KR20220167173A - 이미지 센서 구조체 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
이미지 센서 구조체는 기판, 판독 회로 어레이, 광전층 및 필터층을 포함한다. 필터층은 제 1 파장을 정의하는 제 1 스펙트럼을 갖는다. 광전층은 제 2 파장을 정의하는 제 2 스펙트럼을 갖는다. 제 2 파장은 제 1 파장보다 길다. 제 1 파장은 필터층의 제 1 스펙트럼의 곡선 상의 제 1 점 및 제 2 점을 지나가는 제 1 라인에 대응한다. 제 1 포인트는 0.9의 소광 계수에 정렬한다. 제 2 포인트는 0.1의 소광 계수에 정렬한다. 제 2 파장은 광전층의 제 2 스펙트럼의 곡선 상의 제 3 포인트 및 제 4 포인트를 지나가는 제 2 라인에 대응한다. 제 3 포인트는 0.9의 소광 계수에 정렬한다. 제 4 포인트는 0.1의 소광 계수에 정렬한다.
Description
본 개시는 이미지 센서 구조체 및 그 제조 방법에 관한 것이며, 특히 필터층 및 흡수 파장 튜너블-광전층(absorption wavelength tunable-photoelectric layer)을 구비하는 이미지 센서 구조체 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
적외선(IR) 이미지 센서는 얼굴 인식 및 3D 센싱에 일반적으로 사용되는 기술이다. 이 IR 이미지 센서는 레이저 광원에서 들어오는 신호들을 감지한다. 일반적으로 사용되는 레이저 파장은 850, 940, 980, 1310, 1350 및 1550 nm이다. 주변 광대역 광원은 노이즈로 간주된다. 신호 대 잡음비(S/N)를 향상시키기 위해서는, 레이저 파장에 대응하는 협대역 이미지 센서 감지 신호가 바람직하다.
현재, 일반적인 실리콘(Si) 기반 이미지 생성기는 940nm 파장에서 많이 사용되는 반면, 약 900nm~약 1100nm 사이의 파장인 근적외선(NIR) 영역에서는 흡수 효율이 상대적으로 낮기 때문에 낮은 양자 효율로 어려움을 겪고 있다. 근적외선 영역에서 Si 기반 이미지 센서의 흡수 효율을 높이려면, 매우 깊은(>5um) Si 기반 포토다이오드를 사용해야 하며, 이는 더 높은 제조 비용, 픽셀 간의 높은 광학적 크로스 토크, 제한된 소형화 및 낮은 이미지 밀도를 발생시키게 된다. 또한, Si는 1100 nm 이상의 감도를 가지지 않아, 약 1100 nm 내지 약 1700 nm 사이의 파장인 SWIR 영역에서의 적용을 제한한다.
또한, 협대역 IR 이미지 센서로서 간섭형 협대역 통과 필터와 통합된 일반 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서는 높은 각도 종속 피크 시프트로 인한 어려움을 겪게 되며, 이로 인해 제한된 FOV(field of view) 적용을 야기한다. 또한, 간섭형 협대역 통과 필터의 제조 복잡성, 막 두께 및 비용은 이미지 센서를 다른 피처들과 통합하는 가능성을 제한한다.
일반적인 이미지 센서 구조체는 일반적으로 의도된 용도에 대한 요구 사항을 충족했지만, 이러한 일반적인 이미지 센서 구조체는 모든 면(예를 들면, 개선되어야 하는 파장의 적용 범위)에서 완전히 만족스럽지는 못했다. 따라서, 더 나은 성능이 요구되는 이미지 센서 구조체 및 상기 구조체의 제조 방법에 관해서는 여전히 해결해야 할 몇 가지 문제가 있다.
상기 문제의 관점에서, 본 개시의 일부 실시예들은 제 1 파장을 정의하는 제 1 스펙트럼을 갖는 필터층 및 (제 1 파장보다 긴) 제 2 파장을 정의하는 제 2 스펙트럼을 갖는 파장 튜너블-광전층을 포함함으로써, 협대역 적외선(IR) 이미지 센서의 감지 파장을 확장하고, 협대역 적외선 이미지 센서의 신뢰성을 향상시킨다.
일부 실시예들에 따르면, 이미지 센서 구조체가 제공된다. 이미지 센서 구조체는 기판, 판독 회로 어레이, 광전층 및 필터층을 포함한다. 판독 회로 어레이는 기판 상에 위치된다. 광전층은 판독 회로 어레이 위에 배치된다. 필터층은 광전층 위에 배치된다. 필터층은 제 1 파장을 정의하는 제 1 스펙트럼을 갖는다. 광전층은 제 1 파장보다 긴 제 2 파장을 정의하는 제 2 스펙트럼을 갖는다. 제 1 파장은 필터층의 제 1 스펙트럼의 곡선 상의 제 1 포인트 및 제 2 포인트를 지나가는 제 1 라인에 대응한다. 제 1 포인트는 0.9의 소광 계수(extinction coefficient)에 정렬한다. 제 2 포인트는 0.1의 소광 계수에 정렬한다. 제 2 파장은 광전층의 제 2 스펙트럼의 곡선 상의 제 3 포인트 및 제 4 포인트를 지나는 제 2 라인에 대응한다. 제 3 포인트는 0.9의 소광 계수에 정렬한다. 제 4 포인트는 0.1의 소광 계수에 정렬한다.
일부 실시예들에 따르면, 이미지 센서 구조체의 제조 방법이 제공된다. 이미지 센서 구조체의 제조 방법은 기판을 형성하는 단계; 기판 상에 판독 회로 어레이를 형성하는 단계; 판독 회로 어레이 상에 광전층을 형성하는 단계; 및 광전층 위에 필터층을 형성하는 단계를 포함한다. 필터층은 제 1 파장을 정의하는 제 1 스펙트럼을 갖는다. 광전층은 제 1 파장보다 긴 제 2 파장을 정의하는 제 2 스펙트럼을 갖는다. 제 1 파장은 필터층의 제 1 스펙트럼의 곡선 상의 제 1 포인트 및 제 2 포인트를 지나가는 제 1 라인에 대응한다. 제 1 포인트는 0.9의 소광 계수에 정렬한다. 제 2 포인트는 0.1의 소광 계수에 정렬한다. 제 2 파장은 광전층의 제 2 스펙트럼의 곡선 상의 제 3 포인트 및 제 4 포인트를 지나가는 제 2 라인에 대응한다. 제 3 포인트는 0.9의 소광 계수에 정렬한다. 제 4 포인트는 0.1의 소광 계수에 정렬한다.
본 개시의 일부 실시예들에 따르면, 이미지 센서 구조체는 다양한 유형의 장치 및 응용에서 사용될 수 있다. 몇몇 실시예들의 특징 및 이점을 보다 용이하게 이해할 수 있도록, 일부 실시예들을 첨부된 도면과 함께 아래에 열거하며, 이하에서 상세히 설명한다.
다음의 상세한 설명 및 첨부된 도면들을 통해, 당업자는 본 개시의 일부 실시예들의 관점을 더 잘 이해할 것이다. 업계의 표준 관행에 따라 다양한 피처들(features)이 축척 대로 도시되지 않았으며 예시 목적으로만 사용되었다. 실제에 있어서, 다양한 피처들의 치수는 논의의 명확성을 위해 임의로 증가 또는 감소될 수 있다.
도 1a 내지 도 1c는 본 개시의 일부 실시예들에 따른, 이미지 센서 구조체의 개략적인 단면도이다.
도 2a는 본 개시의 일부 실시예들에 따른, 정규화된 소광 계수 대 파장(nm)의 개략적인 그래프이다.
도 2b는 본 개시의 일부 실시예들에 따른, 양자 효율(%) 대 파장(nm)의 개략적인 그래프이다.
도 3a 내지 도 3f는 본 개시의 일부 실시예들에 따른, 정규화된 소광 계수 및 양자 효율(%) 대 파장(nm)의 개략적인 그래프들이다.
도 4a 내지 도 4d는 본 개시의 일부 실시예들에 따른, 제 1 캐리어 수송층, 광전층, 및 제 2 캐리어 수송층의 에너지 갭들의 개략도들이다.
도 5a 내지 도 5h는 본 개시의 일부 실시예들에 따른, 다양한 제조 단계들에서의 이미지 센서 구조체의 개략적인 단면도이다.
도 6a 내지 도 6h는 본 개시의 일부 실시예들에 따른, 다양한 제조 단계에서의 이미지 센서 구조체의 개략적인 단면도이다.
도 7a 내지 도 7f는 본 개시의 일부 실시예들에 따른, 다양한 제조 단계에서의 이미지 센서 구조체의 개략적인 단면도이다.
