KR102441585B1 - 광검출 소자 및 그 제조방법과, 이미지 센서 및 그 제조방법 - Google Patents

광검출 소자 및 그 제조방법과, 이미지 센서 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

광검출 소자 및 그 제조방법과, 이미지 센서 및 그 제조방법이 개시된다. 개시된 광검출 소자는, 제1 절연층과 상기 제1 절연층에 마련되는 실리콘층과, 상기 실리콘층에 마련되는 적어도 하나의 실리콘 나노와이어와, 상기 적어도 하나의 실리콘 나노와이어와 전기적으로 마련되는 전극을 포함한다. 여기서, 제1 절연층 및 실리콘층에는 적어도 하나의 금속 플러그가 관통하도록 마련되어 있다.

Description

광검출 소자 및 그 제조방법과, 이미지 센서 및 그 제조방법{Photodetecting device and method of manufacturing the photodetecting device, and image sensor and method of manufacturing the image sensor}
광검출 소자 및 그 제조방법과, 이미지 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적인 컬러 이미지 센서에서는, 예를 들어, 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B)를 구현하기 위해서는 유기 컬러 필터(organic color filter)를 통한 응답 과정이 필요하다. 그러나, 유기 컬러 필터는 내구성 문제, 낮은 흡수 계수 및 복잡한 제작 공정 등과 같은 단점을 가지고 있고, 또한 자외선(UV)을 조사하는 경우 공정 온도가 높은 경우에는 그 특성이 저하될 수 있다. 그리고, 고해상도를 구현하기 위해서는 픽셀의 크기가 작아져야 하는데 이러한 픽셀의 크기에 대응하는 유기 컬러 필터를 제작하기가 어려운 문제가 있다.
광검출 소자 및 그 제조방법과, 이미지 센서 및 그 제조방법을 제공한다.
일 측면에 있어서,
제1 절연층;
상기 제1 절연층에 마련되는 실리콘층;
상기 제1 절연층 및 상기 실리콘층을 관통하도록 마련되는 적어도 하나의 금속 플러그(metal plug);
상기 실리콘층에 마련되는 적어도 하나의 실리콘 나노와이어; 및
상기 적어도 하나의 실리콘 나노와이어와 전기적으로 연결되도록 마련되는 전극;을 포함하는 광검출 소자가 제공된다.
상기 실리콘층과 상기 전극 사이에는 상기 적어도 하나의 실리콘 나노와이어를 둘러싸도록 제2 절연층이 더 마련될 수 있다. 상기 적어도 하나의 실리콘 나노와이어는 상기 실리콘층에 대해 수직 또는 소정 각도로 경사지게 배열될 수 있다.
상기 제1 절연층과 상기 실리콘층 사이에는 촉매층이 더 마련될 수 있다. 상기 촉매층은 절연성을 가지는 금속 산화물을 포함할 수 있다. 상기 금속 산화물은 예를 들면, 니켈 산화물, 코발트 산화물 또는 구리 산화물을 포함할 수 있다.
상기 실리콘 나노와이어는 상기 실리콘층에 마련되는 제1 실리콘 와이어와,상기 제1 실리콘 와이어로부터 연장되어 상기 전극과 연결되는 제2 실리콘 와이어를 포함할 수 있다. 상기 실리콘층은 제1도전형 실리콘을 포함할 수 있다. 그리고, 상기 제1 실리콘 와이어는 제1도전형 실리콘 또는 도핑되지 않은(undoped) 실리콘을 포함하고, 상기 제2 실리콘 와이어는 제2도전형 실리콘을 포함할 수 있다.
상기 실리콘 나노와이어는 제1 실리콘 와이어와, 상기 제1 실리콘 와이어의 일단부로부터 연장되어 상기 전극과 연결되는 제2 실리콘 와이어와, 상기 제1 실리콘 와이어의 타단부로부터 연장되어 상기 실리콘층과 연결되는 제3 실리콘 와이어를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 제1 실리콘 와이어는 도핑되지 않은 실리콘을 포함하고, 상기 실리콘층 및 상기 제3 실리콘 와이어는 제1도전형 실리콘을 포함하며, 상기 제2 실리콘 와이어는 제2도전형 실리콘을 포함할 수 있다.
상기 실리콘 나노와이어는 대략 수㎛ ~ 수십㎛의 높이 및 수nm ~ 수백nm의 직경을 가질 수 있다. 상기 전극은 투명한 도전성 산화물(TCO; Transparent Conductive Oxide)를 포함할 수 있다.
상기 전극에는 마이크로 렌즈층이 더 마련될 수 있다. 그리고, 상기 전극과 상기 마이크로 렌즈층 사이에는 평탄화층이 더 마련될 수 있다.
다른 측면에 있어서,
복수개의 픽셀을 포함하는 이미지 센서에 있어서,
상기 픽셀들 각각은,
회로 기판; 및
상기 회로 기판에 마련되는 복수개의 광검출 소자;를 포함하고,
상기 광검출 소자들 각각은,
제1 절연층;
상기 제1 절연층에 마련되는 실리콘층;
상기 제1 절연층 및 상기 실리콘층을 관통하여 상기 회로 기판과 전기적으로 연결되도록 마련되는 적어도 하나의 금속 플러그;
상기 실리콘층에 마련되는 적어도 하나의 실리콘 나노와이어;
상기 적어도 하나의 실리콘 나노와이어를 둘러싸도록 마련되는 제2 절연층; 및
상기 제2 절연층에 상기 적어도 하나의 실리콘 나노와이어와 전기적으로 연결되도록 마련되는 전극;을 포함하는 이미지 센서가 제공된다.
상기 광검출 소자들은 서로 다른 색상들의 빛을 검출하도록 서로 다른 직경을 가지는 상기 실리콘 나노와이어들을 포함할 수 있다. 상기 회로 기판은 예를 들면, CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 기판, 인쇄 회로기판(PCB; Printed Circuit Board) 또는 디스플레이 패널을 포함할 수 있다.
상기 제1 절연층과 상기 실리콘층 사이에는 촉매층이 더 마련될 수 있다. 상기 촉매층은 절연성을 가지는 금속 산화물을 포함할 수 있다.
상기 실리콘 나노와이어는 상기 실리콘층에 마련되는 제1 실리콘 와이어와, 상기 제1 실리콘 와이어로부터 연장되어 상기 전극과 연결되는 제2 실리콘 와이어를 포함할 수 있다. 상기 실리콘층은 제1도전형 실리콘을 포함하고, 상기 제1 실리콘 와이어는 제1도전형 실리콘 또는 도핑되지 않은 실리콘을 포함하며, 상기 제2 실리콘 와이어는 제2도전형 실리콘을 포함할 수 있다.
상기 실리콘 나노와이어는 제1 실리콘 와이어와, 상기 제1 실리콘 와이어의 일단부로부터 연장되어 상기 전극과 연결되는 제2 실리콘 와이어와, 상기 제1 실리콘 와이어의 타단부로부터 연장되어 상기 실리콘층과 연결되는 제3 실리콘 와이어를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 제1 실리콘 와이어는 도핑되지 않은 실리콘을 포함하고, 상기 실리콘층 및 상기 제3 실리콘 와이어는 제1도전형 실리콘을 포함하며, 상기 제2 실리콘 와이어는 제2도전형 실리콘을 포함할 수 있다.
다른 측면에 있어서,
제1 절연층에 촉매층 및 비정질 실리콘층을 순차적으로 형성하는 단계;
상기 비정질 실리콘층, 상기 촉매층 및 상기 제1 절연층을 관통하는 적어도 하나의 금속 플러그를 형성하는 단계;
상기 비정질 실리콘층에 제2 절연층을 형성하고, 상기 제2 절연층에 상기 비정질 실리콘층을 노출시키는 적어도 하나의 나노홀(nano-hole)을 형성하는 단계;
상기 나노홀을 비정질 실리콘으로 채워서 비정질 실리콘 나노와이어를 형성하는 단계;
상기 비정질 실리콘 나노와이어의 상부를 도핑하는 단계;
상기 비정질 실리콘층 및 상기 비정질 실리콘 나노와이어를 결정화시켜 실리콘층 및 실리콘 나노와이어를 형성하는 단계; 및
상기 제2 절연층에 상기 실리콘 나노와이어와 전기적으로 연결되는 전극을 형성하는 단계;를 포함하는 광검출 소자의 제조방법이 제공된다.
상기 비정질 실리콘층 및 상기 비정질 실리콘 나노와이어는 금속 유도 결정화(MIC; Metal Induced Crystallization) 공정에 의해 결정화될 수 있다.
상기 실리콘 나노와이어는 상기 실리콘층에 형성되는 제1 실리콘 와이어와, 상기 제1 실리콘 와이어로부터 연장되는 제2 실리콘 와이어를 포함할 수 있다. 상기 실리콘층은 제1도전형 실리콘을 포함하고, 상기 제1 실리콘 와이어는 제1도전형 실리콘 또는 도핑되지 않은 실리콘을 포함하며, 상기 제2 실리콘 와이어는 제2도전형 실리콘을 포함할 수 있다.
상기 나노홀을 비정질 실리콘으로 채워서 비정질 실리콘 나노와이어를 형성하는 단계는 상기 나노홀을 도핑된 비정질 실리콘 및 도핑되지 않은 비정질 실리콘으로 채워서 상기 비정질 실리콘 나노와이어를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 실리콘 나노와이어는 제1 실리콘 와이어와, 상기 제1 실리콘 와이어의 일단부로부터 연장되어 상기 전극과 연결되는 제2 실리콘 와이어와, 상기 제1 실리콘 와이어의 타단부로부터 연장되어 상기 실리콘층과 연결되는 제3 실리콘 와이어를 포함할 수 있다. 상기 제1 실리콘 와이어는 도핑되지 않은 실리콘을 포함하고, 상기 실리콘층 및 상기 제3 실리콘 와이어는 제1도전형 실리콘을 포함하며, 상기 제2 실리콘 와이어는 제2도전형 실리콘을 포함할 수 있다.
상기 촉매층은 절연성을 가지는 금속 산화물을 포함할 수 있다.
다른 측면에 있어서,
회로 기판에 제1 절연층, 촉매층 및 비정질 실리콘층을 순차적으로 형성하는 단계;
상기 비정질 실리콘층, 상기 촉매층 및 상기 제1 절연층을 관통하여 회로 기판에 전기적으로 연결되는 적어도 하나의 금속 플러그를 형성하는 단계;
상기 비정질 실리콘층에 제2 절연층을 형성하고, 상기 제2 절연층에 상기 비정질 실리콘층을 노출시키는 적어도 하나의 나노홀을 형성하는 단계;
상기 나노홀을 비정질 실리콘으로 채워서 비정질 실리콘 나노와이어를 형성하는 단계;
상기 비정질 실리콘 나노와이어의 상부를 도핑하는 단계;
상기 비정질 실리콘층 및 상기 비정질 실리콘 나노와이어를 결정화시켜 실리콘층 및 실리콘 나노와이어를 형성하는 단계; 및
상기 제2 절연층에 상기 실리콘 나노와이어와 전기적으로 연결되는 전극을 형성하는 단계;를 포함하는 이미지 센서의 제조방법이 제공된다.
상기 비정질 실리콘층 및 상기 비정질 실리콘 나노와이어는 금속 유도 결정화 공정에 의해 결정화될 수 있다.
