KR101653435B1 - 이면 입사형 고체 촬상 소자 - Google Patents

이면 입사형 고체 촬상 소자 Download PDF

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Abstract

이 이면 입사형 고체 촬상 소자는 이면측에 광입사면을 가지는 반도체 기판(4)과, 반도체 기판(4)의 광입사면과는 반대측의 광검출면에 마련된 복수의 전하 전송 전극(2)을 구비한 이면 입사형 고체 촬상 소자에 있어서, 전하 전송 전극(2)의 인접하는 것끼리의 사이에, 광투과용의 복수 개구부(OP)가 형성되어 있다. 또, 각 전하 전송 전극(2) 내에, 광투과용의 복수 개구부(OP)를 형성할 수도 있다.

Description

이면 입사형 고체 촬상 소자{BACK-ILLUMINATED SOLID-STATE IMAGE PICKUP DEVICE}
본 발명은 이면 입사형 고체 촬상 소자에 관한 것이다.
BT(Back-illuminated Thinning)-CCD는 기판의 광입사면측을 박막화한 이면 입사형 고체 촬상 소자로서 알려져 있다. 비특허 문헌 1에 의하면, BT-CCD에 입사하는 피검출광과, 입사한 피검출광이 BT-CCD의 검출측의 면에서 반사한 광과의 사이에서 간섭(에탈론 현상)이 발생하여, 근적외역의 검출 특성에 영향을 준다. 이 에탈론 현상을 억제하기 위해, 동일 문헌에서는 광감응 영역의 두께를 크게 하고, 또한 반사 방지막을 광감응 영역에 마련하는 것으로 하고 있다.
선행 기술 문헌
비특허 문헌
비특허 문헌 1 : 「Etaloning in Back-Illuminated CCDs」, ROPER SCIENTIFIC TECHINICAL NOTE, ROPER SCIENTIFIC 발행, 2000년, No.7
그렇지만 종래 BT-CCD의 해결 수법은 박막화에 의한 검출 감도의 향상이라고 하는 BT-CCD 본래의 이점을 희생하고 있고, 화상 품질의 본질적인 향상으로는 이르지 않았다.
본 발명은 이와 같은 과제에 감안하여 이루어진 것이며, 에탈론 현상에 의한 화상 열화(劣化)를 억제하여, 화상 품질을 향상 가능한 이면 입사형 고체 촬상 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 과제를 해결하기 위해, 본 발명에 관한 이면 입사형 고체 촬상 소자는, 이면측에 광입사면을 가지는 반도체 기판과; 반도체 기판의 광입사면과는 반대측의 광검출면에 마련된 복수의 전하 전송 전극을 구비한 이면 입사형 고체 촬상 소자에 있어서, 전하 전송 전극의 인접하는 것끼리의 사이에, 광투과용의 복수 개구부가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
이면 입사한 광은 광검출면측에 있어서 검출되지만, 본 발명의 고체 촬상 소자에서는 본래, 광검출에 제공하는 광의 일부를, 개구부를 통하여 외부에 투과시키고 있다. 이에 의해, 개구부에 있어서 전하 전송 전극이 없기 때문에, 반사가 억제되고, 입사광과 반사광의 간섭이 억제된다. 따라서 에탈론 현상에 의한 화상 열화가 억제되어, 화상 품질이 향상한다.
또, 상기 개구부는 전하 전송 방향을 따라서 정렬해서 배치되어 있는 것이 바람직하다. 이와 같이, 인접하는 전하 전송 전극의 사이에 형성된 개구부가 정렬되어 있는 경우, 그 구성이 간이함에도 불구하고, 반사광이 억제된다. 그렇지만 이 구조의 경우, 전하 전송 전극의 제조 시 맞춤 정밀도가 요구되며, 맞춤 정밀도가 낮은 경우에는, 각 열마다의 화소에 있어서 개구부의 면적이 다르게 되어, 화소마다의 특성이 고르지 않는 등의 더욱 개량해야 할 여지가 있다.
그래서 상기 개구부는 전하 전송 방향을 따라서 지그재그 형상으로 배치되어 있는 것이 바람직하다. 즉, 개구부는 서로 다르게 배치되어 있다. 이와 같은 지그재그 형상의 개구부 배치를 채용하는 경우, 홀수행째(p+1행째와 p+3행째(p를 0 이상의 정수로 함))의 전하 전송 전극은 동시에 형성되고, 짝수행째(p+2행째와 p+4행째)의 전하 전송 전극이 별도로 동시에 형성된다고 하면, 짝수행째의 전하 전송 전극이 제조 시에 횡방향으로 벗어나 p+1행째와 p+2행째의 전하 전송 전극 사이의 개구부 면적이 증가한 경우, p+3행째와 p+4행째의 전하 전송 전극 사이의 개구부 면적은 감소한다. 즉, 이 구조는 맞춤 정밀도의 톨러런스(tolerance)가 높고, 화소마다의 투과광량은 동일하게 되어, 특성이 균일화한다.
또, 전하 전송 전극의 형상 및 배치에 관해, p+1행째의 전하 전송 전극은 제1 형상을 가지고, p+2행째의 전하 전송 전극은 제2 형상을 가지고, p+3행째의 전하 전송 전극은 제3 형상을 가지고, p+4행째의 전하 전송 전극은 제4 형상을 가지고, 제1 내지 제4 형상은 서로 모두 다르며, p+1행째와 p+2행째의 전하 전송 전극 사이에는 제1 패턴의 개구부가 형성되고, p+3행째와 p+4행째의 전하 전송 전극 사이에는 제2 패턴의 개구부가 형성되고, 제1 및 제2 패턴은 서로 다른 것이 바람직하다.