도 8a는 본 개시의 일부 실시예들에 따른, 이미지 센서의 개략도이다.
도 8b는 본 개시의 일부 실시예들에 따른, 이미지 센서의 개략적인 회로이다.
도 1a 내지 도 1c는 본 개시의 일부 실시예들에 따른, 이미지 센서 구조체의 개략적인 단면도이다.
도 2a는 본 개시의 일부 실시예들에 따른, 정규화된 소광 계수 대 파장(nm)의 개략적인 그래프이다.
도 2b는 본 개시의 일부 실시예들에 따른, 양자 효율(%) 대 파장(nm)의 개략적인 그래프이다.
도 3a 내지 도 3f는 본 개시의 일부 실시예들에 따른, 정규화된 소광 계수 및 양자 효율(%) 대 파장(nm)의 개략적인 그래프들이다.
도 4a 내지 도 4d는 본 개시의 일부 실시예들에 따른, 제 1 캐리어 수송층, 광전층, 및 제 2 캐리어 수송층의 에너지 갭들의 개략도들이다.
도 5a 내지 도 5h는 본 개시의 일부 실시예들에 따른, 다양한 제조 단계들에서의 이미지 센서 구조체의 개략적인 단면도이다.
도 6a 내지 도 6h는 본 개시의 일부 실시예들에 따른, 다양한 제조 단계에서의 이미지 센서 구조체의 개략적인 단면도이다.
도 7a 내지 도 7f는 본 개시의 일부 실시예들에 따른, 다양한 제조 단계에서의 이미지 센서 구조체의 개략적인 단면도이다.
도 8a는 본 개시의 일부 실시예들에 따른, 이미지 센서의 개략도이다.
도 8b는 본 개시의 일부 실시예들에 따른, 이미지 센서의 개략적인 회로이다.
다음의 개시는 여기에 개시된 이미지 센서 구조체의 상이한 피처들을 구현하기 위한 많은 상이한 실시예들 또는 예들을 제공한다. 이하, 본 개시의 실시예들을 단순화하기 위해 각 피처 및 그 구성의 구체적인 예를 설명한다. 물론, 이들은 예시일 뿐이며 본 개시를 제한하려는 의도는 아니다. 예를 들어, 설명에서 제 1 피처가 제 2 요소 상에 형성되는 것으로 언급되는 경우, 제 1 피처와 제 2 피처가 직접 접촉하는 실시예를 지칭할 수 있거나, 추가 피처들이 제 1 피처와 제 2 피처 사이에 형성되고, 제 1 피처와 제 2 피처는 직접 접촉하지 않는 실시예를 지칭할 수도 있다. 또한, 본 개시의 일부 실시예들은 상이한 예들에서 참조 번호 및/또는 문자를 반복할 수 있다. 이러한 반복은 간결함과 명료함을 위한 것이며, 여기에서 논의된 다른 실시예들 및/또는 양태들 간의 관계를 나타내는데 사용되지 않는다.
실시예의 일부 수정들이 아래에 설명되어 있다. 다른 첨부 도면 및 예시된 실시예에서, 유사하거나 동일한 참조 번호는 유사하거나 동일한 피처들을 식별하기 위해 사용된다. 추가 작업 및/또는 공정이 본 명세서에 개시된 방법 이전, 도중 및 이후에 제공될 수 있고, 일부 실시예에서 설명된 작업 중 일부는 삭제되거나 방법의 다른 실시예들로 대체될 수 있다는 것이 이해된다.
또한, 공간적으로 상대적인 용어, 예를 들어 "상에", "위에", "상부에", "하부에", "위", "아래" 등은 하나의 피처와 다른 피처의 관계를 쉽게 개시하기 위해 사용된다. 공간적으로 상대적인 용어는 첨부 도면에 도시된 방향에 추가하여, 사용 또는 작동 중인 피처의 다양한 배향을 포함하도록 의도된다. 피처들은 달리 배향될 수 있으며(예를 들어, 90도 회전되거나 다른 배향) 여기에 사용된 공간적으로 상대적인 용어는 그에 따라 해석된다.
이하, "약", "대략" 및 "실질적으로"라는 용어는 일반적으로 주어진 값 또는 주어진 범위의 ±20% 이내, 예를 들어 ±10% 이내, 5% 이내, 3% 이내, 2% 이내, 1% 이내, 0.5% 이내를 의미한다. 본 명세서에서 제공되는 값은 대략적인 값이며, "약", "대략" 및 "실질적으로"에 대한 구체적인 설명 없이는 용어의 의미가 여전히 함축될 수 있음을 유의한다.
도 1a 내지 도 1c는 본 개시의 일부 실시예들에 따른, 이미지 센서 구조체의 개략적인 단면도이다.
도 1a를 참조하면, 이미지 센서 구조체(1)가 제공되고, 이미지 센서 구조체는 기판(100), 판독 회로 어레이(readout circuit array)(110), 광전층(220)을 포함하는 광전 모듈(200), 및 필터층(600)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 판독 회로 어레이(110)는 기판(100) 상에 형성된다. 일부 실시예들에서, 필터층(600)은 판독 회로 어레이(110) 상에 형성된다. 일부 실시예들에서, 광전층(220)을 포함하는 광전 모듈(200)은 판독 회로 어레이(110)와 필터층(600) 사이에 형성된다. 일부 실시예들에서, 판독 회로 어레이(110), 광전 모듈(200) 및 필터층(600)는 기판 상에 순서대로 형성된다. 이하에서는, 명확성을 위해 이미지 센서 구조체(1)의 적층 순서로 설명될 것이다.
일부 실시예들에서, 기판(100)은 벌크 반도체 기판, 또는 반도체-온-인슐레이터(semiconductor-on-insulator; SOI) 기판일 수 있거나 이를 포함할 수 있다. 기판(100)은 예를 들어, p형 도펀트들 또는 n형 도펀트들을 사용하여 도핑되거나 도핑되지 않을 수 있다. 일반적으로, 반도체-온-인슐레이터 기판은 절연층 상에 형성된 반도체 재료의 막층(film layer)을 포함한다. 예를 들어, 절연층은 실리콘 산화물층, 실리콘 질화물층, 폴리-실리콘층, 이들의 조합, 또는 전술한 막층의 스택일 수 있다. 절연층은 실리콘(Si) 기판과 같은 기판 상에 배치된다. 다층 기판 또는 구배 기판(gradient substrate)과 같은 다른 기판들이 사용될 수도 있다. 일부 실시예들에서, 기판(100)의 반도체 재료는 상이한 결정면들을 갖는 실리콘을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 기판(100)은 반도체 기판 또는 세라믹 기판, 예를 들어 갈륨 비소(GaAs) 기판, 갈륨 질화물(GaN) 기판, 실리콘 카바이드(SiC) 기판, 알루미늄 질화물(AlN) 기판 또는 사파이어 기판일 수 있다.
일부 실시예들에서, 판독 회로 어레이(110)는 베이스층(112) 상에 2차원(2D) 어레이로 배열되는 다중 판독 트랜지스터 유닛들(111)을 포함한다. 각각의 판독 트랜지스터 유닛(111)은 다중 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(metal oxide semiconductor field effect transistor; MOSFET)들 또는 박막 트랜지스터(thin film transistor; TFT)들, 또는 이들의 조합을 포함한다. 판독 트랜지스터 유닛(111)은 하부 접촉 패드들(120)과 접촉하는 하나의 단자 컨택트를 갖고, 외부 회로들과 연결되는 신호 출력 단자를 갖는다. 출력 신호는 회로 설계에 따라 아날로그 신호 또는 디지털 신호들일 수 있다.
일부 실시예들에서, 이미지 센서 구조체(1)는 하부 접촉 패드들(120) 사이에 배치되는 절연 재료들(122)을 더 포함하며, 하부 접촉 패드들(120)은 판독 회로 어레이(110) 상에 형성된다. 일부 실시예들에서, 하부 접촉 패드들(120)은 판독 회로 어레이(110)의 배선 및/또는 후속적으로 형성되는 광전 모듈(200)의 하부 전극으로서 사용될 수 있다. 예를 들어, 판독 회로 어레이(110)와 후속적으로 형성되는 광전 모듈(200) 사이에 하부 접촉 패드들(120)이 배치될 수 있다.
일부 실시예들에서, 하부 접촉 패드들(120)은 금속, 금속 질화물, 도전성 반도체 재료, 하나 이상의 적절한 도전성 재료, 또는 이들의 조합과 같은 도전성 재료이거나 이를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 금속은 금(Au), 니켈(Ni), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 이리듐(Ir), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 텅스텐(W), 알루미늄(Al), 구리(Cu) 또는 이들의 조합일 수 있다. 반도체 재료는 다결정 실리콘 또는 다결정 게르마늄일 수 있다. 일부 실시예들에서, 하부 접촉 패드들(120)은 인듐 주석 산화물(ITO) 또는 인듐 아연 산화물과 같은 투명 도전층일 수 있다.