상기 촉매층은 절연성을 가지는 금속 산화물을 포함할 수 있다. 상기 회로 기판은 CMOS 기판, 인쇄 회로기판 또는 디스플레이 패널을 포함할 수 있다.
다른 측면에 있어서,
복수의 광검출 소자를 제작하는 단계; 및
상기 광검출 소자들을 회로 기판에 전사하는 단계;를 포함하고,
상기 광검출 소자들 각각을 제작하는 단계는,
제1 절연층에 촉매층 및 비정질 실리콘층을 순차적으로 형성하는 단계;
상기 비정질 실리콘층, 상기 촉매층 및 상기 제1 절연층을 관통하는 적어도 하나의 금속 플러그를 형성하는 단계;
상기 비정질 실리콘층에 제2 절연층을 형성하고, 상기 제2 절연층에 상기 비정질 실리콘층을 노출시키는 적어도 하나의 나노홀을 형성하는 단계;
상기 나노홀을 비정질 실리콘으로 채워서 비정질 실리콘 나노와이어를 형성하는 단계;
상기 비정질 실리콘 나노와이어의 상부를 도핑하는 단계;
상기 비정질 실리콘층 및 상기 비정질 실리콘 나노와이어를 결정화시켜 실리콘층 및 실리콘 나노와이어를 형성하는 단계; 및
상기 실리콘 나노와이어와 전기적으로 연결되는 전극을 상기 제2 절연층에 형성하는 단계;를 포함하는 이미지 센서의 제조방법이 제공된다.
실시예들에 의하면, 광검출 소자가 적어도 하나의 실리콘 나노와이어를 포함하고, 여기서, 실리콘 나노와이어의 직경을 조절함으로써 광검출 소자는 원하는 파장의 빛을 검출할 수 있다. 그리고, 서로 다른 직경을 가지는 실리콘 나노와이어들을 포함하는 복수개의 광검출 소자를 회로 기판에 마련함으로써 컬러 화상을 구현할 수 있는 이미지 센서를 제작할 수 있다. 이러한 광검출 소자 및 이미지 센서는 절연성을 가지는 금속 산화물을 촉매층으로 이용한 금속 유도 결정화(MIC; Metal Induced Crystallization) 공정에 의해 제작될 수 있다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 광검출 소자를 도시한 단면도이다.
도 2는 다른 예시적인 실시예에 따른 광검출 소자를 도시한 단면도이다.
도 3은 다른 예시적인 실시예에 따른 광검출 소자를 도시한 단면도이다.
도 4는 다른 예시적인 실시예에 따른 이미지 센서의 평면도이다.
도 5는 도 4에 도시된 픽셀의 단면을 도시한 것이다.
도 6은 다른 예시적인 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀을 도시한 단면도이다.
도 7은 다른 예시적인 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀을 도시한 단면도이다.
도 8 내지 도 18은 다른 예시적인 실시예에 따른 광검출 소자의 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 19 내지 도 22는 다른 예시적인 실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 23 내지 도 28은 다른 예시적인 실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다. 또한, 소정의 물질층이 기판이나 다른 층 에 존재한다고 설명될 때, 그 물질층은 기판이나 다른 층에 직접 접하면서 존재할 수도 있고, 그 사이에 다른 제3의 층이 존재할 수도 있다. 그리고, 아래의 실시예에서 각 층을 이루는 물질은 예시적인 것이므로, 이외에 다른 물질이 사용될 수도 있다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 광검출 소자(100)를 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 광검출 소자(100)는 제1 절연층(120)과, 실리콘층(140)과, 복수의 금속 플러그(metal plugs,135)와, 복수의 실리콘 나노와이어(Si nanowires,)와. 전극(170)을 포함한다. 여기서, 제1 절연층(120)은 기판(111)에 마련될 수도 있다. 기판(111)으로는 단단한 재질의 기판이나 또는 유연한 재질의 기판 등이 사용될 수 있다. 또한, 기판(111)으로는 CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 기판이나 인쇄 회로 기판(PCB; Printed Circuit Board) 또는 디스플레이 패널 등과 같이 전극 패턴이 형성된 회로 기판이 사용될 수도 있다. 제1 절연층(120)은 예를 들면, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 또는 알루미늄 산화물 등을 포함할 수 있다.
제1 절연층(120)에는 실리콘층(140)이 마련될 수 있다. 여기서, 실리콘층(140)은 결정질 구조(crystalline structure)를 가질 수 있다. 이러한 실리콘층(140)은 제1도전형 실리콘을 포함할 수 있다. 예를 들면, 실리콘층(140)은 n형 실리콘을 포함할 수 있다. 구체적인 예로서, 실리콘층은 n+형 실리콘을 포함할 수 있다. 여기서, n+형 실리콘은 불순물의 도핑 농도가 높은 n형 실리콘을 말한다. 대체적으로(alternatively), 실리콘층(140)은 p형 실리콘을 포함할 수 있다. 이 경우, 실리콘층(140)은 p+형 실리콘을 포함할 수 있다. 여기서, p+형 실리콘은 불순물의 도핑 농도가 높은 p형 실리콘을 말한다.
제1 절연층(120)과 실리콘층(140) 사이에는 촉매층(130)이 더 마련될 수 있다. 여기서, 촉매층(130)은 후술하는 바와 같이 비정질 실리콘을 결정화시키기 위해 사용되는 것으로, 절연성 금속산화물을 포함할 수 있다. 예를 들면, 촉매층(130)은 니켈 산화물, 코발트 산화물 또는 구리 산화물 등을 포함할 수 있다. 이러한 촉매층(130)은 예를 들면, 원자층 증착(ALD)이나 또는 물리기상증착(PVD), 화학기상증착(CVD) 의해 형성될 수 있다. 한편, 본 실시예에서 제1 절연층(120)과 실리콘층(140) 사이에는 촉매층(130)이 마련되지 않을 수도 있다.
복수의 금속 플러그(135)가 제1 절연층(120), 촉매층(130) 및 실리콘층(140)을 관통하도록 마련될 수 있다. 제1 절연층(120), 촉매층(130) 및 실리콘층(140)에는 복수의 비아홀(via holes)이 관통하도록 형성될 수 있으며, 금속 플러그들(135)이 비아홀들을 채우도록 마련될 수 있다. 이러한 금속 플러그들(135)은 도전성이 우수한 금속을 포함할 수 있다. 한편, 도면에서는 제1 절연층(120), 촉매층(130) 및 실리콘층(140)을 관통하는 복수의 금속 플러그(135)가 예시적으로 도시되어 있으나, 하나의 금속 플러그(135)가 제1 절연층(120), 촉매층(130) 및 실리콘층(140)을 관통하도록 마련될 수도 있다.
실리콘층(140)에는 복수의 실리콘 나노와이어(150)가 마련되어 있다. 여기서, 실리콘 나노와이어들(150)은 결정질 구조를 가질 수 있다. 이러한 실리콘 나노와이어들(150)은 실리콘층(140)에 대해 수직으로 배열될 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며 실리콘 나노와이어들(150)은 실리콘층(140)에 대해 일정한 각도로 경사지게 배열될 수도 있다. 실리콘 나노와이어들(150) 각각은 실리콘층(140)에 마련되는 제1 실리콘 와이어(151)와, 이 제1 실리콘 와이어(151)로부터 연장된 제2 실리콘 와이어(152)를 포함할 수 있다.
실리콘층(140)에 마련된 제1 실리콘 와이어(151)는 제1도전형 실리콘을 포함할 수 있다. 예를 들면, 실리콘층(140)이 n형 실리콘을 포함하는 경우, 제1 실리콘 와이어(151)는 n형 실리콘을 포함할 수 있다. 구체적인 예로서, 실리콘층(140)이 n+형 실리콘을 포함하는 경우, 제1 실리콘 와이어(151)는 n-형 실리콘을 포함할 수 있다. 여기서, n-형 실리콘은 n+ 실리콘에 비해 불순물의 도핑 농도가 낮은 n형 실리콘을 말한다. 한편, 실리콘층(140)이 p형 실리콘을 포함하는 경우, 제1 실리콘 와이어(151)는 p형 실리콘을 포함할 수 있다. 구체적인 예로서, 실리콘층(140)이 p+형 실리콘을 포함하는 경우, 제1 실리콘 와이어(151)는 p-형 실리콘을 포함할 수 있다. 여기서, p-형 실리콘은 p+형 실리콘에 비해 불순물의 도핑 농도가 낮은 p형 실리콘을 말한다. 대체적으로, 제1 실리콘 와이어(151)는 도핑되지 않은(undoped) 실리콘을 포함할 수도 있다.
제1 실리콘 와이어(151)로부터 연장된 제2 실리콘 와이어(152)는 제2도전형 실리콘을 포함할 수 있다. 예를 들면, 실리콘층(140)이 n형 실리콘을 포함하는 경우, 제2 실리콘 와이어(152)는 p형 실리콘을 포함할 수 있다. 구체적인 예로서, 실리콘층(140) 및 제1 실리콘 와이어(151)가 각각 n+형 실리콘 및 n-형 실리콘을 포함하는 경우, 제2 실리콘 와이어(152)는 p+형 실리콘을 포함할 수 있다. 이 경우, 실리콘층(140), 제1 실리콘 와이어(151) 및 제2 실리콘 와이어(152)는 p-n 결합(junction)을 형성할 수 있다. 또한, 다른 구체적인 예로서, 실리콘층(140) 및 제1 실리콘 와이어(151)가 각각 n+형 실리콘 및 도핑되지 않은 실리콘을 포함하는 경우, 제2 실리콘 와이어(152)는 p+형 실리콘을 포함할 수 있다. 이 경우, 실리콘층(140), 제1 실리콘 와이어(151) 및 제2 실리콘 와이어(152)는 p-i-n 결합을 형성할 수 있다.
실리콘층(140)이 p형 실리콘을 포함하는 경우, 제2 실리콘 와이어(152)는 n형 실리콘을 포함할 수 있다. 구체적인 예로서, 실리콘층(140) 및 제1 실리콘 와이어(151)가 각각 p+ 실리콘 및 p-형 실리콘을 포함하는 경우, 제2 실리콘 와이어(152)는 n+형 실리콘을 포함할 수 있다. 이 경우, 실리콘층(140), 제1 실리콘 와이어(151) 및 제2 실리콘 와이어(152)는 p-n 결합을 형성할 수 있다. 또한, 다른 구체적인 예로서, 실리콘층(140) 및 제1 실리콘 와이어(151)가 각각 p+형 실리콘 및 도핑되지 않은 실리콘을 포함하는 경우, 제2 실리콘 와이어(152)는 n+형 실리콘을 포함할 수 있다. 이 경우, 실리콘층(140), 제1 실리콘 와이어(151) 및 제2 실리콘 와이어(152)는 p-i-n 결합을 형성할 수 있다.
제1 실리콘 와이어(151)와 제2 실리콘 와이어(152)로 이루어진 실리콘 나노와이어(150)는 대략 수nm ~ 수백nm의 직경을 가질 수 있으며, 대략 수㎛ ~ 수십㎛의 높이를 가질 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 실리콘 나노와이어(150)는 그 직경에 따라 파장이 다른 빛을 검출할 수 있다. 예를 들면, 실리콘 나노와이어(150)의 직경이 증가할수록 긴 파장의 빛(예를 들면, 적색광)을 검출할 수 있으며, 실리콘 나노와이어(150)의 직경이 감소할수록 짧은 파장의 빛(예를 들면, 청색광)을 검출할 수 있다. 한편, 도면에서는 실리콘층(140)에 복수개의 실리콘 나노와이어(150)가 배열되는 경우가 예시적으로 도시되었으나, 실리콘층(140)에 하나의 실리콘 나노와이어(150)만이 마련될 수도 있다.
