KR101103658B1 - 고체 촬상소자 및 제작방법과 카메라 - Google Patents
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Abstract
고체 촬상소자는 기판의 광 입사측에 투명한 절연막의 광 투과율을 향상시킬 수 있고, 암전류를 억제하며, 효율적으로 양자화 손실(quantum efficiently loss)을 방지할 수 있으며, 픽셀 회로는 기판의 제 1면측에 형성되고 광(light)을 제 2면측으로부터 받으며, 고체 촬상 소자는, 기판에 형성되고 입사광(incidence light)의 양에 따라 신호 전하를 발생하고 그것을 축적하는 수광부와, 제 2면측에 형성된 투명한 제 1절연막과, 제 1절연막에 형성되고 제 1절연막의 인터페이스 또는 내부에 신호 전하와 같은 극성(polarity)을 가지는 전하를 보유하는 투명한 제 2절연막을 가지며, 제 1 및 제 2절연막의 두께는 단지 제 1절연막을 사용할 때보다 높은 투과율을 얻도록 정해진다.
Description
도 1은 본 발명의 실시 형태에 따른 고체 촬상소자의 수광부의 단면도이다.
도 2a 및 2b는 본 발명의 실시 형태에 따른 고체 촬상소자를 제작하는 공정의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시 형태에 따른 고체 촬상소자를 제작하는 공정의 단면도이다.
도 4a 및 4b는 본 발명의 실시 형태에 따른 고체 촬상소자를 제작하는 공정의 단면도이다.
도 5a는 비교예의 반도체 기판의 배면 부근의 에너지 밴드를 나타내는 도면이고, 5b는 본 발명의 실시 형태의 반도체 기판의 배면 부근의 에너지 밴드를 나타내는 도면이다.
도 6a 및 6b는 비교예의 구조의 투과율을 나타내는 도면이다.
도 7a 및 7b는 본 발명의 구조의 투과율을 나타내는 도면이다.
도 8은 산화 실리콘과 질화 실리콘의 다양한 두께를 채용했을 때, 청색광 및 녹색광의 투과율을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 카메라의 구성도이다.
본 발명은 픽셀(pixel) 회로로 형성된 표면에 대향하는 면으로부터 광(light)을 받는 배면(back) 조사형(배면을 조사함) 고체 촬상소자와, 상기 고체 촬상소자 제작방법과, 상기 고체 촬상소자를 포함하는 카메라에 관한 것이다.
종래에 예를 들면, 수광부 및 독출(read out) 트랜지스터가 픽셀 내에 배치된 전면(front) 조사형(illumination type)(전면을 조사함) 고체 촬상소자가 알려져 있고, CCD형 고체 촬상소자 및 CMOS형 고체 촬상소자에서는, 수광부를 위한 영역은 제한되어 있다. 수광부를 위한 영역의 확장을 위해, CCD 또는 CMOS형 고체 촬상소자에서는, 온칩(on-chip) 렌즈나 광도전막을 이용한 적층형 수광부가 채용되고 있다. 또한, CCD형 고체 촬상소자에서는, 투명 전극이나 얇은 폴리 실리콘 전극을 이용한 프레임 트랜스퍼(frame transfer) CCD가 채용되고 있다.
상기 구성에서, 수광부의 유효한 개구 영역은 광 감도를 향상시키기 위하여 확대된다. 픽셀이 보다 작음에 따라, 입사광(incidence light)의 차단이 픽셀 배선과 트랜스퍼 게이트 전극부에 의해 현저해진다. 따라서, 배면 조사된(배면 조사형(back illumination type)) 고체 촬상소자는 수광부의 고감도를 위한 구성으로써 기대되어지고 있다.
배면 조사된 고체 촬상소자로써, CCD형은 일본 미심사 특허 공보(Kokai) No. 2002-151673호에 나타나 있고, MOS형은 일본 미심사 특허 공보(Kokai) No. 2003-31785호에 나타나 있다. 배면 조사된 고체 촬상소자에서는, 프레임 트랜스퍼(FT)형 또는 프레임 인터라인 트랜스퍼(FIT)형이 채용되고 있다.
CCD형 및 MOS형의 경우에는, P형 실리콘 기판이 기판으로써 사용된다. 예를 들면, 일본 미심사 특허 공보(Kokai) No. 6-350068호는 배면의 인터페이스, 즉 광 투사면에서 암전류(dark current)를 억제하기 위한 3개의 구성을 다음에 나타낸다.
첫 번째 구성은, 배면에서 결핍을 억제하기 위하여 배면에서 고농도 P+-층으로 형성된다. 두 번째 구성은, 배면에 절연막을 거쳐서 투명 전극으로 형성된다. 부(-)전압은 기판의 배면에 정공 축적 상태로 하기 위하여 투명전극으로 제공된다. 세 번째 구성은, 기판의 배면에 형성된 절연막에 부전하를 주입하고, 그 부전하에 의해 기판 배면을 정공 축적 상태로 하는 구조이다.