이와 같은 구조의 경우, 전하 전송 전극의 형상이나 개구부의 패턴이 다르기 때문에, 개구부의 랜덤성이 높고, 예를 들어, p+2행째와 p+4행째의 전하 전송 전극이 횡방향으로 벗어난 경우에 있어서도, 개구부 면적의 변동을 억제할 수 있다.
또, 본 발명에 관한 이면 입사형 고체 촬상 소자는 이면측에 광입사면을 가지는 반도체 기판과, 반도체 기판의 광입사면과는 반대측의 광검출면에 마련된 복수의 전하 전송 전극을 구비한 이면 입사형 고체 촬상 소자에 있어서, 각 전하 전송 전극 내에, 광투과용의 복수 개구부가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
이 구조의 경우에 있어서도, 광검출에 제공하는 광의 일부를, 개구부를 통하여 외부에 투과시키고 있다. 이에 의해, 개구부에 있어서 전하 전송 전극이 없기 때문에, 반사가 억제되고, 입사광과 반사광의 간섭이 억제된다. 따라서 에탈론 현상에 의한 화상 열화가 억제되어 화상 품질이 향상한다.
본 발명의 이면 입사형 고체 촬상 소자에 의하면, 고품질인 화상을 취득할 수 있다.
도 1은 실시 형태에 관한 이면 입사형 고체 촬상 소자(100)의 사시도이다.
도 2는 이면 입사형 고체 촬상 소자(100)를 광입사 방향과는 반대측으로부터 본 저면도이다.
도 3은 표면측(광입사면(이면)과는 반대측)에 형성된 촬상 영역(10)과 수평 시프트 레지스터(20)를 나타내는 도면이다.
도 4는 1개의 화소를 XZ 평면을 따라서 자른 당해 화소의 종단면도이다.
도 5는 비교예의 전하 전송 전극(2)(mp+1 ~ mp+17ㆍㆍ)의 구조를 설명하기 위한 촬상 영역의 평면도이다.
도 6은 도 5에 나타낸 화소에 있어서 B-B 화살표 단면도이다.
도 7은 실시 형태에 관한 전하 전송 전극(2)(mp+1 ~ mp+17ㆍㆍ)의 구조를 설명하기 위한 촬상 영역의 평면도이다.
도 8은 도 7에 나타낸 화소에 있어서 B-B 화살표 단면도이다.
도 9는 실시 형태에 관한 전하 전송 전극(2)(mp+1 ~ mp+17ㆍㆍ)의 구조를 설명하기 위한 촬상 영역의 평면도이다.
도 10은 도 9에 나타낸 화소에 있어서 B1-B1 화살표 단면도이다.
도 11은 도 9에 나타낸 화소에 있어서 B2-B2 화살표 단면도이다.
도 12는 실시 형태에 관한 전하 전송 전극(2)(mp+1 ~ mp+17ㆍㆍ)의 구조를 설명하기 위한 촬상 영역의 평면도이다.
도 13은 실시 형태에 관한 전하 전송 전극(2)(mp+1 ~ mp+17ㆍㆍ)의 구조를 설명하기 위한 촬상 영역의 평면도이다.
이하, 실시 형태에 관한 이면 입사형 고체 촬상 소자(100)에 대해서 설명한다. 또한, 동일 요소에는 동일 부호를 이용하는 것으로 하여, 중복하는 설명은 생략한다.
도 1은 실시 형태에 관한 이면 입사형 고체 촬상 소자(100)의 사시도이다. 또한, 동 도면에는 설명의 편의 상, 서로 직교하는 X축, Y축 및 Z축으로 이루어진 삼차원 직교 좌표계가 나타나 있다.
이면 입사형 고체 촬상 소자(100)는 반도체 기판의 이면측을 KOH 수용액 등으로 에칭하여 박막화한 BT-CCD(전하 결합 소자)이며, 에칭된 중앙 영역에는 오목부(TD)가 형성되고, 오목부(TD)의 주위에는 두꺼운 프레임부가 존재하고 있다. 오목부(TD)의 측면(102a, 102b, 102c, 102d)은 저면(101)에 대해서 둔각을 이루어 경사하고 있다. 또한, 이 프레임부는 에칭에 의해 제거되어, 전 영역이 박막화된 이면 입사형 고체 촬상 소자로 하는 것도 가능하다.
반도체 기판의 박막화된 중앙 영역은 광감응 영역(촬상 영역)이며, 이 광감응 영역에 대상물로부터의 광상(L)이 Z축의 부방향을 따라서 입사한다. 반도체 기판의 오목부(TD)의 저면(101)은 광입사면을 구성하고 있다. 광감응 영역에는 복수의 수직 시프트 레지스터로 이루어진 촬상용의 CCD가 화소로서 형성되어 있다.
도 2는 이면 입사형 고체 촬상 소자(100)를 광입사 방향과는 반대측으로부터 본 저면도이다. 박막화된 반도체 기판의 저면(101)에 대응하는 영역에는 촬상 영역(10)이 형성되어 있다. 촬상 영역(10)에 입사한 광상은 2차원 전하 상(像)으로 변환되고, 이 전하는 Y축의 부방향을 따라서 전송된다. 촬상 영역(10)의 전하 전송 방향의 종단에는 수평 시프트 레지스터(20)가 마련되어 있고, 수직 방향으로 전송되어 온 각 화소의 전하는 X축 방향을 따라서 순차 전송된다. 이면 입사형 고체 촬상 소자(100)의 프레임부에는 복수의 전극 패드가 마련되어 있다.