실리콘층(140)에는 실리콘 나노와이어들(150)을 둘러싸도록 제2 절연층(160)이 마련될 수 있다. 제2 절연층(160)은 실리콘 나노와이어들(150)의 높이에 대응하는 두께로 마련될 수 있다. 이에 따라, 제2 절연층(160)은 대략 수㎛ ~ 수십㎛의 두께를 가질 수 있다. 이러한 제2 절연층(160)은 예를 들면, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 또는 알루미늄 산화물 등을 포함할 수 있다.
제2 절연층(160)에는 전극(170)이 마련되어 있다. 이러한 전극(170)은 실리콘 나노와이어(150)의 상단, 즉 제2 실리콘 와이어(152)의 상단과 전기적으로 연결되어 있다. 전극(170)은 예를 들면, ITO(Indium Tin Oxide) 등과 같은 투명한 도전성 산화물(TCO; Transparent Conductive Oxide)을 포함할 수 있다. 한편, 본 실시예에서 실리콘 나노와이어들(150)을 둘러싸는 제2 절연층(160)은 마련되지 않을 수도 있다
상기와 같은 구조에서, 외부로부터 빛이 광검출 소자(100)에 입사하게 되면, 광검출 소자(100)의 p-n 접합 또는 p-i-n 접합에서 전자와 정공의 발생하게 되고, 이에 따라 전극(170) 및 금속 플러그들(135)를 통해 전류가 흐름으로써 외부로부터 입사되는 빛을 검출할 수 있다. 여기서, 광검출 소자(100)를 구성하는 실리콘 나노와이어들(150)의 직경을 조절하게 되면 다양한 파장의 빛을 검출할 수 있다. 한편, 이상에서 설명된 광검출 소자(100)를 복수개로 마련하고, 광검출 소자들(100) 내의 실리콘 나노와이어들(150)의 직경을 서로 다르게 함으로써 컬러 화상을 구현할 수 있는 이미지 센서를 제작할 수 있다.
도 2는 다른 예시적인 실시예에 따른 광검출 소자(100')를 도시한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 실리콘 나노와이어들(150)의 상단에 마련된 전극(170)에는 마이크로 렌즈층(micro lens layer,190)이 마련될 수 있다. 그리고, 전극(170)과 마이크로 렌즈층(190) 사에는 평탄화층(planarization layer,180)이 추가적으로 마련될 수 있다. 마이크로 렌즈층(190)은 외부의 빛을 집속하여 실리콘 나노와이어들(150)로 효율적으로 입사되도록 하는 역할을 한다. 그리고, 평탄화층(180)은 실리콘 나노와이어들(150)과 제2 절연층(160)의 형성에 의해 발생되는 전극(170)의 불균일한 상면에 마련됨으로써 평탄화된 상면을 제공할 수 있다. 이러한 평탄화층(180)의 상면에는 마이크로 렌즈층(190)을 효과적으로 형성할 수 있다.
도 3은 다른 예시적인 실시예에 따른 광검출 소자(100")를 도시한 단면도이다.
도 3을 참조하면, 실리콘 나노와이어(150")는 제1 실리콘 와이어(151)와, 제1 실리콘 와이어(151)의 상단부로부터 연장된 제2 실리콘 와이어(152)와, 제1 실리콘 와이어(151)의 하단부로부터 연장된 제3 실리콘 와이어(154)를 포함할 수 있다. 여기서, 제2 실리콘 와이어(152)는 전극(170)과 연결되도록 마련되며, 제3 실리콘 와이어(154)는 실리콘층(140)과 연결되도록 마련되어 있다. 이에 따라, 제3 실리콘 와이어(154)는 제1도전형 실리콘을 포함할 수 있으며, 제2 실리콘 와이어(152)는 제2도전형 실리콘을 포함할 수 있다. 그리고, 제1 실리콘 와이어(151)는 도핑되지 않은 실리콘을 포함할 수 있다. 한편, 도 3에는 도시되어 있지 않으나, 전극(170)에는 평탄화층 및 마이크로 렌즈층이 더 마련될 수도 있다.
도 4는 다른 예시적인 실시예에 따른 이미지 센서(1000)의 평면도이다. 그리고, 도 5는 도 4에 도시된 픽셀(200)의 단면을 도시한 것이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 이미지 센서(1000)는 복수개의 픽셀(200)을 포함한다. 여기서, 픽셀들(200) 각각은 회로 기판(210)에 마련된 복수개의 광검출 소자(200R,200G,200B)를 포함할 수 있다. 예를 들면, 픽셀들(200) 각각은 적색 광검출 소자(200R), 녹색 광검출 소자(200G) 및 청색 광검출 소자(200B)를 포함할 수 있다. 하지만, 이는 단지 예시적인 것으로, 픽셀들(200) 각각을 구성하는 광검출 소자들(200R,200G,200B)의 개수 및 그 색상들은 다양하게 변형될 수 있다.
회로 기판(210)은 광검출 소자들(200R,200G,200B)과 전기적으로 연결되는 전극 패턴을 포함한다. 이러한 회로 기판(210)은 예를 들면, CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 기판이 될 수 있다. 이러한 CMOS 기판에 복수개의 광검출 소자(200R,200G,200B)가 마련됨으로써 제작된 이미지 센서를 CIS(CMOS Image Sensor)라고 불린다. 한편, 회로 기판(210)은 CMOS 기판 외에도 인쇄 회로기판(PCB; Printed Circuit Board)이나 디스플레이 패널 등과 같은 다양한 기판을 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
적색 광검출 소자(200R)는 회로 기판(210)에 마련되는 제1 절연층(220), 실리콘층(240), 적어도 하나의 금속 플러그(235), 적어도 하나의 적색 실리콘 나노와이어(250R), 제2 절연층(260) 및 전극(270)을 포함할 수 있다.
제1 절연층(220)은 예를 들면, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 또는 알루미늄 산화물 등을 포함할 수 있다. 제1 절연층(220)에는 실리콘층(240)이 마련될 수 있다. 여기서, 실리콘층(240)은 결정질 구조(crystalline structure)를 가질 수 있다. 이러한 실리콘층(240)은 제1도전형 실리콘을 포함할 수 있다. 한편, 실리콘층(240)은 p형 실리콘을 포함할 수도 있다. 제1 절연층(220)과 실리콘층(240) 사이에는 촉매층(230)이 더 마련될 수 있다. 예를 들면, 촉매층(230)은 니켈 산화물, 코발트 산화물 또는 구리 산화물 등을 포함할 수 있다. 한편, 제1 절연층(220)과 실리콘층(240) 사이에는 촉매층(230)이 마련되지 않을 수도 있다.
적어도 하나의 금속 플러그(235)가 제1 절연층(220), 촉매층(230) 및 실리콘층(240)을 관통하도록 마련될 수 있다. 이에 따라, 적어도 하나의 금속 플러그(235)는 회로 기판(210)의 전극 패턴과 전기적으로 연결될 수 있다.
실리콘층(240)에는 적어도 하나의 적색 실리콘 나노와이어(250R)가 마련되어 있다. 여기서, 적색 실리콘 나노와이어(250R)는 적색광을 검출할 수 있는 직경(D1)을 가질 수 있다. 이러한 적색 실리콘 나노와이어(250R)는 후술하는 녹색 및 청색 실리콘 나노와이어(250G,250B)보다 큰 직경(D1)을 가질 수 있다. 적색 실리콘 나노와이어(250R)는 결정질 구조를 가질 수 있다. 이러한 적색 실리콘 나노와이어들(250R)은 실리콘층(240)에 대해 수직으로 배열될 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며 적색 실리콘 나노와이어들(250R)은 실리콘층(240)에 대해 일정한 각도로 경사지게 배열될 수도 있다.
적색 실리콘 나노와이어(250R)는 실리콘층(240)에 마련되는 제1 적색 실리콘 와이어(251R)와, 이 제1 적색 실리콘 와이어(251R)로부터 연장된 제2 적색 실리콘 와이어(252R)를 포함할 수 있다. 제1 적색 실리콘 와이어(251R)는 제1도전형 실리콘을 포함할 수 있다. 예를 들면, 실리콘층(240)이 n형 실리콘을 포함하는 경우, 제1 적색 실리콘 와이어(251R)는 n형 실리콘을 포함할 수 있다. 한편, 실리콘층(240)이 p형 실리콘을 포함하는 경우, 제1 적색 실리콘 와이어(251R)는 p형 실리콘을 포함할 수 있다. 대체적으로(alternatively), 제1 적색 실리콘 와이어(251R)는 도핑되지 않은 실리콘을 포함할 수도 있다.
제2 적색 실리콘 와이어(252R)는 제2도전형 실리콘을 포함할 수 있다. 예를 들면, 실리콘층(240)이 n형 실리콘을 포함하는 경우, 제2 적색 실리콘 와이어(252R)는 p형 실리콘을 포함할 수 있다. 이 경우, 제1 적색 실리콘 와이어(252R)가 n형 실리콘을 포함하는 경우에는 p-n 결합이 형성될 수 있고, 제1 적색 실리콘 와이어(251R)가 도핑되지 않은 실리콘을 포함하는 경우에는 p-i-n 결합이 형성될 수 있다.
한편, 실리콘층(240)이 p형 실리콘을 포함하는 경우, 제2 적색 실리콘 와이어(252R)는 n형 실리콘을 포함할 수 있다. 이 경우, 제1 적색 실리콘 와이어(251R)가 p형 실리콘을 포함하는 경우에는 p-n 결합이 형성될 수 있고, 제1 적색 실리콘 와이어(251R)가 도핑되지 않은 실리콘을 포함하는 경우에는 p-i-n 결합이 형성될 수 있다.
이러한 적색 실리콘 나노와이어(250R)는 대략 수nm ~ 수백nm의 직경을 가질 수 있으며, 대략 수㎛ ~ 수십㎛의 높이를 가질 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 실리콘층(240)에는 적색 실리콘 나노와이어들(250R)을 둘러싸도록 제2 절연층(260)이 마련될 수 있다. 제2 절연층(260)은 적색 실리콘 나노와이어들(250R)의 높이에 대응하는 두께로 마련될 수 있다. 이에 따라, 제2 절연층(260)은 대략 수㎛ ~ 수십㎛의 두께를 가질 수 있다. 이러한 제2 절연층(260)은 예를 들면, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 또는 알루미늄 산화물 등을 포함할 수 있다.
제2 절연층(260)에는 전극(270)이 마련되어 있다. 이러한 전극(270)은 적색 실리콘 나노와이어(250R)의 상단, 즉 제2 적색 실리콘 와이어(252R)의 상단과 전기적으로 연결되어 있다. 전극(270)은 예를 들면, ITO 등과 같은 투명한 도전성 산화물(TCO)을 포함할 수 있다.
녹색 광검출 소자(200G)는 회로 기판(210)에 마련되는 제1 절연층(220), 실리콘층(240), 적어도 하나의 금속 플러그(235), 적어도 하나의 녹색 실리콘 나노와이어(250G), 제2 절연층(260) 및 전극(270)을 포함할 수 있다. 그리고, 제1 절연층(220)과 실리콘층(240) 사이에는 촉매층(230)이 더 마련될 수도 있다. 회로 기판(210), 제1 절연층(220), 촉매층(230), 실리콘층(240) 및 적어도 하나의 금속 플러그(235)에 대해서는 전술하였으므로, 이에 대한 설명은 생략한다.