상기 문헌에서, 기판의 배면에 반사 방지막으로서 산화 실리콘막을 형성하고, 이 산화 실리콘막을 거쳐서 이온 주입에 의해 P형 불순물이 주입된다. 그러나, 실리콘 산화막은 단지 평균적으로 75%에서 80%의 투과율을 가진다. 즉, 20%에서 25%의 광 손실이 생겨서 광 감도가 감소된다.
본 발명은 기판의 광 입사측의 투명한 절연막의 광 투과율을 향상시키고, 암전류 억제, 양자 효율 로스(quantum efficiently loss)를 방지시킬 수 있는 고체 촬상소자와, 이 고체 촬상소자 제작 방법 및 이 고체 촬상소자를 포함하는 카메라를 제공한다.
본 발명의 실시 형태에 의하면, 기판의 제 1면에 형성된 픽셀 회로와 제 2면측으로부터 광이 입사하는 고체 촬상소자와, 상기 기판에 형성되어 입사광량에 따라 신호 전하를 생성하여 상기 신호 전하를 축적하는 수광부와, 기판의 제 2면에 형성된 투명한 제 1절연막과, 제 1절연막에 형성된 투명한 제 2절연막을 가지고, 제 1절연막의 인터페이스 또는 내부에 신호 전하와 같은 극성(polarity)을 가지는 전하를 보유하는 고체 촬상소자를 제공한다.
제 1절연막과 제 2절연막의 두께는 단지 제 1절연막을 이용할 때보다 높은 입사량의 투과율을 얻을 수 있도록 결정된다.
제 1절연막과 제 2절연막의 두께는 단지 제 1절연막을 이용할 때보다 높은 입사량의 투과율을 얻을 수 있도록 결정된다.
본 발명의 실시 형태에 의하면, 기판의 제 1면측에 수광부 및 픽셀 회로를 형성하는 단계와, 더 얇은 기판을 만들기 위해 기판의 제 2면측을 연삭(grinding)하는 단계와, 기판의 제 2면측에 투명한 제 1절연막을 형성하는 단계와, 제 1 절연막에 제 2절연막을 형성하는 단계와, 제 1절연막과 제 2절연막 사이의 인터페이스 또는 제 2절연막에 신호 전하와 같은 극성을 가지는 전하를 주입하는 단계를 가지는 고체 촬상소자를 제작하는 방법을 제공한다. 제 1절연막과 제 2절연막을 형성하는 단계에서, 제 1절연막과 제 2절연막은 단지 제 1절연막을 이용할 때보다 높은 입사광의 투과율을 얻는 두께를 가지도록 형성된다.
본 발명의 실시의 형태에 의하면, 제 1절연막을 가지는 기판의 제 1면측에서 수광부와 픽셀 회로를 형성하는 단계와, 제 1절연막을 노출시키기 위하여 기판의 제 2면측을 연삭하는 단계와, 제 1절연막 상에 제 2절연막을 형성하는 단계와, 제 1절연막과 제 2절연막 사이의 인터페이스 또는 제 2절연막에 신호 전하와 같은 극성을 가지는 전하를 주입하는 단계를 포함하는 고체 촬상소자를 제작하는 방법이 제공된다.
제 1절연막과 제 2절연막을 형성하는 단계에서, 제 1절연막과 제 2절연막은, 단지 제 1절연막을 이용할 때보다 높은 입사광의 투과율을 얻는 두께를 가지도록 형성된다.
본 발명의 실시의 형태에 의하면, 픽셀회로가 기판의 제 1면측에 형성되고 광을 제 2면측으로부터 받는 고체 촬상소자와, 고체 촬상소자의 제 2면측에 광을 집속(fucusing)하는 광학 시스템(optical system)과, 고체 촬상소자로부터 출력신호에 대한 소정의 신호처리를 행하는 신호처리 회로를 가지는 카메라가 제공된다. 고체 촬상소자는, 기판에 형성되고 입사광의 양에 따라 신호 전하를 발생하고, 이 신호 전하를 축적하는 수광부와, 기판의 제 2면측상에 형성된 투명한 제 1절연막과, 제 1절연막상에 형성된 투명한 제 2절연막을 포함하며, 제 1절연막의 인터페이스 또는 내부에 신호 전하와 같은 극성을 가지는 전하를 보유한다. 제 1절연막과 제 2절연막의 두께는 단지 제 1절연막을 이용할 때보다 높은 입사광의 투과율을 얻도록 정해진다.
본 발명의 실시의 형태의 고체 촬상소자, 이 고체 촬상소자를 제작하는 방법 및 카메라에 의하면, 기판의 광 입사측의 투명 절연막의 광 투과율을 향상시키고, 암전류 억제 및 양자 효율 로스를 방지시 킬 수 있다.
