KR100881012B1 - 이미지센서 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

실시예에 따른 이미지센서는 기판에 형성된 회로(circuitry); 상기 기판상에 형성된 컨택플러그; 상기 컨택플러그 상에 형성된 하부전극; 상기 하부전극 상에 형성된 카본나노튜브를 포함하는 포토다이오드; 및 상기 포토다이오드 상에 형성된 상부전극;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이미지센서, 포토다이오드

Description

이미지센서 및 그 제조방법{Image Sensor and Method for Manufacturing thereof}
도 1은 실시예에 따른 이미지센서의 단면도.
도 2 내지 도 4는 실시예에 따른 이미지센서의 제조방법의 공정단면도.
실시예는 이미지센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 이미지 센서(Image sensor)는 광학적 영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 소자로써, 크게 전하결합소자(charge coupled device: CCD) 이미지센서와 씨모스(CMOS; Complementary Metal Oxide Silicon) 이미지 센서(Image Sensor)(CIS)로 구분된다.
한편, CCD 이미지센서는 구동 방식이 복잡하고, 전력 소비가 클 뿐만 아니라, 다단계의 포토 공정이 요구되므로 제조 공정이 복잡한 단점이 있으므로, 최근에는 상기 전하 결합 소자의 단점을 극복하기 위한 차세대 이미지 센서로서 씨모스 이미지 센서가 주목을 받고 있다.
씨모스 이미지센서는 단위 화소 내에 포토다이오드와 모스트랜지스터를 형성 시킴으로써 스위칭방식으로 각 단위 화소의 전기적 신호를 순차적으로 검출하여 영상을 구현한다.
종래기술에 의한 씨모스 이미지센서는 빛 신호를 받아서 전기 신호로 바꾸어 주는 포토다이오드(Photo Diode) 영역(미도시)과, 이 전기 신호를 처리하는 트랜지스터 영역(미도시)으로 구분할 수 있다.
그런데, 종래기술에 따른 씨모스 이미지센서는 포토다이오드가 트랜지스터와 수평으로 배치되는 구조이다.
물론, 종래기술에 의한 수평형의 씨모스 이미지센서에 의해 CCD 이미지센서의 단점이 해결되기는 하였으나, 종래기술에 의한 수평형의 씨모스 이미지센서에는 여전히 문제점들이 있다.
즉, 종래기술에 의한 수평형의 씨모스 이미지센서에 의하면 포토다이오드와 트랜지스터가 기판상에 상호 수평으로 인접하여 제조된다. 이에 따라, 포토다이오드를 위한 추가적인 영역이 요구되며, 이에 의해 필팩터(fill factor) 영역을 감소시키고 또한 레졀류션(Resolution)의 가능성을 제한하는 문제가 있다.
또한, 종래기술에 의한 수평형의 씨모스 이미지센서에 의하면 포토다이오드와 트랜지스터를 동시에 제조하는 공정에 대한 최적화를 달성하는 점이 매우 어려운 문제가 있다. 즉, 신속한 트랜지스터 공정에서는 작은 면저항(low sheet resistance)을 위해 샐로우 졍션(shallow junction)이 요구되나, 포토다이오드에는 이러한 샐로우 졍션(shallow junction)이 적절하지 않을 수 있다.
또한, 종래기술에 의한 수평형의 씨모스 이미지센서에 의하면 추가적인 온 칩(on-chip) 기능들이 이미지센서에 부가되면서 단위화소의 크기가 이미지센서의 센서티버티(sensitivity)를 유지하기 위해 증가되거나 또는 포토다이오드를 위한 면적이 픽셀사이즈를 유지하기 위해 감소되야한다. 그런데, 픽셀사이즈가 증가되면 이미지센서의 레졀류션(Resolution)이 감소하게되며, 또한, 포토다이오드의 면적이 감소되면 이미지센서의 센서티버티(sensitivity)가 감소하는 문제가 발생한다.
