴화하여 트렌치들(177')을 형성한다. 일부 실시예들에서, 트렌치들(177')의 폭들(WT')은 약 50 nm 내지 약 1 ㎛ 범위이다. 일부 실시예들에서, 트렌치들(177')의 폭들(WT')이 동일하다. 그러나, 일부 실시예들에서, 트렌치들(177')의 폭들(WT')이 상이한 트렌치들(177') 사이에서 달라진다. 일부 실시예들에서, 트렌치들(177')의 깊이(DT')가 약 50 nm 내지 약 450 nm 범위이다. 일부 실시예들에서, 트렌치들(177')의 깊이들(DT')이 동일하다. 그러나, 일부 실시예들에서, 트렌치들(177')의 깊이들(DT')이 상이한 트렌치들(177') 사이에서 달라진다.
일부 실시예들에서, 2개의 이웃하는 트렌치들(177') 사이의 픽셀 전극 층(170')의 폭(WE)이 약 20 nm 내지 약 1 ㎛ 이다. 일부 실시예들에서, 트렌치들(177')이 전극 층(170') 내에 형성된 후에, 전자 운반 층(171')이 층(170') 위에 형성된다. 전자 운반 층(171')은, 그 기능 및 그 재료와 관련하여, 전술한 층(171)과 유사하다. 일부 실시예들에서, 전자 운반 층(171')의 두께는 약 0.1 nm 내지 약 20 nm 범위이다.
일부 실시예들에 따른 도 6b에 도시된 바와 같이, 전자 운반 층(171')은, 트렌치들(177')의 표면들을 포함하여, 픽셀 전극 층(170')의 표면을 덮는다. 일부 실시예들에서, 전자 운반 층(171')이 물리 기상 증착(PVD), 화학 기상 증착(CVD), 원자 층 증착(ALD), 또는 다른 적합한 방법들에 의해서 성막될 수 있을 것이다. 등각적인(conformal) 층을 형성하는 성막 방법이 바람직할 것이다. 일부 실시예들에서, 전자 운반 층(171')이 생략된다.
그 후에, N-타입 층(172')이 전자 운반 층(171') 위에, 또는 전자 운반 층(171')이 존재하지 않는 경우에 픽셀 전극 층(170') 위에 성막된다. N-타입 층(172')은 전술한 N-타입 층(172)과 유사하다. N-타입 층(172') 및 후속되는 P-타입 층이 P-N 접합부 다이오드들을 형성한다. 일부 실시예들에 따라서, 일부 실시예들에 따라서, N-타입 층(172')의 두께가 약 10 nm 내지 약 100 nm 범위이다.
일부 실시예들에 따른 도 6b에 도시된 바와 같이, N-타입 층(172')은 전자 운반 층(171')의 표면을 덮는다. N-타입 층(172')이 물리 기상 증착(PVD), 화학 기상 증착(CVD), 원자 층 증착(ALD), 또는 다른 적합한 방법들에 의해서 성막된다. 등각적인 층을 형성하는 성막 방법이 바람직할 것이다. 픽셀 전극 층(170') 내에 트렌치들(177')을 형성하는 것으로 인해서, N-타입 층(172')의 표면적이, 편평한 층들을 가지고 트렌치들(177')을 형성하지 않는 포토다이오드 구조물 보다 상당히 더 커지게 된다.
*N-타입 층(172')이 성막된 후에, 유기 P-타입 층(173')이 패터닝된 N-타입 층(172') 위에 성막된다. 유기 P-타입 층(173')은 전술한 유기 P-타입 층(173)과 유사하다. 일부 실시예들에 따른 도 6a에 도시된 바와 같이, P-타입 층(172')은 N-타입 층(172') 사이의 트렌치들을 충진하고 그리고 실질적으로 편평한 표면(178')을 남긴다.
N-타입 층(172')의 상단부 표면 위의 유기 P-타입 층(173')의 두께(DP')가 약 20 nm 내지 약 300 nm 범위이다. N-타입 층(172')의 하단부 표면 위의 유기 P-타입 층(173')의 두께(DPT')는 약 30 nm 내지 약 500 nm 범위이다. P-타입 층의 두께는, 상이한 타입들의 유기 P-타입 재료들의 이용으로 조정된다. P-타입 층(173') 및 N-타입 층(172')은 P-N 접합부(180')를 형성하고, 그러한 P-N 접합부는 포토다이오드의 P-타입 및 N-타입 재료들 사이의 계면이다.
유기 P-타입 층(173')이 성막된 후에, 홀 운반(또는 전자 차단) 층(174')이 유기 P-타입 층(173') 위에 성막된다. 홀 운반 층(174')은 전술한 홀 운반 층(174)과 유사하다. 이어서, 투명한 전극 층(175')이 상기 홀 운반 층(174') 위에 성막된다. 투명한 전극 층(175')은 전술한 투명한 전극 층(175)과 유사하다.