본 발명의 양호한 실시 형태는 첨가한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명은, CCD형 고체 촬상소자 및 MOS형 고체 촬상소자에 적용 가능하다.
도 1은 본 실시 형태와 관련되는 고체 촬상소자의 수광부에 있어서의 주요부의 도면이다.
본 실시 형태에서는, 예를 들면, P형 실리콘의 반도체 기판(1)이 사용된다. 반도체 기판(1)의 두께는, 고체 촬상소자의 종류 및 응용에 따라 적용되고, 가시광선의 경우에는 4 ∼ 6㎛이고, 근적외선의 경우에는 6 ∼ 10㎛가 된다.
반도체 기판(1)에는, n형 반도체 영역(2)과 p형 반도체 영역(3)이 각각 픽셀로 형성된다. n형 반도체 영역(2)은 반도체 기판(1)에 대해 광으로부터 변환된 신호 전하를 실질적으로 축적한다.
p형 반도체 영역(3)은 n형 반도체 영역(2)보다 제 1면(표면측)측에 형성되고, 반도체 기판(1)보다 고농도로 p형 불순물을 함유한다. p형 반도체 영역(3)은 n형 반도체 영역(2)과 n형 반도체 영역(2) 주위의 p형 영역과의 사이에 발생하는 공핍층이 반도체 기판(1)의 표면에까지 도달하는 것을 방지하고, 암전류의 발생을 억제하고 양자 효율(quantum efficiency)을 향상시킨다.
수광부(4)는 상기의 n형 반도체 영역(2)과 p형 반도체 영역(3)을 포함하는 매입 포토 다이오드이다. 수광부(4)는 n형 반도체 영역(2)에 대해 신호 전하를 임시(temporary) 축적한다.
반도체 기판(1)의 제 1면측에, 픽셀 회로에 포함된 전극(6)은, 예를 들면 실리콘으로 되는 절연층(5)을 거쳐서 형성된다. 전극(6)은, 예를 들면 산화 실리콘으로 만들어진 층간 절연층(7)으로 피복된다.
CCD형 고체 촬상소자의 경우에서, CCD 수직 전송 레지스터는 픽셀 회로에 포함된다. 이 경우에는, 전극(6)은, 예를 들면 CCD 수직 전송 레지스터의 전송 전극에 상당하고, n형 영역의 전송 채널은 전극(6) 아래 반도체 기판(1)에 형성된다.
MOS형 고체 촬상소자의 경우에서, 독출 트랜지스터, 증폭 트랜지스터, 리셋 트랜지스터, 주소 트랜지스터 또는 다른 트랜지스터는 픽셀 회로에 포함된다. 이 경우에는, 전극(6)은, 예를 들면 각종의 트랜지스터의 게이트 전극에 상당하고, 각종 트랜지스터 및 부도 확산(floating diffusion) 소스/드레인 영역은 반도체 기판(1)에 형성된다.
반도체 기판(1)이 약 4㎛ ∼ 10㎛로 얇게 만들어지기 때문에, 지지 기판이 층간 절연막(7)상에 형성되어도 괜찮다. 지지 기판으로서는, 반도체 기판(1)과의 열팽창 계수의 상위에 의한 휘어진 상태의 발생을 방지하기 위해, 반도체 기판(1)과 같은 실리콘 기판을 사용하는 것이 바람직하다.
반도체 기판(1)의 제 2면(배면)측에는, 제 1절연막 보다 높은 굴절률을 가지는 투명한 제 1절연막과 투명한 제 2절연막이 형성된다. 본 실시 형태에서는, 제 1절연막으로써 산화 실리콘막(8)이 형성되고, 제 2절연막으로써 질화 실리콘막(9)이 형성된다.
산화 실리콘막(8)과 질화 실리콘막(9)의 두께는 산화 실리콘막(8)만을 이용했을 경우와 비교하여 광의 다중 간섭 효과에 의해 입사광에 대해서 높은 투과율을 얻을 수 있도록 조정된다.
산화 실리콘막(8)의 두께는 15nm ∼ 40 nm이고, 질화 실리콘막(9)의 두께는 20nm ∼ 50 nm이다. 이 범위에 있어서, 각각의 두께는 산화 실리콘막(8)만을 이용했을 경우와 비교하여 입사광에 대해서 높은 투과율을 얻을 수 있도록 최적화 된다.
신호 전하와 같은 극성인 전하, 예를 들면, 본 실시 형태에서 전자는 질화 실리콘막(9) 또는 질화 실리콘막(9)과 산화 실리콘막(8)과의 사이의 인터페이스에 주입된다. 질화 실리콘막(9)을 채용하는 이유는 이하에 기재된다. 첫 번째, MONOS 또는 이외의 불휘발성 메모리에 채용되도록, 질화 실리콘막은 좋은 전하 보관 유지 특성을 가진다. 두 번째는, 두께의 조절에 의해, 질화 실리콘막의 굴절률은 산화 실리콘(8)의 굴절률보다 높기 때문에, 입사광에 대한 투과율은 다중 간섭 효과에 의해 산화 실리콘막(8)만 사용하는 것보다 높게 얻을 수 있다.