실시예는 트랜지스터 회로(circuitry)와 포토다이오드의 새로운 집적을 제공할 수 있는 이미지센서 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
또한, 실시예는 수직형의 포토다이오드를 채용하면서 소자의 구동속도를 향상시킬 수 있는 포토다이오드를 구비하는 이미지센서 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
또한, 실시예는 레졀류션(Resolution)과 센서티버티(sensitivity)가 함께 개선될 수 있는 이미지센서 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
또한, 실시예는 수직형의 포토다이오드를 채용하면서 포토다이오드 내에 디펙트를 방지할 수 있는 이미지센서 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
실시예에 따른 이미지센서는 기판에 형성된 회로(circuitry); 상기 기판상에 형성된 컨택플러그; 상기 컨택플러그 상에 형성된 하부전극; 상기 하부전극 상에 형성된 카본나노튜브를 포함하는 포토다이오드; 및 상기 포토다이오드 상에 형성된 상부전극;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 실시예에 따른 이미지센서의 제조방법은 기판에 회로(circuitry)를 형성하는 단계; 상기 기판상에 컨택플러그를 형성하는 단계; 상기 컨택플러그 상에 하부전극을 형성하는 단계; 상기 하부전극 상에 카본나노튜브를 포함하는 포토다이오드를 형성하는 단계; 및 상기 포토다이오드 상에 상부전극을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 실시예에 의하면 트랜지스터 회로(circuitry)와 포토다이오드의 수직형 집적을 제공할 수 있고, 수직형의 포토다이오드를 채용하면서 카본나노튜브에 의한 새로운 개념의 포토다이오드를 구비한 이미지센서를 제공할 수 있고, 또한, 카본나노튜브에 의한 포토다이오드에 의해 전자( electron) 또는 홀(hole)의 모빌러티(mobility)가 빠르기 때문에 소자의 구동속도를 향상시킬 수 있으며, 카본나노튜브에 의한 포토다이오드를 채용함으로써 비정질 실리콘(a-Si:H) 증착을 위한 장비 투자를 할 필요가 없고, 또한, 카본나노튜브에 의한 포토다이오드를 채용함으로써 비정질 실리콘(a-Si:H)과 컬러필터 코팅(color filter coating)을 카본나노튜브(CNT)를 섞은 컬러필터(color filter)로 바꿈으로써 공정을 단순화할 수 있는 장점이 있다.
이하, 실시예에 따른 이미지센서 및 그 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
실시예의 설명에 있어서, 각 층의 "상/아래(on/under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상/아래는 직접(directly)와 또는 다른 층을 개재하여(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다.
(실시예)
도 1은 실시예에 따른 이미지센서의 단면도이다.
실시예에 따른 이미지센서는 기판(110)에 형성된 회로(circuitry)(미도시); 상기 기판(110) 상에 형성된 컨택플러그(120); 상기 컨택플러그(120) 상에 형성된 하부전극(130); 상기 하부전극(130) 상에 형성된 카본나노튜브(150)를 포함하는 포토다이오드(160); 및 상기 포토다이오드(160) 상에 형성된 상부전극(170);을 포함할 수 있다.
실시예에 따른 이미지센서는 수직형의 포토다이오드를 채용하면서 카본나노튜브에 의한 새로운 개념의 포토다이오드를 구비한 이미지센서를 제공할 수 있다.
또한, 실시예는 카본나노튜브에 의한 포토다이오드에 의해 전자( electron) 또는 홀(hole)의 모빌러티(mobility)가 빠르기 때문에 소자의 구동속도를 향상시킬 수 있다.
예를 들어, 실시예에서 상기 포토다이오드(160)는, 컬러 포토다이오드일 수 있다. 예를 들어, 상기 컬러 포토다이오드(160)는 카본나노튜브(150)가 블렌딩된 컬러다이(140)를 이용할 수 있다.