실리콘층(240)에는 적어도 하나의 녹색 실리콘 나노와이어(250G)가 마련되어 있다. 여기서, 녹색 실리콘 나노와이어(250G)는 녹색광을 검출할 수 있는 직경(D2)을 가질 수 있다. 이러한 녹색 실리콘 나노와이어(250G)는 적색 실리콘 나노와이어(250R) 보다는 작고 후술하는 청색 실리콘 나노와이어(250B) 보다는 큰 직경(D2)을 가질 수 있다. 녹색 실리콘 나노와이어(250G)는 결정질 구조를 가질 수 있다. 이러한 녹색 실리콘 나노와이어(250G)는 실리콘층(240)에 대해 수직으로 배열되거나, 또는 일정한 각도로 경사지게 배열될 수도 있다.
녹색 실리콘 나노와이어(250G)는 실리콘층(240)에 마련되는 제1 녹색 실리콘 와이어(251G)와, 이 제1 녹색 실리콘 와이어(251G)로부터 연장된 제2 녹색 실리콘 와이어(252G)를 포함할 수 있다. 제1 녹색 실리콘 와이어(251G)는 제1도전형 실리콘을 포함할 수 있다. 예를 들면, 실리콘층(240)이 n형 실리콘을 포함하는 경우, 제1 녹색 실리콘 와이어(251G)는 n형 실리콘을 포함할 수 있다. 한편, 실리콘층(240)이 p형 실리콘을 포함하는 경우, 제1 녹색 실리콘 와이어(251G)는 p형 실리콘을 포함할 수 있다. 대체적으로(alternatively), 제1 녹색 실리콘 와이어(251G)는 도핑되지 않은 실리콘을 포함할 수도 있다.
제2 녹색 실리콘 와이어(252G)는 제2도전형 실리콘을 포함할 수 있다. 예를 들면, 실리콘층(240)이 n형 실리콘을 포함하는 경우, 제2 녹색 실리콘 와이어(252G)는 p형 실리콘을 포함할 수 있다. 이 경우, 제1 녹색 실리콘 와이어(251G)가 n형 실리콘을 포함하는 경우에는 p-n 결합이 형성될 수 있고, 제1 녹색 실리콘 와이어(251G)가 도핑되지 않은 실리콘을 포함하는 경우에는 p-i-n 결합이 형성될 수 있다.
한편, 실리콘층(240)이 p형 실리콘을 포함하는 경우, 제2 녹색 실리콘 와이어(252G)는 n형 실리콘을 포함할 수 있다. 이 경우, 제1 녹색 실리콘 와이어(251G)가 p형 실리콘을 포함하는 경우에는 p-n 결합이 형성될 수 있고, 제1 녹색 실리콘 와이어(251G)가 도핑되지 않은 실리콘을 포함하는 경우에는 p-i-n 결합이 형성될 수 있다. 이러한 녹색 실리콘 나노와이어(250G)는 대략 수nm ~ 수백nm의 직경을 가질 수 있으며, 대략 수㎛ ~ 수십㎛의 높이를 가질 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
실리콘층(240)에는 녹색 실리콘 나노와이어(250G)를 둘러싸도록 제2 절연층(260)이 마련될 수 있다. 제2 절연층(260)은 녹색 실리콘 나노와이어들(250G)의 높이에 대응하는 두께로 마련될 수 있다. 그리고, 제2 절연층(260)에는 투명한 재질의 전극(270)이 마련되어 있다. 이러한 전극(270)은 녹색 실리콘 나노와이어(250G)의 상단, 즉 제2 녹색 실리콘 와이어(252G)의 상단과 전기적으로 연결되어 있다.
청색 광검출 소자(200B)는 회로 기판(210)에 마련되는 제1 절연층(220), 실리콘층(240), 적어도 하나의 금속 플러그(235), 적어도 하나의 청색 실리콘 나노와이어(250B), 제2 절연층(260) 및 전극(270)을 포함할 수 있다. 그리고, 제1 절연층(220)과 실리콘층(240) 사이에는 촉매층(230)이 더 마련될 수도 있다. 회로 기판(210), 제1 절연층(220), 촉매층(230), 실리콘층(240) 및 적어도 하나의 금속 플러그(235)에 대해서는 전술하였으므로, 이에 대한 설명은 생략한다.
실리콘층(240)에는 적어도 하나의 청색 실리콘 나노와이어(250B)가 마련되어 있다. 여기서, 청색 실리콘 나노와이어(250B)는 청색광을 검출할 수 있는 직경(D3)을 가질 수 있다. 이러한 청색 실리콘 나노와이어(250B)는 적색 실리콘 나노와이어(250R) 및 녹색 실리콘 나노와이어(250G) 보다 작은 직경을 가질 수 있다. 청색 실리콘 나노와이어(250B)는 결정질 구조를 가질 수 있다. 청색 실리콘 나노와이어(250B)는 실리콘층(240)에 대해 수직으로 배열되거나, 또는 일정한 각도로 경사지게 배열될 수도 있다.
청색 실리콘 나노와이어(250B)는 실리콘층(240)에 마련되는 제1 청색 실리콘 와이어(251B)와, 이 제1 청색 실리콘 와이어(251B)로부터 연장된 제2 청색 실리콘 와이어(252B)를 포함할 수 있다. 제1 청색 실리콘 와이어(251B)는 제1도전형 실리콘을 포함할 수 있다. 예를 들면, 실리콘층(240)이 n형 실리콘을 포함하는 경우, 제1 청색 실리콘 와이어(251B)는 n형 실리콘을 포함할 수 있다. 한편, 실리콘층(240)이 p형 실리콘을 포함하는 경우, 제1 청색 실리콘 와이어(251B)는 p형 실리콘을 포함할 수 있다. 대체적으로(alternatively), 제1 청색 실리콘 와이어(251B)는 도핑되지 않은 실리콘을 포함할 수도 있다.
제2 청색 실리콘 와이어(252B)는 제2도전형 실리콘을 포함할 수 있다. 예를 들면, 실리콘층(240)이 n형 실리콘을 포함하는 경우, 제2 청색 실리콘 와이어(252B)는 p형 실리콘을 포함할 수 있다. 이 경우, 제1 청색 실리콘 와이어(251B)가 n형 실리콘을 포함하는 경우에는 p-n 결합이 형성될 수 있고, 제1 청색 실리콘 와이어(251B)가 도핑되지 않은 실리콘을 포함하는 경우에는 p-i-n 결합이 형성될 수 있다.
한편, 실리콘층(240)이 p형 실리콘을 포함하는 경우, 제2 청색 실리콘 와이어(252B)는 n형 실리콘을 포함할 수 있다. 이 경우, 제1 청색 실리콘 와이어(251B)가 p형 실리콘을 포함하는 경우에는 p-n 결합이 형성될 수 있고, 제1 청색 실리콘 와이어(251B)가 도핑되지 않은 실리콘을 포함하는 경우에는 p-i-n 결합이 형성될 수 있다. 이러한 청색 실리콘 나노와이어(250B)는 대략 수nm ~ 수백nm의 직경을 가질 수 있으며, 대략 수㎛ ~ 수십㎛의 높이를 가질 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
실리콘층(240)에는 청색 실리콘 나노와이어(250B)를 둘러싸도록 제2 절연층(260)이 마련될 수 있다. 제2 절연층(260)은 청색 실리콘 나노와이어(250B)의 높이에 대응하는 두께로 마련될 수 있다. 그리고, 제2 절연층(260)에는 투명한 재질의 전극(270)이 마련되어 있다. 이러한 전극(270)은 청색 실리콘 나노와이어(250B)의 상단, 즉 제2 청색 실리콘 와이어(252B)의 상단과 전기적으로 연결되어 있다.
상기와 같은 구조에서, 외부로부터 광이 이미지 센서(1000)에 입사되면 픽셀(200)을 구성하는 적색, 녹색 및 청색 광검출소자(200R,200G,200B)가 각각 적색광, 녹색광 및 청색광을 검출함으로써 이미지 센서(1000)가 컬러 화상을 구현할 수 있게 된다.
도 6은 다른 예시적인 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀(200')을 도시한 단면도이다.
도 6을 참조하면, 적색, 녹색 및 청색 실리콘 나노와이어들(250R,250G,250B)의 상단에 마련된 전극(270)에는 마이크로 렌즈층(290)이 마련될 수 있다. 그리고, 전극(270)과 마이크로 렌즈층(290) 사에는 평탄화층(280)이 더 마련될 수 있다. 전술한 바와 같이, 마이크로 렌즈층(290)은 외부의 빛을 집속하여 적색, 녹색 및 청색 실리콘 나노와이어들(250R,250G,250B)로 효율적으로 입사되도록 하는 역할을 한다. 그리고, 평탄화층(280)은 전극(270)의 불균일한 상면에 마련됨으로써 평탄화된 상면을 제공할 수 있으며, 이러한 평탄화층(280)의 상면에는 마이크로 렌즈층(290)이 효과적으로 형성될 수 있다.
도 7은 다른 예시적인 실시예에 따른 이미지 센서의 픽셀(200")을 도시한 단면도이다.
도 7을 참조하면, 적색 실리콘 나노와이어(250"R)는 제1 적색 실리콘 와이어(251R)와, 제1 적색 실리콘 와이어(251R)의 상단부로부터 연장된 제2 적색 실리콘 와이어(252R)와, 제1 적색 실리콘 와이어(251R)의 하단부로부터 연장된 제3 적색 실리콘 와이어(254R)를 포함할 수 있다. 여기서, 제2 적색 실리콘 와이어(252R)는 전극(270)과 연결되도록 마련되며, 제3 적색 실리콘 와이어(254R)는 실리콘층(240)과 연결되도록 마련되어 있다. 그리고, 녹색 실리콘 나노와이어(250"G)는 제1 녹색 실리콘 와이어(251G)와, 제1 녹색 실리콘 와이어(251G)의 상단부로부터 연장된 제2 녹색 실리콘 와이어(252G)와, 제1 녹색 실리콘 와이어(251G)의 하단부로부터 연장된 제3 녹색 실리콘 와이어(254G)를 포함할 수 있다. 또한, 청색 실리콘 나노와이어(250"B)는 제1 청색 실리콘 와이어(251B)와, 제1 청색 실리콘 와이어(251B)의 상단부로부터 연장된 제2 청색 실리콘 와이어(252B)와, 제1 청색 실리콘 와이어(251B)의 하단부로부터 연장된 제3 청색 실리콘 와이어(254B)를 포함할 수 있다. 여기서, 제3 적색, 녹색 및 청색 실리콘 와이어(254R, 254G, 254B)는 제1도전형 실리콘을 포함할 수 있으며, 제2 적색, 녹색 및 청색 실리콘 와이어(252R, 252G, 252B)는 제2도전형 실리콘을 포함할 수 있다. 그리고, 제1 실리콘 와이어(251R, 251G, 251B)는 도핑되지 않은 실리콘을 포함할 수 있다. 한편, 도 7에는 도시되어 있지 않으나, 전극(270)에는 평탄화층 및 마이크로 렌즈층이 더 마련될 수도 있다. 도 8 내지 도 18은 다른 예시적인 실시예에 따른 광검출 소자의 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 8을 참조하면, 제1 절연층(320)을 형성한다. 이러한 제1 절연층(320)은 기판(311)에 형성될 수도 있다. 기판(311)으로는 단단한 재질의 기판이나 또는 유연한 재질의 기판 등이 사용될 수 있다. 또한, 기판(311)으로는 CMOS 기판이나 인쇄 회로 기판(PCB) 등과 같이 전극 패턴이 형성된 회로 기판이 사용될 수도 있다. 제1 절연층(320)은 예를 들면, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 또는 알루미늄 산화물 등을 포함할 수 있다. 이러한 제1 절연층(320)은 예를 들면, 물리기상증착(PVD), 화학기상증착(CVD), 또는 원자층 증착(ALD) 등에 의해 형성될 수 있다.