질화 실리콘막(9)에 전자가 축적되기 때문에, 반도체 기판(1)에 있어서, 반도체 기판(1)과 산화 실리콘막(8)과의 사이의 인터페이스의 근처에서 많은 정공(h)을 포함하는 정공 축적층(10)이 생성된다. 이 정공 축적층(10)에 의해, 후술한 바와 같이, 암전류의 발생 및 양자 효율 로스가 방지된다.
질화 실리콘막(9)상에는, 질화 실리콘막(9)에 축적된 전자가, 외부로 빠지는 소실을 방지하기 위한 보호막(11)이 형성된다. 보호막(11)으로서는, 굴절률이 낮고, 가시광선 부근에서 광 흡수가 적은 재료가 바람직하다. 반도체 소자로 일반적으로 사용되는 투명한 수지막의 대부분은 사용 가능하고, 또, 저온 플라스마 CVD에 의해 형성되는 산화 실리콘막과 유사한 방법으로 형성된 산화 질화 실리콘막이 사용되어도 좋다.
다음에, 본 실시 형태와 관련되는 고체 촬상 소자의 제조 방법은 도 2a 및 2b, 도 3과, 도 4a 및 4b를 참조하여 설명된다. 본 실시 형태에서는, 예를 들면 SOI 기판을 이용하여 고체 촬상 소자를 제작하는 예에 있어서 설명한다.
우선, 도 2a에 나타낸 바와 같이, p형 실리콘으로 만들어진 반도체 기판(SOI층)(1)과, 산화 실리콘막(8)과 실리콘 기판(12)을 가지는 SOI 기판을 준비한다. 여기에서, 산화 실리콘막(8)의 두께는, 15nm ∼ 40nm로 조정된다. 그리고, 수광부 및 픽셀 회로는 반도체 기판(1)의 제 1면(전면) 측에 종래와 같이 형성된다.
즉, SOI 기판의 반도체 기판(1)에 이온 주입법에 의해 n형 반도체 영역(2), p형 반도체 영역(3)과, 도시하지 않는 각종의 반도체 영역을 형성한다. 그리고, 산화 실리콘막으로 되는 절연층(5)이 형성되고, 또한 전극(6)이 형성된다. 전극(6)은 텅스텐 또는 알루미늄으로 만들어진다. 전극(6)의 형성 후, 산화 실리콘은 층간 절연막(7)을 형성하기 위해 퇴적(deposit)된다. 필요에 따라서, 도시하지 않는 지지 기판은 층간 절연막(7)상에 접착된 후, 실리콘 기판(12)은 산화 실리콘막(8)을 노출시키 위하여 연삭 및 에칭된다.
다음에, 도 2b에 나타낸 바와 같이, 반도체 기판(1)의 전면 및 후면이 반전되고, 산화 실리콘막(8)위에 플라스마 CVD에 의해 질화 실리콘막(9)을 형성한다. 질화 실리콘막(9)의 두께는, 20㎚ ∼ 50nm의 범위에서 선택된다. 특히, SOI 기판을 이용하지 않는 경우에는, 반도체 기판(1)을 박막화한 후, 산화 실리콘막(8)과 질화 실리콘막(9)을 연속하여 퇴적시켜도 좋다.
다음에, 도 3에 나타낸 바와 같이, 예를 들면, 플러스로 대전된 전극(20)은 반도체 기판(1)의 배면(제 2면) 측에 대향시키고, 반도체 기판(1)의 제 2면측으로부터 UV광(ultraviolet rays)을 조사한다. UV광에 의해, 반도체 기판(1)의 제 1면 근처의 전자(e)는 여기된다. 여기된 전자(e)는 산화 실리콘막(8)을 뛰어넘고, 여기된 전자(e)는 산화 실리콘막(8)과 질화 실리콘막(9)의 인터페이스와, 질화 실리콘막(9)에 포획된다. 플러스로 대전된 전극(20)에 의해 발생하는 전계에 의해, 여기된 전자는 산화 실리콘막(8)을 효율적으로 뛰어넘는다. 특히 입사광의 조사 또는 산화 실리콘막(8)에 전계를 제공하는 것만으로, 산화 실리콘막(8)과 질화 실리콘막(9) 사이의 인터페이스 또는 질화 실리콘막(9)에 전자를 주입하는 것이 가능하다.
도 4a에 나타낸 바와 같이, 전자는 산화 실리콘막(8)과 질화 실리콘막(9) 사이의 인터페이스 및 질화 실리콘막(9)에 축적되고, 따라서, p형 실리콘으로 이루어지는 반도체 기판(1)에서, 산화 실리콘막(8)의 인터페이스근처에, 정공 축적층(10)이 생성되도록 정공이 응집된다.
