KR101530714B1 - 고체 촬상 소자 및 그 제조 방법, 그리고 촬상 장치 - Google Patents

고체 촬상 소자 및 그 제조 방법, 그리고 촬상 장치 Download PDF

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Abstract

고체 촬상 소자는, 반도체 기판에 형성되어 입사광을 전기 신호로 변환하는 복수의 센서부; 상기 센서부의 측방에 위치되도록 상기 반도체 기판에 형성된 주변 회로부; 및 상기 센서부의 광 입사측에 형성되어 상기 센서부의 수광면에 정공 축적층을 형성하는, 음의 고정 전하를 가지는 층을 포함한다.

Description

고체 촬상 소자 및 그 제조 방법, 그리고 촬상 장치 {SOLID STATE IMAGING DEVICE, METHOD OF MANUFACTURING THE SAME, AND IMAGING APPARATUS}
본 발명은 정공 축적 다이오드(hole accumulated diode)를 가지는 고체 촬상 소자(solid state imaging device) 및 그 제조 방법, 그리고 촬상 장치(imaging apparatus)에 관한 것이다.
관련 출원의 상호참조
본 출원은 2007년 10월 8일자로 일본 특허청에 출원된, 일본 특허출원 제2007-259501호와 관련된 내용을 포함하며, 상기한 출원의 개시 내용 전부는 참조에 의해 본 명세서에 포함된다.
비디오 카메라, 디지털 스틸 카메라 등에는, CCD(Charge Coupled Device)와 CMOS 이미지 센서와 같은 고체 촬상 소자가 널리 사용되고 있다. 모든 종류의 고체 촬상 소자에 있어, 감도의 향상과 노이즈 감소는 중요한 과제이다.
특히, 입사광이 없는 상태에서, 입사광의 광전 변환에 의해 생기는 순수한 신호 전하가 없음에도 불구하고, 수광면의 기판 계면에 존재하는 미소 결함(minute defect)으로부터 생성되는 전하(전자)가 신호로 입력되는 경우에 미소 전류(very small current)로서 검출되는 암전류, 또는 센서부와 상층(upper layer) 사이의 계면의 계면 준위(interface state)에 기인하여 생성되는 암전류는, 고체 촬상 소자에 있어 감소시켜야 하는 노이즈이다. 계면 준위에 의한 암전류의 생성을 억제하는 기술로서, 예를 들면 도 9b에 나타낸 바와 같이, 센서부(예를 들면, 포토 다이오드)(12) 상에 P+층으로 형성되는 정공 축적층(23)을 가지는 매립형(embed type_ 포토 다이오드 구조가 사용되고 있다. 또, 본 명세서에서는 이 매립형 포토 다이오드 구조를 HAD(Hole Accumulated Diode) 구조이라고 한다. 도 9a에 나타낸 바와 같이, HAD 구조를 제공하지 않는 구조에서는, 계면 준위에 기인하여 생성된 전자가 암전류로서 포토 다이오드로 흘러든다. 한편, 도 9b에 나타낸 바와 같이, HAD 구조에서는, 계면에 형성된 정공 축적층(23)에 의해 계면으로부터의 전자의 생성이 억제된다. 또, 계면으로부터 전하(전자)가 생성되더라도, 그 전하(전자)는 센서부(12)의 N+층 내의 전위 우물인 전하 축적 부분에 유입되지 않고, 정공이 다수 존재하는 P+층의 정공 축적층(23)에 유입한다. 따라서 그 전하(전자)를 없앨 수 있다. 그 결과, 이 계면에 기인하여 생성되는 전하가 암전류로서 검출되는 것을 방지할 수 있고, 계면 준위에 기인한 암전류를 억제할 수 있다.
이 암전류를 억제하는 방법은, CCD와 CMOS 이미지 센서 모두에 채용될 수 있으며, 공지의 표면 조사형(top-emission-type) 이미지 센서 뿐 아니라, 배면 조사형(back illuminated) 이미지 센서에 채용될 수도 있다(예를 들면, 일본 특허공개공보 제2003-339615호 참조).
HAD 구조를 형성하는 방법으로서는, 기판 상에 형성된 열산화 실리콘층 또는 CVD 산화 실리콘층을 통하여, P+층을 형성하기 위한 불순물, 예를 들면, 붕소(B)나 불화 붕소(BF2)를 이온 주입하여, 어닐링에 의해 주입 불순물을 활성화한 다음, 계면 근방에 P형 영역을 형성하는 것이 일반적이다. 그러나, 도핑 불순물을 활성화하기 위해 700℃ 이상의 고온에서의 열처리가 필요 불가결하다. 따라서, 400℃ 이하의 저온 프로세스에서는 이온 주입을 이용한 정공 축적층의 형성은 곤란하다. 또 불순물의 확산을 억제하기 위하여, 고온에서의 장시간의 활성화를 피하고 싶은 경우에도, 이온 주입 및 어닐링을 행하는 정공 축적층의 형성 방법은 바람직하지 않다.
또한, 센서부 상층에 형성되는 산화 실리콘이나 질화 실리콘을, 저온 플라즈마 CVD법으로 형성하면, 예를 들어 고온으로 형성한 층과 수광면의 계면과 비교하여, 계면 준위는 감소된다. 이 계면 준위의 감소는 암전류를 증가시킨다.
전술한 바와 같이, 이온 주입 및 고온에서의 어닐링 처리를 피하고 싶은 경우에는, 공지의 이온 주입에 의해 정공 축적층을 형성할 수 없을 뿐 아니라, 암전류가 더욱 증대된다. 이 문제를 해결하기 위해서는, 종래의 이온 주입에 기초하지 않는 다른 방법으로 정공 축적층을 형성할 필요가 있다.
일례로서, 센서부 상층에 음의 고정 전하(negative fixed elecric charge)를 가지는 층을 형성하는 방법이 있다. 이 방법에서는, 음의 고정 전하를 가지는 층에 기인한 전계에 의해, 센서부의 수광면 측의 계면에 정공 축적층을 형성한다. 따라서, 계면으로부터 생성되는 전하(전자)가 억제된다. 게다가, 계면으로부터 전하(전자)가 생성되더라도, 그 전하(전자)는 센서부 내의 전위 우물인 전하 축적 부분에 유입되지 않고, 정공이 다수 존재하는 정공 축적층에 유입된다. 그 결과, 전하(전자)를 제거할 수 있다. 따라서, 이 계면의 전하에 의해 생성된 암전류가 센서부에서 검출되는 것을 방지할 수 있고, 계면 준위에 기인한 암전류가 억제된다. 이와 같이, 음의 고정 전하를 가지는 층을 사용함으로써, 이온 주입 및 어닐링 없이 HAD 구조의 형성이 가능해진다. 음의 고정 전하를 가지는 층은, 예를 들면, 산화 하프늄(HfO2)막, 그리고, 형성되어 있다.
그러나, 전술한 바와 같이, 수광면 상에 음의 고정 전하를 가지는 층이 형성된 구성을, 배면 조사형 CCD 또는 CMOS 이미지 센서에 적용한 경우, 예를 들면 도 10에 나타낸 바와 같이, 센서부(12)의 수광면(12s) 전체에 음의 고정 전하를 가지는 층(22)이 형성된다. 따라서, HAD를 형성하려고 하는 화소 영역 뿐 아니라, 주변 회로부(14) 상의 반도체 기판(11)의 표면에도 정공 축적층(23)(P+층)이 형성된다.
예를 들면, 주변 회로부(14)에 우물 영역(well region), 확산층, 회로 등(도면에는 일례로서 확산층(15)이 나타나 있음)이 존재하여, 반도체 기판(11)의 배면측(back side)에 음의 전위가 생성되는 경우, 양의 전하(positive electrix charge)를 가지는 정공은 음의 전위로 끌려 확산된다. 따라서, 끌려온 양의 전하로 인해 원하는 음의 전위를 얻지 못하고, 설계값보다 양의 전위 측으로 바이어스 된 전위를 출력한다. 그 결과, 이 전위를 사용한 센서부의 인가 전압에 악영향을 주어, 화소 특성을 변화시키다는 문제가 발생한다.
해결하고자 하는 문제점은, 주변 회로부에서, 원하는 음의 전위를 얻지 못하고, 설계값보다 양의 전위 측으로 바이어스된 전위가 출력되므로, 이 전위를 사용한 센서부의 인가 전압에 악영향을 주어, 화소 특성을 변화시킨다는 점이다.