주된 전극 패드는 2상(相)의 전송 전압을 전하 전송 전극에 인가하기 위한 전극 패드(P1V, P2V), 2상의 전송 전압을 전하 전송 전극에 인가하기 위한 전극 패드(P1H, P2H), 반도체 기판을 그라운드에 접속하기 위한 전극 패드(SS), 수평 방향으로 전송된 전하를 독출하기 위한 전극 패드(SG, OG, OD, RG, RD)이며, 출력은 전극 패드(OS)로부터 취출할 수 있다.
그 외의 전극 패드는 사양에 따라서 적절히 마련하면 좋지만, 본 예에서는 수평 시프트 레지스터(20)에 대한 전하 전송 게이트를 기능시키기 위한 전극 패드(TG), 테스트용 신호를 입력하기 위한 전극 패드(ISV, ISH), 이러한 테스트용 신호의 전하 전송 게이트를 기능시키기 위한 전극 패드(1G1V, 1G2V, 1G1H, 1G2H)를 구비하고 있다. CCD의 전하 전송 방식으로서는 프레임 트랜스퍼 방식, 인터라인 트랜스퍼 방식, 풀ㆍ프레임 트랜스퍼 방식 등이 알려져 있다. 이와 같은 CCD의 구조는 많이 알려져 있어 특별히 한정되지 않지만, 일례로서 풀ㆍ프레임 트랜스퍼 방식의 CCD에 대해서 설명한다.
도 3은 표면측(광입사면(이면)과는 반대측)에 형성된 촬상 영역(10)과 수평 시프트 레지스터(20)를 나타내는 도면이다. 또한, 동 도면은 모식적인 도면이며, X축 방향으로 뻗는 각 전송 전극의 형상은 장방형이고, 이들 사이에 틈새가 존재하도록 기재되어 있지만, 실제로는 이들 중 일부 또는 전부가 겹치고, 그 형상은 후술한 바와 같이, 광투과용의 개구부를 가지도록 설정되어 있다.
촬상 영역(10)은 복수의 수직 시프트 레지스터(n1 ~ nN)(N은 2 이상의 정수), 즉 수직 전하 전송용 CCD가 정렬하여 이루어진다. 또한, 실제의 촬상 영역은 촬상 영역(10)의 중앙 영역이며, 주변의 화소는 필요에 따라서 차광이 행해져 있다. 수직 방향의 화소는 Y축을 따라서 늘어서 있고, 전하 전송 전극(m1 ~ mM)(M은 2 이상의 정수)은 X축을 따라서 뻗어 있다. 전하 전송 전극(m1 ~ mM)에는 전극 패드(P1V, P2V)로부터 2상의 전송 전압이 인가되고, 전하 전송 전극(m1 ~ mM) 바로 아래의 반도체 영역에 축적된 전하를 수직 방향(Y축 부방향)으로 전송한다. 또한, 각 수직 시프트 레지스터(n1 ~ nN)를 구성하는 수직 CCD 채널(반도체 전하 전송 영역)의 사이에는 이 CCD 채널을 흐르는 전하와는 반대 도전형의 아이솔레이션 영역이 형성되어 있고, 아이솔레이션 영역은 다른 화소열로부터 전하의 상호 혼합을 억제하고 있다.
수직 방향의 전하 전송의 최종 위치에는 전송 게이트 전극(mT)이 마련되어 있고, 전극 패드(TG)로부터의 전압에 의존하여, 촬상 영역(10)으로부터 전송 게이트 전극(mT) 바로 아래의 포텐셜을 거쳐 수평 시프트 레지스터(20) 내에 전하가 유입되게 된다. 수평 시프트 레지스터(20)는 수평 방향(X축 정방향)으로 전하를 전송하는 수평 전하 전송용 CCD가 X축을 따라서 정렬한 것이고, X축 방향으로 뻗은 반도체 전하 전송 영역(SR) 상에, 전하 전송 전극(h1 ~ hK)(K는 2 이상의 정수)이 마련되어 이러한 전하 전송 전극이 X축 방향을 따라서 늘어서 있다.
전하 전송 전극(h1 ~ hK)에는 전극 패드(P1H, P2H)로부터 2상의 전송 전압이 인가되고, 전하 전송 전극(h1 ~ hK) 바로 아래의 반도체 영역에 축적된 전하를 수평 방향(X축 방향)으로 전송한다. X축의 전하 전송의 최종 위치에는 전하 독출 회로가 마련되어 있다. 전하 독출 회로는 전극 패드(SG)에 접속된 수평 시프트 레지스터의 종단에 위치하는 신호 게이트 영역을 구비하고 있다. 이 신호 게이트 영역의 근처에는 MOS-FET 구조의 트랜지스터(Q1)를 통하여 플로팅ㆍ디퓨전 영역(FD)이 마련되어 있다. 플로팅ㆍ디퓨전 영역(FD)은 리셋 트랜지스터(Q2)를 통하여 리셋 드레인 전극 패드(RD)에 접속되고, 또 출력 트랜지스터(Q3)의 게이트 전극에 접속되어 있다. 출력 트랜지스터(Q3)의 일방의 단자는 오버플로우 드레인 전극 패드(OD)에 접속되고, 타방은 출력 단자(OS)를 구성하고 있다. 출력 단자(OS)에는 부하 저항(R)이 접속된다. 트랜지스터(Q2)의 게이트 전극에는 리셋 게이트 전극 패드(RG)가 접속되어 있다.