다음에, 도 4b에 나타낸 바와 같이, 보호막(11)이 질화 실리콘막(9) 상에 형성된다. 상기에서와 같이, 보호막(11)의 형성에서는, 예를 들면, 투명한 수지막의 도포, 저온 플라스마 CVD에 의한 산화 실리콘막의 퇴적, 또는 저온 플라스마 CVD에 의한 산화 질화 실리콘막의 퇴적이 수행된다.
다음의 공정으로서는, 필요에 따라서, 컬러 필터가 보호막(11) 상에 형성되고, 온-칩(on-chip) 렌즈가 형성한다. 따라서, 고체 촬상 소자가 제작된다.
다음에, 암전류 발생 및 양자 효율 로스의 방지효과에 대해 설명한다.
(비교예)
도 5a는, 질화 실리콘막(9)이 없는 반도체 기판(1)의 배면 근처의 에너지 밴드를 나타내는 도면이다. 도 5(a)에 나타낸 바와 같이, 반도체 기판(1) 상에 산화 실리콘이 퇴적되면, 산화 실리콘막(8)에, 또는 반도체 기판(1)과 산화 실리콘막(8) 사이의 인터페이스에 플러스의 전하가 생기기 쉽다. 이것은, 산화 실리콘 뿐만 아니라, 다른 절연막에도 적용된다. 이 결과, 반도체 기판(1)의 배면 근처에서 전위가 끌어 올려져 전위 우물(potential-well)이 생긴다. 반도체 기판(1)의 배면 부근에 전위 우물이 형성되면, 광전변환(photoelectric conversion)에 의해서 생성된 전자는 광 감도에 기여하지 않도록 배면의 근처에 또한 축적되고, 열에 의해 야기된 인터페이스로부터 소수 캐리어의 발생이 암전류를 증가하기 위해 증가되고, 그 결과 촬상소자의 S/N비가 감소된다.
따라서, 반도체 기판(1)은 산화 실리콘막(8)의 인터페이스가 정공으로 채워지는 구조를 가진다.
도 5b는, 본 실시 형태와 관련되는 고체 촬상소자에 있어서, 반도체 기판(1)의 배면(제 2면) 근처의 에너지 밴드를 나타내는 도면이다. 본 실시 형태에서는, 전자가 산화 실리콘막(8)과 질화 실리콘막(9) 사이의 인터페이스 및 질화 실리콘막(9)에 축적되기 때문에, 정공 축적층은 반도체 기판(1)의 배면측의 인터페이스에 생성된다. 이 결과, 반도체 기판(1)의 배면측의 인터페이스에서 전위는 인터페이스의 근처에서 전위 우물을 형성하지 않도록 감소되게 된다.
이와 같이, 전위 우물(전위가 높은 부분)은 반도체 기판(1)의 배면의 인터페이스에 형성되지 않고, 광전변환에 의해 생성된 전자는 가장 전위가 높은 n형 반도체 영역(2)에 유효하게 축적된다. n형 반도체 영역(2)에 축적된 전자는 완전하게 독출될 수 있고 또는 배출되기 때문에 암전류의 발생이 억제될 수 있고 양자 효율을 향상시킬 수 있다.
다음에, 본 실시 형태와 관련되는 고체 촬상소자에 있어서, 가시광선에 대한 투과율의 향상 효과를 설명한다.
(비교예)
도 6a에 나타낸 바와 같이, 비교예로써, 2㎛의 두께를 가지는 산화 실리콘막(8)만이 반도체 기판(1)의 제 2면측에 형성된다. 도 6a에 나타내는 구조에 있어서, 입사광(L)에 대한 투과광(TL)의 비율(투과율)과 입사광(L)에 대한 반사광(RL)의 비율(반사율)을 측정한 결과를 도 6b에 나타낸다. 도 6b에서는, "T1"은 투과율을 나타내는 그래프이고, "R1"은 반사율을 나타내는 그래프이다.
도 6b에 나타낸 바와 같이, 반도체 기판(1)의 배면(제 2면)에 산화 실리콘막(8)만이 형성된 경우에는, 투과율은 가시광선에서, 예를 들면, 450nm ~ 740nm에서 평균 75％에서 80％일 뿐이다.
도 7a는, 16nm의 두께를 가지는 산화 실리콘막(8)과 40nm의 두께를 가지는 질화 실리콘막(9)이 반도체 기판(1)의 제 2면측에 형성될 경우에, 가시광선에 대한 투과율과 반사율의 측정 결과를 나타내는 도면이다. 도 7a에 있어서, "T2"는 투과율을 나타내고, "R2"는 반사율을 나타낸다.