상기한 점을 고려하여, 주변 회로부에서의 음의 고정 전하를 가지는 층의 영향을 배제하여, 주변 회로부의 정상 동작을 가능하게 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 고체 촬상 소자는, 반도체 기판에 형성되어 입사광을 전기 신호로 변환하는 복수의 센서부; 상기 센서부의 측방에 위치되도록 상기 반도체 기판에 형성된 주변 회로부; 및 상기 센서부의 광 입사측 상에 형성되어 상기 센서부의 수광면에 정공 축적층을 형성하는, 음의 고정 전하를 가지는 층을 포함한다. 상기 주변 회로부와 상기 음의 고정 전하를 가지는 층 사이에, N형 불순물 영역이 형성되어 있다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 고체 촬상 소자에서는, 주변 회로부와 음의 고정 전하를 가지는 층 사이에, N형 불순물 영역이 형성되어 있으므로, 반도체 기판의 계면에 생성되는 정공의 이동이 N형 불순물 영역에 의해 방지된다. 따라서, 정공이 주변 회로부 내로 이동하는 것이 방지되므로, 음의 전위를 생성하도록 주변 회로부에 형성된, 우물 영역, 확산층, 회로 등의 전위의 변동이 억제된다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 고체 촬상 소자는, 반도체 기판에 형성되어 입사광을 전기 신호로 변환하는 복수의 센서부; 상기 센서부의 측방에 위치되도록 상기 반도체 기판에 형성된 주변 회로부; 및 상기 센서부의 광 입사측에 형성되어 상 기 센서부의 수광면에 정공 축적층을 형성하는, 음의 고정 전하를 가지는 층을 포함한다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 고체 촬상 소자에서는, 센서부의 광 입사측에, 센서부의 수광면에 정공 축적층을 형성하는, 음의 고정 전하를 가지는 층이 형성되어 있으므로, 주변 회로부에는 음의 고정 전하를 가지는 층이 형성되어 않는다. 따라서, 주변 회로부에는 음의 고정 전하를 가지는 층에 의해 생성되는 정공 축적층은 형성되지 않기 때문에, 주변 회로부에 정공이 모이지 않고; 정공이 주변 회로부로 이동하지 않기 때문에, 음의 전위를 생성하도록 주변 회로부에 형성된 우물 영역, 확산층, 회로 등의 전위의 변동이 일어나지 않는다.
본 발명의 제3 실시예에 따른, 반도체 기판에 형성되어 입사광을 전기 신호로 변환하는 복수의 센서부, 상기 센서부의 측방에 위치되도록 상기 반도체 기판에 형성된 주변 회로부, 및 상기 센서부의 광 입사측에 형성되어 상기 센서부의 수광면에 정공 축적층을 형성하는, 음의 고정 전하를 가지는 층을 포함하는 고체 촬상 소자의 제조 방법은, 상기 주변 회로부와 상기 음의 고정 전하를 가지는 층 사이에, N형 불순물 영역을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 제3 실시예에 따른 고체 촬상 소자에서는, 주변 회로부와 음의 고정 전하를 가지는 층 사이에, N형 불순물 영역을 형성하므로, 반도체 기판의 계면에 생성되는 정공의 이동이 N형 불순물 영역에 의해 방지된다. 따라서, 정공이 주변 회로부 내로 이동하는 것이 방지되므로, 음의 전위를 생성하도록 주변 회로부에 형성된, 우물 영역, 확산층, 회로 등의 전위의 변동이 억제된다.
본 발명의 제4 실시예에 따른, 반도체 기판에 형성되어 입사광을 전기 신호로 변환하는 복수의 센서부. 상기 센서부의 측방에 위치되도록 상기 반도체 기판에 형성된 주변 회로부, 및 상기 센서부의 광 입사측에 형성되어 상기 센서부의 수광면에 정공 축적층을 형성하는, 음의 고정 전하를 가지는 층을 포함하는 고체 촬상 소자의 제조 방법은, 상기 음의 고정 전하를 가지는 층을 형성하는 단계; 및 상기 주변 회로부 상의 상기 음의 고정 전하를 가지는 층을 제거하는 단계를 포함한다.
본 발명의 제4 실시예에 따른 방법에서는, 센서부의 광 입사측에, 센서부의 수광면에 정공 축적층을 형성하는 음의 고정 전하를 가지는 층을 형성하므로, 주변 회로부에는 음의 고정 전하를 가지는 층이 형성되지 않는다. 따라서, 주변 회로부에는 음의 고정 전하를 가지는 층에 의해 생성되는 정공 축적층이 형성되지 않기 때문에, 주변 회로부에 정공이 모이지 않고; 정공이 주변 회로부로 이동하지 않기 때문에, 음의 전위를 생성하도록 주변 회로부에 형성된 우물 영역, 확산층, 회로 등의 전위의 변동이 일어나지 않는다.
본 발명의 제5 실시예에 따른 촬상 장치는, 입사광을 집광하는 집광 광학부(condensing optical section); 상기 집광 광학부에서 집광된 광을 수광하여 광전 변환하는 고체 촬상 소자; 및 광전 변환된 신호를 처리하는 신호 처리부를 포함한다. 상기 고체 촬상 소자는, 반도체 기판에 형성되어 입사광을 전기 신호로 변환하는 복수의 센서부; 상기 센서부의 측방에 위치되도록 상기 반도체 기판에 형성된 주변 회로부; 및 상기 센서부의 광 입사측 상에 형성되어 상기 센서부의 수광면에 정공 축적층을 형성하는, 음의 고정 전하를 가지는 층을 포함한다. 상기 주변 회로부와 상기 음의 고정 전하를 가지는 층 사이에, N형 불순물 영역이 형성되어 있다.
본 발명의 제5 실시예에 따른 촬상 장치에서는, 본 발명의 실시예에 따른 고체 촬상 소자를 사용한다. 따라서, 센서부의 수광면에 정공 축적층을 형성하는 음의 고정 전하를 가지는 층이 형성되어 있어라도, 음의 전위를 생성하도록 주변 회로부에 형성된, 우물 영역, 확산층, 회로 등의 전위의 변동을 억제할 수 있는 고체 촬상 소자가 사용된다.
본 발명의 제6 실시예에 따른 촬상 장치는, 입사광을 집광하는 집광 광학부; 상기 집광 광학부에서 집광된 광을 수광하여 광전 변환하는 고체 촬상 소자; 및 광전 변환된 신호를 처리하는 신호 처리부를 포함한다. 상기 고체 촬상 소자는, 반도체 기판에 형성되어 입사광을 전기 신호로 변환하는 복수의 센서부; 상기 센서부의 측방에 위치되도록 상기 반도체 기판에 형성된 주변 회로부; 및 상기 센서부의 광 입사측에 형성되어 상기 센서부의 수광면에 정공 축적층을 형성하는, 음의 고정 전하를 가지는 층을 포함한다.
본 발명의 제6 실시예 따른 촬상 장치에서는, 본 발명에 고체 촬상 소자를 사용한다. 따라서, 센서부의 수광면에 정공 축적층을 형성하는 음의 고정 전하를 가지는 층이 형성되어 있어라도, 음의 전위를 생성하도록 주변 회로부에 형성된, 우물 영역, 확산층, 회로 등의 전위의 변동이 일어나지 않는, 고체 촬상 소자가 사용된다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 고체 촬상 소자에서는, 주변 회로부의 회로와 음의 고정 전하를 가지는 층 사이에 N형 불순물 영역이 형성되어 있다. 따라서, 반도체 기판의 계면에 생성되는 정공이 주변 회로부 내로 이동하는 것을 방지할 수 있어, 주변 회로부에 형성된 회로의 전위의 변동을 억제할 수 있다는 이점이 있다. 그 결과, 주변 회로부의 전위를 변동시키지 않고, 센서부의 수광면에 형성된 음의 고정 전하를 가지는 층에 의해 생성되는 정공 축적층에 의해, 센서부의 암전류를 감소시킬 수 있다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 고체 촬상 소자에서는, 주변 회로부에 음의 고정 전하를 가지는 층이 형성되어 있지 않다. 따라서, 주변 회로부의 반도체 기판의 계면에서 정공이 생성되는 것을 방지할 수 있어, 주변 회로부에 형성된 회로의 전위의 변동이 일어나지 않는다는 이점이 있다. 그 결과, 주변 회로부의 전위를 변동시키지 않고, 센서부의 수광면에 형성된 음의 고정 전하를 가지는 층에 의해 생성되는 정공 축적층에 의해 센서부의 암전류를 감소시킬 수 있다.
본 발명 제3 실시예에 따른 고체 촬상 소자의 제조 방법에서는, 주변 회로부의 회로와 음의 고정 전하를 가지는 층 사이에 N형 불순물 영역이 형성되어 있다. 따라서, 반도체 기판의 계면에 생성되는 정공이 주변 회로부 내로 이동하는 것을 방지할 수 있어, 주변 회로부에 형성된 회로의 전위의 변동을 억제할 수 있다는 이점이 있다. 그 결과, 주변 회로부의 전위를 변동시키지 않고, 센서부의 수광면에 형성된 음의 고정 전하를 가지는 층에 의해 생성되는 정공 축적층에 의해 센서부의 암전류를 감소시킬 수 있다.
본 발명의 제4 실시예에 따른 고체 촬상 소자의 제조 방법에서는, 주변 회로 부에 음의 고정 전하를 가지는 층이 형성되어 있지 않다. 따라서, 주변 회로부의 반도체 기판의 계면에서 정공이 생성되는 것을 방지할 수 있어, 주변 회로부에 형성된 회로의 전위의 변동이 일어나지 않는다는 이점이 있다. 그 결과, 주변 회로부의 전위를 변동시키지 않고, 센서부의 수광면에 형성된 음의 고정 전하를 가지는 층에 의해 생성되는 정공 축적층에 의해 센서부의 암전류를 감소시킬 수 있다.
본 발명의 제5 실시예 및 제6 실시예에 따른 촬상 장치에서는, 주변 회로부의 전위를 변동시키지 않고 센서부의 암전류를 감소시킬 수 있는, 본 발명의 실시예에 따른 고체 촬상 소자를 촬상 소자로서 사용한다. 따라서, 고품질의 화상을 기록할 수 있다는 이점이 있다.