일부 실시예들에서, 광전 모듈(200)은 하부 접촉 패드들(120) 상에 형성된다. 일부 실시예들에서, 광전 모듈(200)은 제 1 캐리어 수송층(210), 제 1 캐리어 수송층(210) 상에 형성된 광전층(220), 및 광전층(220) 상에 형성된 제 2 캐리어 수송층(230)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 광전층(220)은 제 1 캐리어 수송층(210)과 제 2 캐리어 수송층(230) 사이에 형성된다. 일부 실시예들에서, 제 1 캐리어 수송층(210)은 하부 접촉 패드들(120)과 광전층(220) 사이에 형성되고, 제 2 캐리어 수송층(230)은 광전층(220)과 후속적으로 형성되는 도전층(300) 사이에 형성된다.
일부 실시예들에서, 제 1 캐리어 수송층(210) 및 제 2 캐리어 수송층(230)은 전자 또는 정공과 같은 캐리어를, 광전층(220) 내부로 또는 외부로 수송하기 위해 사용된다. 즉, 제 1 캐리어 수송층(210) 및 제 2 캐리어 수송층(230)은 전자 수송층(Electronic Transport Layer; ETL) 및/또는 정공 수송층(Hole Transport Layer; HTL)일 수 있다. 예를 들어, 제 1 캐리어 수송층(210) 및 제 2 캐리어 수송층(230)은 전자 수송층 또는 정공 수송층 모두일 수 있거나, 제 1 캐리어 수송층(210)은 전자 수송층이고 제 2 캐리어 수송층(230)은 정공 수송층이거나, 또는 제 1 캐리어 수송층(210)은 정공 수송층이고 제 2 캐리어 수송층(230)은 전자 수송층일 수 있다.
일부 실시예들에서, 전자 수송층은 ZnO, TiO2, C60 등과 같은 전자 수송 재료들 또는 하나 이상의 적절한 전자 수송 재료일 수 있거나 이를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 전자 수송층의 두께는 약 1 nm 내지 약 200 nm일 수 있다. 일부 실시예들에서, 정공 수송층은 MoO3, WO3, 폴리-3,4-에틸렌디옥시티오펜(PEDOT) 등과 같은 정공 수송 재료 또는 하나 이상의 적절한 정공 수송 재료로 이루어진다. 일부 실시예들에서, 정공 수송층의 두께는 약 1 nm 내지 약 200 nm일 수 있다.
일부 실시예들에서, 광전층(220)은 광전 효과를 수행하기 위해 사용된다. 일부 실시예들에서, 광전층(220)은 유기 재료, 양자점(quantum dot; QD) 재료들, 페로브스카이트(Perovskite), 하나 이상의 적절한 광전 재료, 또는 이들의 조합으로 이루어진다. 일부 실시예들에서, 광전층(220)의 두께는 약 100 nm 내지 약 5000 nm일 수 있다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 이미지 센서 구조체(1)는 도전층(300)을 더 포함하고, 도전층(300)은 제 2 캐리어 수송층(230) 상에 형성된다. 일부 실시예들에서, 도전층(300)은 그 아래의 광전 모듈(200)의 상부 전극으로 사용된다. 예를 들어, 도전층(300)은 광전 모듈(200)과 후속적으로 형성되는 보호층 사이에 배치될 수 있다.
일부 실시예들에서, 도전층(300)의 재료들은 하부 접촉 패드들(120)의 재료들과 동일하거나 상이할 수 있다. 일부 실시예들에서, 도전층(300)은 금속, 금속 질화물, 반도체 재료, 하나 이상의 적절한 도전성 재료, 또는 이들의 조합과 같은 도전성 재료로 이루어진다. 일부 실시예들에서, 금속은 금, 니켈, 백금, 팔라듐, 이리듐, 티타늄, 크롬, 텅스텐, 알루미늄, 구리, 하나 이상의 적절한 재료, 또는 이들의 조합일 수 있다. 반도체 재료는 다결정 실리콘 또는 다결정 게르마늄일 수 있다. 일부 실시예들에서, 도전층(300)은 투명 도전층이다.
일부 실시예들에서, 이미지 센서 구조체(1)는 도전층(300) 상에 형성된 보호층(400)을 더 포함한다. 일부 실시예들에서, 보호층(400)은 광전 모듈(200)과 후속적으로 형성되는 필터층(600) 사이에 형성되어 보호층(400) 아래의 피처들을 보호한다. 일부 실시예들에서, 필터층(600)은 흡수 필터층(absorptive filter layer)일 수 있고, 여기서 흡수 필터층의 필터링 능력은 흡수 필터층에 함유된 재료들의 흡수 특성에 기초한다. 흡수 필터층은 거의 각도에 무관하므로, 흡수 필터층은 다중막 간섭형 필터를 사용할 때 발생하는 블루 시프트(blue-shift)를 효과적으로 감소시킬 수 있다. 또한, 흡수 필터층의 두께는 간섭형 필터의 두께보다 얇다. 따라서, 이미지 센서 구조체는 큰 경사 입사광(large inclined incident light)이 이미지 센서 구조체에 조사되는 동안 블루 시프트를 감소시킬 수 있다. 이미지 센서 구조체는 쉽게 소형화될 수 있다. 일부 실시예들에서, 필터층(600)은 롱 패스 필터(long pass filter)이다.
일부 실시예들에서, 이미지 센서 구조체(1)는 마이크로 렌즈(510)를 더 포함한다. 일부 실시예들에서, 마이크로 렌즈(510)는 필터층(600) 상에 형성된다. 일부 다른 실시예들에서, 마이크로 렌즈(510)는 보호층(400) 상에 형성된다. 일부 다른 실시예들에서, 마이크로 렌즈(510)는 보호층(400)과 필터층(600) 사이에 형성된다. 일부 실시예들에서, 마이크로 렌즈(510)는 광전 모듈(200)에 대한 집광 효율을 증가시키는 집중기 소자로 사용된다. 일부 실시예들에서, 마이크로 렌즈(510)의 재료는 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 또는 폴리글리시딜메타크릴레이트(PGMA)와 같은 아크릴, 고굴절률(n) 재료, 하나 이상의 적절한 광학적으로 투명한 마이크로 렌즈 재료, 또는 이들의 조합으로 만들어진다. 일부 실시예들에서, 마이크로 렌즈(510)의 형상은 반구 형상이다. 일부 실시예들에서, 마이크로 렌즈(510)의 곡률은 조정될 수 있다. 일부 실시예들에서, 각각의 마이크로 렌즈(510) 사이에는 저굴절률 값을 갖는 충전 재료가 형성된다. 일부 실시예들에서, 마이크로 렌즈(510)는 판독 트랜지스터 유닛들(111)에 대응하도록 형성된다. 일부 실시예들에서, 인접한 마이크로 렌즈(510) 사이의 경계는 판독 회로 어레이(110)의 판독 트랜지스터 유닛들(111)의 대칭 축과 정렬된다. 즉, 인접한 판독 트랜지스터 유닛들(111)의 대칭 축들 사이의 거리(W)는 마이크로 렌즈(510)의 폭과 실질적으로 동일하다.
명료함을 위해, 동일하거나 유사한 설명은 이하에서 반복되지 않는다.
도 1b를 참조하면, 이미지 센서 구조체(2)는 보호층(400)과 필터층(600) 사이에 형성되는 마이크로 렌즈(510)를 포함한다. 마이크로 렌즈(510) 위에는 충전 재료(520)가 형성되어 있다. 충전 재료(520)는 인규산염 유리(PSG), 보로포스포실리케이트 유리(BPSG), 저 유전율(low-k) 유전 재료, 또는 하나 이상의 적용 가능한 유전 재료들로 이루어진다. 저 유전율 유전 재료들의 예들은 플루오르화 실리카 유리(FSG), 탄소 도핑된 실리콘 산화물, 비정질 플루오르화 탄소, 파릴렌, 비스-벤조시클로부텐(BCB), 폴리이미드, 및 이들의 조합을 포함한다. 마이크로 렌즈(510) 및 충진 재료(520)는 마이크로 렌즈 구조체(500)로 형성될 수 있다. 따라서, 보호층(400)은 광전 모듈(220) 및 판독 회로 어레이(110)와 같은 보호층(400) 아래의 피처들을 보호할 수 있다. 일부 실시예들에서, 충전 재료(520)는 평평한 상부 표면을 제공하고, 필터층(600)은 마이크로 렌즈 구조체(500)의 평평한 상부 표면 상에 및 마이크로 렌즈(510) 위에 형성되며, 따라서 충전 재료(520)는 이미지 센서(2)를 형성하기 위한 보다 유연한 제조 단계들 및 방법들을 제공한다.