이어서, 제1 절연층(320)에 촉매층(330)을 형성한다. 촉매층(330)은 후술하는 바와 같이 금속 유도 결정화(MIC) 공정에 의해 비정질 실리콘을 결정화시키는 촉매 역할을 할 수 있다. 이를 위해 촉매층(330)은 절연성 금속산화물을 포함할 수 있다. 예를 들면, 촉매층(330)은 니켈 산화물을 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 이외에도 촉매층(330)은 코발트 산화물 또는 구리 산화물 등과 같은 다양한 금속 산화물을 포함할 수 있다. 이러한 촉매층(330)은 예를 들면, 원자층 증착(ALD)에 의해 형성될 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 이외에도 촉매층은 물리기상증착(PVD)이나 화학기상증착(CVD) 등에 의해서도 형성될 수 있다.
도 9를 참조하면, 촉매층(330)에 비정질 실리콘층(340')을 형성한다. 이러한 비정질 실리콘층(340')은 예를 들면, 물리기상증착(PVD), 화학기상증착(CVD), 또는 원자층 증착(ALD) 등에 의해 형성될 수 있다. 이러한 비정질 실리콘층(340')은 제1도전형 비정질 실리콘을 포함할 수 있다. 예를 들면, 비정질 실리콘층(340')은 n형 비정질 실리콘을 포함할 수 있다. 구체적인 예로서, 비정질 실리콘층(340')은 n+형 비정질 실리콘을 포함할 수 있다. 여기서, n+형 비정질 실리콘은 불순물의 도핑 농도가 높은 n형 비정질 실리콘을 말한다. 대체적으로, 비정질 실리콘층(340')은 p형 비정질 실리콘을 포함할 수도 있다. 이 경우, 비정질 실리콘층(340')은 p+형 비정질 실리콘을 포함할 수 있다. 여기서, p+형 비정질 실리콘은 불순물의 도핑 농도가 높은 p형 비정질 실리콘을 말한다.
도 10을 참조하면, 비정질 실리콘층(340'), 촉매층(330) 및 제1 절연층(320)을 관통하도록 적어도 하나의 금속 플러그(335)를 형성한다. 여기서, 적어도 하나의 금속 플러그(335)는 비정질 실리콘층(340'), 촉매층(330) 및 제1 절연층(320)을 관통하는 적어도 하나의 비아홀(via hole)을 형성한 다음, 이 비아홀 내부를 소정의 금속으로 채움으로써 형성될 수 있다.
도 11을 참조하면, 비정질 실리콘층(340')에 제2 절연층(360)을 형성한다. 제2 절연층(360)은 예를 들면, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 또는 알루미늄 산화물 등을 포함할 수 있다. 이러한 제2 절연층(360)은 예를 들면, 물리기상증착(PVD), 화학기상증착(CVD), 또는 원자층 증착(ALD) 등에 의해 형성될 수 있다. 제2 절연층(360)은 후술하는 실리콘 나노와이어들(350)의 높이에 대응하는 두께로 형성될 수 있다. 예를 들면, 제2 절연층(360)은 대략 수㎛ ~ 수십㎛의 두께로 형성될 수 있다. 하지만, 이에 한정되지는 않는다.
도 12를 참조하면, 제2 절연층(360)에 적어도 하나의 나노홀(nano-hole,360)을 형성한다. 나노홀(360)은 제2 절연층(360)을 관통하도록 형성되며, 이에 따라 나노홀(360a)을 통해 비정질 실리콘층(340')의 상면이 노출될 수 있다. 여기서, 나노홀(360a)은 예를 들면, 대략 수nm ~ 수백nm의 직경으로 형성될 수 있다. 하지만, 이에 한정되지는 않는다. 이러한 나노홀(360a)은 제2 절연층(360)을 예를 들면, 이방성 건식식각에 의해 식각함으로써 형성될 수 있다.
도 13을 참조하면, 나노홀(360a)을 채우도록 제2 절연층(360)에 비정질 실리콘을 증착함으로써 비정질 실리콘 물질층(353)을 형성한다. 이러한 비정질 실리콘의 증착은 예를 들면, 물리기상증착(PVD), 화학기상증착(CVD), 또는 원자층 증착(ALD) 등에 의해 수행될 수 있다. 비정질 실리콘 물질층(353)은 나노홀(360a)을 채우는 동시에 제2 절연층(360)의 상면에 형성될 수 있다.
비정질 실리콘 물질층(353)은 제1도전형 비정질 실리콘을 포함할 수 있다. 예를 들면, 비정질 실리콘층(340')이 n형 비정질 실리콘을 포함하는 경우, 비정질 실리콘 물질층(353)은 n형 비정질 실리콘을 포함할 수 있다. 구체적인 예로서, 비정질 실리콘층(340')이 n+형 비정질 실리콘을 포함하는 경우, 비정질 실리콘 물질층(353)은 n-형 비정질 실리콘을 포함할 수 있다. 여기서, n-형 비정질 실리콘은 n+ 비정질 실리콘에 비해 불순물의 도핑 농도가 낮은 n형 비정질 실리콘을 말한다. 한편, 비정질 실리콘층(340')이 p형 비정질 실리콘을 포함하는 경우, 비정질 실리콘 물질층(353)은 p형 비정질 실리콘을 포함할 수 있다. 구체적인 예로서, 비정질 실리콘층(340')이 p+형 비정질 실리콘을 포함하는 경우, 비정질 실리콘 물질층(353)은 p-형 비정질 실리콘을 포함할 수 있다. 여기서, p-형 비정질 실리콘은 p+ 비정질 실리콘에 비해 불순물의 도핑 농도가 낮은 p형 비정질 실리콘을 말한다. 대체적으로(alternatively), 비정질 실리콘 물질층(353)은 도핑되지 않은 비정질 실리콘을 포함할 수도 있다.
도 14를 참조하면, 비정질 실리콘 물질층(353)의 상부를 도핑한다. 이에 따라, 나노홀(360a) 내부에는 제1 비정질 실리콘 와이어(351')와, 이 제1 비정질 실리콘 와이어(351')로부터 연장된 제2 비정질 실리콘 와이어(352')를 포함하는 비정질 실리콘 나노와이어(350')가 형성될 수 있다. 그리고, 제2 절연층(360)의 상면에는 도핑된 상부 비정질 실리콘층(352'a)이 형성될 수 있다. 여기서, 제1 비정질 실리콘 와이어(351')는 제1도전형 비정질 실리콘 또는 도핑되지 않은 비정질 실리콘을 포함할 수 있다. 그리고, 제2 비정질 실리콘 와이어(352') 및 도핑된 상부 비정질 실리콘층(352'a)은 제2도전형 비정질 실리콘을 포함할 수 있다.
구체적인 예로서, 비정질 실리콘층(340')이 n형 비정질 실리콘을 포함하는 경우, 제2 비정질 실리콘 와이어(352') 및 도핑된 상부 비정질 실리콘층(352'a)은 p형 비정질 실리콘을 포함할 수 있다. 여기서, 제1 비정질 실리콘 와이어(351')는 n형 비정질 실리콘 또는 도핑되지 않는 비정질 실리콘을 포함할 수 있다. 또한, 다른 구체적인 예로서, 비정질 실리콘층(340')이 p형 비정질 실리콘을 포함하는 경우, 제2 비정질 실리콘 와이어(352') 및 도핑된 상부 비정질 실리콘층(352'a)은 n형 비정질 실리콘을 포함할 수 있다. 여기서, 제1 비정질 실리콘 와이어(351')는 p형 비정질 실리콘 또는 도핑되지 않는 비정질 실리콘을 포함할 수 있다.
도 15를 참조하면, 비정질 실리콘층(340'), 비정질 실리콘 나노와이어(350') 및 도핑된 상부 비정질 실리콘층(352'a)을 각각 금속 유도 결정화(MIC; MIC; Metal Induced Crystallization) 공정에 의해 결정화함으로써 실리콘층(340), 실리콘 나노와이어(350) 및 도핑된 상부 실리콘층(352a)을 형성한다. 이러한 금속 유도 결정화 공정을 수행하게 되면, 촉매층(330)을 구성하는 금속 산화물(예를 들면, 니켈 산화물)에서 유도되는 금속(예를 들면, 니켈)이 비정질 실리콘층(340'), 비정질 실리콘 나노와이어(350') 및 도핑된 상부 비정질 실리콘층(352'a)을 순차적으로 결정화시킬 수 있다. 이러한 금속 유도 결정화 공정은 예를 들면 대략, 450℃ ~ 600℃ 정도의 온도에서 수행될 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다. 또한, 금속 유도 결정화 공정은 아르곤 분위기 또는 질소 분위기 등과 같은 불활성 가스 분위기 하에서는 진행될 수 있다. 한편, 금속 유도 결정화 공정 후에 촉매층(330)은 제1 절연층(320)과 실리콘층(340) 사이에 남아 있을 수도 있고, 남아 있지 않을 수도 있다.
이러한 결정화 공정에 의해, 실리콘층(340)은 제1도전형 실리콘을 포함할 수 있다. 그리고, 실리콘 나노와이어(350)는 실리콘층(340)에 마련되는 제1 실리콘 와이어(351)와, 이 제1 실리콘 와이어(351)로부터 연장된 제2 실리콘 와이어(352)를 포함할 수 있다. 이러한 실리콘 나노와이어(350)는 대략 수nm ~ 수백nm의 직경을 가질 수 있으며, 대략 수㎛ ~ 수십㎛의 높이를 가질 수 있다. 여기서, 제1 실리콘 와이어(351)는 제1도전형 실리콘 또는 도핑되지 않은 실리콘을 포함할 수 있다. 그리고, 제2 실리콘 와이어(352)는 제2도전형 실리콘을 포함할 수 있다. 그리고, 도핑된 상부 실리콘층(352a)은 제2도전형 실리콘을 포함할 수 있다.
구체적인 예로서, 실리콘층(340)이 n형 비정질 실리콘을 포함하는 경우, 제2 실리콘 와이어(352) 및 도핑된 상부 실리콘층(352a)은 p형 비정질 실리콘을 포함할 수 있다. 여기서, 제1 실리콘 와이어(351)는 n형 비정질 실리콘 또는 도핑되지 않는 실리콘을 포함할 수 있다. 또한, 다른 구체적인 예로서, 실리콘층(340)이 p형 비정질 실리콘을 포함하는 경우, 제2 실리콘 와이어(352) 및 도핑된 상부 실리콘층(352a)은 n형 비정질 실리콘을 포함할 수 있다. 여기서, 제1 실리콘 와이어(351)는 p형 실리콘 또는 도핑되지 않는 실리콘을 포함할 수 있다.
