KR20120081812A - 광대역 갭 물질층 기반의 포토 다이오드 소자, 및 그 포토 다이오드 소자를 포함하는, 후면 조명 씨모스 이미지 센서 및 태양 전지 - Google Patents
광대역 갭 물질층 기반의 포토 다이오드 소자, 및 그 포토 다이오드 소자를 포함하는, 후면 조명 씨모스 이미지 센서 및 태양 전지 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명의 사상은 블루 광에 대한 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있는 포토 다이오드 소자, 상기 포토 다이오드 소자를 구비하여, 블루 광에 대한 감도 향상 및 크로스토크를 방지하여 혼색을 방지할 수 있는 후면 조명 씨모스 이미지 센서 및 상기 포토 다이오드 소자를 구비하여, 블루 광에 대한 수광 효율을 향상시켜, 전기 생성 능력을 향상시킬 수 있는 태양전지를 제공한다. 그 포토 다이오드 소자는 서로 대향하는 제1 면과 제2 면을 갖는 반도체 기판; 상기 반도체 기판 내에 형성되고, 입사된 광을 전기로 변환하는 포토 다이오드; 및 상기 광이 입사되는 방향인 상기 기판의 제2 면 상에 형성되고, 넓은 에너지 밴드 갭을 갖는 광대역 갭(wide band-gap) 물질층;을 포함한다. 또한, 그 후면 조명 씨모스 이미지 센서는 상기 포토 다이오드 소자; 상기 반도체 기판의 상기 제1 면 상에 형성된 금속 배선층; 상기 광대역 갭 물질층 상에 형성되고, 상기 광의 반사를 방지하는 반사 방지층(Anti-Reflective Layer: ARL); 상기 반사 방지층 상에 형성된 컬러 필터; 및 상기 컬러 필터 상에 형성된 마이크로 렌즈;를 포함한다.
Description
본 발명의 사상은 포토 다이오드 소자를 관한 것으로, 특히 광대역 갭 물질층 기반의 포토 다이오드를 포함하는 후면 조명 씨모스 이미지 센서 및 태양 전지에 관한 것이다.
포토 다이오드는 광을 전기에너지로 바꾸는 광전 소자로서, 이러한 포토 다이오드는 주로 씨모스(CMOS) 이미지 센서 또는 태양 전지에 이용되고 있다. 씨모스 이미지 센서는 배선층이 배치되는 기판 전면으로 광이 입사되는 전면 조명 씨모스 이미지 센서와 배선층이 배치되는 기판 전면의 반대편인 후면으로 광이 입사되는 후면 조명(Back Side Illumination: BSI) 씨모스 이미지 센서로 분류될 수 있다.
한편, 태양전지들은 크게 무기 태양전지 및 유기 태양전지 2가지로 분류되며, 무기 태양전지의 예로서 단결정 실리콘(single crystalline silicon), 다결정 실리콘(polysilicon) 태양전지 등을 들 수 있 있다.
본 발명의 사상이 해결하고자 하는 과제는 블루 광에 대한 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있는 포토 다이오드 소자를 제공하는 데에 있다.
또한, 본 발명의 사상이 해결하고자 하는 과제는 상기 포토 다이오드 소자를 구비하여, 블루 광에 대한 감도 향상 및 크로스토크를 방지하여 혼색을 방지할 수 있는 후면 조명 씨모스 이미지 센서를 제공하는 데에 있다.
더 나아가, 본 발명의 사상이 해결하고자 하는 과제는 상기 포토 다이오드 소자를 구비하여, 블루 광에 대한 수광 효율을 향상시켜, 전기 생성 능력을 향상시킬 수 있는 태양전지를 제공하는 데에 있다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 사상은 서로 대향하는 제1 면과 제2 면을 갖는 반도체 기판; 상기 반도체 기판 내에 형성되고, 입사된 광을 전기로 변환하는 포토 다이오드; 및 상기 광이 입사되는 방향인 상기 기판의 제2 면 상에 형성되고, 넓은 에너지 밴드 갭을 갖는 광대역 갭(wide band-gap) 물질층;을 포함하는 포토 다이오드 소자를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 광대역 갭 물질층은, 블루(blue) 광에 대하여 흡수 계수가 낮은 물질로 형성될 수 있다.
본 발명의 사상은 상기 과제를 해결하기 위하여, 상기 포토 다이오드 소자; 상기 반도체 기판의 상기 제1 면 상에 형성된 금속 배선층; 상기 광대역 갭 물질층 상에 형성되고, 상기 광의 반사를 방지하는 반사 방지층(Anti-Reflective Layer: ARL); 상기 반사 방지층 상에 형성된 컬러 필터; 및 상기 컬러 필터 상에 형성된 마이크로 렌즈;를 포함하는 후면 조명(Back Side Illumination: BSI) 씨모스 이미지 센서를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 광대역 갭 물질층은, 블루(blue) 광에 대하여 흡수 계수가 낮은 물질로 형성될 수 있으며, 예컨대, p+-실리콘카바이드(p+-SiC), p+-실리콘나이트라이드(p+-SiN), 및 p+-실리콘카본나이트라이드(p+-SiCN) 중 어느 하나로 형성될 수 있다. 또한, 상기 반도체 기판은 p--실리콘 기판이고, 상기 광대역 갭 물질층과 상기 반도체 기판 사이에 p+-실리콘층이 형성될 수 있다.
한편, 상기 반도체 기판은 픽셀 어레이 영역과 주변 회로 영역으로 구분되고, 상기 광대역 갭 물질층은 상기 픽셀 어레이 영역 전체로 형성되거나 상기 광대역 갭 물질층은 상기 픽셀 어레이 영역 내의 블루 픽셀에 대응되는 부분에만 형성될 수 있다. 또한, 상기 광대역 갭 물질층은 레이저 어닐링층일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 반사 방지층은, 실리콘나이트라이드(SiNx)층으로 형성된 제1 구조, 버퍼층 및 하프늄옥사이드층(HfO2)층을 구비한 제2 구조, 실리콘옥사이드(SiO2)층 및 실리콘옥사이드나이트나이드(SiON)층을 구비한 제3 구조, 버퍼층, SiNx층, 및 티타늄옥사이드(TiO2)층을 구비한 제4 구조, 버퍼층, HfO2층, 및 TiO2층을 구비한 제5 구조, 버퍼층, SPA 옥사이드층, HfO2층, 및 TiO2층을 구비한 제6 구조, 버퍼층, SPA 옥사이드(SPA oxide)층, SiNx층, 및 TiO2층을 구비한 제7 구조, 버퍼층, SPA 옥사이드층 및 SiNx층을 구비한 제8 구조, 버퍼층, SPA 옥사이드층, 하프늄실리콘옥사이드(HfSiOx)층 및 TiO2층을 구비한 제9 구조, 및 버퍼층, HfSiOx층 및 TiO2층을 구비한 제10 구조 중 어느 하나의 구조를 가질 수 있다.
더 나아가 본 발명의 사상은 상기 과제를 해결하기 위하여, 상기 포토 다이오드 소자; 상기 광대역 갭 물질층 상에 형성되고, 상기 광의 반사를 방지하는 반사 방지층; 상기 반사 방지층을 관통하여 형성되고, 상기 포토 다이오드에 전기적으로 연결된 제1 전극; 및 상기 반도체 기판의 상기 제1 면 상에 형성되고 상기 포토 다이오드에 전기적으로 연결된 제2 전극;을 포함하는 태양 전지를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 포토 다이오드는 상기 반도체 기판 전체 두께에 걸쳐 P-N 접합 다이오드 구조로 형성되고, 상기 광대역 갭 물질층은 광이 입사하는 N형 반도체층 상면에 콘택하여 형성될 수 있다. 또한, 상기 반사 방지층 상에 형성된 마이크로 렌즈를 포함할 수 있다.
본 발명의 사상에 따른 포토 다이오드 소자는 반도체 기판 상면에 광대역 갭 물질층이 형성됨으로써, 블루 광에 대한 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 사상에 따른 후면 조명 씨모스 이미지 센서는 첫 번째, 후면 조명 구조에 기반하여 광 흡수나 손실 감도 손실 및 심한 굴절에 의한 크로스토크 문제 등을 해결할 수 있고, 두 번째, 광대역 갭 물질층의 존재로 의해 블루 광에 대한 감소를 향상시키고, 크로스토크를 더욱 감소시킬 수 있다.
더 나아가 본 발명의 사상에 따른 태양 전지는 포토 다이오드 상부에 광대역 갭 물질층이 형성됨으로써, 블루 광에 대한 투과성을 높여 포토 다이오드에서의 광전 변화 효율을 향상시켜 전기 생산 능력을 향상시킬 수 있다.
도 1a ~ 1c는 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 갭 물질층을 포함한 포토 다이오드 소자에 대한 단면도들이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1a 또는 1b의 포토 다이오드 소자를 구비한 후면 조명 씨모스 이미지 센서에 대한 레이 아웃이다.
도 3은 도 2의 후면 조명 씨모스 이미지 센서에서의 단위 픽셀에 대한 등가 회로도이다.
도 4는 도 2의 후면 조명 씨모스 이미지 센서에 대한 단면도이다.
도 5a 및 5b는 도 2의 후면 조명 씨모스 이미지 센서에서의 광대역 갭 물질층의 구조를 좀더 상세하게 보여주는 단면도들이다.
도 6은 도 5a 또는 도 5b의 광대역 갭 물질층을 채용한 씨모스 이미지 센서에서의 파장에 따른 양자화 효율을 보여주는 그래프이다.
도 7은 도 5a의 광대역 갭 물질층을 채용한 씨모스 이미지 센서에서의 블루 광의 감도가 향상되는 원리를 보여주는 개념도이다.
도 8은 도 5a의 광대역 갭 물질층을 채용한 씨모스 이미지 센서에서의 크로스 토크 방지의 원리를 보여주는 개념도이다.