전극 패드(OG, OD, RD)에는 시종(始終) 적당한 하이 레벨의 전위가 인가된다. 신호 독출 시에 있어서는 전극 패드(SG) 및 전극 패드(RG)를 하이 레벨로 하고, 플로팅ㆍ디퓨전 영역(FD)의 전위를 리셋용의 전극 패드(RD)의 리셋 전위로 한 후, 전극 패드(RG)를 로 레벨로 하는 것에 의해, 출력 신호가 플로팅 레벨로 된다. 다음에, 전극 패드(SG)를 로 레벨로 하는 것에 의해, 신호 게이트 영역에 일시적으로 축적되어 있던 신호 전하가 플로팅ㆍ디퓨전 영역(FD) 내에 유입되고, 전극 패드(OS)로부터 취출되는 출력 신호가 축적 전하량에 따른 신호 레벨로 된다.
나머지의 구성은 테스트 동작을 행하기 위한 것이고, 전극 패드(ISV, ISH)로부터 테스트 신호를 입력하고, 전극 패드(IG1V, IG2V, IG1H, IG2H)에, 적당한 전위를 주고, 테스트 동작을 행한다. 전극 패드(ISV)는 반도체 기판에 전기적으로 접속된 전극(mV)에 접속되고, 전극 패드(IG1V, IG2V)는 CCD 채널 상에 절연막을 통하여 마련된 게이트 전극(mG1, mG2)에 접속되어 있다. 이것들에 적당한 신호를 입력하고, 정상적인 경우와는 다른 출력이 얻어진 경우에 이상(異常)이라고 판정한다.
또한, 도 3에 있어서 각 CCD 채널(nN)과 수 개의 전송 전극(mM)의 교차 영역이 각 화소를 구성하고 있다(도 7의 화소 PIXEL 참조).
도 4는 1개의 화소를 XZ 평면을 따라서 자른 당해 화소의 종단면도이다.
입사광(L)은 반도체 기판의 이면(광입사면)으로부터 입사한다. 즉, 반도체 기판은 광입사면을 가지고 있다. 이 화소는 기판 표면측으로부터 순번으로 보호막(1), 전하 전송 전극(2)(=도 3에 나타낸 각 전하 전송 전극(m1 ~ mM)), 절연층(3), Si으로 이루어진 반도체 기판(4), 반사 방지막(5)을 구비하고 있다. 반도체 기판(4)는 P형 반도체 기판(4C)과, P형 반도체 기판(4C) 상에 형성된 N형 반도체층(4A)과, P형 반도체 기판(4C)의 이면측에 형성된 어큐뮬레이션층(4D)과, CCD 채널의 양측에 형성된 아이솔레이션 영역(4B)을 구비하고 있다. P형 반도체 기판(4C)와 N형 반도체층(4A)은 접촉하여 PN 접합을 형성하고 있고, 매립 채널형 CCD가 구성되어 있다. 또한, N형 반도체층(4A)(PN 접합)은 생략할 수도 있고, 이 경우에 당해 CCD는 표면 채널형 CCD로서 기능한다.
본 예에서, 보호막(1)은 BPSG(Boro-Phospho Silicate Glass)로 이루어지고, 전하 전송 전극(2)은 폴리실리콘으로 이루어지고, 절연층(3)은 SiO2로 이루어지고, 아이솔레이션 영역(4B) 및 어큐뮬레이션층(4D)은 모두 고농도의 P형 불순물이 첨가된 Si으로 이루어진다. 또한, 화소에 대해, 반도체에 있어서 도전형은 P형과 N형을 바꿔 넣어도 기능한다. 고농도란 불순물 농도가 P형 반도체 기판(4C)의 불순물 농도보다 높은 것을 의미하며, 매우 적합하게는 1×1019cm3 이상의 농도이다.
여기서, 상기 구조의 고체 촬상 소자의 제조 방법에 대해서 설명한다.
우선, 도 4에 나타내는 바와 같이, P형의 반도체 기판(4C)을 준비한다. 이 반도체 기판(4C)은 박막화되어 있다. 다음에, 화소에 상당하는 영역에 마스크를 패터닝 형성하고, 기판 표면에 P형 불순물을 이온 주입법 또는 확산법을 이용하여 첨가하여 아이솔레이션 영역(4B)을 형성하고, 그 후 열산화를 행하는 것에 의해, 아이솔레이션 영역(4B) 상에 절연층(3)을 형성한다. 다음에, 마스크를 제거하고, 추가로 열산화를 행하면, SiO2로 이루어진 절연층(3)은 실리콘의 광검출면 상에도 형성된다.
이 절연층(3)을 통하여 반도체 기판 내부에 N형의 불순물을 이온 주입하고, 절연층(3) 바로 아래 영역에 N형 반도체층(4A)을 형성한다. 당초의 반도체 기판은 P형 반도체 기판(4C)이기 때문에, 이들 사이에 PN 접합이 형성된다. 다음에 절연층(3) 상에 Al 등의 금속 또는 폴리 실리콘으로 이루어진 전하 전송 전극(2)을 형성하고, 그 상에 BPSG으로 이루어진 보호막(1)을 형성한다.