도 1과 같이, 상기 컬러 포토다이오드(160)는 상기 하부전극(130) 상에 카본나노튜브(150)가 블렌딩되어 형성된 제1 컬러다이(141)와, 상기 제1 컬러다이(141) 일측에 카본나노튜브(150)가 블렌딩되어 형성된 제2 컬러다이(142) 및 상기 제1 컬러다이(141) 타측에 카본나노튜브(150)가 블렌딩되어 형성된 제3 컬러다이(143)를 포함할 수 있다.
즉, 상기 컬러 포토다이오드(160)는 카본나노튜브(150)에 의해 전자( electron) 또는 홀(hole)을 전달하며, 컬러다이(140)에 의해 컬러필터 역할을 할 수 있다.
예를 들어, 상기 컬러 포토다이오드(160)는 상기 하부전극(130) 상에 카본나노튜브(150)가 블렌딩되어 형성된 레드(Red) 컬러다이(141)와, 상기 레드 컬러다이(141) 일측에 카본나노튜브(150)가 블렌딩되어 형성된 그린(Green) 컬러다이(142) 및 상기 레드 컬러다이(141) 타측에 카본나노튜브(150)가 블렌딩되어 형성된 블루(Blue) 컬러다이(143)를 포함할 수 있다.
또한, 실시예에서 상기 카본나노튜브(150)는 상기 컬러다이(140)에 비해 무게중량(weight) 비가 0.1 ~ 10%일 수 있다.
또한, 실시예에서 상기 카본나노튜브(150)에서 전자(electron)를 전달하는 과정은 다음과 같다. 즉, 외부 빛에 의해 상기 컬러다이(140)에서 전자(electron)와 홀(hole)이 발생하고, 상기 전자(electron)는 쉽고 빠르게 카본나노튜브(150)를 통해 하부배선(130)으로 전달된다.
또한, 실시예에서 상기 카본나노튜브(150)는 구조에 따라 금속성(metallic)과 반도체성(semiconductic)을 가질 수 있다.
상기 카본나노튜브(150)의 무게중량비가 0.1% 미만인 경우에는 전자 또는 홀의 전달기능을 할 수 없으며, 10% 초과의 경우에는 블렌딩이 어렵고 컬러다이(140)의 빛의 통과를 방해하여 컬러필터로서의 역할을 못하게 한다.
또한, 실시예에서 상기 카본나노튜브(150)의 길이는 50nm ~ 2㎛일 수 있다. 예를 들어, 픽셀사이즈가 초미세한 경우에는 약 50nm의 카본나노튜브를 사용할 수 있으며, 픽셀사이즈가 상대적으로 큰 경우에는 약 2㎛의 카본나노튜브를 사용하여 이미지센서의 수율증대에 기여할 수 있다.
또한, 실시예에서 상기 카본나노튜브(150)의 두께는 0.4nm ~ 10nm일 수 있다. 예를 들어, 상기 카본나노튜브(150)가 단일벽(single-wall)인 경우에는 약 0.4nm의 두께를 가질 수 있으며, 상기 카본나노튜브(150)가 다중벽(multi-wall)인 경우에는 약 10nm의 두께를 가질 수 있다.
상기 카본나노튜브(150)가 다중벽(multi-wall)인 경우 여러 겹에 의한 원기둥 또는 다각기둥 형상의 카본나노튜브일 수 있다. 또는, 상기 카본나노튜브(150)가 단일벽(single-wall)인 경우 단일기둥인 원기둥 또는 다각기둥 형상의 카본나노튜브일 수 있다.
실시예에 따른 이미지센서에 의하면 트랜지스터 회로(circuitry)와 포토다이오드의 수직형 집적을 제공할 수 있다.
또한, 실시예는 수직형의 포토다이오드를 채용하면서 카본나노튜브에 의한 새로운 개념의 포토다이오드를 구비한 이미지센서를 제공할 수 있다.