도 9는 도 5b의 광대역 갭 물질층을 채용한 씨모스 이미지 센서에서의 블루 광의 감도가 향상되는 원리를 보여주는 개념도이다.
도 10은 도 5b의 광대역 갭 물질층을 채용한 씨모스 이미지 센서에서의 크로스 토크 방지의 원리를 보여주는 개념도이다.
도 11a ~ 11d는 도 5a의 광대역 갭 물질층을 채용한 씨모스 이미지 센서에서의 광대역 갭 물질층을 형성하는 방법을 보여주는 단면도들이다.
도 12a ~ 12f는 도 5b의 광대역 갭 물질층을 채용한 씨모스 이미지 센서에서의 광대역 갭 물질층을 형성하는 방법을 보여주는 단면도들이다.
도 13은 모노크리스탈린 실리콘 카바이드, 이온 도핑된 비정질 실리콘카바이드 및 CO2 레이저 어닐된 실리콘카바이드에 대한 흡수 계수를 보여주는 그래프이다.
도 14a 및 14b는 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 갭 물질층을 채용한 씨모스 이미지 센서에서 픽셀 어레이 영역에 광대역 갭 물질층이 형성되는 구조를 보여주는 평면도들이다.
도 15a ~ 15d는 각각 본 발명의 일 실시예들에 따른 광대역 갭 물질층을 채용한 씨모스 이미지 센서에서 반사 방지막 구조를 보여주는 단면도들이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 4의 후면 조명 씨모스 이미지 센서를 포함한 이미징 시스템(400)에 대한 블럭 구조도이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 별개의 칩으로 구성된 후면 조명 씨모스 이미지 센서를 도시한 블럭 구조도이다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1c의 포토 다이오드 소자를 구비한 태양전지에 대한 단면도이다.
도 19a ~ 19c는 도 18의 태양전지를 다수 개 포함한 태양전지 장치에 대한 사시도, 평면도 및 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1a 또는 1b의 포토 다이오드 소자를 구비한 후면 조명 씨모스 이미지 센서에 대한 레이 아웃이다.
도 3은 도 2의 후면 조명 씨모스 이미지 센서에서의 단위 픽셀에 대한 등가 회로도이다.
도 4는 도 2의 후면 조명 씨모스 이미지 센서에 대한 단면도이다.
도 5a 및 5b는 도 2의 후면 조명 씨모스 이미지 센서에서의 광대역 갭 물질층의 구조를 좀더 상세하게 보여주는 단면도들이다.
도 6은 도 5a 또는 도 5b의 광대역 갭 물질층을 채용한 씨모스 이미지 센서에서의 파장에 따른 양자화 효율을 보여주는 그래프이다.
도 7은 도 5a의 광대역 갭 물질층을 채용한 씨모스 이미지 센서에서의 블루 광의 감도가 향상되는 원리를 보여주는 개념도이다.
도 8은 도 5a의 광대역 갭 물질층을 채용한 씨모스 이미지 센서에서의 크로스 토크 방지의 원리를 보여주는 개념도이다.
도 9는 도 5b의 광대역 갭 물질층을 채용한 씨모스 이미지 센서에서의 블루 광의 감도가 향상되는 원리를 보여주는 개념도이다.
도 10은 도 5b의 광대역 갭 물질층을 채용한 씨모스 이미지 센서에서의 크로스 토크 방지의 원리를 보여주는 개념도이다.
도 11a ~ 11d는 도 5a의 광대역 갭 물질층을 채용한 씨모스 이미지 센서에서의 광대역 갭 물질층을 형성하는 방법을 보여주는 단면도들이다.
도 12a ~ 12f는 도 5b의 광대역 갭 물질층을 채용한 씨모스 이미지 센서에서의 광대역 갭 물질층을 형성하는 방법을 보여주는 단면도들이다.
도 13은 모노크리스탈린 실리콘 카바이드, 이온 도핑된 비정질 실리콘카바이드 및 CO2 레이저 어닐된 실리콘카바이드에 대한 흡수 계수를 보여주는 그래프이다.
도 14a 및 14b는 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 갭 물질층을 채용한 씨모스 이미지 센서에서 픽셀 어레이 영역에 광대역 갭 물질층이 형성되는 구조를 보여주는 평면도들이다.
도 15a ~ 15d는 각각 본 발명의 일 실시예들에 따른 광대역 갭 물질층을 채용한 씨모스 이미지 센서에서 반사 방지막 구조를 보여주는 단면도들이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 4의 후면 조명 씨모스 이미지 센서를 포함한 이미징 시스템(400)에 대한 블럭 구조도이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 별개의 칩으로 구성된 후면 조명 씨모스 이미지 센서를 도시한 블럭 구조도이다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1c의 포토 다이오드 소자를 구비한 태양전지에 대한 단면도이다.
도 19a ~ 19c는 도 18의 태양전지를 다수 개 포함한 태양전지 장치에 대한 사시도, 평면도 및 단면도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 이하의 설명에서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 상부에 존재한다고 기술될 때, 이는 다른 구성 요소의 바로 위에 존재할 수도 있고, 그 사이에 제3의 구성 요소가 개재될 수도 있다. 또한, 도면에서 각 구성 요소의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되었고, 설명과 관계없는 부분은 생략되었다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 한편, 사용되는 용어들은 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다.
도 1a ~ 1c는 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 갭 물질층을 포함한 포토 다이오드 소자에 대한 단면도들이다.
도 1a를 참조하면, 본 실시예의 포토 다이오드 소자는 반도체 기판(100), 포토 다이오드(120), 및 광대역 갭(wide band-gap) 물질층(130)을 포함할 수 있다.
반도체 기판(100)은 에피(Epi) 또는 에피택셜(Epitaxial) 웨이퍼에 의해 형성될 수 있는데, 이러한 에피택셜 웨이퍼는 단결정 실리콘 기판 상에 결정성 물질을 성장시킨 웨이퍼를 말한다. 본 실시예에서 에피택셜 웨이퍼(100)를 기판으로 이용하고 있지만, 이에 한정하지 않고, 폴리시드(polished) 웨이퍼, 열처리된(Annealed) 웨이퍼, SOI(Silicon On Insulator) 웨이퍼 등 다양한 웨이퍼들이 기판으로서 이용될 수 있음은 물론이다. 예컨대, 반도체 기판(100)은 p--형 실리콘 기판 일 수 있다.
포토 다이오드(120)은 P-N 접합 다이오드로서, 광 에너지를 전기 에너지를 변환하는 기능을 한다. 즉, 포토 다이오드(120)로 입사한 광에 의해 공핍 영역에서 정공-전자가 쌍 생성되고, 생성된 정공 및 전자가 해당 전극으로 이동함으로써, 전류가 발생하게 된다. 따라서, 포토 다이오드(120)는 발생된 전자 및 정공이 각각 배출될 수 있는 전극들(미도시)에 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 포토 다이오드들(120) 간의 고립을 위하여 포토 다이오드들(120) 사이에는 소자 분리막(미도시)이 형성될 수 있다.
이러한 포토 다이오드(120)는 다양한 광전 장치의 기본 소자로서 이용될 수 있다. 예컨대, 씨모스 이미지 센서 및 태양 전지에서 전기를 발생시키는 기본 소자로서 이용될 수 있다. 본 실시예의 포토 다이오드 소자를 채용한 씨모스 이미지 센서에 대해서는 도 4 ~ 도 15의 설명부분에서 좀더 상세히 기술한다.
광대역 갭 물질층(130)은 넓은 에너지 밴드 갭을 갖는 물질층으로서, 블루 광에 대한 흡수 계수(absorption coeffcient)가 낮은 물질로 형성될 수 있다. 예컨대, 광대역 갭 물질층(130)은 SiC, SiN 또는 SiCN으로 형성될 수 있다. 특히, SiC의 경우 여러 가지 결정 구조를 가질 수 있으며, 결정 구조에 따라, 2 ~ 6eV 범위의 다양한 광대역 에너지 밴드 갭을 가질 수 있다. 예컨대, SiC의 대표적인 구조들로, 3C-SiC, 6H-SiC, 및 4H-SiC 등을 들 수 있다. 여기서, 3C-SiC는 2.23eV 정도의 에너지 밴드 갭을 가지며, 6H-SiC는 2.86eV 정도의 에너지 밴드 갭을 가지며, 4H-SiC는 3.0 eV 에너지 밴드 갭을 가질 수 있다.
본 실시예에서 광대역 갭 물질층(130)은 보론이 도핑된 p+-SiC, p+-SiN 또는 p+-SiCN으로 형성될 수 있고, 특히 에너지 밴드 갭이 1.3 ~ 1.5 eV 정도의 p+-SiC로 형성될 수 있다.
이러한 광대역 갭 물질층(130)은 입사되는 광, 특히 블루 광에 대한 흡수 계수가 낮아, 블루 광에 대한 포토 다이오드에서의 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 기판, 특히 p--형 실리콘 기판보다 에너지 레벨이 높아 생성된 전자들이 누설되는 것을 방지할 수 있다. 전자들의 누설 방지는 크로스토크(crosstalk)를 감소시키고 SNR(Signal to Noise Ratio)을 향상시킴으로써, 씨모스 이미지 센서의 광 감도, 특히 블루 광의 감도를 향상시킬 수 있다.