도 1c를 참조하면, 이미지 센서 구조체(3)의 마이크로 렌즈(510)는 일부 다른 실시예들에 따라 보호층(400) 상에 형성되고 보호층(400)은 필터층(600) 상에 형성된다. 따라서, 보호층(400)은 필터층(600), 광전 모듈(220) 및 판독 회로 어레이(110)와 같은 보호층(400) 아래의 피처들을 보호할 수 있다.
본 개시에 개시된 이미지 센서 구조체는 얼굴 감지, 모션 검출 및/또는 머신 비전을 위한 협대역 IR 카메라(narrow band IR camera)에 적용될 수 있다. 본 발명에 개시된 이미지 센서 구조체는 또한 증강 현실(AR) 및/또는 가상 현실(VR) 응용을 위한 협대역 비행 시간(Time of Flight; TOF) 센서에도 적용될 수 있다. 이미지 센서는 전면 이미지(front side image; FSI) 센서 또는 후면 이미지(back side image; BSI) 센서일 수 있다.
이하에서는, 필터층(600)과 광전층(220) 사이의 세부 관계에 대하여 설명한다.
도 2a를 참조하면, 도 2a는 일부 실시예들에 따른, 정규화된 소광 계수 대 파장(nm)의 개략적인 그래프이다. 광전층(220) 및 필터층(600)의 특정 조합을 선택함으로써, 이미지 센서의 광학 성능이 본 개시의 일부 실시예들에 따라 개선된다는 점에 유의한다. 양자 효율(quantum efficiency; QE), 피크 시프트 현상 및 FOV가 향상될 수 있다.
도 2a에 도시된 바와 같이, x-축은 광전층(220) 및 필터층(600)의 정규화된 소광 계수를 나타내고, y축은 정규화된 소광 계수에 대응하는 파장(nm)을 나타낸다. 즉, 도 2a는 광전층(220) 및 필터층(600)의 정규화된 소광 계수 스펙트럼을 나타낸다. 이하, 필터층(600)의 정규화된 소광 계수 스펙트럼을 "제 1 스펙트럼(S1)"이라 하고, 광전층(220)의 정규화된 소광 계수 스펙트럼을 "제 2 스펙트럼(S2)"이라 한다. 또한, 정규화된 소광 계수 스펙트럼은 로그 곡선으로 표시된다.
일반적으로, "정규화"라는 용어는 값이 0 내지 1의 범위로 스케일링되지만 값들의 원래 분포가 여전히 유지됨을 의미한다. 예를 들어, 정규화된 이후에 모든 소광 계수들 중 최대 소광 계수를 1로 스케일링하고, 모든 소광 계수들 중 최소 소광 계수를 0으로 스케일링할 수 있다. 본 개시에서, 소광 계수는 제 1 스펙트럼(S1) 또는 제 2 스펙트럼(S2)의 피크의 최대 소광 계수에 의해 정규화되며, 여기서 제 1 스펙트럼(S1) 또는 제 2 스펙트럼(S2)의 피크는 모든 피크들 중 가장 긴 파장을 가질 수 있다. 즉, 소광 계수들은 가장 긴 파장에 대응하는 피크값에 의해 정규화된다.
일부 실시예들에서, 필터층(600)의 제 1 스펙트럼(S1)은 제 1 라인(L1)에 대응하는 제 1 파장(λ1)을 정의하고, 광전층(220)의 제 2 스펙트럼(S2)은 제 2 라인(L2)에 대응하는 제 2 파장(λ2)을 정의한다. 일부 실시예들에서, 제 2 파장(λ2)은 제 1 파장(λ1)보다 더 길다. 일부 실시예들에서, 제 2 파장(λ2)은 제 1 파장(λ1)보다 약 10 nm 내지 약 150 nm만큼 더 길다.
구체적으로, 도 2a에 도시된 바와 같이, 제 1 파장(λ1)은 필터층(600)의 제 1 스펙트럼(S1)의 곡선 상의 제 1 포인트(P1) 및 제 2 포인트(P2)를 지나는 제 1 라인(L1)에 대응한다. 일부 실시예들에서, 제 1 포인트(P1)는 0.9의 소광 계수에 정렬하고, 제 2 포인트(P2)는 0.1의 소광 계수에 정렬한다. 일부 실시예들에서, 제 1 포인트(P1) 및 제 2 포인트(P2)에 정렬되는 소광 계수의 값이 조정될 수 있다.
특히, 0.9의 소광 계수에 정렬하는 다수의 포인트들이 있을 수 있다. 따라서, 제 1 포인트(P1)는 0.9의 소광 계수에 정렬하고 제 1 스펙트럼(S1)의 가장 긴 파장 세그먼트 내에 속하는 포인트이다. 일부 실시예들에서, 제 1 포인트(P1)는 제 1 스펙트럼(S1)의 가장 긴 파장을 갖는 피크의 우측 세그먼트 내에 속한다. 유사하게, 0.1의 소광 계수에 정렬하는 다수의 포인트들이 있을 수 있다. 따라서, 제 2 포인트(P2)는 0.1의 소광 계수에 정렬하고 제 1 스펙트럼(S1)의 가장 긴 파장 세그먼트 내에 속하는 포인트이다. 일부 실시예들에서, 제 2 포인트(P2)는 제 1 스펙트럼(S1)의 가장 긴 파장을 갖는 피크의 우측 세그먼트 내에 속한다. 일부 실시예들에서, 제 1 파장(λ1)은 0의 소광 계수의 위치까지 연장되는 제 1 라인(L1)에 의해 정의된다. 즉, 제 1 파장(λ1)은 제 1 라인(L1)과 소광 계수가 0인 라인의 교차점에 의해 정의된다.
마찬가지로, 제 2 파장(λ2)은 광전층(220)의 제 2 스펙트럼(S2)의 곡선 상의 제 3 포인트(P3)와 제 4 포인트(P4)을 지나는 제 2 라인(L2)에 대응한다. 일부 실시예들에서, 제 3 포인트(P3)는 0.9의 소광 계수에 정렬될 수 있고 제 4 포인트(P4)는 0.1의 소광 계수에 정렬될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제 3 포인트(P3) 및 제 4 포인트(P4)에 정렬되는 소광 계수의 값은 요구 사항들에 따라 조정될 수 있다.
특히, 0.9의 소광 계수에 정렬하는 다수의 포인트들이 있을 수 있다. 따라서, 제 3 포인트(P3)는 0.9의 소광 계수에 정렬하고 제 2 스펙트럼(S2)의 가장 긴 파장 세그먼트 내에 속하는 포인트이다. 일부 실시예들에서, 제 3 포인트(P3)는 제 2 스펙트럼(S2)의 가장 긴 파장을 갖는 피크의 우측 세그먼트 내에 속한다. 유사하게, 0.1의 소광 계수에 정렬하는 다수의 포인트들이 있을 수 있다. 따라서, 제 4 포인트(P4)는 0.1의 소광 계수에 정렬하고 제 2 스펙트럼(S2)의 가장 긴 파장 세그먼트 내에 속하는 포인트이다. 일부 실시예들에서, 제 4 포인트(P4)는 제 2 스펙트럼(S2)의 가장 긴 파장을 갖는 피크의 우측 세그먼트 내에 속한다. 일부 실시예들에서, 제 2 파장(λ2)은 0의 소광 계수의 위치까지 연장되는 제 2 라인(L2)에 의해 정의된다. 즉, 제 2 파장(λ2)은 제 2 라인(L2)과 소광 계수 0의 라인의 교차점에 의해 정의된다.
도 2b를 참조하면, 이 도면은 일부 실시예들에 따른 양자 효율(%) 대 파장(nm)의 개략적인 그래프이다. 일부 실시예들에서, 필터층(600)은 롱패스 필터이며, 따라서 필터층(600)의 임계 파장보다 긴 파장을 갖는 광만이 필터층(600)을 통과할 수 있다. 또한, 광전층(220)의 소광 계수는 이미지 센서 구조체의 감지 광(sensing light)의 양자 효율 및 파장에 영향을 미칠 수 있다. 일부 실시예들에서, 일부 광자들(예를 들면, IR 광자들)은 광전층(220)에 도달할 수 있는 반면, 다른 광자들(예를 들면, 가시 광자들)은 필터층(600)에 의해 차단된다. 따라서, 필터층(600)의 제 1 파장(λ1)과 광전층(220)의 제 2 파장(λ2)의 차이(△λ)는 이미지 센서 구조체의 감지 광의 파장 범위를 나타낸다.
