KR100374264B1 - 고체촬상소자및고체촬상소자의제조방법 - Google Patents
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Abstract
CCD 고체 촬상 소자의 단파장의 광에 대한 감도를 향상시킨다.
N형의 실리콘 기판(11)에 형성되는 P형 확산층(12)의 표면 영역에 복수의 채널 분리 영역(13)이 서로 평행하게 배치되고, 각 채널 분리 영역(13) 사이에 채널 영역이 되는 N형 확산층(14)이 형성된다. N형 확산층(14)을 피복하여 게이트 절연막(15)이 적층되고, 게이트 절연막(15) 상에 다결정 실리콘층(16a) 및 질화 실리콘층(16b)으로 이루어지는 2층 구조의 전송 전극(16)이 적층된다. 전송 전극(16)의 표면에서의 광의 반사가 억제되어, 채널 영역에 입사하는 광이 많아진다.
Description
본 발명은, 프레임 전송 방식의 CCD 고체 촬상 소자 및 그 고체 촬상 소자의 제조 방법에 관한 것이다.
도 5는 프레임 전송 방식의 고체 촬상 소자의 구성을 나타낸 개략도이다.
프레임 전송 방식의 CCD 고체 촬상 소자는 촬상부(i), 축적부(s), 수평 전송부(h) 및 출력부(d)를 갖는다. 촬상부(1)는 수직 방향으로 연장되고, 서로 평행하게 배열된 복수의 시프트 레지스트로 이루어지며, 각 시프트 레지스터의 각 비트가 수광 화소를 구성한다. 축적부(s)는 촬상부(i)의 시프트 레지스터에 연속하는 차광된 복수의 시프트 레지스터로 이루어지며, 각 시프트 레지스터의 각 비트가 축적 화소를 구성한다. 수평 전송부(h)는 수평 방향으로 연장되는 단일의 시프트 레지스터로 이루어지며, 각 비트에 축적부(s)의 시프트 레지스터의 출력이 접속된다. 출력부(d)는 수평 전송부(h)로부터 전송 출력되는 전하를 일시적으로 축적하는 용량 및 그 용량에 축적된 전하를 배출하는 리셋트 트랜지스터를 포함한다. 이에 따라, 촬상부(i)의 각 수광 화소에 축적되는 정보 전하는, 각 화소마다 독립하여 축적부(s)의 축적 화소로 전송된 후, 1행씩 축적부(s)로부터 수평 전송부(h)로 전송되고, 또한, 1화소 단위로 수평 전송부(h)로부터 출력부(d)로 전송된다. 그리고, 출력부(d)에서 1화소마다의 전하량이 전압 값으로 변환되고, 그 전압값의 변화가 CCD 출력으로서 외부 회로로 공급된다.
도 6은 촬상부(i)의 구조를 나타낸 평면도이고, 도 7 (X), (Y)는, 각각 도 6의 X-X선 및 Y-Y선의 단면도이다. 이들 도면에 있어서는, 3상 구동의 경우를 나타내고 있다.
N형의 실리콘 기판(1)의 일주면에, 소자 영역이 되는 P형의 확산층(2)이 형성된다. 이 확산층(2)의 표면 영역에, 선택 산화된 두꺼운 산화 실리콘막으로 이루어지는 채널 분리 영역(3)이 수직 방향으로 연장되어 서로 평행하게 배치된다. 이들 채널 분리 영역(3) 사이에는 N형의 확산층(4)이 형성되고, 정보 전하의 전송 경로가 되는 채널 영역이 형성된다. N형 확산층(4) 상에는, 얇은 산화 실리콘막으로 이루어지는 게이트 절연막(5)을 개재하여, 다결정 실리콘으로 이루어지는 복수의 전송 전극(6)이, 각각 일정한 거리를 두고 평행하게 배치된다. 이들 전송 전극(6)에는, 예를 들면, 3상의 전송 클럭 φ1∼φ3이 인가되고, 채널 영역의 포텐셜의 상태가 제어된다. 그리고, 전송 전극(6) 상에는, 게이트 절연막(5)과 동일한 층간 절연막(7)이 적층된다.
프레임 전송 방식의 고체 촬상 소자의 경우, 전송 전극(6)으로 피복된 채널영역 내에 수광 화소가 형성된다. 다시 말하면, 수광 화소가 전송 전극(6)으로 피복되어 있기 때문에, 광전 변환 영역(채널 영역)에는, 전송 전극(6)을 투과하여 광이 입사되게 된다. 일반적으로, 전송 전극(6)을 형성하는 다결정 실리콘은, 단파장의 광에 대한 흡수율 및 반사율이 높기 때문에, 단파장의 광을 통과시키기 어렵다. 따라서, 각 수광 화소에는, 단파장의 광이 도달하기 어렵게 되어, 수광 화소의 청색 광(예컨대 4000∼5000Å의 파장의 광)에 대한 감도가 저하한다.