도 1b를 참조하면, 본 실시예의 포토 다이오드 소자는 도 1a의 포토 다이오드 소자와 유사하나, 반도체 기판(100)과 광대역 갭 물질층(130a) 사이에 p+-실리콘층을 더 포함할 수 있다. 반도체 기판(100) 및 광대역 갭 물질층(130a)에 대한 내용은 도 1a의 설명부분에서 기술하였으므로 여기에서는 생략한다.
p+-실리콘층(105)은 종래 후면 조명 씨모스 이미지 센서에서 실리콘 기판의 저항을 감소시키기 위하여, 실리콘 기판 표면 상으로 형성되었으나, p+-실리콘층(105)은 블루 광에 대한 광 흡수율이 높아 블루 광에 대한 감도를 약화시키고 또한, p+-실리콘층(105)을 통한 전자 누설이 발생하는 문제가 있었다. 그러나 본 실시예에서는 p+-실리콘층(105) 상부 영역에 광대역 갭 물질층(130a)이 형성됨으로써, p+-실리콘층(105)의 문제점을 해결할 수 있다. 즉, 앞서 도 1a에서 설명한 바와 같이 본 실시예의 광대역 갭 물질층(130a) 역시 블루 광의 흡수율을 낮추어 블루 광에 대한 광전 변환 효율을 높이고, 또한 전자들의 누설을 방지하여 크로스토크를 감소시킬 수 있다.
도 1c를 참조하면, 본 실시예의 포토 다이오드 소자는 하부 지지층(540), 포토 다이오드(120), 절연층 (550) 및 광대역 갭 물질층(130)을 포함할 수 있다.
하부 지지층(540)은 포토 다이오드(120)를 지지하며, 포토 다이오드(120)의 하부면이 외부로 노출되는 것을 방지한다. 본 실시예의 포토 다이오드 소자가 태양 전지에 채용되는 경우에, 하부 지지층(540)은 태양 전지의 하부 전극을 구성할 수 있다. 포토 다이오드(120)은 도 1a 또는 도 1b와 달리 기판 전체로 형성될 수 있다. 그에 따라, 포토 다이오드(120)의 상면이 광대역 갭 물질층(130)에 콘택할 수 있다. 이러한 구조의 포토 다이오드(120) 역시, P-N 접합 다이오드임은 물론이다. 절연층(550)은 포토 다이오드들(120)을 고립시키는 기능을 한다.
광대역 갭 물질층(130)은 포토 다이오드(120) 및 절연층(550) 상으로 형성되는데, 전술한 바와 같이 포토 다이오드(120)의 상면, 즉 N형 반도체 층과 콘택할 수 있다. 광대역 갭 물질층(130)의 기능이나 재질은 도 1a 설명한 바와 같다. 한편, 본 실시예에서는 포토 다이오드(120)로부터 발생된 전자를 배출하기 위하여, 광대역 갭 물질층(130)을 관통하는 전극(미도시)이 형성될 수 있다.
본 실시예의 포토 다이오드 소자를 채용한 태양 전지에 대해서는 도 19 ~ 도 19c의 설명부분에서 좀더 상세히 기술한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1a 또는 1b의 포토 다이오드 소자를 구비한 후면 조명 씨모스 이미지 센서에 대한 레이 아웃이다.
도 2를 참조하면, 본 실시예의 씨모스 이미지 센서는 픽셀 어레이 영역(200) 및 씨모스 제어 회로(300)를 포함할 수 있다.
픽셀 어레이 영역(200)은 매트릭스(matrix) 형태로 배치된 복수의 단위 픽셀 (220)를 포함할 수 있다. 픽셀 어레이 영역(200)의 주위에 위치되어 있는 CMOS 제어회로(300)는 복수의 CMOS 트랜지스터로 구성되며, 픽셀 어레이 영역(200)의 각 단위 픽셀(220)에 일정한 신호를 제공하거나 출력 신호를 제어할 수 있다.
한편, 이미지 센서는 픽셀 어레이 영역(200)으로부터의 출력을 제어하는 출력부의 구성에 따라 능동 픽셀 센서(Active Pixel Sensor: APS)와 수동 픽셀 센서(Passive Pixel Sensor: PPS)로 분류될 수 있다. 즉, 능동 픽셀 센서는 본 실시예의 CMOS 제어회로(300)와 같이 전압 변환 장치, 셀렉트 트랜지스터, 및 소스 팔로워 등의 복수의 트랜지스터로 구성되며, 수동 픽셀 센서는 출력부가 단순히 선택 스위치로 구성될 수 있다. 본 실시예의 씨모스 이미지 센서는 능동 픽셀 센서로 볼 수 있으며, 그에 따라, 픽셀 어레이 영역(200)은 능동 픽셀 어레이 영역으로 지칭될 수 있다.
본 실시예의 씨모스 이미지 센서는 도 1a 또는 1b의 포토 다이오드 소자를 포함할 수 있다. 그에 따라, 픽셀 어레이 영역으로 형성되는 광대역 갭 물질층에 기반하여, 블루 광의 감도를 향상시킬 수 있고, 또한 크로스토크 감소 및 SNR의 증가를 통해 혼색을 방지할 수 있다.
도 3은 도 2의 후면 조명 씨모스 이미지 센서에서의 단위 픽셀에 대한 등가 회로도이다.
도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 씨모스 이미지 센서의 단위 픽셀(220)은 포토 다이오드(PD), 트랜스퍼 트랜지스터(Tx), 리셋 트랜지스터(Rx), 드라이브 트랜지스터(Dx) 및 셀렉트 트랜지스터(Sx)를 포함할 수 있다.
포토 다이오드(PD)는 도 1a 또는 1b에서 설명한 P-N 접합 다이오드로서, 광을 인가받아 전자 또는 정공과 같은 전하를 생성할 수 있다. 트랜스퍼 트랜지스터(Tx)는 포토 다이오드(PD)에서 생성된 전하를 플로팅 확산영역(FD: floating diffusion region)에 운송하며, 리셋 트랜지스터(Rx)는 플로팅 확산 영역(FD)에 저장되어 있는 전하를 주기적으로 리셋(reset) 시키는 기능을 할 수 있다.
또한, 드라이브 트랜지스터(DX)는 소스 팔로워 버퍼 증폭기(source follower buffer amplifier) 역할을 하며 플로팅 확산 영역(FD)에 충전된 전하에 따른 신호를 버퍼링(buffering)하며, 셀렉트 트랜지스터(Sx)는 픽셀(220)을 선택하기 위한 스위치 역할을 할 수 있다.
종래 씨모스 이미지 센서는 전면을 통하여 선택광을 수광하기 때문에, 두꺼운 층간 절연막을 통과하면서 많은 량의 빛이 흡수되거나 손실이 되어서 집광되는 최종량이 적고, 특히 파장이 큰 적색광에서는 소모뿐 아니라 두꺼운 층간 절연층과 배선층을 통과하면서 심한 굴절을 받아서 이웃하는 픽셀에 축적되는 크로스토크가 많이 발생하였다.
그러나 본 실시예의 씨모스 이미지 센서는 도 4에서 도시된 바와 같이 후면 조명 구조를 가질 수 있다. 그에 따라, 앞서 전면 조명 구조의 씨모스 이미지 센서에서 배선층 및 두꺼운 층간 절연막을 통과하면서 광 흡수나 감도 손실 및 심한 굴절에 의한 크로스토크 문제 등을 효과적으로 해결할 수 있다. 더 나아가, 픽셀 어레이 영역, 즉, 포토 다이오드들 상부의 광이 입사되는 면에, 광대역 갭 물질층이 형성되어 블루 광에 대한 감소가 향상시킬 수 있고, 크로스토크를 더욱 감소시킬 수 있다.
도 4는 도 2의 후면 조명 씨모스 이미지 센서에 대한 단면도이다.
도 4를 참조하면, 본 실시예의 후면 조명 씨모스 이미지 센서는 반도체 기판(100), 포토 다이오드(120), 광대역 갭 물질층(130), 배선층(140), 반사 방지층(150), 패시베이션층(160), 필터층(170) 및 마이크로 렌즈(180)를 포함할 수 있다.
반도체 기판(100)은 에피(Epi) 또는 에피택셜(Epitaxial) 웨이퍼에 의해 형성될 수 있는데, 이러한 에피택셜 웨이퍼는 단결정 실리콘 기판 상에 결정성 물질을 성장시킨 웨이퍼를 말한다. 본 실시예에서 에피택셜 웨이퍼(100)를 기판으로 이용하고 있지만, 이에 한정하지 않고, 폴리시드(polished) 웨이퍼, 열처리된(Annealed) 웨이퍼, SOI(Silicon On Insulator) 웨이퍼 등 다양한 웨이퍼들이 기판으로서 이용될 수 있음은 물론이다.
본 실시예에서는 반도체 기판(100)은 P--실리콘 기판일 수 있다. 이러한 P--실리콘 기판을 성장시킬 때, 처음부터 저농도의 P형 이온이 포함되도록 에피택셜층을 성장시켜 형성하거나, 또는 에피택셜 웨이퍼에 저농도로 P형 이온을 이온 주입하여 형성할 수 있다.
한편, 실리콘 기판(100)은 포토 다이오드(120)가 형성되는 픽셀 어레이 영역(A)과 신호처리를 위한 주변 회로 영역(B)으로 구분될 수 있다.
또한, 실리콘 기판(100) 내에는 STI(Shallow trench isolation)와 같은 소자 분리 영역(125), 포토 다이오드(120), CMOS 회로를 위한 웰 영역(110) 등이 형성될 수 있다. 예컨대, 포토 다이오드(120)는 픽셀 어레이 영역(A)의 반도체 기판(100) 내부에 형성될 수 있고, CMOS 회로를 위한 웰 영역(110)은 주변 회로 영역(B)의 반도체 기판(100) 내부에 형성될 수 있다. 또한, 소자 분리 영역(125)은 각 소자들을 전기적으로 서로 분리하기 위해 적절한 위치 및 두께로 형성될 수 있다.
특히, 도시된 바와 같이 픽셀 간의 크로스토크 방지를 위해, 포토 다이오드들(20) 사이의 소자 분리막(125)은 다른 소자 분리막보다 더 깊게 형성될 수 있다. 물론, 포토 다이오드들(120) 사이의 소자 분리막(125)이 다른 소자 분리막과 동일한 깊이로 형성될 수도 있다.