본 발명의 실시예(제1 예)에 따른 고체 촬상 소자를, 도 1의 개략 구성을 나타낸 단면도를 참조하여 설명한다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 고체 촬상 소자(1)는 반도체 기판(또는 반도체층)(11)에, 입사광을 광전 변환하는 센서부(12)를 포함한다. 센서부(12)의 측부에는, 화소 분리 영역(13)를 그 사이에 개재시킨 상태로 우물 영역, 확산층, 회로 등(도면에서는 일례로서 확산층(15)이 기재되어 있음)이 형성된 주변 회로부(14)가 제공되어 있다. 이하의 설명에서는 반도체 기판(11)을 이용하여 설명한다. 센서부(후술하는 정공 축적층(23)을 포함함)(12)의 수광면(12s) 상에는, 계면 준위를 낮추는 층(interface state lowering layer)(21)이 형성되어 있다. 계면 준위를 낮추는 층(21)은, 예를 들면 산화 실리콘(SiO2)층으로 형성되어 있다. 계면 준위를 낮추는 층(21) 상에는, 음의 고정 전하를 가지는 층(22)이 형성되어 있다. 이로써, 센서부(12)의 수광면(12s) 측에 정공 축적층(23)이 형성된다. 따라서, 적어도 센서부(12) 상에는, 음의 고정 전하를 가지는 층(22)에 의해 센서부(12)의 수광면(12s) 측에 정공 축적층(23)이 형성되도록 하는 막두께로, 계면 준위를 낮추는 층(21)이 형성된다. 예를 들면, 막두께는 1 원자층(atomic layer) 이상이고 100nm 이하로 설정된다.
예를 들면, 상기 고체 촬상 소자(1)가 CMOS 이미지 센서인 경우에는, 전송 트랜지스터, 리셋 트랜지스터, 증폭 트랜지스터 및 선택 트랜지스터 등의 트랜지스터를 포함하도록 구성된 화소 회로가 주변 회로부(14)로서 제공된다. 또, 복수의 센서부(12)로 구성되는 화소 어레이부의 판독 행(read line)의 신호의 판독 동작을 행하는 구동 회로, 판독한 신호를 전송하는 수직 주사 회로, 시프트 레지스터 또는 어드레스 디코더, 수평 주사 회로 등이 포함된다.
또한, 예를 들면 고체 촬상 소자(1)가 CCD 이미지 센서인 경우에는, 센서부로부터 광전 변환된 신호 전하를 수직 전송 게이트에 판독하는 판독 게이트, 및 판독한 신호 전하를 수직 방향으로 전송하는 수직 전하 전송부가 주변 회로부(14)로서 제공된다. 또, 수형 전하 전송부 등이 포함된다.
또한, 반도체 기판(11)의 광 입사측과는 반대측에는, 복수의 층으로 제공되는 배선(51), 그리고 각 배선(51)의 층간과 각 층의 배선(51) 사이를 절연하는 절 연막(52)을 포함하여 구성된 배선층(53)이 형성되어 있다.
음의 고정 전하를 가지는 층(22)은, 예를 들면 산화 하프늄(HfO2)층, 산화 알루미늄(Al2O3)층, 산화 지르코늄(ZrO2)층, 산화 탄탈(Ta2O5)층, 또는 산화 티탄(TiO2)층으로 형성된다. 이러한 종류의 층은, 절연 게이트형 전계 효과 트랜지스터의 게이트 절연막 등에 사용되고 있다. 따라서, 층형성 방법이 알려져 있으므로, 용이하게 층을 형성할 수 있다. 층형성 방법의 예로는, 화학 기상 증착법, 스퍼터링법, 및 원자층 증착법 등을 들 수 있다. 여기서는, 원자층 증착법을 이용하면, 막을 형성하는 동안에 계면 준위를 낮추는 SiO2층을 동시에 두께 1 nm정도 형성할 수 있으므로 바람직하다. 또한, 전술한 재료 이외의 재료로서는, 산화 란탄(La2O3), 산화 프라세오디뮴(Pr2O3), 산화 세륨(CeO2), 산화 네오디뮴(Nd2O3), 산화 프로메튬(Pm2O3), 산화 사마륨(Sm2O3), 산화 유로퓸(Eu2O3), 산화 가둘리늄(Gd2O3), 산화 테르븀(Tb2O3), 산화 디스프로슘(Dy2O3), 산화 홀뮴(Ho2O3), 산화 에르븀(Er2O3), 산화 튤륨(Tm2O3), 산화 이테르븀(Yb2O3), 산화 루테튬(Lu2O3), 산화 이트륨(Y2O3) 등이 들 수 있다. 또한, 음의 고정 전하를 가지는 층(22)은 질화 하프늄층, 질화 알루미늄층, 산질화 하프늄층 또는 산질화 알루미늄층으로 형성될 수도 있다.
음의 고정 전하를 가지는 층(22)은 절연성에 악영향을 주지 않는 범위에서 첨가된 실리콘(Si)이나 질소(N)를 포함할 수 있다. 첨가되는 농도는 층의 절연성 에 악영향을 주지 않는 범위에서 적당히 결정된다. 이와 같이, 실리콘(Si)이나 질소(N)를 첨가함으로써, 층의 내열성이나 프로세스 중의 이온 주입의 방지 능력을 향상시키는 것이 가능하게 된다.
주변 회로부(14)와 음의 고정 전하를 가지는 층(22) 사이의 반도체 기판(11) 에는 N형 불순물 영역(16)이 형성되어 있다. N형 불순물 영역(16)은, 예를 들면 인(P), 비소(As) 등의 N형 불순물로 형성되고, 예를 들면 이온 주입을 사용하여 형성된다. N형 불순물 영역은, 예를 들면 채널 스톱(channel stop)과 동등한 불순물 프로파일(impurity profile)을 가진다.
음의 고정 전하를 가지는 층(22) 상에는 절연층(41)이 형성되어 있고, 주변 회로부(14) 위에 위치된 절연층(41) 상에는 차광층(42)이 형성되어 있다. 도시하지 않지만, 차광층(42)에 의해, 센서부(12) 상에 광이 입사되지 않는 영역이 생성되고, 센서부(12)의 출력에 의해 화상에서의 블랙 레벨(black level)이 결정된다. 또 차광층(42)이 주변 회로부(14)에 광이 입사하는 것을 방지하므로, 주변 회로부에 입사하는 광에 기인한 특성 변동이 억제된다. 또한, 입사광을 투과시킬 수 있는 절연층(43)이 형성되어 있다. 절연층(43)의 표면은 평탄한 것이 바람직하다. 또한, 절연층(43) 상에는, 반사 방지층(anti-reflection layer)(도시하지 않음), 컬러 필터층(44) 및 집광 렌즈(45)가 형성되어 있다.
제1 예에 따른 고체 촬상 소자(1)에서는, 주변 회로부(14)와 음의 고정 고정 전하를 가지는 층(22) 사이에, N형 불순물 영역(16)이 형성되어 있으므로, 반도체 기판(11)의 계면에 생성되는 정공의 이동이 N형 불순물 영역(16)에 의해 방지된다. 따라서, 주변 회로부(14) 내로 정공이 이동하는 것이 방지되어, 주변 회로부(14)에 형성되어 음의 전위를 생성하는 우물 영역, 확산층(15), 회로 등의 전위의 변동이 억제된다. 그 결과, 주변 회로부(14)의 전위를 변동시키지 않고, 센서부(12)의 수광면(12s)에 형성된, 음의 고정 전하를 가지는 층(22)에 의해 생성되는 정공 축적층(23)에 의해 센서부(12)의 암전류를 감소시킬 수 있다.
다음에, 본 발명의 실시예(제2 예)에 따른 고체 촬상 소자를, 도 2의 개략 구성을 나타낸 단면도를 참조하여 설명한다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 고체 촬상 소자(2)는 반도체 기판(또는 반도체층)(11)에, 입사광을 광전 변환하는 센서부(12)를 포함한다. 센서부(12)의 측부에는, 화소 분리 영역(13)를 그 사이에 개재시킨 상태로 우물 영역, 확산층, 회로 등(도면에서는 일례로서 확산층(15)이가 기재되어 있음)이 형성된 주변 회로부(14)가 제공되어 있다. 이하의 설명에서는 반도체 기판(11)을 이용하여 설명한다. 센서부(후술하는 정공 축적층(23)을 포함함)(12)의 수광면(12s) 상에는, 계면 준위를 낮추는 층(21)이 형성되어 있다. 계면 준위를 낮추는 층(21)은, 예를 들면 산화 실리콘(SiO2)층으로 형성되어 있다. 계면 준위를 낮추는 층(21)은, 예를 들면 산화 실리콘(SiO2)층으로 형성되어 있다. 계면 준위를 낮추는 층(21) 상에는, 음의 고정 전하를 가지는 층(22)이 형성되어 있다. 이로써, 센서부(12)의 수광면(12s) 측에 정공 축적층(23)이 형성된다. 따라서, 적어도 센서부(12) 상에는, 음의 고정 전하를 가지는 층(22)에 의해 센서부(12)의 수광면(12s) 측에 정공 축적층(23)이 형성되도록 하는 막두께로, 계면 준위를 낮추는 층(21)이 형성된다. 예를 들면, 막두께는 1 원자층(atomic layer) 이상이고 100nm 이하로 설정된다.