도 6c 및 6d는, 일부 실시예들에 따라, 도 6a의 패터닝된 픽셀 전극 층(170')의 평면도들이다. 도 6c는 층(170')의 길고 중실형인(그리고 연속적인) 스트립들을 분리하는 길고 연속적인 트렌치들인 트렌치들(177')을 포함한다. 도 6d는 X 및 Y 방향들 모두를 따라서 연장하는 길고 연속적인 트렌치들(177')을 포함한다. 트렌치들(177')은 픽셀 전극 층(170')의 섬들을 분리한다. 도 6c 및 6d는 2개의 예들이다. 픽셀 전극 층(170')의 다른 구성들 및 평면도들도 역시 가능하다. 예를 들어, 층(170')의 상단부 부분(섬들)의 평면도는 도 6d에서 직사각형-형상의 층(170')을 보여준다. 그러나, 도 6d의 픽셀 전극 층(170')이, 원형, 타원형, 또는 다른 적용가능한 형상들과 같은, 상이한 형상을 가질 수 있을 것이다. 유사하게, 도 6c의 픽셀 전극 층(170')의 상단부 부분의 평면도가 상이한 형상을 가질 수 있을 것이다. 픽셀 전극 층(170')의 섬들이 직사각형 바아들이 될 필요는 없을 것이다. 픽셀 층(170')의 상단부 부분의 평면도가 구불구불한(curvy) 바아들, 또는 다른 형상들이 될 수 있을 것이다. 도 4b 및 4c의 N-타입 층(172)과 유사한 구성들에 대한 설명이 이루어질 수 있을 것이다.
트렌치들(177')의 존재는, P-타입 층(173')과 함께 P-N 접합부를 형성하기 위한 N-타입 층(172')의 표면적을 증가시킨다. 포토다이오드(135)와 유사하게, 포토다이오드(135') 또한, 편평한 포토다이오드들 보다 우수한, 개선된 QE를 가진다. 일부 실시예들에서, P-N 접합부 계면 면적이 작은 트렌치들을 가지지 않는(또는 편평한 표면을 가지는) 포토다이오드들에 대비하여, QE가 약 20% 내지 약 200% 범위로 개선된다.
전술한 바와 같이, N-타입 층(172) 및 픽셀 전극 층(170') 내에 트렌치들을 형성하는 것에 더하여, 트렌치들이 또한 전자 운반 층(171) 내에 형성될 수 있을 것이다. 포토다이오드들을 형성하는데 포함되는 나머지 프로세스들은 포토다이오드들(135 및 135')에 대해서 설명된 프로세스들과 유사하다.
전술한 실시예들에서, 유기 포토다이오드들(135, 135')이 이미지 센서들로서 이용된다. 그러나, 유기 포토다이오드들이 또한 광검출기들을 포함하는 다른 적용예들에 대해서도 이용될 수 있을 것이다.
유기 포토다이오드들을 가지는 이미지 센서를 형성하는 실시예들이 제공된다. 트렌치들이 유기 포토다이오드들 내에 형성되어 P-N 접합부 계면 면적을 증가시키고, 그러한 면적 증가는 포토다이오드들의 양자 효율(QE)을 개선한다. 유기 P-타입 재료가 액체 형태로 도포되어 트렌치들을 충진한다. 다른 일 함수 값들 및 두께를 가지는 P-타입 재료들의 혼합을 이용하여 포토다이오드들에 대한 희망하는 일 함수 값을 충족시킬 수 있을 것이다.
일부 실시예들에 따라서, 포토다이오드가 제공된다. 포토다이오드는 제 1 전극 층, 및 N-타입 층을 포함한다. 복수의 트렌치들이 N-타입 층 내에 형성된다. 포토다이오드는 또한 N-타입 층 위에 형성된 유기 P-타입 층을 포함하고, 상기 유기 P-타입 층이 상기 N-타입 층 내의 트렌치들을 충진한다. 포토다이오드가 제 2 전극 층을 더 포함한다.
일부 다른 실시예들에 따라서, 포토다이오드가 제공된다. 포토다이오드는 제 1 전극 층, 및 N-타입 층을 포함한다. N-타입 층이 제 1의 복수의 트렌치들 위에 형성된다. 포토다이오드는 또한 N-타입 층 위에 형성된 유기 P-타입 층을 포함하고, 상기 유기 P-타입 층이 상기 N-타입 층 내의 트렌치들을 충진한다. 포토다이오드가 제 2 전극 층을 더 포함한다.
또 다른 일부 실시예들에 따라서, 전면 이미지 센서가 제공된다. 전면 이미지 센서는 N-타입 층과 유기 P-타입 층 사이의 계면에서 트렌치들을 가지는 유기 포토다이오드를 포함한다. 전면 이미지 센서는 또한 디바이스들 및 상호접속 구조물들을 가지는 기판, 컬러 필터 층, 및 마이크로-렌즈들을 포함한다.