참고로, 본 실시예의 씨모스 이미지 센서는 후면 조명 구조를 가지며, 그에 따라, 광이 입사되는 부분인 필터층(170)이나 마이크로 렌즈(180)가 실리콘 기판(100)의 후면에 형성되고, 신호 처리를 위한 배선층(140)이 실리콘 기판(100)의 전면으로 형성되게 된다. 그러나 설명의 편의를 위해서, 본 도면에서는 실리콘 기판(100)의 후면이 상부 방향으로, 그리고 실리콘 기판(100)의 전면이 하부 방향으로 나타나도록 도시되고 있다. 그에 따라, 앞서 소자 분리막(125)의 깊이는 절연층(141a)을 기준으로 상부 방향으로의 깊이를 고려한 것이다.
포토 다이오드(120)는 가시광선을 검출하기 위한 가시광 포토 다이오드가 일반적이나 때에 따라, 적외선(IR)을 검출하기 위한 IR 포토 다이오드도 함께 형성될 수도 있다. 이러한 포토 다이오드(120)는 상부에 P형 반도체층, 즉 PPD 영역(121) 및 하부의 N형 반도체층, 즉 NPD 영역(123)을 포함하여, P-N 접합 다이오드를 구성할 수 있다. 이러한 P형 불순물 영역 또는 N형 불순물 영역은 중간 정도의 도핑 농도를 가질 수 있고, P형 불순물 영역이 N형 불순물 영역보다는 도핑 농도가 더 높을 수도 있다.
또한, PPD 영역(121) 및 NPD 영역(123)의 접합 부분에 공핍 영역(depletion region)이 형성되며, 인가되는 전압에 의해 공핍 영역이 확장될 수 있다. 또한, 반도체 기판(100), 즉 p--실리콘 기판이 공핍 영역으로 기능할 수도 있다. 공핍 영역에서 전자-정공 쌍 생성이 활발히 일어남은 전술한 바와 같다.
주변 회로 영역(B)의 반도체 기판(100) 내에는 CMOS 회로를 위한 다수의 N형 웰(111) 및 P형 웰(113)이 형성될 수 있다. 또한, P형 웰(113)을 중심으로 하여 CMOS 회로를 형성하는 N형 웰-P형 웰-N형 웰 상부에는 깊은 N형 웰(115)이 형성될 수 있다. 깊은 N형 웰 (115)은 인(P)을 약 1.4MeV 에너지로 4E13 정도의 농도가 되도록 불순물을 주입하여 형성할 수 있다. 이러한 깊은 N형 웰(115)은 주변회로의 구동전압을 다양하게 하기 위하여 사용되는 트리플 웰 (triple well)로 사용하기 위해 형성될 수 있다.
반도체 기판(100) 하부에는 배선층(140)이 형성될 수 있다. 배선층(140)은 게이트 절연층과 같은 절연층(141a), 다수의 층간 절연층(141, 143, 145, 147) 및 메탈 배선(142, 144, 146)을 포함할 수 있다. 한편, 반도체 기판(100)에 그라운드 바이어스 전압을 인가하기 위한 그라운드 전극(미도시)이 형성될 수 있다.
도면상 도시되고 있지는 않지만, 배선층(140)은 픽셀 어레이 영역(A) 상에 신호 독출을 위한 트랜지스터, 예컨대, 트랜스퍼 트랜지스터, 셀렉트 트랜지스터, 드라이브 트랜지스터, 리셋 트랜지스터 등을 포함할 수 있다. 또한, 배선층(140)은 주변 회로 영역(B)에서, 신호 처리를 위한 CMOS 회로를 구성하는 다수의 트랜지스터, 게이트 라인, 소스 라인 등을 포함할 수 있다.
광대역 갭 물질층(130)은 픽셀 어레이 영역(A)의 반도체 기판(100) 상면에 형성될 수 있다. 앞서 언급한 바와 같이, 도 4와 달리 씨모스 이미지 센서가 전면 구조를 기준으로 도시된다면, 광대역 갭 물질층(130)은 반도체 기판(100)의 하면으로 배치되게 된다. 광대역 갭 물질층(130)은 넓은 에너지 밴드 갭을 가지면서, 블루 광에 대한 흡수 계수가 낮은 물질층으로서, 실리콘 계열의 물질층일 수 있다. 광대역 갭 물질층(130)은 예컨대, SiC, SiN 또는 SiCN으로 형성될 수 있다. 특히, SiC의 경우, 결정 구조에 따라, 2 ~ 6eV 정도의 매우 넓은 에너지 밴드 갭을 가질 수 있다.
이와 같은 광대역 갭 물질층(130)을 포함함으로써, 블루 광에 대한 감도 향상 및 크로스토크 감소에 대한 효과에 대해서는 전술한 바와 같다. 광대역 갭 물질층(130)의 존재에 따른 효과에 대해서는 도 6 ~ 10의 설명 부분에서 좀더 상세히 기술한다. 한편, 이러한 광대역 갭 물질층(130)은 픽셀 어레이 영역(A) 전영역으로 형성되거나 특정 픽셀, 즉 블루 픽셀들에 대응되는 부분으로만 형성될 수 있다. 이에 대한 내용은 도 14a 및 14b의 설명 부분에서 기술한다.
반사 방지막(150)은 광대역 갭 물질층(130) 상으로 형성될 수 있다. 반사 방지막은 입사되는 광의 반사를 방지하여 포토 다이오드(120)로 대부분이 광이 투과되도록 함으로써, 씨모스 이미지 센서의 수광 능력을 향상시킬 수 있다. 도 4에서 반사 방지막(150)이 주변 회로 영역(B)에도 형성되었으나 기능상 픽셀 어레이 영역(A)에만 형성되도록 할 수 있음은 물론이다.
이러한 반사 방지막(150)은 광이 입사되는 마이크로 렌즈(180) 및 필터층(170) 하부에 형성된다는 의미에서 하부 반사 방지막(Bottom Anti-Reflective Layer: BARL)이라고 지칭되기도 한다. 반사 방지막(150)은 단일층 또는 다중층으로 형성될 수 있는데, 그에 대해서는 도 15a~ 15d의 설명 부분에서 기술한다.
패시베이션층(160)은 반사 방지막(150) 상으로 형성될 수 있다. 이러한 패시베이션층(160)은 씨모스 이미지 센서를 물리적, 화학적으로 보호하는 절연층으로서, 예컨대 실리콘옥사이드(SiO2)로 형성될 수 있다.
필터층(170)은 픽셀 어레이 영역(A)의 패시베이션층(160) 상부에 형성되며, 하부의 포토 다이오드에 대응하여 해당 필터들이 형성된다. 예컨대, 레드(R), 그린(G), 블루(B) 픽셀의 포토 다이오드에 각각 대응하여, 레드(R), 그린(G), 블루(B) 필터들이 형성될 수 있다. 때에 따라, 레드(R), 그린(G), 블루(B) 필터 대신 레드(R), 옐로우(Ye), 화이트(W) 필터가 형성될 수도 있다. 한편, 씨모스 이미지 센서가 적외선 포토 다이오드를 포함하는 경우, 적외선 포토 다이오드에 대응한 IR 필터가 형성될 수도 있다.
주변 회로 영역의 배선층(140) 상부에는 패시베이션층(160) 및 평탄화층(190)이 형성될 수 있다.
필터층(170)의 상부로는 다수의 마이크로 렌즈(180)가 각 필터에 대응하여 형성될 수 있다. 이러한 마이크로 렌즈(180)는 광을 집광하여 해당 포토 다이오드로 입사시키는 기능을 한다.
본 실시예에 따른 후면 조명 씨모스 이미지 센서는 반도체 기판의 후면, 즉 배선층이 형성된 반도체 기판의 전면에 반대되는 방향으로 광이 입사하는 후면 조명 구조를 가지며, 또한, 광이 입사되는 방향의 반도체 기판 상으로 광대역 갭 물질층이 형성될 수 있다. 그에 따라, 본 실시예의 후면 조명 씨모스 이미지 센서는 후면 조명 구조에 기반하여 광 흡수나 손실 감도 손실 및 심한 굴절에 의한 크로스토크 문제 등을 해결할 수 있다. 더 나아가, 본 실시예의 후면 조명 씨모스 이미지 센서는 광대역 갭 물질층의 존재로 의해 블루 광에 대한 감소를 향상시킬 수 있고, 또한 크로스토크를 더욱 감소시킬 수 있다.
도 5a 및 5b는 도 2의 후면 조명 씨모스 이미지 센서에서의 광대역 갭 물질층의 구조를 좀더 상세하게 보여주는 단면도들이다.
도 5a 및 5b를 참조하면, 반도체 기판(100) 내에 포토 다이오드(120) 및 소자 분리막(125)이 형성되고, 반도체 기판(100) 상에 광대역 갭 물질층(130, 130a) 형성됨을 확인할 수 있다. 그러나 도 5a의 후면 조명 씨모스 이미지 센서와 도 5b의 후면 조명 씨모스 이미지 센서에서의 광대역 갭 물질층(130, 130a)의 형성 위치는 약간 다르다.
즉, 도 5a의 후면 조명 씨모스 이미지 센서에서는 광대역 갭 물질층(130)이 반도체 기판(100) 상에 바로 콘택하여 형성되는 반면, 도 5b의 후면 조명 씨모스 이미지 센서에서는 반도체 기판(100) 상에 p+-실리콘층(107)이 형성되고, 그 p+-실리콘층(107) 상에 광대역 갭 물질층(130a)이 형성될 수 있다.
p+-실리콘층은 실리콘 기판의 저항을 감소시키기 위하여 반도체 기판(100) 상면으로 형성될 수 있는데, 이러한 p+-실리콘층의 존재는 블루 광의 손실을 커지게 하고 또한 전자 누설을 증가시킴으로써, 블루 광의 감도 축소 및 크로스토크를 증가시킬 수 있다. 그러나 도 5b에서와 같이 p+-실리콘층 상부에 광대역 갭 물질층(130a)이 형성됨으로써, 위와 같은 문제점들이 해결될 수 있다.