따라서, 본 발명은 전송 전극의 단파장의 광의 투과율을 향상시켜, 수광 화소의 단파장에 대한 수광 감도를 개선하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 고체 촬상 소자는 반도체 기판과, 상기 반도체 기판의 일주면에 한방향으로 연장되어 서로 평행하게 배치되는 복수의 채널 영역과, 상기 반도체 기판의 일주면 상에 적층되는 게이트 절연막과, 상기 게이트 절연막 상에 상기 복수의 채널 영역에 교차하는 방향으로 연장되어 서로 평행하게 배치되는 복수의 전송 전극을 구비하고, 상기 복수의 전송 전극은, 상기 반도체 기판 상에 게이트 절연막을 개재하여 적층되는 다결정 실리콘층 및 이 다결정 실리콘층 상에 적층되는 질화 실리콘층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 본 발명의 고체 촬상 소자의 제조 방법은 반도체 기판의 일주면에 서로 평행하고 한방향으로 연장되는 복수의 분리 영역을 형성함과 동시에, 각 분리 영역 사이에 각각 채널 영역을 형성하는 제1 공정과, 상기 반도체 기판의 일주면 상에 상기 채널 영역을 피복하여 게이트 절연막을 적층하는 제2 공정과, 상기 게이트 절연막 상에 다결정 실리콘층 및 질화 실리콘층을 적층하고, 그 다결정 실리콘층 및 질화 실리콘층을 패터닝하여 상기 복수의 분리 영역과 교차하는 복수의 전송 전극을 형성하는 제3 공정과, 상기 복수의 전송 전극을 피복하여 층간 절연막을 형성하는 제4 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 전송 전극의 표면에 전송 전극을 피복하는 절연막보다도 굴절율이 높은 질화 실리콘막을 형성함으로써, 전송 전극의 표면에서의 광의 반사가 적어져, 전송 전극을 투과하는 광이 증가한다. 이 때문에, 전송 전극 자체의 광의 흡수율이 높은 상태에서도, 광전 변환 영역에 도달하는 광의 양이 증가한다.
도 1은 본 발명의 고체 촬상 소자의 촬상부의 구조를 나타낸 단면도.
도 2는 본 발명의 고체 촬상 소자의 주요 부분의 확대도.
도 3은 본 발명의 고체 촬상 소자의 분광 감도 특성을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 고체 촬상 소자의 제조 방법을 설명하는 공정별의 단면도.
도 5는 프레임 전송 방식의 고체 촬상 소자의 구성을 나타낸 개략도.
도 6은 종래의 고체 촬상 소자의 촬상부의 구조를 나타낸 평면도.
도 7은 종래의 고체 촬상 소자의 촬상부의 구조를 나타낸 단면도.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
i : 촬상부
s : 축적부
h : 수평전송부
d : 출력부
1, 11 : 실리콘 기판
2, 12 : P형 확산층
3, 13 : 채널 분리 영역
4, 14 : N형 확산층
5, 15 : 게이트 절연막
6, 16 : 전송 전극
7, 17 : 층간 절연막
16a : 다결정 실리콘층
16b : 질화 실리콘층
도 1 (X), (Y)는, 본 발명의 고체 촬상 소자의 주요부를 나타낸 단면도이고, 각각 도 7과 동일 부분을 나타내고 있다.
N형의 실리콘 기판(11)의 일주면에, 소자 영역이 되는 P형 확산층(12)이 형성되고, 이 P형 확산층(12)의 표면 영역에, 선택 산화된 두꺼운 산화 실리콘막으로 이루어지는 채널 분리 영역(13)이 수직 방향으로 연장되어 서로 평행하게 배치된다. 채널 분리 영역(13) 사이에는, 매립 채널을 형성하는 N형 확산층(14)이 형성된다. 여기서, 실리콘 기판(11)은 채널 영역에 발생되는 과잉 전하를 흡수하는 오버플로우 드레인으로서 작용한다. 이상의 P형 확산층(12), 채널 분리 영역(13) 및 N형 확산층(14)에 있어서는, 도 5에 도시한 P형 확산층(2), 채널 분리 영역(3) 및 N형 확산층(4)과 동일하다. 또, 채널 분리 영역(13)에 대해서는, 두꺼운 산화막으로 형성하는 외에, 고농도의 P형 영역 또는 두꺼운 산화막과 고농도의 P형 영역과의 조합을 이용하여 형성하는 것이 가능하다.