예를 들면, 상기 고체 촬상 소자(2)가 CMOS 이미지 센서인 경우에는, 전송 트랜지스터, 리셋 트랜지스터, 증폭 트랜지스터 및 선택 트랜지스터 등의 트랜지스터를 포함하도록 구성된 화소 회로가 주변 회로부(14)로서 제공된다. 또, 복수의 센서부(12)로 구성되는 화소 어레이부의 판독 행(read line)의 신호의 판독 동작을 행하는 구동 회로, 판독한 신호를 전송하는 수직 주사 회로, 시프트 레지스터 또는 어드레스 디코더, 수평 주사 회로 등이 포함된다.
또한, 예를 들면 고체 촬상 소자(2)가 CCD 이미지 센서인 경우에는, 센서부로부터 광전 변환된 신호 전하를 수직 전송 게이트에 판독하는 판독 게이트, 및 판독한 신호 전하를 수직 방향으로 전송하는 수직 전하 전송부가 주변 회로부(14)로서 제공된다. 또, 수형 전하 전송부 등이 포함된다.
또한, 반도체 기판(11)의 광 입사측과는 반대측에는, 복수의 층으로 제공되는 배선(51), 그리고 각 배선(51)의 층간과 각 층의 배선(51) 사이를 절연하는 절연막(52)을 포함하여 구성된 배선층(53)이 형성되어 있다.
음의 고정 전하를 가지는 층(22)은, 예를 들면 산화 하프늄(HfO2)층, 산화 알루미늄(Al2O3)층, 산화 지르코늄(ZrO2)층, 산화 탄탈(Ta2O5)층, 또는 산화 티탄(TiO2)층으로 형성된다. 이러한 종류의 층은, 절연 게이트형 전계 효과 트랜지스터의 게이트 절연막 등에 사용되고 있다. 따라서, 층형성 방법이 알려져 있으므 로, 용이하게 층을 형성할 수 있다. 층형성 방법의 예로는, 화학 기상 증착법, 스퍼터링법, 및 원자층 증착법 등을 들 수 있다. 여기서는, 원자층 증착법을 이용하면, 막을 형성하는 동안에 계면 준위를 낮추는 SiO2층을 동시에 두께 1 nm정도 형성할 수 있으므로 바람직하다. 또한, 전술한 재료 이외의 재료로서는, 산화 란탄(La2O3), 산화 프라세오디뮴(Pr2O3), 산화 세륨(CeO2), 산화 네오디뮴(Nd2O3), 산화 프로메튬(Pm2O3), 산화 사마륨(Sm2O3), 산화 유로퓸(Eu2O3), 산화 가둘리늄(Gd2O3), 산화 테르븀(Tb2O3), 산화 디스프로슘(Dy2O3), 산화 홀뮴(Ho2O3), 산화 에르븀(Er2O3), 산화 튤륨(Tm2O3), 산화 이테르븀(Yb2O3), 산화 루테튬(Lu2O3), 산화 이트륨(Y2O3) 등이 들 수 있다. 또한, 음의 고정 전하를 가지는 층(22)은 질화 하프늄층, 질화 알루미늄층, 산질화 하프늄층 또는 산질화 알루미늄층으로 형성될 수도 있다.
음의 고정 전하를 가지는 층(22)은 절연성에 악영향을 주지 않는 범위에서 첨가된 실리콘(Si)이나 질소(N)를 포함할 수 있다. 첨가되는 농도는 층의 절연성에 악영향을 주지 않는 범위에서 적당히 결정된다. 이와 같이, 실리콘(Si)이나 질소(N)를 첨가함으로써, 층의 내열성이나 프로세스 중의 이온 주입의 방지 능력을 향상시키는 것이 가능하게 된다.
음의 고정 전하를 가지는 층(22)은, 센서부(12)의 수광면(12s)에 정공 축적층(23)을 형성하도록 센서부(12) 상에만 형성되고, 주변 회로부(14) 상(광 입사측) 에는 형성되어 있지 않다.
음의 고정 전하를 가지는 층(22) 상에는 절연층(41)이 형성되어 있고, 주변 회로부(14) 위에 위치된 절연층(41) 상에는 차광층(42)이 형성되어 있다. 도시하지 않지만, 차광층(42)에 의해, 센서부(12) 상에 광이 입사되지 않는 영역이 생성되고, 센서부(12)의 출력에 의해 화상에서의 블랙 레벨(black level)이 결정된다. 또 차광층(42)이 주변 회로부(14)에 광이 입사하는 것을 방지하므로, 주변 회로부에 입사하는 광에 기인한 특성 변동이 억제된다. 또한, 입사광을 투과시킬 수 있는 절연층(43)이 형성되어 있다. 절연층(43)의 표면은 평탄한 것이 바람직하다. 또한, 절연층(43) 상에는, 반사 방지층(anti-reflection layer)(도시하지 않음), 컬러 필터층(44) 및 집광 렌즈(45)가 형성되어 있다.
제2 예의 고체 촬상 소자(2)에서는, 센서부(12)의 수광면(12s)에 정공 축적층(23)을 형성하는 음의 고정 전하를 가지는 층(22)이 형성되고, 주변 회로부(14) 상(광 입사측)에는 음의 고정 전하를 가지는 층(22)이 형성되어 있지 않다. 따라서, 주변 회로부(14)에는 음의 고정 전하를 가지는 층(22)에 의해 생성되는 정공 축적층(23)이 형성되지 않기 때문에, 주변 회로부(14)에 정공이 모이지 않고; 정공이 주변 회로부(14) 내로 이동하지 않기 때문에, 주변 회로부(14)에 형성되어 음의 전위를 생성하는 우물 영역, 확산층(15), 회로 등의 전위의 변동은 일어나지 않는다. 그 결과, 주변 회로부(14)의 전위를 변동시키지 않고, 센서부(12)의 수광면(12s)에 형성된, 음의 고정 전하를 가지는 층(22)에 의해 생성되는 정공 축적층(23)에 의해 센서부(12)의 암전류를 감소시킬 수 있다.
또한, 제1 예, 및 제2 예에서는, 음의 고정 전하를 가지는 층(22)를 형성한 직후부터, 층 내에 존재하는 음의 고정 전하에 의해, 계면 근방을 정공 축적층(23)으로서 사용할 수 있다. 따라서, 센서부(12)와 계면 준위를 낮추는 층(21) 사이의 계면에서의 계면 준위에 의해 생성되는 암전류가 억제된다. 즉, 계면으로부터 생성되는 전하(전자)가 억제된다. 또, 계면으로부터 전하(전자)가 생성되더라도, 센서부(12) 내의 전위 우물인 전하 축적 부분에 유입되지 않고, 정공이 다수 존재하는 정공 축적층(23)으로 유입하므로, 전하(전자)를 제거할 수 있다. 따라서, 계면의 전하에 의해 생성되는 암전류가 센서부(12)에서 검출되는 것을 방지할 수 있어, 계면 준위에 기인한 암전류가 억제된다. 또한, 센서부(12)의 수광면(12s)에 계면 준위를 낮추는 층(21)이 형성되어 있으므로, 계면 준위에 기인한 전자의 생성이 한층 억제된다. 그 결과, 계면 준위에 기인하여 생성되는 전자가 암전류로서 센서부(12)로 유입되는 것이 억제된다.
상기한 각 예에서는, 입사광을 전기 신호로 변환하는 역할을 하는 센서부(12)를 각각 가지는 복수의 화소부, 및 화소부가 형성된 반도체 기판(11)의 일면 에 제공된 배선층(53)을 포함하고, 배선층(53)이 형성되어 있는 면과는 반대측으로부터 입사되는 광을 센서부(12)에서 수광하는 배면 조사형 고체 촬상 소자에 대해 설명하였다. 본 발명의 실시예의 구성은 또한, 배선층 등이 형성된 측으로부터 센서부에 입사광이 입사되는 표면 조사형 고체 촬상 소자에도 적용될 수 있다.
다음에, 본 발명의 고체 촬상 소자의 실시예(제1 예)에 따른 고체 촬상 소자의 제조 방법을, 주요부를 나타낸 도 3a∼도 4의 제조 프로세스 단면도를 참조하여 설명한다. 도 3a∼도 4에서는, 일례로서, 고체 촬상 소자(1)의 제조 프로세스를 나타낸다.
도 3a에 나타낸 바와 같이, 반도체 기판(또는 반도체층)(11)에, 입사광을 광전 변환하는 센서부(12), 센서부(12)를 분리하는 화소 분리 영역(13), 및 화소 분리 영역(13)을 센서부(12)와의 사이에 개재시킨 상태로 우물 영역, 확산층, 회로 등(도면에서는 일례로서 확산층(15)가 기재되어 있음)이 형성되는 주변 회로부(14)를 형성한다. 그런 다음, 반도체 기판(11)의 광 입사측과는 반대측에는, 복수의 층으로 제공되는 배선(51), 그리고 각 배선(51)의 층간과 각 층의 배선(51) 사이를 절연하는 절연막(52)을 포함하여 구성된 배선층(53)을 형성한다. 전술한 바와 같은 구성의 제조 방법으로는 공지의 제조 방법을 이용한다.