도 5a 및 5b에 도시된 각 광대역 갭 물질층(130, 130a)의 존재로 인한 효과에 대해서는 이하, 도 6 ~ 도 10의 설명부분에서 좀더 상세히 기술한다. 또한, 도 5a 및 5b의 각 광대역 갭 물질층(130, 130a) 구조를 형성하는 방법은 도 11a ~ 12f의 설명부분에서 좀더 상세히 기술한다.
도 6은 도 5a 또는 도 5b의 광대역 갭 물질층을 채용한 씨모스 이미지 센서에서의 파장에 따른 양자화 효율(Quantum Efficiency)을 보여주는 그래프이다.
도 6을 참조하면, 본 그래프에서, B, G, R 각각의 그래프는 광대역 갭 물질층이 형성되지 않은 씨모스 이미지 센서에서 블루 광, 그린 광 및 레드 광의 파장에 따른 광자화 효율을 보여주며, B', G', R' 각각의 그래프는 광대역 갭 물질층이 형성된 씨모스 이미지 센서에서 블루 광, 그린 광 및 레드 광의 파장에 따른 광자화 효율을 보여준다.
그래프에서 확인할 수 있듯이, 광대역 갭 물질층의 존재로 인해 블루 광에 대해서 400 ~ 600㎚ 파장 영역에서 양자화 효율은 굵은 화살표에 표시된 바와 같이 거의 10% 이상 증가할 수 있다. 또한, 그린 광의 경우에도 550 ㎚ 이하의 파장 영역에서 양자화 효율이 증가함을 확인할 수 있다. 한편, 레드 광의 경우는 광대역 갭 물질층의 존재가 양자화 효율에 거의 영향을 미치지 않음을 알 수 있다.
양자화 효율이 높아진다는 것은 전자-정공 쌍 생성에 기여하는 광자들이 많아지는 것을 의미한다. 그에 따라, 블루 광의 경우에 광대역 갭 물질층의 존재로 인해 블루 광에 대한 전자-정공 쌍 생성이 증가할 수 있고, 결과적으로 블루 광에 대한 감도가 증가할 수 있음을 알 수 있다. 한편, 광대역 갭 물질층의 존재로 인해 그린 광에 대한 감도도 증가할 수 있음은 물론이다.
도 7은 도 5a의 광대역 갭 물질층을 채용한 씨모스 이미지 센서에서의 블루 광의 감도가 향상되는 원리를 보여주는 개념도로서, (a)는 종래 반도체 기판 상에 p+-실리콘층이 형성된 구조에 대한 것이고, (b)는 p+-실리콘층 대신 광대역 갭 물질층이 형성된 구조에 대한 것이다.
도 7을 참조하면, (a)의 종래 구조에서는 입사된 블루 광이 p+-실리콘층(105)에서 흡수되거나 또는 통과하여 전자-정공 쌍 생성에 기여하더라도 쉽게 누설됨을 보여준다. 여기서, ⓔ는 전자-정공 쌍 생성에 기여하는 광자들 또는 그러한 광자들에 의해 생성된 전자들로 이해할 수 있다. 이러한 흡수되거나 누설된 광자나 전자들은 크로스토크 인자로 작용할 수 있다. (a)의 화살표가 그러한 누설 광자나 전자들을 보여주고 있다.
이에 반해, (b)의 광대역 갭 물질층(130)이 형성된 구조에서는 대부분의 광자들이 광대역 갭 물질층(130)을 통과하여 p--실리콘 기판(100)에 입사될 수 있다. 그에 따라, 블루 광에 대한 감도가 향상될 수 있고, 또한 SNR(Signal to Noise Ratio) 증가 및 크로스토크 감소에 기여할 수 있다. 여기서, SNR은 신호대잡음비로서, 흡수되거나 누설된 광자나 전자들이 잡음으로써 기능한다는 개념에서 보면, 본 실시예의 광대역 갭 물질층(130)을 통해 잡음을 감소시켜, SNR을 증가시킬 수 있음은 자명하다.
도 8은 도 5a의 광대역 갭 물질층을 채용한 씨모스 이미지 센서에서의 크로스 토크 방지의 원리를 보여주는 개념도이다.
도 8을 참조하면, 광대역 갭 물질층(130)의 에너지 준위는 p--실리콘 기판(100)의 에너지 준위보다 높다. 그에 따라, 본 실시예의 후면 조명 씨모스 이미지 센서에서, 광대역 갭 물질층(130)은 전위 장벽(built-in potential)의 기능을 수행할 수 있다. 즉, 광대역 갭 물질층(130)은 전자-정공 쌍 생성을 의해 생성된 전자들이 외부로 누설되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 광대역 갭 물질층(130)은 생성된 전자들의 누설 방지 기능에 기초하여 더욱 크로스토크 방지 기능에 기여할 수 있다. 여기서, ⓔ는 전자-정공 쌍 생성에 의해 생성된 전자들로 이해할 수 있다.
도 9는 도 5b의 광대역 갭 물질층을 채용한 씨모스 이미지 센서에서의 블루 광의 감도가 향상되는 원리를 보여주는 개념도이다. (a)는 종래 반도체 기판 상에 p+-실리콘 이중층이 형성된 구조에 대한 것이고, (b)는 p+-실리콘층 및 광대역 갭 물질층이 형성된 구조에 대한 것이다.
도 9를 참조하면, (a)의 종래 구조에서, p--실리콘 기판(100) 상에 p+-실리콘 이중층(105, 107)이 형성될 수 있다. p+-실리콘 이중층 중 p+-실리콘 상부층(105)은 p+-실리콘 하부층(107)보다 도핑 농도가 더 높을 수 있다. 예컨대, p+-실리콘 상부층(105)의 도핑된 이온 농도는 1E15 정도이고, p+-실리콘 하부층(107)의 도핑된 이온 농도는 1E14 정도일 수 있다. 또한, p+-실리콘 상부층(105)은 앞서 도 7에서의 p+-실리콘층(105)과 동일한 기능을 할 수 있다.
도 7에서와 마찬가지로, (a)의 종래 구조에서, 입사된 블루 광은 p+-실리콘 이중층 중 p+-실리콘 상부층(105)에서 흡수되어 누설됨을 보여준다. 이에 반해, (b)의 광대역 갭 물질층(130)이 p+-실리콘 하부층(107) 상에 형성된 구조에서는 대부분의 광자들이 광대역 갭 물질층(130a)이 통과하여 p+-실리콘 하부층(107) 및 p--실리콘 기판(100)에 입사되어 전자-정공 쌍 생성에 기여할 수 있다.
결과적으로 본 실시예의 구조에서도, 광대역 갭 물질층(130a)의 존재로 인해 블루 광에 대한 감도가 향상될 수 있으며, 또한 SNR이 증가하고 크로스토크가 감소할 수 있다.
도 10은 도 5b의 광대역 갭 물질층을 채용한 씨모스 이미지 센서에서의 크로스 토크 방지의 원리를 보여주는 개념도이다.
도 10을 참조하면, 광대역 갭 물질층(130a)의 에너지 준위는 p+-실리콘 하부층(107) 및 p--실리콘 기판(100)의 에너지 준위보다 높다. 그에 따라, 본 실시예의 후면 조명 씨모스 이미지 센서에서도 광대역 갭 물질층(130a)은 전위 장벽(built-in potential)의 기능을 수행할 수 있다. 따라서, 본 실시예의 구조에서도, 광대역 갭 물질층(130a)은 생성된 전자들의 누설 방지 기능에 기초하여 더욱 크로스토크 방지 기능에 기여할 수 있다. 참고로, p+-실리콘 하부층(107)은 p--실리콘 기판(100)보다는 에너지 준위가 높지만 전자들의 누설 방지에 기여할 정도로 높지는 않다.
도 11a ~ 11d는 도 5a의 광대역 갭 물질층을 채용한 씨모스 이미지 센서에서의 광대역 갭 물질층을 형성하는 방법을 보여주는 단면도들이다.
도 11a를 참조하면, 먼저, 반도체 기판(100) 내에 포토 다이오드(120), 소자 분리막(125), 그리고 반도체 기판(100) 전면에 배선층(140) 등을 형성한다. 본 도면에서, 설명의 편의를 위해 픽셀 어레이 영역만 도시하였고, 또한, 배선층(140) 및 소자 분리막(125) 등은 생략하고 포토 다이오드(120)만 도시하였다. 여기서, 반도체 기판(100)은 p--실리콘 기판일 수 있다.
도 11b를 참조하면, 반도체 기판(100) 상에 보론(B)을 도핑하여, p+-실리콘층(105)을 형성한다. 예컨대, p+-실리콘층(105)의 이온 도핑 농도는 1E15 정도일 수 있다. 여기서, IIP은 이온 임플란테이션의 약자이다.
도 11c를 참조하면, p+-실리콘층(105) 상부 영역에 카본(C)을 도핑하여 SiC층(130b)을 형성한다. 카본의 도핑 농도는 생성하고자 하는 SiC층 두께 및 결정 구조에 따라 달라질 수 있고, 또한, 차후에 실시되는 레이저 어닐링을 고려하여 카본의 도핑 농도가 결정될 수 있다.
도 11d를 참조하면, 레이저 어닐링을 통해 p+- SiC층(130)을 형성한다. 레이저 어닐링을 통해 SiC층(130)의 카본은 하부의 p+-실리콘층(105)으로 확산되고, 그에 따라, 처음의 p+-실리콘층(105) 전체가 p+-SiC층(130)으로 변환될 수 있다. p+-SiC층(130)이 도 5a의 광대역 갭 물질층을 이루게 된다. 한편, 레이저 어닐링은 예컨대 CO2 레이저 펄스를 통해 수행할 수 있고, 이러한 레이저 어닐링에 대한 내용은 도 13의 설명 부분에서 기술한다.