도 16을 참조하면, 도핑된 상부 실리콘층(352a)을 식각에 의해 제거한 다음, 제2 절연층(360)의 상면에 전극(370)을 형성하면 광검출 소자(300)가 완성된다. 여기서, 전극(370)은 실리콘 나노와이어(350)의 상단, 즉 제2 실리콘 와이어(352)의 상단과 전기적으로 접촉하도록 제2 절연층(360)에 형성될 수 있다. 전극(370)은 예를 들면, ITO 등과 같은 투명한 도전성 산화물(TCO)을 포함할 수 있다. 이러한 전극(370)은 투명한 도전성 산화물을 예를 들면, 물리기상증착(PVD), 화학기상증착(CVD), 또는 원자층 증착(ALD) 등에 의해 제2 절연층(360)의 상면에 증착함으로써 형성될 수 있다. 한편, 광검출 소자(300)가 기판(311)에 형성된 경우에는 광검출 소자(300)를 기판(311)으로부터 분리할 수도 있다. 하지만, 광검출 소자(300)를 기판(311)으로부터 분리하지 않을 수도 있다. 한편, 도면에는 도시되어 있지 않으나 전극(270)을 형성한 다음, 이 전극(270)에 평탄화층 및 마이크로 렌즈층을 형성하는 단계가 더 포함될 수도 있다.
도 17 및 도 18에는 다른 예시적인 실시예에 따른 광검출 소자의 제조방법이 도시되어 있다.
도 17을 참조하면, 도 12에 도시된 상태에서 제2 절연층(360)에 형성된 나노홀들(360a)에 도핑된 비정질 실리콘층(353')과 도핑되지 않은 비정질 실리콘층(353')을 순차적으로 채운다. 여기서, 도핑된 비정질 실리콘층(353')은 제1 도전형 비정질 실리콘을 포함할 수 있다. 그리고, 이후에는 전술한 바와 같은 도핑 공정 및 결정화 공정을 수행하게 되면 도 18에 도시된 광검출 소자(300')가 완성된다. 도 18에 도시된 광검출 소자(300')에서는, 실리콘 나노와이어(350')가 제1 실리콘 와이어(351)와, 제1 실리콘 와이어(351)의 상단부로부터 연장된 제2 실리콘 와이어(352)와, 제1 실리콘 와이어(351)의 하단부로부터 연장된 제3 실리콘 와이어(354)를 포함할 수 있다. 여기서, 제3 실리콘 와이어(354)는 제1도전형 실리콘을 포함할 수 있으며, 제2 실리콘 와이어(352)는 제2도전형 실리콘을 포함할 수 있다. 그리고, 제1 실리콘 와이어(351)는 도핑되지 않은 실리콘을 포함할 수 있다.
도 19 내지 도 22는 다른 예시적인 실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다. 도 19 내지 도 22에는 이미지 센서의 한 픽셀을 제조하는 방법이 도시되어 있다. 이하에서는 픽셀이 적색 광검출소자, 녹색 광검출 소자 및 청색 광검출소자를 포함하는 경우를 예로 들어 설명한다.
도 19를 참조하면, 회로 기판(410)을 준비한다. 여기서, 회로 기판(410)은 소정 형태의 전극 패턴을 포함하는 기판을 말한다. 이러한 회로 기판(410)은 예를 들면, CMOS 기판, 인쇄 회로기판(PCB) 또는 디스플레이 패널 등을 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 이어서, 회로 기판(410)에 제1 절연층(420), 촉매층(430) 및 비정질 실리콘층(440')을 순차적으로 형성한다. 여기서, 제1 절연층(420), 촉매층(430) 및 비정질 실리콘층(440')의 형성에 대해서는 전술하였으므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 20을 참조하면, 비정질 실리콘층(440'), 촉매층(430) 및 제1 절연층(420)을 관통하도록 복수의 금속 플러그(435)를 형성한다. 이 금속 플러그들(435)은 회로 기판(410)의 전극 패턴과 전기적으로 연결되도록 형성될 수 있다. 이러한 금속 플러그(435)의 형성에 대해서는 전술하였으므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다. 그리고, 비정질 실리콘층(440') 및 촉매층(430)에는 복수의 라인 패턴(440a)을 형성한다. 이러한 라인 패턴들(440a)은 후술하는 광검출 소자들(400R,400G,400B) 사이를 절연시키기 위한 것이다.
도 21을 참조하면, 회로 기판(410)에 적색, 녹색 및 청색 광검출 소자(400R,400G,400B) 를 형성하면,이미지 센서의 픽셀(400)이 완성된다. 여기서, 광검출 소자들(400R,400G,400B) 각각의 형성에 대해서는 전술한 실시예에서 상세하게 설명되었으므로, 이에 대한 설명은 생략한다. 도 15에 도시된 바와 같이, 적색 광검출 소자(400R)는 실리콘층(440)에 마련되는 적어도 하나의 적색 실리콘 나노와이어(450R)를 포함할 수 있다. 여기서, 적색 실리콘 나노와이어(450R)는 적색광을 검출할 수 있는 직경을 가질 수 있다. 적색 실리콘 나노와이어(450R)는 녹색 및 청색 실리콘 나노와이어(450G,450B)보다 큰 직경을 가질 수 있다. 적색 실리콘 나노와이어들(450R)은 실리콘층(440)에 대해 수직 또는 일정한 각도로 경사지게 배열될 수도 있다. 이러한 적색 실리콘 나노와이어(450R)는 실리콘층(440)에 마련되는 제1 적색 실리콘 와이어(451R)와, 이 제1 적색 실리콘 와이어(451R)로부터 연장된 제2 적색 실리콘 와이어(452R)를 포함할 수 있다.
녹색 광검출 소자(400G)는 실리콘층(440)에 마련되는 적어도 하나의 녹색 실리콘 나노와이어(450G)를 포함할 수 있다. 여기서, 녹색 실리콘 나노와이어(450G)는 녹색광을 검출할 수 있는 직경을 가질 수 있다. 녹색 실리콘 나노와이어(450G)는 적색 실리콘 나노와이어(450R) 보다는 작고 청색 실리콘 나노와이어(450B)보다 큰 직경을 가질 수 있다. 녹색 실리콘 나노와이어들(450G)은 실리콘층(440)에 대해 수직 또는 일정한 각도로 경사지게 배열될 수도 있다. 이러한 녹색 실리콘 나노와이어(450G)는 실리콘층(440)에 마련되는 제1 녹색 실리콘 와이어(451G)와, 이 제1 녹색 실리콘 와이어(451G)로부터 연장된 제2 녹색 실리콘 와이어(452G)를 포함할 수 있다.
청색 광검출 소자(400B)는 실리콘층(440)에 마련되는 적어도 하나의 청색 실리콘 나노와이어(450B)를 포함할 수 있다. 여기서, 청색 실리콘 나노와이어(450B)는 청색광을 검출할 수 있는 직경을 가질 수 있다. 청색 실리콘 나노와이어(250B)는 적색 및 녹색 실리콘 나노와이어(450R,450G) 보다는 작은 직경을 가질 수 있다. 청색 실리콘 나노와이어(450B)은 실리콘층(440)에 대해 수직 또는 일정한 각도로 경사지게 배열될 수도 있다. 이러한 청색 실리콘 나노와이어(450B)는 실리콘층(440)에 마련되는 제1 청색 실리콘 와이어(451B)와, 이 제1 청색 실리콘 와이어(451B)로부터 연장된 제2 청색 실리콘 와이어(452B)를 포함할 수 있다.
제2 절연층(460)의 상면에는 투명한 재질의 전극(470)이 형성되어 있다. 여기서, 전극(470)은 적색, 녹색 및 청색 실리콘 나노와이어(450R,450G,450B)의 상단과 전기적으로 연결되도록 형성될 수 있다. 도면에는 도시되어 있지 않으나 전극(470)을 형성한 다음, 이 전극에 평탄화층 및 마이크로 렌즈층을 형성하는 단계가 더 포함될 수도 있다.
한편, 제2 절연층(460)에 형성된 나노홀들에 도핑된 비정질 실리콘층과 도핑되지 않은 비정질 실리콘층을 순차적으로 채운 다음, 전술한 도핑 공정 및 결정화 공정을 수행하게 되면 도 22에 도시된 이미지 센서의 픽셀(400")이 완성될 수 있다. 도핑된 비정질 실리콘층은 제1 도전형 비정질 실리콘을 포함할 수 있다. 도 22에 도시된 이미지 센서의 픽셀(400")에서, 적색 실리콘 나노와이어(450"R)는 제1 적색 실리콘 와이어(451R)와, 제1 적색 실리콘 와이어(451R)의 상단부로부터 연장된 제2 적색 실리콘 와이어(452R)와, 제1 적색 실리콘 와이어(451R)의 하단부로부터 연장된 제3 적색 실리콘 와이어(454R)를 포함할 수 있다. 그리고, 녹색 실리콘 나노와이어(450"G)는 제1 녹색 실리콘 와이어(451G)와, 제1 녹색 실리콘 와이어(451G)의 상단부로부터 연장된 제2 녹색 실리콘 와이어(452G)와, 제1 녹색 실리콘 와이어(451G)의 하단부로부터 연장된 제3 녹색 실리콘 와이어(454G)를 포함할 수 있다. 또한, 청색 실리콘 나노와이어(450"B)는 제1 청색 실리콘 와이어(451B)와, 제1 청색 실리콘 와이어(451B)의 상단부로부터 연장된 제2 청색 실리콘 와이어(452B)와, 제1 청색 실리콘 와이어(451B)의 하단부로부터 연장된 제3 청색 실리콘 와이어(454B)를 포함할 수 있다. 여기서, 제3 적색, 녹색 및 청색 실리콘 와이어(454R, 454G, 454B)는 제1도전형 실리콘을 포함할 수 있으며, 제2 적색, 녹색 및 청색 실리콘 와이어(452R, 452G, 452B)는 제2도전형 실리콘을 포함할 수 있다. 그리고, 제1 실리콘 와이어(451R, 451G, 451B)는 도핑되지 않은 실리콘을 포함할 수 있다.
도 23 내지 도 28은 다른 예시적인 실시예에 따른 이미지 센서의 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 23을 참조하면, 기판(511)에 제1 절연층(520), 촉매층(530) 및 비정질 실리콘층(540')을 순차적으로 형성한다. 여기서, 제1 절연층(520), 촉매층(530) 및 비정질 실리콘층(540')의 형성에 대해서는 전술하였으므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 24를 참조하면, 비정질 실리콘층(540'), 촉매층(530) 및 제1 절연층(520)을 관통하도록 복수의 금속 플러그를 형성한다. 이러한 금속 플러그들(535)의 형성에 대해서는 전술하였으므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다. 그리고, 비정질 실리콘층(540') 및 촉매층(530)에는 복수의 라인 패턴(540a)을 형성한다. 이러한 라인 패턴들(540a)은 후술하는 광검출 소자들(500R,500G,500B) 사이를 절연시키기 위한 것이다.