또한, 실시예는 카본나노튜브에 의한 포토다이오드에 의해 전자( electron) 또는 홀(hole)의 모빌러티(mobility)가 빠르기 때문에 소자의 구동속도를 향상시킬 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 트랜지스터 회로(circuitry)와 포토다이오드의 수직형 집적에 의해 필팩터(fill factor)를 100%에 근접시킬 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 종래기술보다 수직형 집적에 의해 같은 픽셀 사이즈에서 높은 센서티버티(sensitivity)를 제공할 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 종래기술보다 같은 레졀류션(Resolution)을 위해 공정비용을 감축할 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 각 단위 픽셀은 센서티버티(sensitivity)의 감소없이 보다 복잡한 회로(circuitry)를 구현할 수 있다.
또한, 실시예에 의해 집적될 수 있는 추가적인 온칩 회로(on-chip circuitry)는 이미지센서의 퍼포먼스(performance)를 증가시키고, 나아가 소자의 소형화 및 제조비용을 절감을 획득할 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 수직형의 포토다이오드를 채용하면서 포토다이오드 내에 디펙트를 방지할 수 있다.
이하, 도 2 내지 도 4를 참조하여 실시예에 따른 이미지센서의 제조방법을 설명한다.
우선, 기판(110)에 회로(circuitry)(미도시)를 형성한다. 상기 회로(circuitry)는 씨모스 회로일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
다음으로, 상기 기판(110)상에 컨택플러그(120)를 형성하고, 상기 컨택플러그(120) 상에 하부전극(130)을 형성한다. 이로써 트랜지스터 회로(circuitry)와 포토다이오드의 수직형 집적을 제공할 수 있다.
다음으로, 도 2 내지 도 4와 같이 상기 하부전극(130) 상에 카본나노튜브(150)를 포함하는 포토다이오드(160)를 형성한다.
실시예에 따른 이미지센서의 제조방법에서 상기 포토다이오드(160)를 형성하는 단계는 컬러 포토다이오드(160)를 형성할 수 있다.
예를 들어, 상기 컬러 포토다이오드(160)를 형성하는 단계는 카본나노튜브(150)가 블렌딩된 컬러다이(140)를 이용할 수 있다.
구체적인 예로, 도 2 및 도 3과 같이 상기 컬러 포토다이오드(160)를 형성하는 단계는 상기 하부전극(130) 상에 카본나노튜브(150)가 블렌딩된 제1 컬러다이(141)를 형성한다. 이후, 도 4와 같이 상기 제1 컬러다이(141)를 패터닝한다.
다음으로, 상기 제1 컬러다이(141) 일측에 카본나노튜브(150)가 블렌딩된 제2 컬러다이(142)를 형성한다. 이후, 상기 제2 컬러다이(142)를 패터닝할 수 있다.
다음으로, 상기 제1 컬러다이(141) 타측에 카본나노튜브(150)가 블렌딩된 제3 컬러다이(143)를 형성한다. 이후, 상기 제3 컬러다이(143)를 패터닝할 수 있다.
또한, 실시예에서 상기 카본나노튜브(150)가 블렌딩되는 컬러다이(140)는 전도성 고분자일 수 있다. 예를 들어, 상기 컬러다이(140)는 공액 고분자(conjugated polymer)를 이용할 수 있다.
예를 들어, 상기 컬러다이(140)는 폴리싸이오펜(polythiophene) 혹은 그의 유도체인 폴리(3,4-에틸렌디옥시싸이오펜), 폴리 아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole) 및 그의 유도체로 형성된 고분자, 혹은 공액(conjugated)구조를 갖는 고분자 등을 이용할 수 있다.
실시예에서 상기 컬러 포토다이오드(160)는 카본나노튜브(150)에 의해 전자( electron) 또는 홀(hole)을 전달하며, 컬러다이(140)에 의해 컬러필터 역할을 할 수 있다.