다음에, 도 4에 나타낸 바와 같이, 반도체 기판(4)의 이면측에, 고농도의 P형 불순물을 첨가하여 어큐뮬레이션층(4D)을 형성하고, 계속해서 어큐뮬레이션층(4D) 상에 반사 방지막(5)을 형성한다. 반사 방지막(5)은 유전체 다층막으로 이루어지고, 예를 들어 Si 및 Ge의 산화물을 적층하여 이루어진다. 이상의 공정에 의해, 상술한 이면 입사형 고체 촬상 소자는 완성되지만, 실제로는 인접하는 전하 전송 전극(2)이 중복하고 있는 구조이기 때문에, 하층의 전하 전송 전극(2)의 형성 후, SiO2로 이루어지며 스페이서로 되는 절연층을 당초의 절연층(3)에 연속하도록 형성하고, 이 스페이서를 통하여, 상층의 전하 전송 전극(2)을 형성한다. 이러한 형성 공정은 다르므로, 하층(홀수행째)의 전하 전송 전극(2)을 형성하기 위한 마스크와 상층(짝수행째)의 전하 전송 전극(2)을 형성하기 위한 마스크의 맞춤 정밀도가 요구된다.
다음에, 전하 전송 전극의 구조에 대해서 설명한다. 우선, 비교예가 되는 종래의 전극 구조에 대해서 설명한다.
도 5는 비교예의 전하 전송 전극(2)(mp+1 ~ mp+17ㆍㆍ)의 구조를 설명하기 위한 촬상 영역의 평면도이며, X축 방향으로 뻗은 복수의 전하 전송 전극과 Y축 방향으로 뻗은 CCD 채널(nN)(nk+1 ~ nk+4)이 나타나 있다(단 p, k는 정수). 동 도면의 점선 PIXEL로 둘러싸인 영역이 1개의 화소에 상당한다. 이 화소에 있어서 A-A 화살표 단면도는 도 4에 나타낸 바와 동일하다.
또, 이 화소에 있어서 B-B 화살표 단면도는 도 6에 나타나 있다. 상층의 전극(mp+6, mp+8, mp+10) 바로 아래에는 저농도의 N형 반도체 영역(4A')이 형성되어 있다. 저농도란 N형 반도체 영역(4A)보다 낮은 불순물 농도를 의미한다. N형 반도체층(4A) 및 저농도의 N형 반도체층(4A')은 P형 반도체 기판(4C)의 표층을 형성하고 있고, 인접하는 N형 반도체층(4A)의 사이에, 저농도의 N형 반도체층(4A')이 위치하고 있다. 이 저농도의 N형 반도체 영역(4A')은 N형 반도체 영역(4A)보다 불순물 농도가 낮아지도록 형성된다. 불순물 농도의 제어 수법으로서는 이러한 형성 시기와 불순물 첨가량을 다르게 하는 방법이나, 절연층(3)의 두께를 저농도측에서 두껍게 해 두고 이것을 통하여 이온 주입을 행하는 방법 등이 있다.
다음에, 상기 실시 형태에 관한 전하 전송 전극의 구조에 대해서 설명한다. 이 전하 전송 전극의 구조는 비교예의 것으로부터 일부분을 절결하여 제거한 것이며, 소위 오픈 게이트 구조를 구성하고 있다.
도 7은 상기 실시 형태에 관한 전하 전송 전극(2)(mp+1 ~ mp+17ㆍㆍ)의 구조를 설명하기 위한 촬상 영역의 평면도이며, X축 방향으로 뻗은 복수의 전하 전송 전극과, Y축 방향으로 뻗은 CCD 채널(nN)(nk+1 ~ nk+4)이 나타나 있다(단 p, k는 정수). 동 도면의 점선 PIXEL로 둘러싸인 영역이 1개의 화소에 상당한다. 이 화소에 있어서 A-A 화살표 단면도는 도 4에 나타낸 바와 동일하다.
또, 이 화소에 있어서 B-B 화살표 단면도는 도 8에 나타나 있다. 상층의 전극(mp+6, mp+8, mp+10) 바로 아래에는 저농도의 N형 반도체 영역(4A')이 형성되어 있다. 이 저농도의 N형 반도체 영역(4A')은 N형 반도체 영역(4A)보다 불순물 농도가 낮아지도록 형성된다. 불순물 농도의 제어 수법은 상술한 대로이다.
전하 전송 방향(Y축)을 따라서 인접하는 전하 전송 전극(2)(mp+1 ~ mp+17ㆍㆍ)의 일부분은 중복하고 있고, 그 형성에 있어서는 하층의 전하 전송 전극(mp+7, mp+9, mp+11ㆍㆍㆍ)의 형성 후, 스페이서가 되는 절연층(3)을 통하여 상층의 전하 전송 전극(mp+6, mp+8, mp+10ㆍㆍㆍ)을 형성한다.
여기서, 도 7에 나타내는 바와 같이, 전하 전송 전극(2)(mp+1 ~ mp+17ㆍㆍ)의 Y축 방향을 따라서 인접하는 것끼리의 사이에는 광투과용의 복수 개구부(OP)가 형성되어 있다. 이하, 전하 전송 전극의 구조에 대해서 상세하게 설명한다. 또한, 이하의 전하 전송 전극의 설명에 있어서, 언급하지 않은 변은 X축으로 평행한 직선이다. 전하 전송 전극(mp+7)의 한 변은 Y축 정방향을 향하여 주기적으로 사다리꼴 형상으로 오목한 절결부를 가지고 있고, 이것에 인접하는 전하 전송 전극(mp+8)의 한 변은 Y축 부방향을 향하여 주기적으로 사다리꼴 형상으로 오목한 절결부를 가지고 있고, 쌍방의 절결부가 대향하는 것으로 개구부(OP)가 화성(畵成)되어 있다.