도 25를 참조하면, 기판(511)에 적색, 녹색 및 청색 광검출 소자(500R,500G,500B) 를 형성한다. 여기서, 광검출 소자들(500R,500G,500B) 각각의 형성에 대해서는 전술한 실시예에서 상세하게 설명되었으므로, 이에 대한 설명은 생략한다. 도 25에 도시된 바와 같이, 적색 광검출 소자(500R)는 실리콘층(540)에 마련되는 적어도 하나의 적색 실리콘 나노와이어(550R)를 포함할 수 있다. 여기서, 적색 실리콘 나노와이어(550R)는 적색광을 검출할 수 있는 직경을 가질 수 있다. 적색 실리콘 나노와이어(550R)는 후술하는 녹색 및 청색 실리콘 나노와이어(550G,550B)보다 큰 직경을 가질 수 있다. 적색 실리콘 나노와이어(550R)는 실리콘층(540)에 대해 수직 또는 일정한 각도로 경사지게 배열될 수도 있다. 이러한 적색 실리콘 나노와이어(550R)는 실리콘층(540)에 마련되는 제1 적색 실리콘 와이어(551R)와, 이 제1 적색 실리콘 와이어(551R)로부터 연장된 제2 적색 실리콘 와이어(552R)를 포함할 수 있다.
녹색 광검출 소자(500G)는 실리콘층(540)에 마련되는 적어도 하나의 녹색 실리콘 나노와이어(550G)를 포함할 수 있다. 여기서, 녹색 실리콘 나노와이어(550R)는 녹색광을 검출할 수 있는 직경을 가질 수 있다. 녹색 실리콘 나노와이어(550G)는 적색 실리콘 나노와이어(550R) 보다는 작고 청색 실리콘 나노와이어(550B)보다 큰 직경을 가질 수 있다. 녹색 실리콘 나노와이어(550G)는 실리콘층(540)에 대해 수직 또는 일정한 각도로 경사지게 배열될 수도 있다. 이러한 녹색 실리콘 나노와이어(550G)는 실리콘층(540)에 마련되는 제1 녹색 실리콘 와이어(551G)와, 이 제1 녹색 실리콘 와이어(551G)로부터 연장된 제2 녹색 실리콘 와이어(552G)를 포함할 수 있다.
청색 광검출 소자(500B)는 실리콘층(540)에 마련되는 적어도 하나의 청색 실리콘 나노와이어(550B)를 포함할 수 있다. 여기서, 청색 실리콘 나노와이어(550B)는 청색광을 검출할 수 있는 직경을 가질 수 있다. 청색 실리콘 나노와이어(550B)는 적색 및 녹색 실리콘 나노와이어(550R,550G) 보다는 작은 직경을 가질 수 있다. 청색 실리콘 나노와이어들(550B)은 실리콘층(540)에 대해 수직 또는 일정한 각도로 경사지게 배열될 수도 있다. 이러한 청색 실리콘 나노와이어(550B)는 실리콘층(540)에 마련되는 제1 청색 실리콘 와이어(551R)와, 이 제1 청색 실리콘 와이어(551R)로부터 연장된 제2 청색 실리콘 와이어(552R)를 포함할 수 있다.
제2 절연층(560)의 상면에는 투명한 재질의 전극(570)이 형성되어 있다. 여기서, 전극(570)은 적색, 녹색 및 청색 실리콘 나노와이어(550R,550G,550B\의 상단과 전기적으로 연결되도록 형성될 수 있다. 한편, 도면에는 도시되어 있지 않으나 전극(570)을 형성한 다음, 이 전극에 평탄화층 및 마이크로 렌즈층을 형성하는 단계가 더 포함될 수도 있다.
도 26을 참조하면, 적색, 녹색 및 청색 광검출 소자(500R,500G,500B)를 기판(511)으로부터 분리한다. 그리고, 도 27을 참조하면, 기판(511)으로부터 분리된 적색, 녹색 및 청색 광검출 소자(500R,500G,500B)를 회로 기판(510)에 전사하게 되면 이미지 센서의 픽셀(500)이 완성된다. 여기서, 회로 기판(510)은 소정 형태의 전극 패턴을 포함하는 기판을 말한다. 이러한 회로 기판(510)은 예를 들면, CMOS 기판, 인쇄 회로기판(PCB) 또는 디스플레이 패널 등을 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 전사 과정을 통하여 적색, 녹색 및 청색 광검출 소자(500R,500G,500B) 내에 마련된 금속 플러그들(535)이 회로 기판(510)의 전극 패턴과 전기적으로 연결될 수 있다.
한편, 제2 절연층(560)에 형성된 나노홀들에 도핑된 비정질 실리콘층과 도핑되지 않은 비정질 실리콘층을 순차적으로 채운 다음, 전술한 도핑 공정 및 결정화 공정을 수행하게 되면 도 28에 도시된 이미지 센서의 픽셀(500")가 완성될 수 있다. 도핑된 비정질 실리콘층은 제1 도전형 비정질 실리콘을 포함할 수 있다. 도 28에 도시된 이미지 센서의 픽셀(500")에서, 적색 실리콘 나노와이어(550"R)는 제1 적색 실리콘 와이어(551R)와, 제1 적색 실리콘 와이어(551R)의 상단부로부터 연장된 제2 적색 실리콘 와이어(552R)와, 제1 적색 실리콘 와이어(551R)의 하단부로부터 연장된 제3 적색 실리콘 와이어(554R)를 포함할 수 있다. 그리고, 녹색 실리콘 나노와이어(550"G)는 제1 녹색 실리콘 와이어(551G)와, 제1 녹색 실리콘 와이어(551G)의 상단부로부터 연장된 제2 녹색 실리콘 와이어(552G)와, 제1 녹색 실리콘 와이어(551G)의 하단부로부터 연장된 제3 녹색 실리콘 와이어(554G)를 포함할 수 있다. 또한, 청색 실리콘 나노와이어(550"B)는 제1 청색 실리콘 와이어(551B)와, 제1 청색 실리콘 와이어(551B)의 상단부로부터 연장된 제2 청색 실리콘 와이어(552B)와, 제1 청색 실리콘 와이어(551B)의 하단부로부터 연장된 제3 청색 실리콘 와이어(554B)를 포함할 수 있다. 여기서, 제3 적색, 녹색 및 청색 실리콘 와이어(554R, 554G, 554B)는 제1도전형 실리콘을 포함할 수 있으며, 제2 적색, 녹색 및 청색 실리콘 와이어(552R, 552G, 552B)는 제2도전형 실리콘을 포함할 수 있다. 그리고, 제1 실리콘 와이어(551R, 551G, 551B)는 도핑되지 않은 실리콘을 포함할 수 있다.
이상의 실시예들에 의하면, 광검출 소자가 적어도 하나의 실리콘 나노와이어를 포함하고, 여기서, 실리콘 나노와이어의 직경을 조절함으로써 광검출 소자는 원하는 파장의 빛을 검출할 수 있다. 그리고, 서로 다른 직경을 가지는 실리콘 나노와이어들을 포함하는 복수개의 광검출 소자를 회로 기판에 마련함으로써 컬러 화상을 구현할 수 있는 이미지 센서를 제작할 수 있다. 이러한 광검출 소자 및 이미지 센서는 절연성을 가지는 금속 산화물을 촉매층으로 이용한 금속 유도 결정화(MIC) 공정에 의해 제작될 수 있다.
100,300.. 광검출 소자
111,311,511.. 기판
120,220,320,420,520.. 제1 절연층
130,230,330,430,530.. 촉매층
135,235,335,435,535.. 금속 플러그
140,240,340,440,540.. 실리콘층
150,350.. 실리콘 나노와이어
151,351.. 제1 실리콘 와이어
152,352.. 제2 실리콘 와이어
154,354.. 제3 실리콘 와이어
160,260,360,460,560.. 제2 절연층
170,270,370,470,570.. 전극
180,280.. 평탄화층
190,290.. 마이크로 렌즈층
200,400,500.. 이미지 센서의 픽셀
200R,400R,500R.. 적색 광검출 소자
200G,400G,500G.. 녹색 광검출 소자
200B,400B,500B.. 청색 광검출 소자
210,410,510.. 회로 기판
250R,350R,450R.. 적색 실리콘 나노와이어
250G,350G,450G.. 녹색 실리콘 나노와이어
250B,350B,450B.. 청색 실리콘 나노와이어
251R,351R,451R.. 제1 적색 실리콘 와이어
251G,351G,451G.. 제1 녹색 실리콘 와이어
251B,351B,451B.. 제1 청색 실리콘 와이어
252R,352R,452R.. 제2 적색 실리콘 와이어
252G,352G,452G.. 제2 녹색 실리콘 와이어
252B,352B,452B.. 제2 청색 실리콘 와이어
254R,354R,454R.. 제3 적색 실리콘 와이어
254G,354G,454G.. 제3 녹색 실리콘 와이어
254B,354B,454B.. 제3 청색 실리콘 와이어
340',440',540'.. 비정질 실리콘층
350'.. 비정질 실리콘 나노와이어
351'.. 제1 비정질 실리콘 와이어
352'.. 제2 비정질 실리콘 와이어
352a.. 도핑된 상부 실리콘층
352'a..도핑된 상부 비정질 실리콘층
360a.. 나노홀
1000.. 이미지 센서

Claims (37)

  1. 제1 절연층;
    상기 제1 절연층에 마련되는 실리콘층;
    상기 제1 절연층 및 상기 실리콘층을 관통하도록 마련되는 적어도 하나의 금속 플러그(metal plug);
    상기 실리콘층에 마련되는 적어도 하나의 실리콘 나노와이어;
    상기 적어도 하나의 실리콘 나노와이어와 전기적으로 연결되도록 마련되는 전극;
    상기 실리콘층과 상기 전극 사이에서 상기 적어도 하나의 실리콘 나노와이어를 둘러싸며, 상기 적어도 하나의 금속 플러그와 접촉하도록 마련되는 제2 절연층;및
    상기 제1 절연층과 상기 실리콘층 사이에 마련되며 절연성을 가지는 금속 산화물을 포함하는 촉매층;을 포함하는 광검출 소자.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 실리콘 나노와이어는 상기 실리콘층에 대해 수직 또는 소정 각도로 경사지게 배열되는 광검출 소자.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 산화물은 니켈 산화물, 코발트 산화물 또는 구리 산화물을 포함하는 광검출 소자.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 실리콘 나노와이어는 상기 실리콘층에 마련되는 제1 실리콘 와이어와,상기 제1 실리콘 와이어로부터 연장되어 상기 전극과 연결되는 제2 실리콘 와이어를 포함하는 광검출 소자.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 실리콘층은 제1도전형 실리콘을 포함하는 광검출 소자.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제1 실리콘 와이어는 제1도전형 실리콘 또는 도핑되지 않은(undoped) 실리콘을 포함하고, 상기 제2 실리콘 와이어는 제2도전형 실리콘을 포함하는 광검출 소자.
  10. 삭제
  11. 제1 절연층;
    상기 제1 절연층에 마련되는 실리콘층;
    상기 제1 절연층 및 상기 실리콘층을 관통하도록 마련되는 적어도 하나의 금속 플러그(metal plug);
    상기 실리콘층에 마련되는 적어도 하나의 실리콘 나노와이어;
    상기 적어도 하나의 실리콘 나노와이어와 전기적으로 연결되도록 마련되는 전극; 및
    상기 실리콘층과 상기 전극 사이에서 상기 적어도 하나의 실리콘 나노와이어를 둘러싸며, 상기 적어도 하나의 금속 플러그와 접촉하도록 마련되는 제2 절연층;을 포함하고,
    상기 실리콘 나노와이어는 제1 실리콘 와이어와, 상기 제1 실리콘 와이어의 일단부로부터 연장되어 상기 전극과 연결되는 제2 실리콘 와이어와, 상기 제1 실리콘 와이어의 타단부로부터 연장되어 상기 실리콘층과 연결되는 제3 실리콘 와이어를 포함하며,
    상기 제1 실리콘 와이어는 도핑되지 않은 실리콘을 포함하고, 상기 실리콘층 및 상기 제3 실리콘 와이어는 제1도전형 실리콘을 포함하며, 상기 제2 실리콘 와이어는 제2도전형 실리콘을 포함하는 광검출 소자.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 실리콘 나노와이어는 수㎛ ~ 수십㎛의 높이 및 수nm ~ 수백nm의 직경을 가지는 광검출 소자.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극은 투명한 도전성 산화물(TCO; Transparent Conductive Oxide)를 포함하는 광검출 소자.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극에 마련되는 마이크로 렌즈층을 더 포함하는 광검출 소자.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 전극과 상기 마이크로 렌즈층 사이에 마련되는 평탄화층을 더 포함하는 광검출 소자.