본 실시예에서, p+-SiC층(130)은 카본의 이온 주입 공정을 통해 이루어질 수 있다. 이는 증착 방법을 이용하는 경우에는 고온의 공정 온도가 요구되기 때문에 이미 형성된 반도체 기판 전면의 배선층에 손상을 가할 수 있기 때문에 바람직하지 않기 때문이다. 또한, 이온 주입 공정의 경우, 소정 마스크를 도입하여 원하는 영역에만 SiC층을 형성할 수 있다.
도 12a ~ 12f는 도 5b의 광대역 갭 물질층을 채용한 씨모스 이미지 센서에서의 광대역 갭 물질층을 형성하는 방법을 보여주는 단면도들이다.
도 12a를 참조하면, 먼저, 반도체 기판(100) 내에 포토 다이오드(120), 소자 분리막(125), 그리고 반도체 기판(100) 전면으로 배선층(140) 등을 형성한다. 본 도면에서도, 설명의 편의를 위해 픽셀 어레이 영역만 도시하였고, 또한, 배선층(140) 및 소자 분리막(125) 등은 생략하고 포토 다이오드(120)만 도시하였다. 여기서, 반도체 기판(100)은 p--실리콘 기판일 수 있다.
도 12b를 참조하면, 반도체 기판(100) 상에 보론(B)을 도핑하여, 제1 p+-실리콘층(105a)을 형성한다.
도 12c를 참조하면, 레이저 어닐링을 통해 제2 p+-실리콘층(107)을 형성한다. 레이저 어닐링을 통해 제1 p+-실리콘층(105a)의 보론이 반도체 기판(100)으로 확산되어 제2 p+-실리콘층(107)이 형성될 수 있다. 그에 따라, 제2 p+-실리콘층(107)은 제1 p+-실리콘층(105a) 보다 두께는 두껍고 도핑 농도는 낮을 수 있다.
도 12d를 참조하면, 제2 p+-실리콘층(107) 상부 영역에 카본(C)을 도핑하여 SiC층(130c)을 형성한다. 카본의 도핑 농도는 생성하고자 하는 SiC층 두께 및 결정 구조에 따라 달라질 수 있고, 또한, 차후에 실시되는 레이저 어닐링을 고려하여 카본의 도핑 농도가 결정될 수 있다.
도 12e를 참조하면, SiC층(130c)에 보론(B)을 도핑하여, 제1 p+-SiC층(130d)을 형성한다. 보론을 도핑하는 이유는 제2 p+-실리콘층(107)의 도핑 농도가 제1 p+-실리콘층(105a)보다 낮아 그만큼을 보충해주기 위함이다.
도 12f를 참조하면, 레이저 어닐링을 통해 제2 p+- SiC층(130a)을 형성한다. 레이저 어닐링을 통해 제1 p+-SiC층(130d)의 카본 및 보론은 하부의 제2 p+-실리콘층(107)으로 확산되고, 그에 따라, 제2 p+-실리콘층(107) 상부 일부 영역이 제2 p+- SiC층(130a)으로 변환될 수 있다. 결국, 처음 제2 p+-실리콘층(107)에서 절반 두께 정도의 상부 영역이 제2 p+- SiC층(130a)으로 변환될 수 있다. 이러한 제2 p+-SiC층(130)은 도 5b의 광대역 갭 물질층을 이루게 된다.
도 13은 모노크리스탈린 실리콘 카바이드, 이온 도핑된 비정질 실리콘카바이드 및 CO2 레이저 어닐된 실리콘카바이드에 대한 흡수 계수를 보여주는 그래프이다.
도 13을 참조하면, 여기서, a 그래프는 모노크리스탈린 실리콘카바이드(6H-SiC)에 대하여, b 그래프는 이온 도핑된 비정질 실리콘카바이드에 대하여, 그리고 c 그래프는 CO2 레이저 어닐된 실리콘카바이드에 대하여 광자(photon) 에너지에 따른 흡수 계수를 보여주는 그래프이다. 한편, 별표로 표시된 그래프는 실리콘카바이드와의 비교를 위한 실리콘에 대한 광자(photon) 에너지에 따른 흡수 계수를 보여주는 그래프이다. 한편, y축은 흡수 계수를 제곱근(square root) 단위로 나타내고 있다.
도시된 바와 같이, 2.8 eV의 광자 에너지에 대하여 실리콘의 경우 급격히 흡수 계수가 상승함을 확인할 수 있다. 또한, a 그래프의 모노크리스탈린 실리콘카바이드(6H-SiC) 경우는 3 eV 이하의 광자 에너지를 주로 흡수하며, b 그래프의 이온 도핑된 비정질 실리콘카바이드 경우 3 eV 이상의 광자 에너지를 주로 흡수하는 것을 확인할 수 있다.
한편, c 그래프의 CO2 레이저 어닐된 실리콘카바이드의 경우는 전 영역에서 매우 낮은 흡수 계수를 보이고 있어, 광자 에너지의 흡수가 매우 낮음을 알 수 있다. 광자 에너지의 흡수가 낮다는 것은 광이 실리콘카바이드에서 흡수되지 않고 통과함을 의미하고, 이는 포토 다이오드로 입사되는 광 에너지의 수광 효율을 증가시킬 수 있음을 의미한다. 결국, 도 13의 그래프를 통해 도 11d 또는 도 12f에서의 레이저 어닐링 과정의 필요성을 인식할 수 있다.
도 14a 및 14b는 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 갭 물질층을 채용한 씨모스 이미지 센서에서 픽셀 어레이 영역에 광대역 갭 물질층이 형성되는 구조를 보여주는 평면도들이다.
도 14a 및 14b를 참조하면, 도 14a는 픽셀 어레이 영역 전체로 광대역 갭 물질층(130)을 형성한 씨모스 이미지 센서에 대한 실시예를 보여주며, 도 14b는 픽셀 어레이 영역에서 블루 픽셀에 대응한 부분에만 광대역 갭 물질층(130)을 형성한 씨모스 이미지 센서에 대한 실시예를 보여준다.
픽셀 어레이 영역은 필터층(170)의 색깔 필터에 따라 세가지 픽셀들로 분류될 수 있다. 즉, 픽셀 어레이 영역은 레드 필터(171)에 대응하는 레드 픽셀, 그린 필터(173)에 대응하는 그린 픽셀, 그리고 블루 필터(175)에 대응하는 블루 픽셀로 분류될 수 있다.
도 14b와 같이 블루 픽셀에 대응하는 블루 필터(175) 하부에만 광대역 갭 물질층(130)을 형성함으로써, 화이트 스팟(white spot) 현상을 감소시킬 수 있다. 전술한 바와 같이, 광대역 갭 물질층(130)은 이온 주입 공정을 통해 요구되는 영역에만 형성할 수 있다. 예컨대, 도 11c 또는 12d와 같이, 요구되는 영역에만 카본 이온을 도핑하여, SiC층을 형성할 수 있다.
도 15a ~ 15d는 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 갭 물질층을 채용한 씨모스 이미지 센서에서 반사 방지막 구조를 보여주는 단면도들이다.
도 15a를 참조하면, 본 실시예에서, 광대역 갭 물질층(130) 상의 반사 방지층(150a)은 단일층으로 형성될 수 있다. 예컨대, 광대역 갭 물질층(130)은 p+-SiC로 형성되고, 반사 방지층(150a)은 실리콘나이트라이드(SiNx)층으로 형성될 수 있다. 한편, 반사 방지층(150a) 상의 패시베이션층(160)은 SiO2으로 형성될 수 있다.
도 15b를 참조하면, 본 실시예에서, 광대역 갭 물질층(130) 상의 반사 방지층(150b)은 제1 반사 방지층(151) 및 제2 반사 방지층(153)을 구비한 이중층으로 형성될 수 있다. 예컨대, 광대역 갭 물질층(130)은 p+-SiC로 형성되고, 반사 방지층(150b)은 제1 반사 방지층(151)인 버퍼층과 제2 반사 방지층(153)인 하프늄옥사이드층(HfO2)층을 구비하거나, 제1 반사 방지층(151)인 SiO2층과 제2 반사 방지층(153)인 실리콘옥사이드나이트나이드(SiON)층을 구비할 수 있다.
여기서, 상기 버퍼층은 광대역 갭 물질층(130)인 p+-SiC층과 HfO2층 사이의 격자 부정합 등에 의한 결점을 완화시키는 디펙 프리(defect free)층으로서, 예컨대, 실리콘옥사이드(SiOx)층일 수 있다.
도 15c를 참조하면, 본 실시예에서, 광대역 갭 물질층(130) 상의 반사 방지층(150c)은 제1 반사 방지층(151), 제2 반사 방지층(153) 및 제3 반사 방지층(155)을 구비한 삼중층으로 형성될 수 있다. 예컨대, 광대역 갭 물질층(130)은 p+-SiC로 형성되고, 반사 방지층(150c)은 제1 반사 방지층(151)인 버퍼층, 제2 반사 방지층(153)인 SiNx층, 및 제3 반사 방지층(155)인 티타늄옥사이드(TiO2)층을 구비할 수 있다. 또한, 반사 방지층(150c)은 제1 반사 방지층(151)인 버퍼층, 제2 반사 방지층(153)인 HfO2층, 및 제3 반사 방지층(155)인 TiO2층을 구비하거나, 제1 반사 방지층(151)인 버퍼층, 제2 반사 방지층(153)인 SPA 옥사이드(SPA oxide)층 및 제3 반사 방지층(155)인 SiNx층을 구비할 수도 있다. 더 나아가, 반사 방지층(150c)은 제1 반사 방지층(151)인 버퍼층, 제2 반사 방지층(153)인 하프늄실리콘옥사이드(HfSiO or HfSiOx)층 및 제3 반사 방지층(155)인 TiO2층을 구비할 수도 있다.