예를 들어, 상기 컬러 포토다이오드(160)는 상기 하부전극(130) 상에 카본나노튜브(150)가 블렌딩되어 형성된 레드(Red) 컬러다이(141)와, 상기 레드 컬러다이(141) 일측에 카본나노튜브(150)가 블렌딩되어 형성된 그린(Green) 컬러다이(142) 및 상기 레드 컬러다이(141) 타측에 카본나노튜브(150)가 블렌딩되어 형성된 블루(Blue) 컬러다이(143)를 포함할 수 있다.
또한, 실시예에서 상기 카본나노튜브(150)는 상기 컬러다이(140)에 비해 무게중량(weight) 비가 0.1 ~ 10%일 수 있다.
상기 카본나노튜브(150)의 무게중량비가 0.1% 미만인 경우에는 전자 또는 홀의 전달기능을 할 수 없으며, 10% 초과의 경우에는 블렌딩이 어렵고 컬러다이(140)의 빛의 통과를 방해하여 컬러필터로서의 역할을 못하게 한다.
또한, 실시예에서 상기 카본나노튜브(150)의 길이는 50nm ~ 2㎛일 수 있다. 예를 들어, 픽셀사이즈가 초미세한 경우에는 약 50nm의 카본나노튜브를 사용할 수 있으며, 픽셀사이즈가 상대적으로 큰 경우에는 약 2㎛의 카본나노튜브를 사용하여 이미지센서의 수율증대에 기여할 수 있다.
또한, 실시예에서 상기 카본나노튜브(150)의 두께는 0.4nm ~ 10nm일 수 있다. 예를 들어, 상기 카본나노튜브(150)가 단일벽(single-wall)인 경우에는 약 0.4nm의 두께를 가질 수 있으며, 상기 카본나노튜브(150)가 다중벽(multi-wall)인 경우에는 약 10nm의 두께를 가질 수 있다.
상기 카본나노튜브(150)가 다중벽(multi-wall)인 경우 여러 겹에 의한 원기 둥 또는 다각기둥 형상의 카본나노튜브일 수 있다. 또는, 상기 카본나노튜브(150)가 단일벽(single-wall)인 경우 단일기둥인 원기둥 또는 다각기둥 형상의 카본나노튜브일 수 있다.
다음으로, 도 5와 같이 상기 컬러포토다이오드(160) 상에 상부전극(170)을 형성한다. 상기 상부전극(170)은 투명전극일 수 있다.
본 발명은 전술한 실시예 및 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 하기 된 청구항의 권리범위에 속하는 범위 안에서 다양한 다른 실시예가 가능하다.
실시예에 따른 이미지센서 및 그 제조방법에 의하면 트랜지스터 회로(circuitry)와 포토다이오드의 수직형 집적을 제공할 수 있다.
또한, 실시예는 수직형의 포토다이오드를 채용하면서 카본나노튜브에 의한 새로운 개념의 포토다이오드를 구비한 이미지센서를 제공할 수 있다.
또한, 실시예는 카본나노튜브에 의한 포토다이오드에 의해 전자( electron) 또는 홀(hole)의 모빌러티(mobility)가 빠르기 때문에 소자의 구동속도를 향상시킬 수 있다.
또한, 실시예는 카본나노튜브에 의한 포토다이오드를 채용함으로써 비정질 실리콘(a-Si:H) 증착을 위한 장비 투자를 할 필요가 없다.
또한, 실시예는 카본나노튜브에 의한 포토다이오드를 채용함으로써 비정질 실리콘(a-Si:H)과 컬러필터 코팅(color filter coating)을 카본나노튜브(CNT)를 섞은 컬러필터(color filter)로 바꿈으로써 공정을 단순화할 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 트랜지스터 회로(circuitry)와 포토다이오드의 수직형 집적에 의해 필팩터(fill factor)를 100%에 근접시킬 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 종래기술보다 수직형 집적에 의해 같은 픽셀 사이즈에서 높은 센서티버티(sensitivity)를 제공할 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 종래기술보다 같은 레졀류션(Resolution)을 위해 공정비용을 감축할 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 각 단위 픽셀은 센서티버티(sensitivity)의 감소없이 보다 복잡한 회로(circuitry)를 구현할 수 있다.