이와 동일한 관계로, 인접하는 전하 전송 전극(mp+9)과 전하 전송 전극(mp+10)의 절결부 사이에 개구부(OP)가 형성되어 있다. 이러한 4개의 전하 전송 전극(mp+7 ~ mp+10)은 동일한 화소 PIXEL 내에 포함되어 있다. 개구부(OP) 바로 아래의 영역에는 도 8에 나타내는 바와 같이, 고농도의 P형 반도체 영역(4C')이 형성되어 있다. 따라서 이러한 영역에 있어서 PN 접합은 형성되지 않고, 캐리어가 축적되지 않는다.
이면 입사한 광(L)은 광검출면측에 있어서 검출되지만, 본 실시 형태의 고체 촬상 소자에 있어서는 광검출에 제공하는 광의 일부를, 개구부(OP)를 통하여 외부에 투과시키고 있다. 이에 의해, 개구부(OP)에 있어서는 전하 전송 전극이 없기 때문에, 입사광의 반사가 억제되고, 입사광과 반사광의 간섭이 억제된다. 따라서 에탈론 현상에 의한 화상 열화가 억제되어, 화상 품질이 향상한다.
또, 도 7에 나타내는 바와 같이, 복수의 개구부(OP)는 전하 전송 방향(Y축 방향)을 따라서 정렬해서 배치되어 있다. 이와 같이, 인접하는 전하 전송 전극의 사이에 형성된 개구부(OP)가 정렬되어 있는 경우, 그 구성이 간이하다. 그렇지만 이 구조의 경우, 하층 및 상층의 전하 전송 전극의 제조 시의 맞춤 정밀도가 요구되고, 맞춤 정밀도가 낮은 경우에는, 각 열마다의 화소에 있어서 개구부(OP)의 면적이 다르게 되고, 화소마다의 특성이 고르지 않는 등의 더욱 개량해야 할 여지가 있다. 에탈론 특성, 다크 특성 등에 약간의 고정 노이즈 패턴이 발생할 우려도 있다. 그래서 개구부(OP)의 배열을 더욱 개량한 실시 형태에 대해서, 다음에 설명한다.
도 9는 이 실시 형태에 관한 전하 전송 전극(2)(mp+1 ~ mp+17ㆍㆍ)의 구조를 설명하기 위한 촬상 영역의 평면도이며, X축 방향으로 뻗은 복수의 전하 전송 전극과 Y축 방향으로 뻗은 CCD 채널(nN)(nk+1 ~ nk+4)이 나타나 있다(단 p, k는 정수). 동 도면의 점선 PIXEL로 둘러싸인 영역이 1개의 화소에 상당한다. 이 화소에 있어서 A-A 화살표 단면도는 도 4에 나타낸 바와 동일하다.
또, 이 화소에 있어서 B1-B1 화살표 단면도는 도 10에 나타나 있고, B2-B2 화살표 단면도는 도 11에 나타나 있다. 상층의 전극(mp+6, mp+8, mp+10) 바로 아래에는 저농도의 N형 반도체 영역(4A')이 형성되어 있다. 이 저농도의 N형 반도체 영역(4A')은 N형 반도체 영역(4A)보다 불순물 농도가 낮아지도록 형성된다. 불순물 농도의 제어 수법은 상술한 대로이다.
전하 전송 방향(Y축)을 따라서 인접하는 전하 전송 전극(2)(mp+1 ~ mp+17ㆍㆍ)의 일부분은 중복하고 있고, 그 형성에 있어서는 하층의 전하 전송 전극(mp+7, mp+9, mp+11ㆍㆍㆍ)의 형성 후, 스페이서가 되는 절연층(3)을 통하여 상층의 전하 전송 전극(mp+6, mp+8, mp+10ㆍㆍㆍ)을 형성한다.
도 7에 나타낸 바와 동일하게, 도 9의 구조에 있어서도, 전하 전송 전극(2)(mp+1 ~ mp+17ㆍㆍ)의 Y축 방향을 따라서 인접하는 것끼리의 사이에는 광투과용의 복수 개구부(OP)가 형성되어 있다. 전하 전송 전극(mp+7)의 한 변은 Y축 정방향을 향하여 주기적으로 사다리꼴 형상으로 오목한 절결부를 가지고 있고, 이것에 인접하는 전하 전송 전극(mp+8)의 한 변은 Y축 부방향을 향하여 주기적으로 사다리꼴 형상으로 오목한 절결부를 가지고 있고, 쌍방의 절결부가 대향하는 것으로 개구부(OP)가 화성되어 있다. 이러한 절결부의 형성 위치의 X축 방향을 따른 주기는 동일하다.
이와 동일한 관계로, 인접하는 전하 전송 전극(mp+9)과 전하 전송 전극(mp+10)의 절결부 사이에 개구부(OP)가 형성되어 있다. 이러한 절결부의 형성 위치의 X축 방향을 따른 주기는 동일하지만, 전하 전송 전극(mp+7, mp+8)의 절결부 형성 위치란, 말하자면 X축 방향을 따른 형성 위치의 위상이 반전한 관계를 가지고 있다. 이러한 4개의 전하 전송 전극(mp+7 ~ mp+10)은 동일한 화소 PIXEL 내에 포함되어 있다. 개구부(OP) 바로 아래의 영역에는 도 10에 나타내는 바와 같이, 고농도의 P형 반도체 영역(4C')이 형성되어 있다. 따라서 이러한 영역에 있어서 PN 접합은 형성되지 않고, 캐리어가 축적되지 않는다.