그런 다음, 센서부(12)의 수광면(12s) 상, 실제로는 반도체 기판(11) 상에 계면 준위를 낮추는 층(21)을 형성한다. 이 계면 준위를 낮추는 층(21)은, 예를 들면 산화 실리콘(SiO2)층으로 형성된다. 이어서, 계면 준위를 낮추는 층(21) 상에 음의 고정 전하를 가지는 층(22)을 형성한다. 이로써, 센서부(12)의 수광면 측에 정공 축적층(23)이 형성된다. 따라서, 적어도 센서부(12) 상에는, 음의 고정 전하를 가지는 층(22)에 의해 센서부(12)의 수광면(12s) 측에 정공 축적층(23)이 형성되도록 하는 막두께로, 계면 준위를 낮추는 층(21)이 형성될 필요가 있다. 예를 들면, 막두께는 1 원자층(atomic layer) 이상이고 100nm 이하로 설정된다.
음의 고정 전하를 가지는 층(22)은, 예를 들면 산화 하프늄(HfO2)층, 산화 알루미늄(Al2O3)층, 산화 지르코늄(ZrO2)층, 산화 탄탈(Ta2O5)층, 또는 산화 티탄(TiO2)층으로 형성된다. 이러한 종류의 층은, 절연 게이트형 전계 효과 트랜지스터의 게이트 절연막 등에 사용되고 있다. 따라서, 층형성 방법이 알려져 있으므로, 용이하게 층을 형성할 수 있다. 예를 들면, 층형성 방법으로서는, 화학 기상 증착법, 스퍼터링법, 및 원자층 증착법이 사용될 수 있다. 여기서는, 원자층 증착법을 이용하면, 막을 형성하는 동안에 계면 준위를 낮추는 SiO2층을 동시에 두께 1 nm정도 형성할 수 있으므로 바람직하다.
또한, 전술한 재료 이외의 재료로서는, 산화 란탄(La2O3), 산화 프라세오디뮴(Pr2O3), 산화 세륨(CeO2), 산화 네오디뮴(Nd2O3), 산화 프로메튬(Pm2O3), 산화 사마륨(Sm2O3), 산화 유로퓸(Eu2O3), 산화 가둘리늄(Gd2O3), 산화 테르븀(Tb2O3), 산화 디스프로슘(Dy2O3), 산화 홀뮴(Ho2O3), 산화 에르븀(Er2O3), 산화 튤륨(Tm2O3), 산화 이테르븀(Yb2O3), 산화 루테튬(Lu2O3), 산화 이트륨(Y2O3) 등이 들 수 있다. 또한, 음의 고정 전하를 가지는 층(22)은 질화 하프늄층, 질화 알루미늄층, 산질화 하프늄층 또는 산질화 알루미늄층으로 형성될 수도 있다. 이러한 층들도, 예를 들면 화학 기상 증착법, 스퍼터링법, 또는 원자층 증착법을 사용하여 형성될 수 있다.
또, 음의 고정 전하를 가지는 층(22)은 절연성에 악영향을 주지 않는 범위에서 첨가된 실리콘(Si)이나 질소(N)를 포함할 수 있다. 첨가되는 농도는 층의 절연성에 악영향을 주지 않는 범위에서 적당히 결정된다. 이와 같이, 실리콘(Si)이나 질소(N)를 첨가함으로써, 층의 내열성이나 프로세스 중의 이온 주입의 방지 능력을 향상시키는 것이 가능하게 된다.
다음에, 도 3b에 나타낸 바와 같이, 주변 회로부(14)와 음의 고정 고정 전하를 가지는 층(22) 사이의 반도체 기판(11) 내에, N형 불순물을 주입하여 N형 불순물 영역(16)을 형성한다. N형 불순물 영역(16)의 구체적인 제조 방법의 예로서는, 음의 고정 전하를 가지는 층(22) 상에 레지스트층(61)을 형성한 후, 리소그라피 기술을 사용하여 주변 회로부(14) 상의 레지스트층(61)에 개구부(62)를 형성한다. 그 후, 레지스트층(61)을 이온 주입용 마스크로 사용하여, 주변 회로부(14) 상의 반도체 기판(11) 내에 N형 불순물을 이온 주입함으로써, 주변 회로부(14)와 음의 고정 고정 전하를 가지는 층(22) 사이의 반도체 기판(11) 내에 N형 불순물 영역(16)을 형성한다.
N형 불순물 영역(16)은, 예를 들면 채널 스톱과 같은 불순물 프로파일을 가지고 있으므로, 반도체 기판(11)의 계면에서 생성되는 정공이 반도체 기판(11) 내로 이동하는 것을 방지하여, 반도체 기판(11) 내에 형성된 우물 영역(도시하지 않음)의 전위, 또는 확산층(15)의 전위의 변동을 억제한다. 그 후, 레지스트층(61)을 제거한다.
다음에, 도 3c에 나타낸 바와 같이, 음의 고정 전하를 가지는 층(22) 상에, 절연층(41)을 형성한 다음, 절연층(41) 상에 차광층(42)을 형성한다. 절연층(41)은, 예를 들면 산화 실리콘층으로 형성된다. 또한, 차광층(42)은, 예를 들면 차광성을 가지는 금속층으로 형성된다. 이와 같이, 음의 고정 전하를 가지는 층(22) 상에 절연층(41)을 사이에 개재시켜 차광층(42)를 형성함으로써, 예를 들면 산화 하프늄층으로 형성되는 음의 고정 전하를 가지는 층(22)과 차광층(42)의 금속과의 반응을 방지할 수 있다. 또한, 차광층(42)을 에칭할 때, 절연층(41)이 에칭 스토퍼로 작용하므로, 음의 고정 전하를 가지는 층(22)의 에칭 손상을 방지할 수 있다.
도시하지는 않지만, 차광층(42)에 의해, 센서부(12)에 광이 입사되지 않은 영역이 생성되어, 센서부(12)의 출력에 의해 화상에서의 블랙 레벨이 결정된다. 또, 차광층(42)이 주변 회로부(14)에 광이 입사되는 것을 방지하므로, 주변 회로부에의 광 입사에 기인한 특성 변동이 억제된다.
다음에, 도 4에 나타낸 바와 같이, 절연층(41) 상에, 차광층(42)에 기인한 단차(level difference)를 감소시키는 절연층(43)을 형성한다. 절연층(43)의 표면은 평탄한 것이 바람직하고, 예를 들면 코팅 절연층으로 형성된다.
다음에, 공지의 제조 기술에 의해, 센서부(12) 위에 위치된 절연층(43) 상에, 반사 방지층(도시하지 않음) 및 컬러 필터층(44)을 형성한 다음, 컬러 필터층(44) 상에 집광 렌즈(45)를 형성한다. 이 경우에, 컬러 필터층(44)과 집광 렌즈(45) 사이에, 렌즈 가공 시의 컬러 필터층(44)의 기계가공 손상(machining damage)를 방지하기 위하여, 광투과성(light-transmissive)의 절연막(도시하지 않음)을 형성할 수도 있다. 이렇게 하여, 고체 촬상 소자(1)가 형성된다.
상기한 고체 촬상 소자의 제조 방법(제1 제조 방법)의 제1 예에서는, 주변 회로부(14)와 음의 고정 고정 전하를 가지는 층(22) 사이에, N형 불순물 영역(16)이 형성되어 있으므로, 반도체 기판(11)의 계면에 생성되는 정공의 이동이 N형 불 순물 영역(16)에 의해 방지된다. 따라서, 주변 회로부(14) 내로 정공이 이동하는 것이 방지되어, 주변 회로부(14)에 형성되어 음의 전위를 생성하는 우물 영역, 확산층(15), 회로 등의 전위의 변동이 억제된다. 그 결과, 주변 회로부(14)에서 원하는 음의 전위를 얻을 수 있다.
그 결과, 주변 회로부(14)의 전위를 변동시키지 않고, 센서부(12)의 수광면(12s)에 형성된, 음의 고정 전하를 가지는 층(22)에 의해 생성되는 정공 축적층(23)에 의해 센서부(12)의 암전류를 감소시킬 수 있다. 즉, 정공 축적층(23)이 형성되므로, 계면으로부터 생성되는 전하(전자)가 억제된다. 또, 계면으로부터 전하(전자)가 생성되더라도, 센서부(12) 내의 전위 우물인 전하 축적 부분에 유입되지 않고, 정공이 다수 존재하는 정공 축적층(23)으로 유입한다. 그 결과, 전하(전자)를 제거할 수 있다. 따라서, 계면의 전하에 의해 생성되는 암전류가 센서부(12)에서 검출되는 것을 방지할 수 있어, 계면 준위에 기인한 암전류가 억제된다. 또한, 센서부(12)의 수광면(12s)에 계면 준위를 낮추는 층(21)이 형성되어 있으므로, 계면 준위에 기인한 전자의 생성이 한층 억제된다. 그 결과, 계면 준위에 기인하여 생성되는 전자가 암전류로서 센서부(12)로 유입되는 것이 억제된다.
N형 불순물 영역(16)은, 음의 고정 전하를 가지는 층(22)을 형성하기 전에 형성할 수 있거나, 또는 전술한 바와 같이 음의 고정 전하를 가지는 층(22)을 형성한 후에 형성할 수도 있다.