또한, 실시예에 의해 집적될 수 있는 추가적인 온칩 회로(on-chip circuitry)는 이미지센서의 퍼포먼스(performance)를 증가시키고, 나아가 소자의 소형화 및 제조비용을 절감을 획득할 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 수직형의 포토다이오드를 채용하면서 포토다이오드 내에 디펙트를 방지할 수 있다.

Claims (13)

  1. 기판에 형성된 회로(circuitry);
    상기 회로와 전기적으로 연결되도록 상기 기판상에 형성된 컨택플러그;
    상기 컨택플러그 상에 형성된 하부전극;
    상기 하부전극 상에 형성된 카본나노튜브를 포함하는 포토다이오드; 및
    상기 포토다이오드 상에 형성된 상부전극;을 포함하며,
    상기 포토다이오드는 컬러 포토다이오드이며,
    상기 컬러 포토다이오드는,
    상기 하부전극 상에 카본나노튜브가 블렌딩되어 형성된 제1 컬러다이;
    상기 제1 컬러다이 일측에 카본나노튜브가 블렌딩되어 형성된 제2 컬러다이; 및
    상기 제1 컬러다이 타측에 카본나노튜브가 블렌딩되어 형성된 제3 컬러다이;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지센서.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 컬러 포토다이오드는,
    카본나노튜브가 블렌딩된 컬러다이를 이용한 것을 특징으로 하는 이미지센서.
  4. 삭제
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 카본나노튜브는 다중벽(multi-wall) 또는 단일벽(single-wall)인 것을 특징으로 하는 이미지센서.
  6. 제3 항에 있어서,
    상기 카본나노튜브는
    상기 컬러다이에 대해 무게중량(weight) 비가 0.1 ~ 10%인 것을 특징으로 하는 이미지센서.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 카본나노튜브의 길이는 50nm ~ 2㎛인 것을 특징으로 하는 이미지센서.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 카본나노튜브의 두께는 0.4nm ~ 10nm인 것을 특징으로 하는 이미지센 서.
  9. 기판에 회로(circuitry)를 형성하는 단계;
    상기 회로와 전기적으로 연결되도록 상기 기판상에 컨택플러그를 형성하는 단계;
    상기 컨택플러그 상에 하부전극을 형성하는 단계;
    상기 하부전극 상에 카본나노튜브를 포함하는 포토다이오드를 형성하는 단계; 및
    상기 포토다이오드 상에 상부전극을 형성하는 단계;를 포함하며,
    상기 포토다이오드를 형성하는 단계는 컬러 포토다이오드를 형성하는 단계를 포함하며,
    상기 컬러 포토다이오드를 형성하는 단계는,
    상기 하부전극 상에 카본나노튜브가 블렌딩된 제1 컬러다이를 형성하는 단계;
    상기 제1 컬러다이 일측에 카본나노튜브가 블렌딩된 제2 컬러다이를 형성하는 단계; 및
    상기 제1 컬러다이 타측에 카본나노튜브가 블렌딩된 제3 컬러다이를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지센서 제조방법.
  10. 삭제
  11. 제9 항에 있어서,
    상기 컬러 포토다이오드를 형성하는 단계는,
    카본나노튜브가 블렌딩된 컬러다이를 이용하는 것을 특징으로 하는 이미지센서의 제조방법.
  12. 삭제
  13. 제9 항에 있어서,
    상기 카본나노튜브는 다중벽(multi-wall) 또는 단일벽(single-wall)인 것을 특징으로 하는 이미지센서 제조방법.
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