여기서, 상기 SPA 옥사이드층은, 슬롯 플라즈마 안테나(Slot Plasma Antenna: SPA) 공정으로 형성한 옥사이드층을 의미한다.
도 15d를 참조하면, 본 실시예에서, 광대역 갭 물질층(130) 상의 반사 방지층(150d)은 제1 반사 방지층(151), 제2 반사 방지층(153), 제3 반사 방지층(155) 및 제4 반사 방지층(157)을 구비한 사중층으로 형성될 수 있다. 예컨대, 광대역 갭 물질층(130)은 p+-SiC로 형성되고, 반사 방지층(150d)은 제1 반사 방지층(151)인 버퍼층, 제2 반사 방지층(153)인 SPA 옥사이드층, 제3 반사 방지층(155)인 HfO2층, 및 제4 반사 방지층(157)인 TiO2층을 구비할 수 있다. 또한, 반사 방지층(150d)은 제1 반사 방지층(151)인 버퍼층, 제2 반사 방지층(153)인 SPA 옥사이드층, 제3 반사 방지층(155)인 SiNx층, 및 제4 반사 방지층(157)인 TiO2층을 구비하거나, 제1 반사 방지층(151)인 버퍼층, 제2 반사 방지층(153)인 SPA 옥사이드층, 제3 반사 방지층(155)인 HfSiOx층 및 제4 반사 방지층(157)인 TiO2층을 구비할 수 있다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 4의 후면 조명 씨모스 이미지 센서를 포함한 이미징 시스템(400)에 대한 블럭 구조도이다.
도 16을 참조하면, 본 실시예의 이미징 시스템(400)은 씨모스 이미지 센서 (410)의 출력 이미지를 처리하는 시스템이다. 이미징 시스템(400)은 컴퓨터 시스템, 카메라 시스템, 스캐너, 이미지 안전화 시스템 등 씨모스 이미지 센서(410)를 장착한 모든 종류의 전기전자 시스템일 수 있다.
컴퓨터 시스템과 같은 프로세서 기반 이미징 시스템(400)은 버스(405)를 통해서 입출력 I/O소자(430)와 커뮤니케이션을 할 수 있는 마이크로프로세서 또는 중앙처리장치(CPU)와 같은 프로세서(420)를 포함할 수 있다. 버스(405)를 통해서 플로피 디스크 드라이브(450), CD ROM 드라이브(455), 포트(460), 및 RAM(440)은 프로세서(420)와 서로 연결되어 데이터를 주고받아, 씨모스 이미지 센서(410)의 데이터에 대한 출력 이미지를 재생할 수 있다.
포트(460)는 비디오카드, 사운드 카드, 메모리 카드, USB 소자 등을 커플링하거나, 또 다른 시스템과 데이터를 통신할 수 있는 포트일 수 있다. 씨모스 이미지 센서(410)은 CPU, 디지털 신호 처리 장치(DSP) 또는 마이크로프로세서 등의 프로세서들과 함께 같이 집적될 수 있고, 또한, 메모리와 함께 집적될 수도 있다. 물론 경우에 따라서는 프로세서와 별개의 칩으로 집적될 수 있다.
이미징 시스템(400)은 최근 발달되고 있는 디지털 기기 중 카메라폰, 디지털 카메라 등의 시스템 블록다이어그램일 수 있다.
본 실시예의 이미징 시스템(400)은, 전술한 픽셀 어레이 영역으로 광대역 갭 물질층이 형성됨으로써, 블루 광에 대한 감도를 향상시키고 크로스토크를 감소시킬 수 있는 후면 조명 씨모스 이미지 센서(410)가 장착된 시스템이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 별개의 칩으로 구성된 후면 조명 씨모스 이미지 센서를 도시한 블럭 구조도이다.
도 17을 참조하면, 씨모스 이미지 센서(800)는, 타이밍 제너레이터(timing generator, 810), APS 어레이(830), CDS(correlated double sampling, 840), 컴퍼레이터(comparator, 850), ADC(analog-to-digital convertor, 860), 버퍼(buffer, 890) 및 컨트롤 레지스터 블록 (control resister block, 870) 등을 포함할 수 있다.
APS 어레이(830)의 광학 렌즈에 포집된 피사체에 대한 빛 데이터는 전자로 변환(electron conversion)되고, 변환된 전자들이 전압으로 전환(voltage conversion) 증폭되어, CDS(840)에서 노이즈가 제거되고 필요한 신호만 선택될 수 있다. 컴퍼레이터(850)에서 선택된 신호들을 비교하여 일치 여부를 확인하고, 일치된 신호 데이터에 대하여 ADC(860)에서 아날로그 신호를 디지털화하고, 디지털화된 이미지 데이터 신호는 버퍼(890) 등을 거쳐, DSP 및 마이크로프로세서 등에 입력되어 피사체 이미지로 재생될 수 있다.
본 실시예의 씨모스 이미지 센서(800)는 전술한 픽셀 어레이 영역으로 광대역 갭 물질층이 형성됨으로써, 블루 광에 대한 감도가 향상되고 크로스토크가 감소 될 수 있는 후면 조명 씨모스 이미지 센서이다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1c의 포토 다이오드 소자를 구비한 태양전지에 대한 단면도이다.
도 18을 참조하면, 본 실시예의 태양전지는 포토 다이오드(120), 광대역 갭 물질층(130), 반사 방지층(160), 상부 전극(510), 및 하부 전극(520)을 포함할 수 있다.
포토 다이오드(120)는 도 1c에서 기술한 포토 다이오드로서, P-N 접합 다이오드일 수 있다. 그에 따라, 포토 다이오드(120)는 하부의 P형 반도체층(121) 및 상부의 N형 반도체층(123)을 포함할 수 있다. 또한, P형 반도체층(121)과 N형 반도체층(123)의 접합 부분에는 공핍층(미도시)이 형성될 수 있다.
도시된 바와 같이, P형 반도체층(121)과 N형 반도체층(123)의 접합 부분, 즉 공핍층에서 전자-정공 쌍 생성이 일어나고, 생성된 전자 및 정공 중 전자는 상부 전극 (151)로 이동하고, 정공은 하부 전극(520)으로 이동하게 된다. 이동된 전자 및 정공은 전극들에 연결된 부하(530)로 이동하여 전기에너지로 축적되거나, 열이나 빛을 발생시키거나 또는 역학적 일을 수행할 수 있다. 전자 및 정공의 흐름은 일종의 전류로 해석될 수 있고, 그에 따라 본 실시예의 태양전지가 전류를 공급하는 에너지원이 될 수 있음을 알 수 있다.
한편, 포토 다이오드(120)는 결정질 실리콘 또는 비정질 실리콘으로 형성될 수 있다. 결정질 실리콘은 크게 단결정(single crystal) 형태와 다결정(polycrystalline) 형태의 재료로 나뉘며, 기본적으로 p-n 동종접합(homojunction)으로서 태양전지에 이용될 수 있다.
한편, 포토 다이오드(120)는 실리콘에 한정되지 않고, CuInSe2로 형성될 수 있으며, 다결정 CuInSe2포토 다이오드는 p-n 이종접합 구조를 기본으로 하며 약 1eV의 밴드 갭을 가지며, 보통 0.5V이하의 개방 전압(open-circuit voltage: Voc)를 생성할 수 있다. 그 외, 포토 다이오드(120)는 GaAs나 CdTe 등의 다양한 반도체 물질로 형성될 수도 있다.
광대역 갭 물질층(130)은 앞서 씨모스 이미지 센서 부분에서 설명한 바와 같이 블루 광에 대한 수광 능력을 향상시킴으로써, 포토 다이오드에서의 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
반사 방지막(160) 역시 씨모스 이미지 센서 부분에서 설명한 바와 같이 입사되는 광의 반사를 방지하여, 포토 다이오드로 입사되는 광의 인텐서티를 증가시키는 기능을 하며, 도 15a ~ 15d에 예시된 다양한 반사 방지막이 본 실시예의 태양전지에도 이용될 수 있다.
상부 전극(510) 및 하부 전극(520)은 도전성 물질로 형성되며, 특히 상부 전극(510)의 경우 입사되는 광의 손실을 줄이기 위하여 ITO(Indium-Tin-Oxide) 전극과 같은 투명전극으로 형성될 수 있다.
본 실시예의 태양전지는 포토 다이오드 상부에 광대역 갭 물질층이 형성됨으로써, 블루 광에 대한 투과성을 높여 포토 다이오드에서의 광전 변화 효율을 향상시켜, 전기 생산 능력을 향상시킬 수 있다.
도 19a ~ 19c는 도 18의 태양전지를 다수 개 포함한 태양전지 장치에 대한 사시도, 평면도 및 단면도이다. 특히, 도 19c는 도 19b의 I-I'를 자른 단면도이다.
도 19a ~ 19c를 참조하면, 본 실시예의 태양전지 장치는 마이크로 렌즈들(610)이 배열된 플레이트(600) 및 태양전지들(500)을 포함할 수 있다.
태양전지들(500)은 도 18에서 설명한 바와 같이 포토 다이오드(120), 광대역 갭 물질층(130), 반사 방지층(160), 절연층(550), 상부 전극(510) 및 하부 전극(520)을 포함할 수 있다. 본 실시예의 태양전지 장치에서, 태양전지들(500)은 동일한 극성 방향으로 배열될 수 있고, 상부 전극(510) 및 하부 전극(520)의 연결 관계를 통해 태양전지들이 전기적으로 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다.
예컨대, 상부 전극(510)이 각 태양전지들 내의 포토 다이오드의 n형 반도체층(123)에 공통으로 연결되고, 하부 전극(520)이 각 태양전지들 내의 포토 다이오드의 p형 반도체층(121)에 공통 연결되는 경우에 태양전지들은 병렬로 연결될 수 있다. 그와 달리, 태양전지들 내의 포토 다이오드 상면과 하면 각각에 상부 전극 및 하부 전극을 형성하고, 관통 비아(through via)를 통해 상부 전극과 하부 전극을 순차적으로 연결함으로써, 태양전지들을 직렬로 연결할 수도 있다.