예를 들면, 도 5a에 나타낸 바와 같이, 계면 준위를 낮추는 층(21)(도시하지 않음)을 형성하기 전에, 반도체 기판(11) 상에, 전술한 바와 마찬가지로, 주변 회 로부(14) 상에 개구부(64)를 가지는 레지스트층(63)을 사용하여 이온 주입용 마스크를 형성한 다음, 이온 주입법을 사용하여 주변 회로부(14) 상의 반도체 기판(11)에 N형 불순물 영역(16)을 형성한다. 그 후, 도시하지는 않지만, 레지스트층(63)을 제거한 후, 계면 준위를 낮추는 층(21)과 음의 고정 전하를 가지는 층(22)을 차례로 형성한다.
이 경우, 반도체 기판(11)에 이온이 주입되기 때문에, 반도체 기판(11) 내에 이온 주입 손상이 생길 수 있다. 그러나, N형 불순물 영역(16)이 형성되는 반도체 기판(11)의 부분은, 우물 영역, 확산층 등이 형성되지 않는 영역이므로, 이온 주입 손상이 생기더라도 실제상의 손상은 없다.
다르게는, 예를 들면 도 5b에 나타낸 바와 같이, 계면 준위를 낮추는 층(21)을 형성한 후, 전술한 바와 마찬가지로, 주변 회로부(14) 상에 개구부(66)가 형성되어 있는 레지스트층(65)을 사용하여 이온 주입용 마스크를 형성한 다음, 이온 주입법을 사용하여 주변 회로부(14) 상의 반도체 기판(11)에 N형 불순물 영역(16)을 형성한다. 그 후, 도시하지 않지만, 레지스트층(65)을 제거한 후, 계면 준위를 낮추는 층(21) 상에 음의 고정 전하를 가지는 층(22)을 형성한다.
이 경우, 계면 준위를 낮추는 층(21)이 이온 주입 시에 버퍼층의 역할을 하므로, 반도체 기판(11)의 이온 주입 손상은 감소된다.
이와 같이, 음의 고정 전하를 가지는 층(22)를 형성하기 전에, N형 불순물 영역(16)을 형성할 수도 있다.
다음에, 본 발명의 고체 촬상 소자의 실시예(제2 예)에 따른 고체 촬상 소자 의 제조 방법을, 주요부를 나타낸 도 6a∼도 7b의 제조 프로세스 단면도를 참조하여 설명한다. 도 6a∼도 7b에서는, 일례로서, 고체 촬상 소자(2)의 제조 프로세스를 나타낸다.
도 6a에 나타낸 바와 같이, 반도체 기판(또는 반도체층)(11)에, 입사광을 광전 변환하는 센서부(12), 센서부(12)를 분리하는 화소 분리 영역(13), 및 화소 분리 영역(13)을 센서부(12)와의 사이에 개재시킨 상태로 우물 영역, 확산층, 회로 등(도면에서는 일례로서 확산층(15)가 기재되어 있음)이 형성되는 주변 회로부(14)를 형성한다. 그런 다음, 반도체 기판(11)의 광 입사측과는 반대측에는, 복수의 층으로 제공되는 배선(51), 그리고 각 배선(51)의 층간과 각 층의 배선(51) 사이를 절연하는 절연막(52)을 포함하여 구성된 배선층(53)을 형성한다. 전술한 바와 같은 구성의 제조 방법으로는 공지의 제조 방법을 이용한다.
그 후, 센서부(12)의 수광면(12s) 상에, 실제로는 반도체 기판(11) 상에 계면 준위를 낮추는 층(21)을 형성한다. 이 계면 준위를 낮추는 층(21)은, 예를 들면 산화 실리콘(SiO2)층으로 형성된다. 이어서, 계면 준위를 낮추는 층(21) 상에 음의 고정 전하를 가지는 층(22)을 형성한다. 이로써, 센서부(12)의 수광면 측에 정공 축적층(23)이 형성된다. 따라서, 적어도 센서부(12) 상에는, 음의 고정 전하를 가지는 층(22)에 의해 센서부(12)의 수광면(12s) 측에 정공 축적층(23)이 형성되도록 하는 막두께로, 계면 준위를 낮추는 층(21)이 형성될 필요가 있다. 예를 들면, 막두께는 1 원자층(atomic layer) 이상이고 100nm 이하로 설정된다.
음의 고정 전하를 가지는 층(22)은, 예를 들면 산화 하프늄(HfO2)층, 산화 알루미늄(Al2O3)층, 산화 지르코늄(ZrO2)층, 산화 탄탈(Ta2O5)층, 또는 산화 티탄(TiO2)층으로 형성된다. 이러한 종류의 층은, 절연 게이트형 전계 효과 트랜지스터의 게이트 절연막 등에 사용되고 있다. 따라서, 층형성 방법이 알려져 있으므로, 용이하게 층을 형성할 수 있다. 예를 들면, 층형성 방법으로서는, 화학 기상 증착법, 스퍼터링법, 및 원자층 증착법이 사용될 수 있다. 여기서는, 원자층 증착법을 이용하면, 막을 형성하는 동안에 계면 준위를 낮추는 SiO2층을 동시에 두께 1 nm로 형성할 수 있으므로 바람직하다.
또한, 전술한 재료 이외의 재료로서는, 산화 란탄(La2O3), 산화 프라세오디뮴(Pr2O3), 산화 세륨(CeO2), 산화 네오디뮴(Nd2O3), 산화 프로메튬(Pm2O3), 산화 사마륨(Sm2O3), 산화 유로퓸(Eu2O3), 산화 가둘리늄(Gd2O3), 산화 테르븀(Tb2O3), 산화 디스프로슘(Dy2O3), 산화 홀뮴(Ho2O3), 산화 에르븀(Er2O3), 산화 튤륨(Tm2O3), 산화 이테르븀(Yb2O3), 산화 루테튬(Lu2O3), 산화 이트륨(Y2O3) 등이 들 수 있다. 또한, 음의 고정 전하를 가지는 층(22)은 질화 하프늄층, 질화 알루미늄층, 산질화 하프늄층 또는 산질화 알루미늄층으로 형성될 수도 있다. 이러한 층들도, 예를 들면 화학 기상 증착법, 스퍼터링법, 또는 원자층 증착법을 사용하여 형성될 수 있다.
또, 음의 고정 전하를 가지는 층(22)은 절연성에 악영향을 주지 않는 범위에서 첨가된 실리콘(Si)이나 질소(N)를 포함할 수 있다. 첨가되는 농도는 층의 절연 성에 악영향을 주지 않는 범위에서 적당히 결정된다. 이와 같이, 실리콘(Si)이나 질소(N)를 첨가함으로써, 층의 내열성이나 프로세스 중의 이온 주입의 방지 능력을 향상시키는 것이 가능하게 된다.
다음에, 도 6b에 나타낸 바와 같이, 음의 고정 전하를 가지는 층(22) 상에, 레지스트층(67)을 형성한 후, 리소그라피 기술을 사용하여, 주변 회로부(14) 상의 레지스트층(67)을 제거한다.
그 후, 도 6c에 나타낸 바와 같이, 레지스트층(67)(도 6b 참조)을 에칭 마스크로 사용하여, 주변 회로부(14) 상의 음의 고정 전하를 가지는 층(22)를 제거한다.
음의 고정 전하를 가지는 층(22)의 제거 시에 드라이 에칭(dry etching)을 사용하는 경우에는, 드라이 에칭용 레지스트층을 레지스트층(67)으로서 사용한다. 또한, 드라이 에칭에는, 예를 들면 아르곤과 설파 헥사플루오라이드(SF6)를 에칭 가스로 사용한다. 음의 고정 전하를 가지는 층(22)의 경우, 상기한 에칭 가스를 사용한 에칭이 가능하다. 또한, 다른 금속 산화물을 에칭하는 에칭 가스를 사용하여 드라이 에칭을 할 수도 있다. 그 후, 상기 레지스트층(67)을 제거한다.
상기한 드라이 에칭에서는, 음의 고정 전하를 가지는 층(22)의 베이스부에 산화 실리콘층으로 이루어지는 계면 준위를 낮추는 층(21)이 형성되어 있으므로, 반도체 기판(11)에 직접 이온이 충돌되지는 않는다. 반도체 기판(11)의 에칭 손상이 감소된다.
음의 고정 전하를 가지는 층(22)의 제거 시에 웨트 에칭(wet etching)을 사용하는 경우에는, 웨트 에칭용 레지스트층을 레지스트층(67)으로 사용한다. 또한, 웨트 에칭에는, 예를 들면 불화수소산과 불화 암모늄을 에칭액으로 사용한다. 음의 고정 전하를 가지는 층(22)의 경우, 상기한 에칭액을 사용한 에칭이 가능하다. 또한, 다른 금속 산화물을 에칭하는 에칭액을 사용하여 웨트 에칭을 할 수도 있다. 그 후, 레지스트층(67)을 제거한다.
상기한 웨트 에칭에서는, 음의 고정 전하를 가지는 층(22)의 베이스부에 산화 실리콘층으로 이루어지는 계면 준위를 낮추는 층(21)이 형성되어 있으므로, 주변부로부터 화소 영역으로 에칭액이 스며드는 것이 억제된다.