협대역 이미징을 달성하려면, 광전층(220)과 필터층(600)의 재료를 잘 선택해야 한다. 유기 벌크 이종접합(BHJ) 광검출기, 페로브스카이트 광검출기 및 양자점(QD) 광검출기와 같은 수많은 광전층 또는 이들의 조합이 가시 파장(400-700nm)에서 적외선(IR)(700-2000nm)까지의 조정 가능한 스펙트럼 범위를 제공할 수 있다. BHJ에는 공액 폴리머 및/또는 소분자의 블렌드가 포함된다. QD 재료는 PbS, PbSe, CdS, CdSe, InP, InAs, InGaP, InGaAs 등 및 이들의 조합이다. QD의 크기는 2 nm 내지 15 nm 사이이다. 각 양자점은 양자 구속 효과를 유지하기 위해 유기 또는 무기 리간드로 둘러싸여 있지만, QD 간의 캐리어 수송은 여전히 허용된다. 유기 리간드는 3-메르캅토프로피온산(MPA), 1,2-에탄디티올(EDT), 에틸렌디아민(EDA) 등 및 이들의 조합을 포함한다. 무기 리간드는 요오드화물, 브롬화물 및 염화물이다. 페로브스카이트 재료는 무기-유기 하이브리드 또는 순수 무기 재료이다. 무기-유기 하이브리드는 MAPbBr3, MAPbI3, FAPbI3, MAPbSnI3, MASnI3 등 및 이들의 조합이다. 무기 재료들은 각각 CsPbI3 및 CsSnI3이다. 픽셀화된 하부 접촉 패드(120)는 Al, Cu, AlCu, Ti/Al/Ti, W, Ag, ITO, IZO, 그래핀, CNT, Ag 나노와이어 등과 같은 도전성 물질이다. 제 1 캐리어 수송층(210) 및 제 2 캐리어 수송층(230)은 ZnO, AZO, MoO3, WO3, NiO, PEDOT:PSS, PFN, 또는 PEIE로부터 선택된다. 도전층(300)은 ITO, IZO, Ag 나노와이어, 탄소나노튜브, 그래핀 등의 투명 도전층이다. 보호층(400)은 순수 무기막 또는 유/무기 적층막을 포함하는 다중막이다. 무기막은 SiO2, SiN, SiON, SiH, Al2O3, TiO2 등 및 이들의 조합이다. 필터층(600)은 유기 금속 착체 색소 또는 무기막과 같은 흡수형 필터이다.
예를 들어, 필터층(600)의 재료가 유기 롱패스 필터인 경우; 광전층(220)의 재료는 유기 벌크 이종접합 포토다이오드(organic bulk heterojunction photodiode) 또는 페로브스카이트 포토다이오드 또는 QD 포토다이오드이고; 제 1 파장 λ1은 900 nm이고; 제 2 파장 λ2는 950 nm이고; 차이 Δλ는 50 nm이며 이것이 도 2a에 도시되어 있다. 따라서, 이미지 센서 구조체의 감지 광의 파장 범위는 920 nm 내지 970 nm이며, 감지 광의 파장이 940 nm일 때 감지 광의 양자 효율은 최대가 된다.
도 3a 내지 도 3f를 참조하면, 이 도면은 본 개시의 일부 실시예들에 따른, 정규화된 소광 계수 및 양자 효율(%) 대 파장(nm)의 개략적인 그래프들이다. 즉, 도 3a 내지 도 3f 각각은 정규화된 소광 계수 대 파장(nm)의 그래프 및 양자 효율(%) 대 파장(nm)의 그래프의 오버레이이다. 예를 들면, 도 3a는 도 2a 및 도 2b의 오버레이이다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 차이 △λ는 실질적으로 감지 광의 파장 범위에 대응한다.
도 3b에 도시된 바와 같이, 예를 들어, 필터층(600)의 재료가 유기 롱패스 필터인 경우; 광전층(220)의 재료는 유기 벌크 이종접합 포토다이오드이고; 제 1 파장 λ1은 810 nm이고; 제 2 파장 λ2는 860 nm이고; 차이 △λ는 50nm이다. 따라서, 이미지 센서 구조체의 감지 광의 파장 범위는 830 nm 내지 880 nm이며, 감지 광의 파장이 850 nm일 때, 감지 광의 양자 효율이 최대가 된다.
도 3c에 도시된 바와 같이, 예를 들어, 필터층(600)의 재료가 유기 롱패스 필터인 경우; 광전층(220)의 재료는 유기 벌크 이종접합 포토다이오드이고; 제 1 파장 λ1은 940 nm이고; 제 2 파장 λ2는 990 nm이고; 차이 △λ는 50 nm이다. 따라서, 이미지 센서 구조체의 감지 광의 파장 범위는 960 nm 내지 1100 nm이며, 감지 광의 파장이 980 nm일 때, 감지 광의 양자 효율이 최대가 된다.
도 3d에 도시된 바와 같이, 예를 들어, 필터층(600)의 재료가 유기 롱패스 필터인 경우; 광전층(220)의 재료는 유기 벌크 이종접합 포토다이오드이고; 제 1 파장 λ1은 1270 nm이고; 제 2 파장 λ2는 1320 nm이고; 차이 △λ는 50 nm이다. 따라서, 이미지 센서 구조체의 감지 광의 파장 범위는 1290 내지 1340이며, 감지 광의 파장이 1310 nm일 때, 감지 광의 양자 효율이 최대가 된다.
도 3e에 도시된 바와 같이, 예를 들어, 필터층(600)의 재료가 유기 롱패스 필터인 경우; 광전층(220)의 재료는 유기 벌크 이종접합 포토다이오드이고; 제 1 파장 λ1은 1310 nm이고; 제 2 파장 λ2는 1360 nm이고; 차이 △λ는 50 nm이다. 따라서, 이미지 센서 구조체의 감지 광의 파장 범위는 1330 nm 내지 1380 nm이며, 감지 광의 파장이 1350 nm일 때, 감지 광의 양자 효율이 최대가 된다.
도 3f에 도시된 바와 같이, 예를 들어, 필터층(600)의 재료가 유기 롱패스 필터인 경우; 광전층(220)의 재료는 유기 벌크 이종접합 포토다이오드이고; 제 1 파장 λ1은 1510 nm이고; 제 2 파장 λ2는 1560 nm이고; 차이 △λ는 50 nm이다. 따라서, 이미지 센서 구조체의 감지 광의 파장 범위는 1530 내지 1580이며, 감지 광의 파장이 1550 nm일 때, 감지 광의 양자 효율이 최대가 된다.
따라서, 본 개시의 이미지 센서 구조체는, 감지 광의 파장이 800 nm, 850 nm, 900 nm, 950 nm, 1000 nm, 1050 nm, 1100 nm, 1150 nm, 1200 nm, 1250 nm, 1300 nm, 1350 nm, 1400 nm, 1450 nm, 1500 nm, 1550 nm 보다 길거나 롱패스 필터층(600)에 대한 하나 이상의 적절한 파장인 경우에 높은 양자 효율을 제공할 수 있다. 일부 실시예들에서, 이미지 센서 구조체는 근적외선 영역에서 높은 양자 효율을 제공한다. 이미지 센서 구조체는 광전층(220) 및 대응하는 필터층(600)의 서로 다른 재료들을 선택하여 감지 파장을 850 nm에서 1550 nm로 확장할 수 있다.
도 4a 내지 도 4d는 일부 실시예들에 따른, 제 1 캐리어 수송층(210), 광전층(220), 및 제 2 캐리어 수송층(230)의 에너지 갭들의 개략도이다. 도 4a 내지 도 4d를 참조하면, x축은 제 1 캐리어 수송층(210), 광전층(220) 및 제 2 캐리어 수송층(230)의 에너지 갭들을 나타낸다.
도 4a에 도시된 바와 같이, 제 1 캐리어 수송층(210)은 HTL이고, 제 2 캐리어 수송층(230)은 ETL이다. 제 1 캐리어 수송층(210)은 최대 에너지 갭(210H)에서 최소 에너지 갭(210L)까지 범위의 에너지 갭을 갖는다. 광전층(220)은 최대 에너지 갭(220H)에서 최소 에너지 갭(220L)까지 범위의 에너지 갭을 갖는다. 제 2 캐리어 수송층(230)은 최대 에너지 갭(230H)에서 최소 에너지 갭(230L)까지 범위의 에너지 갭을 갖는다. 일부 실시예들에서, 최대 에너지 갭(210H)은 최대 에너지 갭(220H)보다 높고, 최대 에너지 갭(220H)은 최대 에너지 갭(230H)보다 높다. 일부 실시예들에서, 최소 에너지 갭(210L)은 최소 에너지 갭(220L)보다 높고, 최소 에너지 갭(220L)은 최소 에너지 갭(230L)보다 높다. 따라서, 일부 실시예들에서, 제 1 캐리어 수송층(210), 광전층(220), 및 제 2 캐리어 수송층(230)의 평균 에너지 갭들은 점진적으로 감소된다.