N형 확산층(14) 상에는, 산화 실리콘으로 이루어지는 게이트 절연막(15)을 개재하여 복수의 전송 전극(16)이, 각각 일정한 거리를 두고 평행하게 배치된다. 이 복수의 전송 전극(16)은 다결정 실리콘층(16a)과 질화 실리콘층(16b)과의 2층으로 형성된다. 여기서, 질화 실리콘층(16b)의 막 두께는 다결정 실리콘층(16a)의 막 두께보다도 얇게 형성된다. 또한, 다결정 실리콘층(16a)과 질화 실리콘층(16b)을 중첩한 막 두께(전송 전극 16의 막 두께)는 게이트 절연막(15)의 막 두께보다도 얇게 형성된다. 각각의 최적값으로서는, 도 2에 도시한 바와 같이, 게이트 절연막(15)이 1500Å의 막 두께로 형성되고, 전송 전극(16)의 다결정 실리콘층(16a) 및 질화 실리콘층(16b)이 각각 600Å 및 500Å로 형성된다.
복수의 전송 전극(16)이 형성된 실리콘 기판(11) 상에는, 각 전송 전극(16)을 피복하여 산화 실리콘으로 이루어지는 층간 절연막(17)이 형성된다. 그리고, 층간 절연막(17) 상에는, 각 전송 전극(16)에 전송 클럭 φ1∼φ3을 공급하기 위한 전력 공급선(도시하지 않음)이 형성된다.
전송 전극(16)의 표면에 형성되는 질화 실리콘층(16b)은 전송 전극(16)을 피복하는 층간 절연막(17)을 형성하는 산화 실리콘과 비교하여 굴절율이 높기 때문에, 산화 실리콘측으로부터 질화 실리콘측으로 입사하는 광의 반사가 억제된다. 따라서, 전송 전극(16)으로 입사되는 광이 많아져 채널 영역에 의해 많은 광이 도달하게 되어, 결과적으로 수광 화소의 감도가 향상된다.
도 3은 시뮬레이션에 의해 얻어진 분광 감도 특성을 나타낸 도면이고, a는전송 전극이 다결정 실리콘과 질화 실리콘과의 2층으로 구성되는 경우, b는 전송 전극이 다결정 실리콘만으로 형성되는 경우, c는 전송 전극이 없는 경우를 각각 나타내고 있다.
a의 경우, b의 경우와 비교하여 4000Å로부터 5500Å의 범위의 파장에 대해 감도가 높고, 청색 감도가 향상되어 있는 것을 확인할 수 있다. 이 분광 감도 특성은, 전송 전극을 배치하지 않은 c의 경우, 즉, 포토다이오드의 경우에 가깝고, 이상적인 특성에 가깝게 된다.
도 4는 본 발명의 고체 촬상 소자의 제조 방법을 설명하는 공정별의 단면도이다. 이 도면에 있어서는, 도 1 (X)와 동일 부분을 나타낸다.
(a) : 제1공정
N형의 실리콘 기판(11)의 표면 영역에, 붕소 등의 P형의 불순물을 확산하고, 소자 영역이 되는 P형 확산층(12)을 형성한다. 이 P형 확산층(12) 내에, 선택 산화법에 의해 산화 실리콘막을 성장시켜 복수의 채널 분리 영역(13: 도시하지 않음)을 형성한다. 이 채널 분리 영역(13)은, 서로 일정한 거리를 두고 수직 방향으로 연장된다. 그리고, 각 채널 분리 영역(13) 사이에, 인 등의 N형의 불순물을 주입하고, 채널 영역이 되는 N형 확산층(14)을 형성한다.
(b) : 제2공정
P형 확산층(12)이 형성된 실리콘 기판(11)의 표면을 열산화하고, 산화 실리콘을 N형 확산층(14) 상에서 1500Å의 막 두께까지 성장시켜 게이트 절연막(15)을 형성한다. 이 열산화 처리에 있어서는, 채널 분리 영역(13)의 표면에도 산화 실리콘막이 형성된다.