비록, 실시예들 및 그 실시예들의 장점들을 구체적으로 설명하였지만, 첨부된 청구항들에 의해서 규정된 개시 내용의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않고도 여러 가지 변경들, 치환들 및 변경들이 여기에서 이루어질 수 있다는 것을 이해하여야 할 것이다. 또한, 본원의 범위는 명세서에 기술된 프로세스, 기계, 제조, 물질의 조성, 수단, 방법들 및 단계들의 특별한 실시예들로 제한되지 않을 것이다. 본원의 개시 내용으로부터, 본원에서 개시된 상응하는 실시예들과 실질적으로 동일한 결과를 달성하는 또는 실질적으로 동일한 기능을 실시하는, 기존의 또는 추후에 개발되는 프로세스, 기계들, 제조, 물질의 조성, 수단, 방법들, 또는 단계들이 본원 개시 내용에 따라서 이용될 수 있을 것임을 당업자는 용이하게 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 첨부된 청구항들은 그러한 프로세스, 기계들, 제조, 물질의 조성, 수단, 방법들, 또는 단계들을 그 청구항들의 범위 내에 포함하도록 의도된 것이다. 또한, 각각의 청구항은 독립적인 실시예를 구성하고, 그리고 여러 가지 청구항들 및 실시예들의 조합이 본원 개시 내용의 범위에 포함된다.

Claims (8)

  1. 포토다이오드를 형성하는 방법에 있어서,
    제1 전극 층의 표면을 패터닝하고 상기 패터닝된 표면에 따라 상기 제1 전극 층을 제거하기 위해 에칭 공정을 사용함으로써, 상기 제1 전극 층에 복수의 트렌치들을 형성하는 단계로서, 상기 복수의 트렌치들은,
    상기 포토다이오드의 탑-다운 뷰(top-down view)에서 제1 방향으로 배치된 제1 길이들을 각각 갖는 제1 트렌치들; 및
    상기 제1 트렌치들과 교차하도록 배치된 제2 트렌치들 － 상기 제2 트렌치들은 상기 포토다이오드의 탑-다운 뷰에서 상기 제1 방향에 수직하는 제2 방향으로 배치된 제2 길이들을 각각 가짐 － 을 포함하는 것인, 상기 제1 전극 층에 복수의 트렌치들을 형성하는 단계;
    상기 제1 전극 층 상에 전자 운반 층을 성막하는 단계;
    상기 전자 운반 층 상에 N-타입 층을 성막하는 단계;
    상기 N-타입 층 상에 유기 P-타입 층을 성막하는 단계로서,
    혼합물을 형성하기 위해 공액 폴리머(conjugated polymer)와 용매를 혼합하는 단계;
    상기 N-타입 층 상에 상기 혼합물을 액체 형태로 분사하는 단계; 및
    상기 N-타입 층 상에 상기 혼합물을 분사한 후에, 상기 혼합물로부터 상기 용매를 증발시키는 단계
    를 포함하는 것인, 상기 유기 P-타입 층을 성막하는 단계; 및
    상기 유기 P-타입 층 위에 제2 전극 층을 성막하는 단계
    을 포함하는 포토다이오드 형성 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 N-타입 층을 성막하는 단계는, 물리 기상 증착(physical vapor deposition; PVD), 화학 기상 증착(chemical vapor deposition; CVD), 원자 층 증착(atomic layer deposition; ALD), 또는 이들의 조합을 포함하는 것인, 포토다이오드 형성 방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 유기 P-타입 층은 티오펜계 공액 폴리머, 벤조디티오펜계 공액 폴리머, 티에노[3,4-c]피롤-4,6-디온(TPD)계 공액 폴리머, 디케토-피롤-피롤(DPP)계 공액 폴리머, 비티아졸(BTz)계 공액 폴리머들, 벤조티아디아졸(BT)계 공액 폴리머, 티에노[3,2-b]티오펜(TT)계 공액 폴리머 또는 이들의 조합으로 제조되는 것인, 포토다이오드 형성 방법.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 전극 층의 섬의 제1 측 및 제2 측은 상기 제1 트렌치들 중 인접하는 제1 트렌치들과 경계를 이루고, 제3 측 및 제4 측은 상기 제2 트렌치들 중 인접하는 제2 트렌치들과 경계를 이루는 것인, 포토다이오드 형성 방법.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제 2 전극 층은 투명한 것인, 포토다이오드 형성 방법.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 전극 층을 성막하는 단계 전에, 상기 유기 P-타입 층 상에 홀 운반 층을 성막하는 단계를 더 포함하고,
    상기 홀 운반 층은 투명한 것인, 포토다이오드 형성 방법.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 포토다이오드는 전면 이미지 센서인 것인, 포토다이오드 형성 방법.
  8. 전면 이미지 센서를 형성하는 방법에 있어서,
    디바이스들 및 상호접속 구조물들을 가지는 기판을 제공하는 단계;
    제1 항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따라 상기 상호 접속 구조물들 위에 포토다이오드를 형성하는 단계;
    상기 포토다이오드 위에 컬러 필터 층을 형성하는 단계; 및
    상기 컬러 필터 층 위에 마이크로-렌즈를 형성하는 단계
    를 포함하는, 전면 이미지 센서 형성 방법.
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