도 4b에 도시된 바와 같이, 제 1 캐리어 수송층(210)은 ETL이고, 제 2 캐리어 수송층(230)은 HTL이며, 따라서 제 1 캐리어 수송층(210), 광전층(220), 및 제 2 캐리어 수송층(230)의 평균 에너지 갭들은 점진적으로 증가한다.
도 4c에 도시된 바와 같이, 제 1 캐리어 수송층(210) 및 제 2 캐리어 수송층(230)은 ETL이며, 따라서 광전층(220)의 평균 에너지 갭은 제 1 캐리어 수송층(210) 및 제 2 캐리어 수송층(230)의 평균 에너지 갭들보다 크다.
도 4d에 도시된 바와 같이, 제 1 캐리어 수송층(210) 및 제 2 캐리어 수송층(230)은 ETL이며, 따라서 제 1 캐리어 수송층(210) 및 제 2 캐리어 수송층(230)의 평균 에너지 갭들은 광전층(220)의 평균 에너지 갭보다 크다.
도 5a 내지 도 5h는 일부 실시예들에 따른 다양한 제조 단계들에서의 이미지 센서 구조체의 개략적인 단면도들이다. 도 5a 내지 도 5h는 도 1a에 도시된 이미지 센서 구조체(1)의 개략적인 단면도들을 일 예로서 도시한 것이다.
도 5a를 참조하면, 기판(100)이 형성되고, 기판(100) 상에 판독 회로 어레이(110)가 형성된다. 픽셀화된 하부 접촉 패드들(120)은 각각의 판독 트랜지스터 유닛(111) 상에 정의된다. 각각의 하부 접촉 패드(120) 사이에, 절연 재료들(122)이 배치된다. 일부 실시예들에서, 상부 접촉 패드(121)는 기판(100) 상에 그리고 절연 재료들(122)에 인접하게 형성된다. 일부 실시예들에서, 하부 접촉 패드들(120)은 판독 회로 어레이(110) 상에 형성된다. 일부 실시예들에서, 판독 회로 어레이(110)는 기판(100) 상에 형성된다. 판독 회로 어레이(110)는 다중 트랜지스터들, 커패시터들 또는 저항기들을 포함한다. 판독 회로 어레이(110) 및/또는 하부 접촉 패드(120) 및 상부 접촉 패드(121)를 형성하기 위한 제조 공정은 물리적 기상 데포지션(physical vapor deposition; PVD), 화학 기상 데포지션(chemical vapor deposition; CVD), 원자층 데포지션(atomic layer deposition; ALD) 등, 다른 적절한 공정, 또는 이들의 조합일 수 있고, 포토레지스트 데포지션, 포토리소그래피, 현상 및 건식/습식 에칭이 뒤따른다.
도 5b를 참조하면, 하부 접촉 패드(120) 상에 제 1 캐리어 수송층(210)을 형성하고, 제 1 캐리어 수송층(210) 상에 광전층(220)을 형성하고, 광전층(220) 상에 제 2 캐리어 수송층(230)을 형성한다. 일부 실시예들에서, 제 1 캐리어 수송층(210), 광전층(220) 및 제 2 캐리어 수송층(230)은 각각 데포지션 공정에 의해 형성될 수 있다. 제 1 캐리어 수송층(210), 광전층(220) 및/또는 제 2 캐리어 수송층(230)을 형성하기 위한 데포지션 공정은 스핀-코팅(spin-coating), 닥터-블레이딩(doctor-blading), 스크린 프린팅(screen printing) 또는 물리 기상 데포지션(PVD), 화학 기상 데포지션(CVD), 원자층 데포지션(ALD) 등, 다른 적절한 공정, 또는 이들의 조합을 포함한다.
도 5c를 참조하면, 패터닝된 포토레지스트층(330)은 제 2 캐리어 수송층(230) 상에 형성되고 패터닝된 포토레지스트층(330)의 면적은 판독 회로 어레이(110)의 면적과 동일하거나 약간 더 크다. 일부 실시예들에서, 패터닝된 포토레지스트층(330)은 제 2 캐리어 수송층(230)을 부분적으로 덮는다. 일부 실시예들에서, 포토레지스트 재료(도시되지 않음)가 제 2 캐리어 수송층(230) 상에 형성된 후, 포토레지스트 재료를 패터닝하여 패터닝된 포토레지스트층(330)을 형성한다. 일부 실시예들에서, 노광 공정, 어닐링 공정(annealing process), 현상 공정 등, 다른 적절한 공정, 또는 이들의 조합과 같은 추가 공정이 수행된다.
도 5d를 참조하면, 패터닝된 포토레지스트층(330)을 에칭 마스크로 사용하여 건식 에칭에 의해 제 2 캐리어 수송층(230), 광전층(220) 및 제 1 캐리어 수송층(210)을 에칭하여 상부 접촉 패드(121)의 상부 표면을 노출시킨다. 일부 실시예들에서, 패터닝된 포토레지스트층(330)은 이미지 센서의 활성 영역을 정의한다. 일부 실시예들에서, 패터닝된 포토레지스트층(330)은 애싱 공정과 같은 스트라이프-오프 공정에 의해 제거된다. 일부 실시예들에서, 광전층(220) 및 패터닝된 포토레지스트층(330)은 상이한 재료들로 이루어진다. 일부 실시예들에서, 광전 재료 및 포토레지스트 재료는 직교한다. 즉, 광전 재료는 데포지션/현상/제거 공정에서 포토레지스트 재료와 섞이지 않는다. 따라서, 패터닝된 포토레지스트층(330)은, 제거 공정 이후에 광전층(220)이 손상되지 않거나 거의 손상되지 않는 동안 완전히 제거된다.
도 5e를 참조하면, 도전층(300)은 제 2 캐리어 수송층(230) 상에 데포지션 공정에 의해 형성된다. 도전층(300)을 형성하기 위한 데포지션 공정은 스핀-코팅, 닥터-블레이딩, 스크린 프린팅, 물리 기상 데포지션(PVD), 화학 기상 데포지션(CVD), 원자층 데포지션(ALD) 등, 다른 적절한 공정, 또는 이들의 조합일 수 있다. 일부 실시예들에서, 도전층(300)은 제 2 캐리어 수송층(230)의 상부 표면 상에 형성되고 도전층(300)은 노출된 상부 접촉 패드(121)와 접촉한다. 이 단계에서, 광전층(220)의 하부 컨택트와 상부 컨택트가 완전히 형성된다. 픽셀 크기는 제 1 캐리어 수송층(210)과 하부 접촉 패드들(120) 각각의 접촉 면적에 의해 정의된다. 모든 하부 접촉 패드들(120) 및 상부 접촉 패드(121)는 하부 접촉 패드들(120) 각각 및 상부 접촉 패드(121) 아래의 도전성 와이어를 통해 판독 회로 어레이(110)에 연결된다. 각 픽셀에서 판독된 아날로그 신호는 또한 ADC(Analog-to-Digital Converter)에 의해 디지털 신호들로 변환된다.
도 5f를 참조하면, 보호층(400)은 데포지션 공정에 의해 도전층(300) 상에 형성된다. 보호층(400)을 형성하는 데포지션 공정은 물리 기상 데포지션(PVD), 화학 기상 데포지션(CVD), 원자층 데포지션(ALD) 등, 다른 적절한 공정 또는 이들의 조합일 수 있다. 일부 실시예들에서, 보호층(400)은 도전층(300)의 상부 표면과 도전층(300)의 양면에 형성된다.
도 5g를 참조하면, 보호층(400) 상에 데포지션 공정에 의해 필터층(600)을 형성한다. 필터층(600)을 형성하기 위한 데포지션 공정은 스핀-코팅, 닥터-블레이딩, 스크린 프린팅, MOCVD, ALD, MBE, LPE 등, 다른 적절한 공정, 또는 이들의 조합일 수 있다.