도 7b는, 30nm의 두께를 가지는 산화 실리콘막(8)과 35nm의 두께를 가지는 질화 실리콘막(9)이 반도체 기판(1)의 제 2면측에 형성될 경우에, 가시광선에 대한 투과율과 반사율의 측정 결과를 나타내는 도면이다. 도 7b에 있어서, "T3"는 투과율을 나타내고, "R3"은 반사율을 나타낸다.
도 7a 및 7b에 나타낸 바와 같이, 반도체 기판(1)의 제 2면측에, 산화 실리 콘막(8)과 질화 실리콘막(9)의 적층막을 형성하고, 양막의 두께가 각각 조정된다. 따라서, 광의 다중 간섭 효과에 의해, 산화 실리콘막(8)만을 이용했을 경우의 투과율보다 높은 투과율을 얻을 수 있다. 도 7a 및 7b에 나타내는 예에서는, 가시광선에서, 90％에서 98％의 투과율을 얻을 수 있다.
산화 실리콘막(8)과 질화 실리콘막(9)의 두께의 조정에 의해, 여러 가지의 투과율 특성을 얻을 수 있다. 예를 들면, 고체 촬상소자는, 가시광선에서 단파장 측, 즉 청색(450nm)에서 녹색(540nm)의 파장 영역의 광 감도를 높이도록 요구된다. 도 7a 및 7b에서의 예는, 이러한 광 감도를 향상시키기 위한 단파장 측의 투과율을 향상시키는 최적인 두께의 일예이다.
도 8은, 여러 가지의 두께의 산화 실리콘막(8)과 질화 실리콘막(9)을 각각 적층했을 경우에, 투과율의 측정 결과이다. 도 8에서, 세로좌표는 산화 실리콘막(8)의 두께를 나타내고, 가로좌표는 질화 실리콘막(9)의 두께를 나타낸다. 도 8에서, 단파장 측의 광감도 향상을 고려하고, 각 두께에 있어서의 청색광(450nm) 및 녹색광(540nm)의 투과율(％)을 나타낸다.
도 8에 나타낸 바와 같이, 15nm에서 40nm의 영역에서 산화 실리콘막(8)의 두께와 20nm에서 50nm의 영역에서 질화 실리콘막(9)의 두께를 선택하는 것으로써, 90％이상의 투과율을 대부분의 경우에서 얻을 수 있다. 더욱이, 이러한 영역에서, 최적인 두께의 조합이 선택된다.
투과율 향상만을 고려하면, 산화 실리콘막(8)과 질화 실리콘막(9)의 두께는, 상기의 영역 외에서도 가능하다. 그러나, 본 실시 형태에서, 산화 실리콘막(8) 은 질화 실리콘막(9)으로 전하를 전달시키고, 질화 실리콘막(9)은 이 전하를 축적한다.
따라서, 전자의 전달의 관점에서는, 산화 실리콘막(8)이 40nm이하가 바람직하다. 더욱이, 이용되는 질화 실리콘막(9)의 두께와의 관계에 의해, 높은 투과율을 얻기 위해서는, 15nm이상이 바람직하다(도 8 참조).
더욱이, 반도체 기판(1)의 배면에서 정공 축적층(10)을 유효하게 생성하기 위해서, 질화 실리콘막(9)은 산화 실리콘막(8)의 인터페이스 근처에 전자를 축적하는 것이 바람직하다. 즉, 질화 실리콘막(9)의 두께가 너무 두꺼우면, 축적되는 전자의 공간 분포가 퍼지고, 반도체 기판(1)에서 정공 축적층(10)이 유효하게 생성될 수 없다. 따라서, 질화 실리콘막(9)의 두께는 50nm 이하가 바람직하다. 더욱이, 높은 투과율을 얻기 위해서는, 질화 실리콘막(9)의 두께가 20nm 이상이 바람직하다(도 8 참조).
이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태의 고체 촬상소자에 의하면, 정공 축적층(10)은 암전류 발생을 억제함으로써 광 감도를 향상시키도록 반도체 기판(1)과 산화 실리콘막(8) 사이의 인터페이스에 생성될 수 있다.
이와 같이, 정공 축적층(10)을 생성하는 것으로, 양자 효율 로스를 반도체 기판(1)의 배면에서 억제할 수 있고, 혼합색 및 잔상을 억제할 수 있으며. 높은 광감도를 도모할 수 있다.
산화 실리콘막(8)상에 질화 실리콘막(9)이 적층되어 양막의 두께가 조정됨으로써, 광의 다중 간섭 효과에 의해, 광 감도를 향상시키기 위해 산화 실리콘막(8)만을 이용했을 경우에 비해, 가시광선의 투과율을 향상시킬 수 있다. 예를 들면, 가시광선 근처에서 90％이상의 투과율이 확보될 수 있고, 산화 실리콘막(8)만을 이용하는 경우에 비해 광 감도를 25％ 향상시킬 수 있다.