여기서, 도 9에 나타내는 바와 같이, 개구부(OP)는 전하 전송 방향(Y축 방향)을 따라서 지그재그 형상으로 배치되어 있다. 즉, 개구부(OP)는 서로 다르게 배치되어 있다. 상술한 바와 같이, 하층에 위치하는 홀수행째의 전하 전송 전극(mp+1, mp+3, mp+5, mp+7ㆍㆍㆍ)은 동시에 형성되고, 상층에 위치하는 짝수행째(mp+2, mp+4, mp+6, mp+8ㆍㆍㆍ)의 전하 전송 전극은 하층 전극의 형성 후에 있어서 동시에 형성된다. 따라서 본 실시 형태와 같은 지그재그 형상의 개구부 배치를 채용하는 경우, 짝수행째의 전하 전송 전극이 제조 시에 횡방향으로 벗어나고, 예를 들어, 전하 전송 전극(mp+7)과 전하 전송 전극(mp+8) 사이의 개구부(OP)의 면적이 증가한 경우, 전하 전송 전극(mp+9)과 전하 전송 전극(mp+10) 사이의 개구부(OP)의 면적은 감소한다. 즉, 이 구조는 맞춤 정밀도의 톨러런스가 높고, 화소마다의 투과광량은 동일하게 되어, 특성이 균일화하는 이점을 가지고, 고정 노이즈 패턴의 발생도 억제된다.
다음에, 상기 전하 전송 전극의 구조를 더욱 변형한 실시 형태에 대해서 설명한다.
도 12는 이 실시 형태에 관한 전하 전송 전극(2)(mp+1 ~ mp+17ㆍㆍ)의 구조를 설명하기 위한 촬상 영역의 평면도이며, X축 방향으로 뻗은 복수의 전하 전송 전극과 Y축 방향으로 뻗은 CCD 채널(nN)(nk+1 ~ nk+4)이 나타나 있다(단 p, k는 정수). 동 도면의 점선 PIXEL로 둘러싸인 영역이 1개의 화소에 상당한다. 상기 실시 형태와의 차이점은 전하 전송 전극(2)(mp+1 ~ mp+17ㆍㆍ)의 형상과 배치뿐이다. 그 외의 구성은 개구부(OP) 바로 아래에 있어서 P형의 불순물이 첨가되고, 도 8, 도 10 또는 도 11에 나타난 바와 같이, P형 반도체 영역(4C')이 형성되어 있는 점을 제외하고, 상술한 실시 형태와 동일하다. 또, 전하 전송 방향(Y축)에 수직이며 개구부를 통하지 않는 평면에서 자른 화소의 단면 구조는 도 4에 나타낸 바와 동일하다.
전하 전송 전극(mp+7)은 제1 형상을 가지고, 전하 전송 전극(mp+8)은 제2 형상을 가지고, 전하 전송 전극(mp+9)은 제3 형상을 가지고, 전하 전송 전극(p+4)은 제4 형상을 가지고 있다. 이러한 제1 내지 제4 형상은 서로 모두 다르며, 이러한 4개의 형상이 화소마다 전하 전송 방향을 따라서 반복되고 있다.
전하 전송 전극(mp+7)이 가지는 제1 형상은 그 한 변이 Y축 정방향을 향하여 주기적으로 사다리꼴 형상으로 오목한 절결부를 가지고 있다.
전하 전송 전극(mp+8)이 가지는 제2 형상은 그 한 변이 Y축 부방향을 향하여 주기적으로 사다리꼴 형상으로 오목한 절결부를 가지고 있지만, 그 주기는 전하 전송 전극(mp+7)과 동일하고, 절결부의 최오부(最奧部)의 변의 길이가 전하 전송 전극(mp+7)과는 다르다. 전하 전송 전극(mp+7)과 전하 전송 전극(mp+8)의 절결부는 대향하여 제1 패턴의 개구부(OP)를 형성하고 있다.
전하 전송 전극(mp+9)이 가지는 제3 형상은 그 한 변이 Y축 정방향을 향하여 주기적으로 사다리꼴 형상 또는 삼각 형상으로 오목한 절결부를 가지고 있다. 전하 전송 전극(mp+9)에 대해서, X축 방향의 단위길이당 절결부의 수는 전하 전송 전극(mp+7, mp+8)의 절결부의 수보다 많다. 또한, 사다리꼴 형상의 절결부과 삼각 형상의 절결부는 X축을 따라서 교대로 형성되어 있다.
전하 전송 전극(mp+10)이 가지는 제4 형상은 그 한 변이 Y축 부방향을 향하여 주기적으로 사다리꼴 형상으로 오목한 절결부를 가지고 있지만, 그 주기는 전하 전송 전극(mp+9)과 동일하고, 절결부의 최오부의 변 길이가 전하 전송 전극(mp+9)에 있어서 사다리꼴 형상 절결부의 최오부의 변 길이보다 길다. 이러한 전하 전송 전극(mp+9)과 전하 전송 전극(mp+10)의 절결부는 대향하여 제2 패턴의 개구부(OP)를 형성하고 있다. 또, 개구부(OP)의 제1 패턴 및 제2 패턴은 서로 다르다.
이와 같은 구조의 경우, 전하 전송 전극의 형상이나 개구부의 패턴이 다르기 때문에, 개구부(OP)의 랜덤성이 높고, 예를 들어, 전하 전송 전극(mp+8과 mp+10)이 횡방향으로 벗어난 경우에 있어서도, 개구부 면적의 변동을 억제할 수 있다.
또한, 상기 전하 전송 전극의 일반 형상은 p를 0 이상의 정수로 한 경우, p+1행째의 전하 전송 전극은 제1 형상을 가지고, p+2행째의 전하 전송 전극은 제2 형상을 가지고, p+3행째의 전하 전송 전극은 제3 형상을 가지고, p+4행째의 전하 전송 전극은 제4 형상을 가지고 있다고 표현할 수 있다.