다음에, 도 7a에 나타낸 바와 같이, 음의 고정 전하를 가지는 층(22) 상에, 절연층(41)을 형성한 다음, 절연층(41) 상에 차광층(42)을 형성한다. 절연층(41)은, 예를 들면 산화 실리콘층으로 형성된다. 또한, 차광층(42)은, 예를 들면 차광성을 가지는 금속층으로 형성된다. 이와 같이, 음의 고정 전하를 가지는 층(22) 상에 절연층(41)을 사이에 개재시켜 차광층(42)을 형성함으로써, 예를 들면 산화 하프늄층으로 형성되는 음의 고정 전하를 가지는 층(22)과 차광층(42)의 금속과의 반응을 방지할 수 있다. 또한, 차광층(42)을 에칭할 때, 절연층(41)이 에칭 스토퍼로 작용하므로, 음의 고정 전하를 가지는 층(22)의 에칭 손상을 방지할 수 있다.
도시하지는 않지만, 차광층(42)에 의해, 센서부(12)에 광이 입사되지 않은 영역이 생성되어, 센서부(12)의 출력에 의해 화상에서의 블랙 레벨이 결정된다. 또, 차광층(42)이 주변 회로부(14)에 광이 입사되는 것을 방지하므로, 주변 회로부 에의 광 입사에 기인한 특성 변동이 억제된다.
다음에, 도 7b에 나타낸 바와 같이, 절연층(41) 상에, 차광층(42)에 기인한 단차를 감소시키는 절연층(43)을 형성한다. 절연층(43)의 표면은 평탄한 것이 바람직하고, 예를 들면 코팅 절연층으로 형성된다.
다음에, 공지의 제조 기술에 의해, 센서부(12) 위에 위치된 절연층(43) 상에, 반사 방지층(도시하지 않음) 및 컬러 필터층(44)을 형성한 다음, 컬러 필터층(44) 상에 집광 렌즈(45)를 형성한다. 이 경우에, 컬러 필터층(44)과 집광 렌즈(45) 사이에, 렌즈 가공 시의 컬러 필터층(44)의 기계가공 손상을 방지하기 위하여, 광투과성의 절연막(도시하지 않음)을 형성할 수도 있다. 이렇게 하여, 고체 촬상 소자(2)가 형성된다.
고체 촬상 소자의 제조 방법의 제2 예에서는, 주변 회로부(14) 상의 음의 고정 전하를 가지는 층(22)이 제거되므로, 주변 회로부(14) 상에는 음의 고정 전하를 가지는 층(22)이 형성되어 있지 않다. 따라서, 주변 회로부(14)에는 음의 고정 전하를 가지는 층(22)에 의해 생성되는 정공 축적층(23)이 형성되지 않기 때문에, 주변 회로부(14)에 정공이 모이지 않고; 정공이 주변 회로부(14) 내로 이동하지 않기 때문에, 주변 회로부(14)에 형성되어 음의 전위를 생성하는 우물 영역, 확산층(15), 회로 등의 전위의 변동은 일어나지 않는다.
그 결과, 주변 회로부(14)의 전위를 변동시키지 않고, 센서부(12)의 수광면(12s)에 형성된, 음의 고정 전하를 가지는 층(22)에 의해 생성되는 정공 축적층(23)에 의해 센서부(12)의 암전류를 감소시킬 수 있다. 즉, 정공 축적층(23)이 형성되므로, 계면으로부터 생성되는 전하(전자)가 억제된다. 또, 계면으로부터 전하(전자)가 생성되더라도, 센서부(12) 내의 전위 우물인 전하 축적 부분에 유입되지 않고, 정공이 다수 존재하는 정공 축적층(23)으로 유입한다. 그 결과, 전하(전자)를 제거할 수 있다. 따라서, 계면의 전하에 의해 생성되는 암전류가 센서부(12)에서 검출되는 것을 방지할 수 있어, 계면 준위에 기인한 암전류가 억제된다. 또한, 센서부(12)의 수광면(12s)에 계면 준위를 낮추는 층(21)이 형성되어 있으므로, 계면 준위에 기인한 전자의 생성이 한층 억제된다. 그 결과, 계면 준위에 기인하여 생성되는 전자가 암전류로서 센서부(12)로 유입되는 것이 억제된다.
상기한 각 예에서 고체 촬상 소자(1, 2) 각각은, 입사광을 전기 신호로 변환하는 수광부를 각각 가지는 복수의 화소부, 및 화소부가 형성된 반도체 기판의 일면에 배선층을 포함하고, 배선층이 형성되어 있는 면과는 반대측으로부터 입사되는 광을 각 수광부에서 수광하는 구성의 배면 조사형 고체 촬상 소자에 적용될 수 있다. 말할 필요도 없이, 고체 촬상 소자(1, 2) 각각은 또한, 수광면 측에 배선층이 형성되고, 수광부에 입사되는 입사광의 광로를 배선층이 형성되지 않는 영역으로서 설정함으로써, 수광부에 입사되는 입사광을 차단하지 않는 한, 표면 조사형 고체 촬상 소자에도 적용될 수 있다.
다음에, 본 발명의 실시예(예)에 따른 촬상 장치를 도 8의 블록도를 참조하여 설명한다. 촬상 장치의 예로는, 비디오 카메라, 디지털 스틸 카메라, 휴대 전화기의 카메라를 포함한다.
도 8에 나타낸 바와 같이, 촬상 장치(100)는 촬상부(101)에 제공되는 고체 촬상 소자(도시하지 않음)를 포함한다. 촬상부(101)의 집광 측에는 상을 결상시키는 결상 광학계(102)가 제공되어 있다. 촬상부(101)에는, 촬상부(101)를 구동하는 구동 회로, 고체 촬상 소자에서 광전 변환된 신호를 화상으로 처리하는 신호 처리 회로 등을 가지는 신호 처리부(103)가 접속되어 있다. 또, 신호 처리부에 의해 처리된 화상 신호는 화상 기억부(도시하지 않음)에 기억될 수 있다. 촬상 장치(100)에는, 고체 촬상 소자로서, 상기한 실시예들에서 설명한 고체 촬상 소자(1), 고체 촬상 소자(2)가 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 촬상 장치(100)에서는, 주변 회로부의 전위를 변동시키지 않고 센서부의 암전류를 감소시킬 수 있는 본 발명의 실시예에 따른 고체 촬상 소자(1) 또는 고체 촬상 소자(2)를 사용하므로, 고품질의 화상을 기록할 수 있다는 이점이 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 촬상 장치(100)는, 상기한 구성을 가지는 것으로 한정되는 것이 아니라, 고체 촬상 소자를 사용하는 촬상 장치이기만 하면 어떤 종류의 구성을 가지는 촬상 장치에도 적용될 수 있다.
또한, 고체 촬상 소자(1) 또는 고체 촬상 소자(2)는 원칩형(one-chip type) 디바이스나, 촬상부와 신호 처리부 또는 광학계가 집단으로 패키징된 촬상 기능을 가지는 모듈형(module type) 디바이스로서 형성될 수 있다. 또한, 본 발명은 고체 촬상 소자뿐 아니라, 촬상 장치에도 적용될 수 있다. 이 경우, 촬상 장치에서는, 화질 향상 효과를 얻을 수 있다. 또한, 촬상 장치는, 예를 들면 카메라나 촬상 기능을 가지는 휴대 기기(portable apparatus)를 가리킨다. 또 "촬상(imaging)"은 통상의 카메라 촬영 시의 상의 촬영을 포함할 뿐 아니라, 광의의 의미로서 지문 검출 등도 포함하는 것이다.
해당 기술분야의 당업자는, 첨부된 청구항의 범위 또는 그와 동등한 범위 내인 한 설계 요건 또는 다른 인자에 따라, 다양한 변형, 조합, 부조합 및 변경이 가능하다는 것을 알아야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예(제1 예)에 따른 고체 촬상 소자의 개략적인 구성을 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예(제2 예)에 따른 고체 촬상 소자의 개략적인 구성을 나타낸 단면도이다..
도 3은 본 발명의 실시예(제1 예)에 따른 고체 촬상 소자의 제조 방법의 제조 프로세스를 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예(제1 예)에 따른 고체 촬상 소자의 제조 방법의 제조 프로세스를 나타낸 단면도이다.
도 5a 및 도 5b는 제1 예에 따른 제조 방법의 변형예의 제조 프로세스를 나타낸 단면도이다.
도 6a∼도 6c는 본 발명의 실시예(제2 예)에 따른 고체 촬상 소자의 제조 방법의 제조 프로세스를 나타낸 단면도이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 실시예(제2 예)에 따른 고체 촬상 소자의 제조 방법의 제조 프로세스를 나타낸 단면도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 촬상 장치를 나타낸 블록도이다.
도 9a 및 도 9b는 계면 준위에 기인한 암전류의 생성을 억제하는 방법을 나타낸, 수광부의 개략 구성을 나타낸 단면도이다.
도 10은 공지의 고체 촬상 소자의 문제점을 설명하기 위한, 음의 고정 전하를 가지는 층이 형성된 공지의 고체 촬상 소자의 개략 구성을 나타낸 단면도이다.