상기 고체 촬상소자는, 예를 들면, 비디오 카메라, 디지털 스틸 카메라, 전자 내시경 카메라 또는 그 외의 카메라에 이용될 수 있다.
도 9는 상기 고체 촬상소자를 이용한 카메라의 구성의 도면이다.
카메라(30)는 고체 촬상소자(31), 광학 시스템(32), 드라이브 회로(33)와 신호 처리회로(34)를 가진다. 고체 촬상소자(31)는 본 발명과 관련하여 배면 조사된 고체 촬상소자이다.
광학 시스템(32)은 피사체로부터 촬상광, 즉 입사광을 만들고, 고체 촬상소자(31)의 촬상면(제 2면)에 집광한다. 따라서, 고체 촬상소자(31)의 각각의 수광부(4)에서, 입사광은 입사광의 양에 따라 신호 전하로 변환된다. 그리고, n형 반도체 영역(2)에서, 신호 전하는 소정의 기간(period) 축적된다.
드라이브 회로(33)는 고체 촬상소자(31)로 다양한 드라이브 신호를 제공한다. 따라서, 고체 촬상소자(31)의 n형 반도체 영역(2) 각각에 축적된 신호 전하는 독출된다. 더욱이, 이 드라이브에 의해, 신호는 고체 촬상소자(31)로부터 출력된다.
신호 처리회로(34)는 고체 촬상소자(31)에서 출력신호로 다양한 신호처리를 수행한다. 신호 처리회로(34)에 의한 신호 처리 후에, 출력신호는 메모리 또는 그 외 저장 매체에 축적된다.
이와 같이, 비디오 카메라 또는 디지털 스틸 카메라와 같은 상기 기재된 카메라(30)에 고체 촬상소자를 설치하는 것에 의해, 암전류가 억제되고, 양자 효과가 향상되며, 광감도가 향상된 카메라가 실현될 수 있다. 그 결과, 이미지 품질이 향상된 카메라가 실현될 수 있다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않는다.
정공이 신호 전하로써 이용되는 경우에는, 반도체 기판(1)의 배면에 전자 축적층이 생성되도록 산화 실리콘막(8)과 질화 실리콘막(9) 사이의 인터페이스와 질화 실리콘막(9)에 정공이 축적되면 좋다. 그리고, 정공이 신호 전하로서 이용되는 경우에는, 각종의 반도체 영역의 극성이 반전되면 좋다. 또한, 본 실시 형태에서, 제 1절연막으로서 이용된 산화 실리콘막(8)과 제 2절연막으로서 이용된 질화 실리콘막(9)의 예에 대해 설명했지만, 다른 절연막을 사용하여도 좋고 불순물을 주입해도 좋다. 다른 절연막을 채용하는 경우에는, 상대적으로, 제 2절연막이 제 1절연막보다 높은 굴절률을 가지면 좋다.
그 외, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서, 여러 가지의 수정, 조합, 부조합 및 변경이 가능하다.
본 발명에 의하면, 기판의 광입사측의 투명한 절연막에 있어서의 광의 투과율을 향상시킬 수 있고, 또한, 암전류 억제 기능과 양자 효율 로스의 방지 기능을 구비한 고체 촬상소자를 제공할 수 있다.
Claims (19)
- 기판의 제 1면에 형성된 픽셀 회로와 제 2면으로부터 광(light)을 받는 고체 촬상소자에 있어서,상기 기판에 형성되고, 입사광(incidence light)의 양에 대응하여 신호전하를 발생하고 상기 신호전하를 저장하는 수광부와,상기 기판의 상기 제 2면에 형성된 투명한 제 1절연막과,상기 제 1절연막의 상부에 형성되는 투명한 제 2절연막으로서, 상기 제 1절연막과 상기 제 2절연막사이의 인터페이스 또는 내부에 상기 신호전하와 같은 극성(polarity)을 가지는 전하를 보유하는 투명한 상기 제 2절연막을 포함하며,상기 제 1절연막과 상기 제 2절연막의 두께는 상기 제 1절연막만 사용할때 보다 높게 입사광의 투과율을 얻도록 결정되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상소자.
- 제 1항에 있어서,외부로 퍼지는 상기 전하를 막기 위하여 상기 제 2절연막의 상부에 형성된 보호막을 추가로 포함하며,상기 전하는 상기 제 1절연막과 상기 제 2절연막 사이의 인터페이스 또는 상기 제 2절연막에 보존되어지는 것을 특징으로 하는 고체 촬상소자.
- 제 1항에 있어서,상기 제 1절연막은 산화 실리콘을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상소 자.
- 제 1항에 있어서,상기 제 2절연막은 질화 실리콘을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상소자.