플레이트(600)는 광투과성을 갖는 다양한 종류의 물질로 형성될 수 있다. 사용 가능한 물질은 예컨대, 유리 또는 폴리머(polymer) 등의 고분자 화합물일 수 있다. 때에 따라 플레이트(600)는 생략될 수 있다. 그에 따라, 마이크로 렌즈들(610)만이 태양전지들(500) 상부에 형성될 수 있다.
마이크로 렌즈들(610)은 광투과성 물질로 구현된 볼록 렌즈들로 구성될 수 있다. 광투과성 물질로 사용 가능한 물질은 예컨대, 유리 또는 폴리머 등의 고분자 화합물일 수 있다. 본 실시예에서 복수의 마이크로 렌즈들(610)은 동일한 크기의 볼록렌즈들을 예시하고 있으나, 볼록렌즈들의 초점거리가 유사하다면 모양이 다를 수 있으며, 크기의 범위에는 제한이 없다.
마이크로 렌즈들(610)은 광을 집광하여 대응되는 각 태양전지(500)의 포토 다이오드(120)로 유도함으로써, 광 수광 효율을 향상시킬 수 있다.
광대역 갭 물질층(130) 및 반사 방지막(160)에 기능은 도 18에서 설명한 바와 같으므로 여기서는 생략한다.
상부 전극(510)은 다양한 종류의 도전성을 갖는 금속 또는 도전성 폴리머 등의 도전성 유기화합물로 형성될 수 있다. 한편, 때에 따라 상부 전극(510)은 광투과성을 구비할 수도 있다. 이 경우, 광투과성을 갖는 상부 전극(510)은, 예컨대, ITO(Indium-Tin-Oxide) 또는 탄소나노튜브와 결합된 도전성 폴리머로 형성된 전극일 수 있다.
절연층(550)은 다양한 종류의 전기적 절연성을 갖는 질화막, 산화막 또는 유기화합물로 형성될 수 있다. 절연층(550)은 제1 전극(510)과 제2 전극(520)을 전기적으로 격리시키고 또한 각 포토 다이오드(120)를 전기적으로 격리시키는 기능을 할 수 있다. 또한, 절연층(550)은 각 태양전지를 구성하는 개개의 포토 다이오드(120)가 위치할 공간을 확보하여 주는 역할을 아울러 수행할 수 있다.
태양전지들(500)은 유기물 또는 무기물 태양전지들이 분류될 수 있다.
유기물 태양전지들은 광흡수염료(light absorbing dyes) 태양전지, 유기물(organic) 나노입자 태양전지, 유기물 태양전지 또는 폴리머 태양전지를 포함할 수 있다. 무기물 태양전지들은 무기물(inorganic) 단결정(single crystalline), 무기물 다결정(poly crystalline), 무기물 무결정(amorphous) 또는 무기물 나노입자(nano crystalline) 태양전지를 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 태양전지들은 단결정 실리콘(silicon), 다결정 실리콘, 무결정 실리콘, 카드뮴 텔률라이드(CdTe), 카파인듐셀레나이드(CuInSe2), 갈륨아세나이드(GaAs), 저메니움(Ge) 또는 갈륨인듐포스파이드(GaInP2) 태양전지를 포함할 수 있다.
무기물 단결정형의 경우에 최고 25%의 효율을 가지나, 결정형이므로 크기에 제한이 있고, 고가라는 문제가 있다. 하지만, 본 실시예에 의하면, 복수의 볼록 렌즈들 사용하여 태양광을 집광하고, 또한 광대역 갭 물질층을 통해 블루 광에 대한 수광 효율을 향상시킴으로써, 요구되는 태양전지의 수를 줄일 수 있어 무기물 단결정형을 이용한 태양전지를 최소한으로 사용하여 대면적, 고효율, 저가의 태양전지 장치를 구현할 수 있다.
본 실시 예에서 P-N 접합을 갖는 태양전지들(500)이 예시되어 있으나, 다른 형태의 태양전지들이 본 실시예의 태양전지에 채용될 수 있음은 물론이다.
하부 전극(520)은 다양한 종류의 도전성을 갖는 금속 또는 도전성 폴리머 등의 도전성 유기화합물로 형성될 수 있다. 하부 전극(520)은 광투과성을 구비할 수도 있다. 광투과성을 갖는 하부 전극(520) 재료로는 ITO 또는 탄소나노튜브와 결합된 도전성 폴리머를 들 수 있다. 하부 전극(520)은 상부 전극(510)과 함께 상기 태양전지들(150)을 전기적으로 연결하는데 이용될 수 있다.
지금까지, 본 발명을 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100: 반도체 기판 105, 107: p+-실리콘층 110: 웰
111: P형 웰 113: N형 웰 115: 깊은 N형 웰
120: 포토 다이오드 121: P형 반도체층 123: N형 반도체층
125: 소자 분리막 130, 130a: 광대역 갭 물질층 140: 배선층
150: 반사 방지층 160: 패시베이션층 170: 필터층
180, 610: 마이크로 렌즈 190: 평탄화층 510: 상부 전극
520: 하부 전극 530: 부하 540: 하부 지지층
550: 절연층 600: 플레이트
111: P형 웰 113: N형 웰 115: 깊은 N형 웰
120: 포토 다이오드 121: P형 반도체층 123: N형 반도체층
125: 소자 분리막 130, 130a: 광대역 갭 물질층 140: 배선층
150: 반사 방지층 160: 패시베이션층 170: 필터층
180, 610: 마이크로 렌즈 190: 평탄화층 510: 상부 전극
520: 하부 전극 530: 부하 540: 하부 지지층
550: 절연층 600: 플레이트
Claims (10)
- 서로 대향하는 제1 면과 제2 면을 갖는 반도체 기판;
상기 반도체 기판 내에 형성되고, 입사된 광을 전기로 변환하는 포토 다이오드; 및
상기 광이 입사되는 방향인 상기 기판의 제2 면 상에 형성되고, 넓은 에너지 밴드 갭을 갖는 광대역 갭(wide band-gap) 물질층;을 포함하는 포토 다이오드 소자. - 제1 항의 포토 다이오드 소자;
상기 반도체 기판의 상기 제1 면 상에 형성된 금속 배선층;
상기 광대역 갭 물질층 상에 형성되고, 상기 광의 반사를 방지하는 반사 방지층(Anti-Reflective Layer: ARL);
상기 반사 방지층 상에 형성된 컬러 필터; 및
상기 컬러 필터 상에 형성된 마이크로 렌즈;를 포함하는 후면 조명(Back Side Illumination: BSI) 씨모스 이미지 센서. - 제2 항에 있어서,
상기 광대역 갭 물질층은,
블루(blue) 광에 대하여 흡수 계수가 낮은 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 후면 조명 씨모스 이미지 센서. - 제2 항에 있어서,
상기 광대역 갭 물질층은,
p+-실리콘카바이드(p+-SiC), p+-실리콘나이트라이드(p+-SiN), 및 p+-실리콘카본나이트라이드(p+-SiCN) 중 어느 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 후면 조명 씨모스 이미지 센서. - 제2 항에 있어서,
상기 반도체 기판은 p--실리콘 기판이고,
상기 광대역 갭 물질층과 상기 반도체 기판 사이에 p+-실리콘층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 후면 조명 씨모스 이미지 센서. - 제2 항에 있어서,
상기 반도체 기판은 픽셀 어레이 영역과 주변 회로 영역으로 구분되고,
상기 광대역 갭 물질층은 상기 픽셀 어레이 영역 전체로 형성되는 것을 특징으로 하는 후면 조명 씨모스 이미지 센서. - 제2 항에 있어서,
상기 반도체 기판은 픽셀 어레이 영역과 주변 회로 영역으로 구분되고,
상기 광대역 갭 물질층은 상기 픽셀 어레이 영역 내의 블루 픽셀에 대응되는 부분에만 형성되는 것을 특징으로 하는 후면 조명 씨모스 이미지 센서. - 제2 항에 있어서,
상기 반사 방지층은,
실리콘나이트라이드(SiNx)층으로 형성된 제1 구조, 버퍼층 및 하프늄옥사이드층(HfO2)층을 구비한 제2 구조, 실리콘옥사이드(SiO2)층 및 실리콘옥사이드나이트나이드(SiON)층을 구비한 제3 구조, 버퍼층, SiNx층, 및 티타늄옥사이드(TiO2)층을 구비한 제4 구조, 버퍼층, HfO2층, 및 TiO2층을 구비한 제5 구조, 버퍼층, SPA 옥사이드(SPA oxide)층, HfO2층, 및 TiO2층을 구비한 제6 구조, 버퍼층, SPA 옥사이드층, SiNx층, 및 TiO2층을 구비한 제7 구조, 버퍼층, SPA 옥사이드층 및 SiNx층을 구비한 제8 구조, 버퍼층, SPA 옥사이드층, 하프늄실리콘옥사이드(HfSiOx)층 및 TiO2층을 구비한 제9 구조, 및 버퍼층, HfSiOx층 및 TiO2층을 구비한 제10 구조 중 어느 하나의 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 후면 조명 씨모스 이미지 센서. - 제1 항의 포토 다이오드 소자;
상기 광대역 갭 물질층 상에 형성되고, 상기 광의 반사를 방지하는 반사 방지층;
상기 반사 방지층을 관통하여 형성되고, 상기 포토 다이오드에 전기적으로 연결된 제1 전극; 및
상기 반도체 기판의 상기 제1 면 상에 형성되고 상기 포토 다이오드에 전기적으로 연결된 제2 전극;을 포함하는 태양 전지. - 제9 항에 있어서,
상기 반사 방지층 상에 형성된 마이크로 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
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