(c) : 제3공정
게이트 절연막(15) 상에 CVD법에 의해 다결정 실리콘을 600Å의 막 두께로 적층하고, 연속하여 질화 실리콘을 500Å의 막 두께로 적층한다. 이에 따라, 다결정 실리콘층(16a) 및 질화 실리콘층(16b)이 형성된다. 그리고, 이들 다결정 실리콘층(16a) 및 질화 실리콘층(16b)을 동시에 소정의 형상으로 에칭함으로써, 채널 영역과 교차하는 방향으로 연장되는 서로 평행한 복수의 전송 전극(16)을 형성한다.
(d) : 제4공정
복수의 전송 전극(16) 상에 CVD법에 의해 산화 실리콘을 적층하고, 층간 절연막(17)을 형성한다. 층간 절연막(17)을 형성한 후에는, 전송 전극(16)의 단부 혹은 채널 분리 영역(13) 상에서 층간 절연막(17)에 컨택트홀을 형성하고, 그 컨택트홀을 통해서 전송 전극(16)에 접속되는 전력 공급선(도시하지 않음)을 형성한다. 이에 따라, 전력 공급선을 개재하여 각 전송 전극(16)에 다상의 전송 클럭 φ1∼φ3을 공급할 수 있게 된다.
이상의 제조 방법에 의하면, 전송 전극(16)의 표면에 산화 실리콘보다도 굴절율이 큰 질화 실리콘이 적층되고, 전송 전극(16)과 층간 절연막(17)의 계면에서의 광의 반사가 억압된다. 또한, 다결정 실리콘층(16a)과 질화 실리콘층(16b)을 연속하여 형성한 후, 동시에 에칭하여 전송 전극(16)을 형성하고 있기 때문에, 제조 공정의 증가는 질화 실리콘층(16b)의 형성만으로 된다.
이상의 실시 형태에 있어서는, 전송 전극(16)을 1층 구조로 한 경우를 예시하였지만, 이 전송 전극(16)은, 이웃끼리 서로 오버랩하는 2층 구조로하여도 좋다. 그리고, 전송 전극(16)에 인가하는 전송 클럭 φ1∼φ3에 대해서는, 3상에 한정되는 것이 아니라, 2상 혹은 4상 이상도 채용할 수가 있다.
또, 도 2에 도시한 각 막 두께에 대해서는, 최적값이고, ± 10% 정도의 차이면 충분히 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 의하면, 전송 전극의 표면에서의 광의 반사를 적게 하고, 광전 변환이 행해지는 채널 영역으로 효율적으로 광을 입사시킬 수 있다. 이 때문에, 단파장의 광에 대해서도 충분한 감도를 얻을 수 있어, 분광 감도 특성을 개선할 수가 있다.
Claims (4)
- 반도체 기판,상기 반도체 기판의 일주면에 한 방향으로 연장하여 서로 평행하게 배치되는 복수의 채널 영역,상기 반도체 기판의 일주면 상에 적층되는 게이트 절연막, 및상기 게이트 절연막 상에 상기 복수의 채널 영역에 교차하는 방향으로 연장하여 서로 평행하게 배치되는 복수의 전송 전극을 포함하며,상기 복수의 전송 전극은 상기 반도체 기판 상에 게이트 절연막을 개재하여 적층되는 다결정 실리콘층 및 이 다결정 실리콘층 상에 적층되는 질화 실리콘층을 포함하고, 상기 복수의 전송 전극의 질화 실리콘층은 다결정 실리콘층보다도 얇게 형성되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
- 제1항에 있어서, 상기 복수의 전송 전극은 상기 게이트 절연막보다도 얇게 형성되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자.
- 반도체 기판의 일주면에, 서로 평행하게 한방향으로 연장되는 복수의 분리 영역을 형성함과 동시에, 각 분리 영역 사이에 각각 채널 영역을 형성하는 제1 공정,상기 반도체 기판의 일주면 상에 상기 채널 영역을 피복하여 게이트 절연막을 적층하는 제2 공정,상기 게이트 절연막 상에 다결정 실리콘층 및 질화 실리콘층을 적층하고, 그 다결정 실리콘층 및 질화 실리콘층을 패터닝하여 상기 복수의 분리 영역과 교차하는 복수의 전송 전극을 형성하는 제3 공정, 및상기 복수의 전송 전극을 피복하여 층간 절연막을 형성하는 제4 공정을 포함하고,상기 제3 공정은 상기 질화 실리콘층을 다결정 실리콘층보다도 얇게 적층하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자의 제조 방법.
- 제3항에 있어서, 상기 제3 공정은 상기 질화 실리콘층 및 상기 다결정 실리콘층을 상기 게이트 절연막보다도 얇게 형성하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자의 제조 방법.
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