- 삭제
- 삭제
- 고체 촬상소자 제작 방법에 있어서,기판의 제 1면에 수광부와 픽셀 회로를 형성하는 단계와,상기 기판을 더 얇게 만들기 위하여 상기 기판의 제 2면을 연삭(grinding)하는 단계와,상기 기판의 상기 제 2면 상에 투명한 제 1절연막을 형성하는 단계와,상기 제 1절연막 상에 제 2절연막을 형성하는 단계와,상기 제 1절연막과 상기 제 2절연막 사이의 인터페이스 또는 상기 제 2절연막에 신호 전하와 같은 극성(polarity)을 가지는 전하를 주입하는 단계를 포함하며,상기 제 1절연막과 상기 제 2절연막을 형성하는 단계에서, 상기 제 1절연막과 상기 제 2절연막은 단지 상기 제 1절연막을 사용할 때보다 높은 입사광(incidence light)의 투과율을 얻는 두께를 가지도록 형성된 것을 특징으로 하는 고체 촬상소자 제작 방법.
- 제 7항에 있어서,상기 제 2절연막을 형성하는 단계 후, 상기 제 2절연막 상에 보호막을 형성하는 단계를 더 포함하며, 상기 보호막은 외부로 퍼지는 전하를 방지하며, 상기 전하가 상기 제 1절연막과 상기 제 2절연막의 인터페이스 또는 상기 제 2절연막에 보유되어지는 것을 특징으로 하는 고체 촬상소자 제작 방법.
- 제 7항에 있어서,상기 전하를 주입하는 단계에서, 충전된 전극은 상기 기판의 상기 제 2면측에 마주(oppose)되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상소자 제작 방법.
- 제 7항에 있어서,상기 전하를 주입하는 단계에서, 광은 상기 기판의 상기 제 2면측으로 조사되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상소자 제작 방법.
- 제 7항에 있어서,상기 제 1절연막을 형성하는 단계에서, 산화 실리콘막이 형성되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상소자 제작 방법.
- 제 7항에 있어서,상기 제 2절연막을 형성하는 단계에서, 질화 실리콘막이 형성되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상소자 제작 방법.
- 고체 촬상소자 제작 방법에 있어서,제 1절연막을 가지는 기판의 제 1면측에 수광부와 픽셀 회로를 형성하는 단계와,상기 제 1절연막을 노출시키도록 상기 기판의 제 2면측을 연삭(grinding)하는 단계와,상기 제 1절연막 상에 제 2절연막을 형성하는 단계와,상기 제 1절연막과 상기 제 2절연막 사이의 인터페이스 또는 상기 제 2절연막에 신호 전하와 같은 극성(polarity)을 가지는 전하를 주입하는 단계를 포함하며,상기 제 1절연막과 상기 제 2절연막을 형성하는 단계에서, 상기 제 1절연막과 상기 제 2절연막은 단지 상기 제 1절연막을 사용할 때보다 높은 입사광(incidence light)의 투과율을 얻기 위한 두께를 가지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상소자 제작 방법.
- 제 13항에 있어서,상기 제 2절연막을 형성하는 단계 후에, 상기 제 2절연막의 상부에 보호막을 형성하는 단계를 추가로 포함하며,상기 보호막은 외부로 퍼지는 전하를 방지하며, 상기 전하는 상기 제 1절연막과 상기 제 2절연막의 인터페이스 또는 상기 제 2절연막에 보유되어지는 것을 특징으로 하는 고체 촬상소자 제작 방법.
- 삭제
- 제 13항에 있어서,상기 전하를 주입하는 단계에서, 광은 상기 기판의 상기 제 2면측으로 조사되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상소자 제작 방법.
- 제 13항에 있어서,상기 제 1절연막을 형성하는 단계에서, 산화 실리콘막이 형성되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상소자 제작 방법.
- 삭제
- 픽셀 회로가 기판의 제 1면측에 형성되고 광(light)을 제 2면측에서 받는 고체 촬상소자와,상기 고체 촬상소자의 상기 제 2면측에 광을 집속하는 광학 시스템과,상기 고체 촬상소자로부터 출력신호에 대한 소정의 신호처리를 행하는 신호 처리회로를 포함하며,상기 고체 촬상소자는 상기 기판에 형성되며 입사광(incidence light)의 양에 따라 신호 전하를 발생하고, 상기 신호 전하를 축적하는 수광부를 포함하고,상기 기판의 상기 제 2면측 상에 형성된 투명한 제 1절연막과,상기 제 1절연막의 상부에 형성되는 투명한 제 2절연막으로서, 상기 제 1절연막과 상기 제 2절연막사이의 인터페이스 또는 내부에 상기 신호전하와 같은 극성(polarity)을 가지는 전하를 보유하는 투명한 상기 제 2절연막을 포함하며,상기 제 1절연막과 상기 제 2절연막의 두께는 단지 상기 제 1절연막을 사용할 때보다 높은 입사광의 투과율을 얻도록 정해지는 것을 특징으로 하는 카메라.
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