도 13은 다른 실시 형태에 관한 전하 전송 전극(2)(mp+1 ~ mp+17ㆍㆍ)의 구조를 설명하기 위한 촬상 영역의 평면도이며, X축 방향으로 뻗은 복수의 전하 전송 전극과 Y축 방향으로 뻗은 CCD 채널(nN)(nk+1 ~ nk+4)이 나타나 있다(단 p, k는 정수). 동 도면의 점선 PIXEL로 둘러싸인 영역이 1개의 화소에 상당한다. 상기 비교예와의 차이점은 X축을 따라서 직선적으로 뻗은 전하 전송 전극(2)(mp+1 ~ mp+17ㆍㆍ)이 각각 복수의 개구부(OP)를 가지고 있는 점이며, 개구부(OP) 바로 아래에는 P형의 불순물이 첨가되고, 도 8, 도 10 또는 도 11에 나타나는 P형 반도체 영역(4C')이 개구부(OP) 바로 아래에 형성되어 있다. 그 외의 구성은 상술한 비교예와 동일하다. 또, 전하 전송 방향(Y축)에 수직이며 개구부를 통하지 않는 평면에서 자른 화소의 단면 구조는 도 4에 나타낸 바와 동일하다. 또한, 각 화소 내의 개구부(OP)의 수 및 배열은 서로 동일하다.
이와 같이, 본 실시 형태의 고체 촬상 소자에서는 각 전하 전송 전극(2)(mp+1 ~ mp+17ㆍㆍ) 중에, 광투과용의 복수 개구부(OP)가 형성되어 있고, 광검출에 제공하는 광의 일부를, 개구부(OP)를 통하여 외부에 투과시키고 있다. 이에 의해, 개구부(OP)에 있어서는 전하 전송 전극이 없기 때문에, 입사광의 반사가 억제되고, 입사광과 반사광의 간섭이 억제된다. 따라서 에탈론 현상에 의한 화상 열화가 억제되어, 화상 품질이 향상한다.
또한, 본 발명은 상기 실시 형태로 한정되는 것이 아니며, 예를 들어, 반도체 재료로서는 GaAs나 GaN 등의 화합물 반도체를 이용하는 것도 가능하다.
100ㆍㆍㆍ이면 입사형 고체 촬상 소자,
Lㆍㆍㆍ입사광,
1ㆍㆍㆍ보호막,
2ㆍㆍㆍ전하 전송 전극,
3ㆍㆍㆍ절연층,
4ㆍㆍㆍ반도체 기판,
5ㆍㆍㆍ반사 방지막,
4AㆍㆍㆍN형 반도체층,
4Bㆍㆍㆍ아이솔레이션 영역,
4CㆍㆍㆍP형 반도체 기판,
4Dㆍㆍㆍ어큐뮬레이션층.

Claims (5)

  1. 이면측에 광입사면을 가지는 반도체 기판과,
    상기 반도체 기판의 상기 광입사면과는 반대측의 광검출면에 마련된 복수의 전하 전송 전극을 구비한 이면 입사형 고체 촬상 소자에 있어서,
    상기 전하 전송 전극의 인접하는 것끼리의 사이에, 광투과용의 복수 개구부가 형성되어 있고,
    p는 0 이상의 정수이며,
    p+1행째의 상기 전하 전송 전극은 제1 형상을 가지고,
    p+2행째의 상기 전하 전송 전극은 제2 형상을 가지고,
    p+3행째의 상기 전하 전송 전극은 제3 형상을 가지고,
    p+4행째의 상기 전하 전송 전극은 제4 형상을 가지고, 상기 제1 내지 제4 형상은 서로 모두 다르며,
    p+1행째와 p+2행째의 상기 전하 전송 전극 사이에는 제1 패턴의 상기 개구부가 형성되고,
    p+3행째와 p+4행째의 상기 전하 전송 전극 사이에는 제2 패턴의 상기 개구부가 형성되고,
    상기 제1 및 제2 패턴은 서로 다른 것을 특징으로 하는 이면 입사형 고체 촬상 소자.
  2. 이면측에 광입사면을 가지는 반도체 기판과,
    상기 반도체 기판의 상기 광입사면과는 반대측의 광검출면에 마련된 복수의 전하 전송 전극을 구비한 이면 입사형 고체 촬상 소자에 있어서,
    각 전하 전송 전극 내에, 광투과용의 복수 개구부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이면 입사형 고체 촬상 소자.
  3. 이면 입사형 고체 촬상 소자에 있어서,
    반도체 기판과,
    상기 반도체 기판상에 인접하여 마련되고, 인접하는 것끼리의 사이에 형성되는 개구부가, 전하 전송 방향을 따라서 지그재그 형상으로 배치된 전하 전송 전극을 구비하고,
    상기 반도체 기판은,
    제1 도전형의 반도체 기판과,
    상기 제1 도전형의 반도체 기판상에 형성된 제2 도전형의 반도체 영역을 구비하고,
    상기 제1 도전형의 반도체 기판과 상기 제2 도전형의 반도체 영역의 사이에는, PN 접합이 형성되고,
    상기 개구부의 바로 아래 영역에는, 상기 제1 도전형의 반도체 기판과 동일 도전형의 반도체 영역이 형성되어 있고, PN 접합이 형성되어 있지 않은 것을 특징으로 하는 이면 입사형 고체 촬상 소자.
  4. 삭제
  5. 삭제
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