Claims (20)

  1. 반도체 기판에 형성되어 입사광을 전기 신호로 변환하는 센서부를 포함하는 고체 촬상 소자의 제조 방법으로서,
    상기 센서부의 수광면에 정공 축적층의 형성을 유도하는 상기 센서부의 광 입사측 상의 층을 형성하는 단계와,
    상기 기판 내에서 주변 회로부와 상기 센서부의 광 입사측 사이에 불순물 영역 - 상기 불순물 영역은 상기 광 입사측으로부터 이격되고, 정공들이 상기 주변 회로부 내의 주변 회로 요소로 이동하는 것을 방지하도록 기능함 - 을 형성하는 단계를 포함하는, 고체 촬상 소자의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 정공 축적층의 형성을 유도하는 상기 센서부의 광 입사측 상의 상기 층은 산화 하프늄, 산화 알루미늄, 산화 지르코늄, 산화 탄탈, 산화 티탄, 산화 란탄, 산화 프라세오디뮴, 산화 세륨, 산화 네오디뮴, 산화 프로메튬, 산화 사마륨, 산화 유로퓸, 산화 가돌리늄, 산화 테르븀, 산화 디스프로슘, 산화 홀뮴, 산화 에르븀, 산화 튤륨, 산화 이테르븀, 산화 루테튬, 산화 이트륨, 질화 하프늄, 질화 알루미늄, 산질화 하프늄 및 산질화 알루미늄 중 임의의 것으로 제조되는, 고체 촬상 소자의 제조 방법.
  3. 반도체 기판에 형성되어 입사광을 전기 신호로 변환하는 센서부, 상기 센서부의 측방에 위치되도록 상기 반도체 기판에 형성된 주변 회로부, 및 상기 센서부의 수광면에 정공 축적층의 형성을 유도하는 상기 센서부의 광 입사측 상의 층을 포함하는 고체 촬상 소자의 제조 방법으로서,
    상기 정공 축적층의 형성을 유도하는 상기 센서부의 광 입사측 상의 상기 층을 형성하는 단계와,
    상기 정공 축적층의 형성을 유도하는 상기 센서부의 광 입사측 상의 상기 층 중, 상기 주변 회로부 내의 회로 요소 상에 있는 부분을 제거하는 단계와,
    상기 기판 내에서 주변 회로부 회로 요소들과 상기 센서부의 광 입사측 사이에 상기 광 입사측으로부터 이격되는 불순물 영역 - 상기 불순물 영역은 정공들이 상기 주변 회로부 내의 주변 회로 요소로 이동하는 것을 방지하도록 기능함 - 을 형성하는 단계를 포함하는, 고체 촬상 소자의 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 정공 축적층의 형성을 유도하는 상기 층은 산화 하프늄, 산화 알루미늄, 산화 지르코늄, 산화 탄탈, 산화 티탄, 산화 란탄, 산화 프라세오디뮴, 산화 세륨, 산화 네오디뮴, 산화 프로메튬, 산화 사마륨, 산화 유로퓸, 산화 가돌리늄, 산화 테르븀, 산화 디스프로슘, 산화 홀뮴, 산화 에르븀, 산화 튤륨, 산화 이테르븀, 산화 루테튬, 산화 이트륨, 질화 하프늄, 질화 알루미늄, 산질화 하프늄 및 산질화 알루미늄 중 임의의 것으로 제조되는, 고체 촬상 소자의 제조 방법.
  5. 고체 촬상 소자로서,
    반대로 향하는 광 입사측 및 광 비-입사측을 구비하는 반도체 기판과,
    상기 반도체 기판 내에서 입사광을 전기 신호로 변환할 수 있는 센서부와,
    상기 기판 내에서 상기 센서부에 인접하는 주변 회로부와,
    상기 센서부 위에 위치하고, 상기 센서부의 수광면에 정공 축적층의 형성을 유도하는 상기 반도체 기판의 상기 광 입사측 상의 층과,
    상기 반도체 기판의 상기 광 비-입사측 상의 배선층과,
    상기 기판 내에서 상기 주변 회로부와 상기 센서부의 광 입사측 사이에서 상기 반도체 기판의 상기 광 입사측으로부터 이격되는 불순물 영역 - 상기 불순물 영역은 정공들이 상기 주변 회로부 내의 주변 회로 요소들로 이동하는 것을 방지함 - 을 포함하는, 고체 촬상 소자.
  6. 제5항에 있어서, 상기 정공 축적층의 형성을 유도하는 상기 센서부의 광 입사측 상의 상기 층은 산화 하프늄, 산화 알루미늄, 산화 지르코늄, 산화 탄탈, 산화 티탄, 산화 란탄, 산화 프라세오디뮴, 산화 세륨, 산화 네오디뮴, 산화 프로메튬, 산화 사마륨, 산화 유로퓸, 산화 가돌리늄, 산화 테르븀, 산화 디스프로슘, 산화 홀뮴, 산화 에르븀, 산화 튤륨, 산화 이테르븀, 산화 루테튬, 산화 이트륨, 질화 하프늄, 질화 알루미늄, 산질화 하프늄 및 산질화 알루미늄 중 임의의 것으로 제조되는, 고체 촬상 소자.
  7. 제5항에 있어서, 입사광을 전기 신호로 변환하는 상기 센서부를 구비하는 화소부를 더 포함하고,
    상기 배선층은, 상기 화소부를 포함하는 상기 반도체 기판의 표면에 제공되는, 고체 촬상 소자.
  8. 제7항에 있어서, 복수의 화소부를 더 포함하는, 고체 촬상 소자.
  9. 제5항에 있어서, 상기 불순물 영역은 N형 불순물 영역인, 고체 촬상 소자.
  10. 제9항에 있어서, 상기 불순물 영역은, 정공들이 상기 주변 회로부로 확산하는 것을 방지하는 N형 불순물 영역인, 고체 촬상 소자.
  11. 제10항에 있어서, 상기 불순물 영역은 인(P) 또는 비소(As)의 N형 불순물로 형성되는, 고체 촬상 소자.
  12. 제1항에 있어서, 상기 고체 촬상 소자는 상기 주변 회로부 및 상기 주변 회로부에 인접한 상기 센서부의 일부 위에 형성되어 있는 차광층을 포함하는, 고체 촬상 소자의 제조 방법.
  13. 제1항에 있어서, 상기 고체 촬상 소자는 상기 반도체 기판과, 상기 정공 축적층의 형성을 유도하는 상기 센서부의 광 입사측 상의 상기 층 사이의 산화물 층(oxide layer)을 포함하는, 고체 촬상 소자의 제조 방법.
  14. 촬상 장치로서,
    입사광을 집광하는 집광 광학부(condensing optical section)와,
    상기 집광 광학부에서 집광된 광을 수광하여 상기 수광된 광을 광전 변환하는 고체 촬상 소자와,
    광전 변환된 신호를 처리하는 신호 처리부를 포함하고,
    상기 고체 촬상 소자는,
    (a) 반대로 향하는 광 입사측 및 광 비-입사측을 구비하는 반도체 기판과,
    (b) 상기 반도체 기판 내에서 입사광을 전기 신호로 변환할 수 있는 센서부와,
    (c) 상기 기판 내의 주변 회로부와,
    (d) 상기 센서부 위에 위치하고, 상기 센서부의 수광면에 정공 축적층의 형성을 유도하는 상기 반도체 기판의 상기 광 입사측 상의 층과,
    (e) 상기 반도체 기판의 상기 광 비-입사측 상의 배선층과,
    (f) 상기 주변 회로부와 상기 센서부의 광 입사측 사이에서 상기 광 입사측으로부터 이격되는 불순물 영역 - 상기 불순물 영역은 정공들이 상기 주변 회로부 내의 주변 회로 요소로 이동하는 것을 방지하도록 기능함 - 을 포함하는, 촬상 장치.
  15. 제14항에 있어서, 상기 층은 산화 하프늄, 산화 알루미늄, 산화 지르코늄, 산화 탄탈, 산화 티탄, 산화 란탄, 산화 프라세오디뮴, 산화 세륨, 산화 네오디뮴, 산화 프로메튬, 산화 사마륨, 산화 유로퓸, 산화 가돌리늄, 산화 테르븀, 산화 디스프로슘, 산화 홀뮴, 산화 에르븀, 산화 튤륨, 산화 이테르븀, 산화 루테튬, 산화 이트륨, 질화 하프늄, 질화 알루미늄, 산질화 하프늄 및 산질화 알루미늄 중 임의의 것으로 제조되는, 촬상 장치.
  16. 제14항에 있어서, 상기 불순물 영역은 N형 불순물 영역인, 촬상 장치.
  17. 제16항에 있어서, 상기 불순물 영역은, 정공들이 상기 주변 회로부로 확산하는 것을 방지하는 N형 불순물 영역인, 촬상 장치.
  18. 제17항에 있어서, 상기 불순물 영역은 인(P) 또는 비소(As)의 N형 불순물로 형성되는, 촬상 장치.
  19. 제14항에 있어서, 상기 주변 회로부 및 상기 주변 회로부에 인접한 상기 센서부의 일부 위에 형성되어 있는 차광층을 포함하는, 촬상 장치.
  20. 제15항에 있어서, 상기 반도체 기판과, 상기 정공 축적층의 형성을 유도하는 상기 센서부의 광 입사측 상의 상기 층 사이의 산화물 층(oxide layer)을 포함하는, 촬상 장치.
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