도 5h를 참조하면, 필터층(600) 상에 데포지션 공정을 통해 마이크로 렌즈(510)를 형성한다. 마이크로 렌즈(510)를 형성하기 위한 데포지션 공정은 리소형 투명 포토레지스트를 스핀 코팅한 후 UV 노광, 현상 및 열적 리플로우 공정 등, 다른 적절한 공정 또는 이들의 조합이 뒤따를 수 있다. 따라서 이미지 센서는 위에서 언급한 공정들에 의해 얻어진다. 그러나, 하나 이상의 적절한 공정들이 수행될 수도 있다.
도 6a 내지 도 6h는 일부 다른 실시예들에 따른 다양한 제조 단계들에서의 이미지 센서 구조체의 개략적인 단면도이다. 도 6a 내지 도 6h는 또한, 도 1a에 도시된 이미지 센서 구조체(1)의 개략적인 단면도를 일 예로서 도시한 것이다.
도 6a를 참조하면, 도 6a에 도시된 구조체는 도 5a에 도시된 구조체와 유사하다. 2개의 상부 접촉 패드들(121)은 판독 회로 어레이(110) 상에 배치된다. 동일한 설명은 명료성을 위해 반복되지 않는다.
도 6b를 참조하면, 하부 접촉 패드들(120) 및 상부 접촉 패드들(121) 상에 데포지션 공정을 통해 포토레지스트 재료를 형성한다. 포토레지스트 재료를 형성하기 위한 데포지션 공정은 스핀 코팅 후 핫백(hot back) 또는 UV 노출 공정 등, 다른 적절한 공정, 또는 이들의 조합일 수 있다.
도 6c를 참조하면, 포토레지스트 재료가 패터닝되어, 상부 접촉 패드들(121) 상에 패터닝된 포토레지스트층(330)을 형성하고 하부 접촉 패드들(120)의 상부 표면을 노출시킨다. 패터닝된 포토레지스트층(330)은 상부 접촉 패드들(121)을 덮고 이미지 센서 구조체의 활성 영역을 정의한다.
도 6d를 참조하면, 제 1 캐리어 수송층(210), 광전층(220) 및/또는 제 2 캐리어 수송층(230)은 각각 데포지션 공정을 통해 하부 접촉 패드들(120)의 상부 표면 상에 순차적으로 형성된다. 제 1 캐리어 수송층(210), 광전층(220) 및/또는 제 2 캐리어 수송층(230)은 컨포멀하게 형성된다. 제 1 캐리어 수송층(210), 광전층(220) 및/또는 제 2 캐리어 수송층(230)을 형성하기 위한 데포지션 공정은 스핀-코팅, 닥터-블레이딩, 스크린 프린팅 등 다른 적절한 공정, 또는 이들의 조합일 수 있다.
도 6e를 참조하면, 패터닝된 포토레지스트층(330), 제 2 캐리어 수송 층(230), 광전층(220) 및 상부 접촉 패드들(121) 상의 제 1 캐리어 수송 층(210)은 기판을 뜨거운 DMSO-기반 용매에 담그는 것과 같은 리프트-오프 공정에 의해 제거되어, 상부 접촉 패드들(121)의 상부 표면을 노출시킨다. 따라서, 하부 접촉 패드들(120) 상에 제 2 캐리어 수송층(230), 광전층(220) 및 제 1 캐리어 수송층(210)이 남게 된다.
도 6f 내지 도 6h를 참조하면, 도 6f 내지 도 6h에 도시된 구조체들은 각각 도 5f 내지 도 5h에 도시된 구조체들과 유사하다. 동일한 설명은 반복하지 않는다. 따라서, 이미지 센서는 위에서 언급한 공정들에 의해 얻어진다.
도 7a 내지 도 7f는 일부 다른 실시예들에 따른 다양한 제조 단계들에서의 이미지 센서 구조체의 개략적인 단면도이다. 도 7a 내지 도 7f는 또한 도 1a에 도시된 이미지 센서 구조체(1)의 개략적인 단면도를 일 예로서 도시한 것이다.
도 7a를 참조하면, 도 7a에 도시된 구조체는 도 5a에 도시된 구조체와 실질적으로 동일하다. 동일한 설명은 명확성을 위해 반복되지 않는다.
도 7b를 참조하면, 제 1 캐리어 수송층(210), 광전층(220) 및 제 2 캐리어 수송층(230)이 하부 접촉 패드들(121) 상에 순차적으로 형성된다.
도 7c를 참조하면, 도전층(300)은 증착 공정에 의해 제 2 캐리어 수송층(230) 상에 직접 형성된다. 증착 공정은 제 2 캐리어 수송층(230) 상에 도전층(300)의 재료를 선택적으로 데포지션할 수 있다. 도전층(300)은 하부 접촉 패드들(120) 및 절연 재료들(122)에 대응한다. 도전층(300)은 이미지 센서의 활성 영역을 정의한다.
도 7d를 참조하면, 도전층(300)을 에칭 마스크로 사용함으로써 제 1 캐리어 수송층(210), 광전층(220) 및 제 2 캐리어 수송층(230)을 에칭하여, 상부 접촉 패드(121)의 상부 표면을 노출시킨다. 제 2 캐리어 수송층(230) 상의 도전층(300)을 에칭 마스크로 사용하므로 에칭 마스크로서 별도의 마스크나 포토레지스트를 형성할 필요가 없다. 따라서, 이미지 센서의 제조 방법이 단순화될 수 있다.
도 7e를 참조하면, 스핀-코팅, 닥터 블레이딩, 스크린 프린팅 또는 물리 기상 데포지션(PVD), 화학 기상 데포지션(CVD), 원자층 데포지션(ALD) 등, 다른 적절한 공정, 또는 이들의 조합에 의해 도전층(300)의 상부에 도전부(310)를 형성한다. 도전부(310)는 금속, 중도핑 반도체 및 도전성 고분자와 같은 도전성 재료들이면 모두 가능하다. 스케일이 실제 스케일로 도시된 것이 아니기 때문에, 제 1 캐리어 수송층(210), 광전층(220) 및 제 2 캐리어 수송층(230)의 총 두께는 2 마이크로미터 미만이다. 도전부(310)는 도전층(300)을 상부 접촉 패드(121)에 연결한다.
도 7f를 참조하면, 도 7f에 도시된 구조체는 도 6h에 도시된 구조체와 유사하다. 동일한 설명은 반복하지 않는다. 따라서, 이미지 센서는 위에서 언급한 공정들에 의해 얻어진다. 도 7f에 도시된 바와 같이, 보호층(400)은 데포지션 공정에 의해 도전층(300) 상에 컨포멀하게 형성될 수 있다. 필터층(600)은 데포지션 공정에 의해서 보호층(400) 상에 형성될 수 있다. 또한, 필터층(600)은 평탄화 공정들에 의해서 평탄화될 수 있다.
도 8a는 이미지 센서 어레이(810), 로우 어드레스 디코더(row address decoder)(820), 컬럼 어드레스 디코더(column address decoder)(840), 컬럼 회로(column circuit)(830) 및 아날로그-디지털 변환기(analog-to-digital converter; ADC)(850)를 포함하는 이미지 센서의 구조체를 도시한 것이다. 이미지 센서 어레이(810)는 제 1 캐리어 수송층, 광전층, 및 제 2 캐리어 수송층, 상부 도전층, 필터층 및 마이크로 렌즈를 포함한다.
도 8b를 참조하면, 이미지 센서 어레이의 회로는 하부 접촉 패드들(120), 제 1 캐리어 수송층(210), 광전층(220), 제 2 캐리어 수송층(230) 및 상부 도전층(300)을 포함한다. 상부 도전층(300)은 상부 접촉 패드(121)와 연결된다. 하부 접촉 패드들(120) 및 상부 접촉 패드(121) 아래의 회로는 판독 회로이다. 각 픽셀은 리셋 스위치 트랜지스터(M1), 소스 팔로워 트랜지스터(M2) 및 로우 선택 스위치 트랜지스터(M3)를 포함한다. 아날로그 판독 전압이 추가 이미지 처리를 위해 ADC(850)에 추가로 전달된다.
요약하면, 일부 실시예들에 따르면, 이미지 센서 구조체들은 판독 회로 어레이(110), 하부 접촉 패드(120), 제 1 캐리어 수송층(210), 광전층(220), 제 2 캐리어 수송층(230), 상부 도전층(300) 및 필터층(600)을 포함함으로써, 모노리식 IR 협대역 이미지 센서를 제공한다. 이미지 센서 구조체들은 감지 어레이 재료들과 필터층(600)을 적절하게 선택하여 감지 광의 파장이 정의될 때 협대역 감지를 제공한다. 또한, 이러한 이미지 센서 구조체들은 필터층(600) 및 광전층(220)의 정규화된 소광 계수의 관계에 기초하여 필터층(600) 및 광전층(220)이 선택되기 때문에, 상대적으로 낮은 각도 의존 양자 효율 피크 시프트를 갖는다. 따라서, 이미지 센서 구조체들은 높은 FOV 이미지 감지 응용에 사용된다.