  16. 복수개의 픽셀을 포함하는 이미지 센서에 있어서,
    상기 픽셀들 각각은,
    회로 기판; 및
    상기 회로 기판에 마련되는 복수개의 광검출 소자;를 포함하고,
    상기 광검출 소자들 각각은,
    제1 절연층;
    상기 제1 절연층에 마련되는 실리콘층;
    상기 제1 절연층 및 상기 실리콘층을 관통하여 상기 회로 기판과 전기적으로 연결되도록 마련되는 적어도 하나의 금속 플러그;
    상기 실리콘층에 마련되는 복수의 실리콘 나노와이어;
    상기 실리콘 나노와이어들을 둘러싸도록 마련되며 상기 적어도 하나의 금속 플러그와 접촉하도록 마련되는 제2 절연층; 및
    상기 제2 절연층에 상기 적어도 하나의 실리콘 나노와이어와 전기적으로 연결되도록 마련되는 전극;을 포함하고,
    상기 광검출 소자들은 서로 다른 색상의 빛을 검출하도록 서로 다른 직경을 가지는 상기 실리콘 나노와이어들을 포함하는 이미지 센서.
  17. 삭제
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 회로 기판은 CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 기판, 인쇄 회로기판(PCB; Printed Circuit Board) 또는 디스플레이 패널을 포함하는 이미지 센서.
  19. 삭제
  20. 복수개의 픽셀을 포함하는 이미지 센서에 있어서,
    상기 픽셀들 각각은,
    회로 기판; 및
    상기 회로 기판에 마련되는 복수개의 광검출 소자;를 포함하고,
    상기 광검출 소자들 각각은,
    제1 절연층;
    상기 제1 절연층에 마련되는 실리콘층;
    상기 제1 절연층 및 상기 실리콘층을 관통하여 상기 회로 기판과 전기적으로 연결되도록 마련되는 적어도 하나의 금속 플러그;
    상기 실리콘층에 마련되는 복수의 실리콘 나노와이어;
    상기 실리콘 나노와이어들을 둘러싸도록 마련되며 상기 적어도 하나의 금속 플러그와 접촉하도록 마련되는 제2 절연층;
    상기 제2 절연층에 상기 적어도 하나의 실리콘 나노와이어와 전기적으로 연결되도록 마련되는 전극; 및
    상기 제1 절연층과 상기 실리콘층 사이에 마련되며 절연성을 가지는 금속 산화물을 포함하는 촉매층;을 포함하는 이미지 센서.
  21. 제 16 항에 있어서,
    상기 실리콘 나노와이어는 상기 실리콘층에 마련되는 제1 실리콘 와이어와, 상기 제1 실리콘 와이어로부터 연장되어 상기 전극과 연결되는 제2 실리콘 와이어를 포함하는 이미지 센서.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 실리콘층은 제1도전형 실리콘을 포함하고, 상기 제1 실리콘 와이어는 제1도전형 실리콘 또는 도핑되지 않은 실리콘을 포함하며, 상기 제2 실리콘 와이어는 제2도전형 실리콘을 포함하는 이미지 센서.
  23. 삭제
  24. 복수개의 픽셀을 포함하는 이미지 센서에 있어서,
    상기 픽셀들 각각은,
    회로 기판; 및
    상기 회로 기판에 마련되는 복수개의 광검출 소자;를 포함하고,
    상기 광검출 소자들 각각은,
    제1 절연층;
    상기 제1 절연층에 마련되는 실리콘층;
    상기 제1 절연층 및 상기 실리콘층을 관통하여 상기 회로 기판과 전기적으로 연결되도록 마련되는 적어도 하나의 금속 플러그;
    상기 실리콘층에 마련되는 복수의 실리콘 나노와이어;
    상기 실리콘 나노와이어들을 둘러싸도록 마련되며 상기 적어도 하나의 금속 플러그와 접촉하도록 마련되는 제2 절연층; 및
    상기 제2 절연층에 상기 적어도 하나의 실리콘 나노와이어와 전기적으로 연결되도록 마련되는 전극;을 포함하고,
    상기 실리콘 나노와이어는 제1 실리콘 와이어와, 상기 제1 실리콘 와이어의 일단부로부터 연장되어 상기 전극과 연결되는 제2 실리콘 와이어와, 상기 제1 실리콘 와이어의 타단부로부터 연장되어 상기 실리콘층과 연결되는 제3 실리콘 와이어를 포함하며,
    상기 제1 실리콘 와이어는 도핑되지 않은 실리콘을 포함하고, 상기 실리콘층 및 상기 제3 실리콘 와이어는 제1도전형 실리콘을 포함하며, 상기 제2 실리콘 와이어는 제2도전형 실리콘을 포함하는 이미지 센서.
  25. 제1 절연층에 촉매층 및 비정질 실리콘층을 순차적으로 형성하는 단계;
    상기 비정질 실리콘층, 상기 촉매층 및 상기 제1 절연층을 관통하는 적어도 하나의 금속 플러그를 형성하는 단계;
    상기 비정질 실리콘층에 제2 절연층을 형성하고, 상기 제2 절연층에 상기 비정질 실리콘층을 노출시키는 적어도 하나의 나노홀(nano-hole)을 형성하는 단계;
    상기 나노홀을 비정질 실리콘으로 채워서 비정질 실리콘 나노와이어를 형성하는 단계;
    상기 비정질 실리콘 나노와이어의 상부를 도핑하는 단계;
    상기 비정질 실리콘층 및 상기 비정질 실리콘 나노와이어를 결정화시켜 실리콘층 및 실리콘 나노와이어를 형성하는 단계; 및
    상기 제2 절연층에 상기 실리콘 나노와이어와 전기적으로 연결되는 전극을 형성하는 단계;를 포함하는 광검출 소자의 제조방법.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 비정질 실리콘층 및 상기 비정질 실리콘 나노와이어는 금속 유도 결정화(MIC; Metal Induced Crystallization) 공정에 의해 결정화되는 광검출 소자의 제조방법.
  27. 제 25 항에 있어서,
    상기 실리콘 나노와이어는 상기 실리콘층에 형성되는 제1 실리콘 와이어와, 상기 제1 실리콘 와이어로부터 연장되는 제2 실리콘 와이어를 포함하는 광검출 소자의 제조방법.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 실리콘층은 제1도전형 실리콘을 포함하고, 상기 제1 실리콘 와이어는 제1도전형 실리콘 또는 도핑되지 않은 실리콘을 포함하며, 상기 제2 실리콘 와이어는 제2도전형 실리콘을 포함하는 광검출 소자의 제조방법.
  29. 제 25 항에 있어서,
    상기 나노홀을 비정질 실리콘으로 채워서 비정질 실리콘 나노와이어를 형성하는 단계는 상기 나노홀을 도핑된 비정질 실리콘 및 도핑되지 않은 비정질 실리콘으로 채워서 상기 비정질 실리콘 나노와이어를 형성하는 단계를 포함하는 광검출 소자의 제조방법.
  30. 제 29 항에 있어서,
    상기 실리콘 나노와이어는 제1 실리콘 와이어와, 상기 제1 실리콘 와이어의 일단부로부터 연장되어 상기 전극과 연결되는 제2 실리콘 와이어와, 상기 제1 실리콘 와이어의 타단부로부터 연장되어 상기 실리콘층과 연결되는 제3 실리콘 와이어를 포함하는 광검출 소자의 제조방법.
  31. 제 30 항에 있어서,
    상기 제1 실리콘 와이어는 도핑되지 않은 실리콘을 포함하고, 상기 실리콘층 및 상기 제3 실리콘 와이어는 제1도전형 실리콘을 포함하며, 상기 제2 실리콘 와이어는 제2도전형 실리콘을 포함하는 광검출 소자의 제조방법.
  32. 제 25 항에 있어서,
    상기 촉매층은 절연성을 가지는 금속 산화물을 포함하는 광검출 소자의 제조방법.
  33. 회로 기판에 제1 절연층, 촉매층 및 비정질 실리콘층을 순차적으로 형성하는 단계;
    상기 비정질 실리콘층, 상기 촉매층 및 상기 제1 절연층을 관통하여 회로 기판에 전기적으로 연결되는 적어도 하나의 금속 플러그를 형성하는 단계;
    상기 비정질 실리콘층에 제2 절연층을 형성하고, 상기 제2 절연층에 상기 비정질 실리콘층을 노출시키는 적어도 하나의 나노홀을 형성하는 단계;
    상기 나노홀을 비정질 실리콘으로 채워서 비정질 실리콘 나노와이어를 형성하는 단계;
    상기 비정질 실리콘 나노와이어의 상부를 도핑하는 단계;
    상기 비정질 실리콘층 및 상기 비정질 실리콘 나노와이어를 결정화시켜 실리콘층 및 실리콘 나노와이어를 형성하는 단계; 및
    상기 제2 절연층에 상기 실리콘 나노와이어와 전기적으로 연결되는 전극을 형성하는 단계;를 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
  34. 제 33 항에 있어서,
    상기 비정질 실리콘층 및 상기 비정질 실리콘 나노와이어는 금속 유도 결정화 공정에 의해 결정화되는 이미지 센서의 제조방법.
  35. 제 33 항에 있어서,
    상기 촉매층은 절연성을 가지는 금속 산화물을 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
  36. 제 33 항에 있어서,
    상기 회로 기판은 CMOS 기판, 인쇄 회로기판 또는 디스플레이 패널을 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
  37. 복수의 광검출 소자를 제작하는 단계; 및
    상기 광검출 소자들을 회로 기판에 전사하는 단계;를 포함하고,
    상기 광검출 소자들 각각을 제작하는 단계는,
    제1 절연층에 촉매층 및 비정질 실리콘층을 순차적으로 형성하는 단계;
    상기 비정질 실리콘층, 상기 촉매층 및 상기 제1 절연층을 관통하는 적어도 하나의 금속 플러그를 형성하는 단계;
    상기 비정질 실리콘층에 제2 절연층을 형성하고, 상기 제2 절연층에 상기 비정질 실리콘층을 노출시키는 적어도 하나의 나노홀을 형성하는 단계;
    상기 나노홀을 비정질 실리콘으로 채워서 비정질 실리콘 나노와이어를 형성하는 단계;
    상기 비정질 실리콘 나노와이어의 상부를 도핑하는 단계;
    상기 비정질 실리콘층 및 상기 비정질 실리콘 나노와이어를 결정화시켜 실리콘층 및 실리콘 나노와이어를 형성하는 단계; 및
    상기 실리콘 나노와이어와 전기적으로 연결되는 전극을 상기 제2 절연층에 형성하는 단계;를 포함하는 이미지 센서의 제조방법.
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