본 개시의 범위는 본 명세서에 기재된 특정 실시예들의 제조 공정, 기계, 제조, 재료 조성, 장치, 방법, 구조 및 단계로 제한되지 않는다. 당업자는 현재 또는 미래의 제조 공정, 기계, 제조, 재료 구성, 장치, 방법, 구조 및 단계가 본 개시와 실질적으로 동일한 기능을 수행하거나 실질적으로 동일한 결과를 얻는 한, 일부 실시예들에 개시된 내용으로부터 현재 및 미래의 제조 공정, 기계, 제조, 재료 구성, 장치, 방법, 구조 및 단계를 이해할 것이다. 따라서, 본 개시의 범위는 위에서 언급한 제조 공정, 기계, 제조, 재료 조성, 장치, 방법, 구조 및 단계를 포함한다. 또한, 각각의 청구범위는 개별적인 실시예를 구성하고, 본 개시의 범위는 또한 각각의 청구범위 및 실시예의 조합을 포함한다.
전술한 내용은 본 개시의 여러 실시예의 특징을 개략적으로 설명하여, 당업자가 그 양태들을 더 잘 이해할 수 있도록 한다. 본 개시의 일부 실시예들 및 그 이점들이 개시되었지만, 당업자는 본 개시가 본 명세서에 도입된 실시예들의 동일한 목적들을 수행하고 및/또는 동일한 이점들을 달성하기 위해 다른 공정들 및 구조들을 변경, 교체, 대체 및/또는 수정하기 위한 기초로서 용이하게 사용될 수 있다. 당업자는 또한 그러한 등가 구성들이 본 개시의 사상 및 범위를 벗어나지 않으며, 본 개시의 정신 및 범위를 벗어나지 않고 여기에서 다양한 변경, 대체 및 변경을 할 수 있음을 인식해야 한다.
Claims (14)
- 이미지 센서 구조체로서,
기판;
상기 기판 상에 위치되는 판독 회로 어레이;
상기 판독 회로 어레이 위에 배치되는 광전층;
상기 광전층 위에 배치되는 필터층;을 포함하며,
상기 필터층은 제 1 파장을 정의하는 제 1 스펙트럼을 갖고, 상기 광전층은 상기 제 1 파장보다 긴 제 2 파장을 정의하는 제 2 스펙트럼을 가지며,
상기 제 1 파장은 상기 필터층의 상기 제 1 스펙트럼의 곡선 상의 제 1 포인트 및 제 2 포인트를 지나가는 제 1 라인에 대응하고, 상기 제 1 포인트는 0.9의 소광 계수에 정렬하고 상기 제 2 포인트는 0.1의 소광 계수에 정렬하며;
상기 제 2 파장은 상기 광전층의 상기 제 2 스펙트럼 곡선 상의 제 3 포인트 및 제 4 포인트를 지나가는 제 2 라인에 대응하고, 상기 제 3 포인트는 0.9의 소광 계수에 정렬하고 상기 제 4 포인트는 0.1의 소광 계수에 정렬하는, 이미지 센서 구조체. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 파장은 상기 제 1 파장보다 10 내지 150 nm만큼 더 길고, 상기 소광 계수는 상기 제 1 스펙트럼 또는 상기 제 2 스펙트럼의 피크의 최대 소광 계수에 의해 정규화되는, 이미지 센서 구조체. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 파장은 0의 소광 계수의 위치까지 연장되는 상기 제 1 라인에 의해 정의되고, 상기 제 2 파장은 0의 소광 계수의 위치까지 연장되는 상기 제 2 라인에 의해 정의되는, 이미지 센서 구조체. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 포인트 및 상기 제 2 포인트는 상기 제 1 스펙트럼의 가장 긴 파장 세그먼트 내에 속하고, 상기 제 3 포인트 및 상기 제 4 포인트는 상기 제 2 스펙트럼의 가장 긴 파장 세그먼트 내에 속하는, 이미지 센서 구조체. - 제 1 항에 있어서,
상기 판독 회로 어레이 상의 하부 접촉 패드 및 상기 광전층 상의 도전층;
상기 하부 접촉 패드와 상기 광전층 사이에 배치되는 제 1 캐리어 수송층; 및
상기 광전층과 상기 도전층 사이에 배치되는 제 2 캐리어 수송층;을 더 포함하며,
상기 제 1 캐리어 수송층 또는 상기 제 2 캐리어 수송층은 전자 수송층 또는 정공 수송층인, 이미지 센서 구조체. - 제 1 항에 있어서,
상기 광전층과 상기 필터층 사이에 배치되는 보호층; 및
상기 보호층과 상기 필터층 사이에 배치되는 마이크로 렌즈;를 더 포함하며,
상기 필터층은 흡수 필터층인, 이미지 센서 구조체. - 제 1 항에 있어서,
상기 광전층과 상기 필터층 사이에 배치되는 보호층; 및
상기 필터층 상에 배치되는 마이크로 렌즈;를 더 포함하며,
상기 필터층은 흡수 필터층인, 이미지 센서 구조체. - 제 1 항에 있어서,
상기 필터층 상에 배치되는 보호층; 및
상기 보호층 상에 배치되는 마이크로 렌즈;를 더 포함하며,
상기 필터층은 흡수 필터층인, 이미지 센서 구조체. - 이미지 센서 구조체의 제조 방법으로서,
기판을 형성하는 단계;
상기 기판 상에 판독 회로 어레이를 형성하는 단계;
상기 판독 회로 어레이 상에 광전층을 형성하는 단계;
상기 광전층 위에 필터층을 형성하는 단계;를 포함하며,
상기 필터층은 제 1 파장을 정의하는 제 1 스펙트럼을 갖고, 상기 광전층은 상기 제 1 파장보다 긴 제 2 파장을 정의하는 제 2 스펙트럼을 가지며,
상기 제 1 파장은 상기 필터층의 상기 제 1 스펙트럼의 곡선 상의 제 1 포인트 및 제 2 포인트를 지나가는 제 1 라인에 대응하고, 상기 제 1 포인트는 0.9의 소광 계수에 정렬하고 상기 제 2 포인트는 0.1의 소광 계수에 정렬하고;
상기 제 2 파장은 상기 광전층의 상기 제 2 스펙트럼 곡선 상의 제 3 포인트 및 제 4 포인트를 지나가는 제 2 라인에 대응하고, 상기 제 3 포인트는 0.9의 소광 계수에 정렬하고 상기 제 4 포인트는 0.1의 소광 계수에 정렬하는, 방법. - 제 9 항에 있어서,
상기 판독 회로 어레이 상에 하부 접촉 패드를 형성하는 단계;
상기 하부 접촉 패드와 상기 광전층 사이에 제 1 캐리어 수송층을 형성하는 단계; 및
상기 광전층 상에 도전층을 형성하는 단계;
상기 광전층과 상기 도전층 사이에 제 2 캐리어 수송층을 형성하는 단계;를 더 포함하며,
상기 제 1 캐리어 수송층은 전자 수송층 또는 정공 수송층이고, 상기 제 2 캐리어 수송층은 전자 수송층 또는 정공 수송층인, 방법. - 제 9 항에 있어서,
상기 광전층과 상기 필터층 사이에 보호층을 형성하는 단계; 및
상기 보호층과 상기 필터층 사이에 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 더 포함하며,
상기 필터층은 흡수 필터층인, 방법. - 제 9 항에 있어서,
상기 광전층과 상기 필터층 사이에 보호층을 형성하는 단계; 및
상기 필터층 상에 마이크로 렌즈를 형성하는 단계;를 더 포함하며,
상기 필터층은 흡수 필터층인, 방법. - 제 9 항에 있어서,
상기 필터층 상에 보호층을 형성하는 단계; 및
상기 보호층 상에 마이크로 렌즈를 형성하는 단계;를 더 포함하며,
상기 필터층은 흡수 필터층인, 방법. - 제 9 항에 있어서,
상기 판독 회로 어레이 상에 상기 광전층을 형성하는 단계는,
상기 판독 회로 어레이 상에 광전 재료를 형성하는 단계;
상기 광전 재료 상에 패터닝된 포토레지스트층을 형성하는 단계;
상기 광전 재료를 에칭하는 단계; 및
상기 패터닝된 포토레지스트층을 제거하여 상기 광전층을 형성하는 단계;를 더 포함하며,
상기 광전층과 상기 패터닝된 포토레지스트층은 서로 다른 재료로 이루어지는, 방법.
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