KR101688249B1 - 이면 입사형 고체 촬상 소자 - Google Patents
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Abstract
이 이면 입사형 고체 촬상 소자는 이면측에 광입사면을 가지는 반도체 기판(4)과, 반도체 기판(4)의 광입사면과 반대측의 광검출면에 마련된 전하 전송 전극(2)을 구비한 이면 입사형 고체 촬상 소자에 있어서, 광검출면은 요철면을 가지고 있다. 광검출면이 요철면을 가지고 있는 것에 의해, 입사광의 위상에 대해서, 요철면에서 반사되는 광이 분산한 위상차를 가지므로, 이러한 간섭광끼리가 상쇄되어 에탈론 현상이 억제된다. 따라서 이 이면 입사형 고체 촬상 소자에 의하면 고품질인 화상을 취득할 수 있다.
Description
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 전하 전송 전극을 구비한 이면 입사형 고체 촬상 소자에 있어서, 광검출면은 요철면을 가지고 있는 것을 특징으로 한다.
광검출면이 요철면을 가지고 있는 것에 의해, 입사광의 위상에 대해서, 요철면에서 반사되는 광이 분산한 위상차를 가지므로, 이러한 광끼리가 상쇄되어, 에탈론 현상이 억제된다. 따라서 이 이면 입사형 고체 촬상 소자에 의하면, 고품질인 화상을 취득할 수 있다.
요철면은 광검출면에만 형성되어 있는 것이 바람직하다. 즉, 광입사면은 요철을 가지지 않았다. 광입사면측에 요철면을 형성한 경우, 이 표면에 있어서 산란이 생겨 화질이 열화되기 때문이다.
요철면 내의 각 요철의 패턴은 이면 입사형 고체 촬상 소자의 각 화소 내에 있어서 동일한 것이 바람직하다. 개개의 화소에 있어서 요철 패턴(평면 형상과 깊이)이 다른 경우에는 간섭에 의해 고정 노이즈 패턴이 나타날 가능성이 있다. 본 발명에서는 각 화소 내에 있어서 요철 패턴은 동일하기 때문에, 이와 같은 고정 노이즈 패턴의 발생을 억제할 수 있다. 또한, 여기서 동일이란 수학적으로 엄밀한 동일이 아니라, 실질적인 동일을 의미하며, 형상의 치수의 오차, 또는 깊이의 오차가 ±10% 이내이면, 패턴이 동일한 것으로 한다.
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 반도체 기판(4)만을 잘라내 나타내는 설명도이다.
도 6은 이면 입사형 고체 촬상 소자의 제조 방법을 나타내는 도면이다.
도 7은 비교예가 되는 화소의 단면도이다.
도 8은 각 파장(nm)에 대한 투과율(%), 반사율(%) 및 흡수율(%)의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 9는 다른 두께(17.00㎛, 17.06㎛)의 Si에 있어서 파장(nm)과 양자 효율(%)의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 10은 도 9에 나타낸 그래프의 부분적인 확대도이다.
도 11은 입사광의 파장(nm)과, 실시 형태의 이면 입사형 고체 촬상 소자(구조 1)와, 비교예의 이면 입사형 고체 촬상 소자(구조 2)에 있어서 출력(규격화된 출력:최대값=1.0)의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 12는 실시 형태에 관한 고체 촬상 소자 표면의 요철 구조의 전자 현미경 사진을 나타내는 도면이다(요철의 패턴 A).
도 13은 도 12의 사진에 대한 확대 사진을 나타내는 도면이다.
도 14는 도 13의 사진에 대한 확대 사진을 나타내는 도면이다.
도 15는 실시 형태의 변형예에 관한 고체 촬상 소자 표면의 요철 구조의 전자 현미경 사진을 나타내는 도면이다(요철의 패턴 B).
도 16은 도 15의 사진에 대한 확대 사진을 나타내는 도면이다.
도 17은 도 16의 사진에 대한 확대 사진을 나타내는 도면이다.
도 18은 실시 형태의 변형예에 관한 고체 촬상 소자 표면의 요철 구조의 전자 현미경 사진을 나타내는 도면이다(요철의 패턴 C).
도 19는 도 18의 사진에 대한 확대 사진을 나타내는 도면이다.
도 20은 도 19의 사진에 대한 확대 사진을 나타내는 도면이다.
도 21은 전하 전송 전극(2)의 구조를 설명하기 위한 촬상 영역의 평면도이다.
도 22는 도 21에 나타난 화소에 있어서 B-B 화살표 단면도이다.
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 반도체 기판(4)만을 잘라내 나타내는 설명도이다.
도 6은 이면 입사형 고체 촬상 소자의 제조 방법을 나타내는 도면이다.
도 7은 비교예가 되는 화소의 단면도이다.
도 8은 각 파장(nm)에 대한 투과율(%), 반사율(%) 및 흡수율(%)의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 9는 다른 두께(17.00㎛, 17.06㎛)의 Si에 있어서 파장(nm)과 양자 효율(%)의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 10은 도 9에 나타낸 그래프의 부분적인 확대도이다.
도 11은 입사광의 파장(nm)과, 실시 형태의 이면 입사형 고체 촬상 소자(구조 1)와, 비교예의 이면 입사형 고체 촬상 소자(구조 2)에 있어서 출력(규격화된 출력:최대값=1.0)의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 12는 실시 형태에 관한 고체 촬상 소자 표면의 요철 구조의 전자 현미경 사진을 나타내는 도면이다(요철의 패턴 A).
도 13은 도 12의 사진에 대한 확대 사진을 나타내는 도면이다.
도 14는 도 13의 사진에 대한 확대 사진을 나타내는 도면이다.
도 15는 실시 형태의 변형예에 관한 고체 촬상 소자 표면의 요철 구조의 전자 현미경 사진을 나타내는 도면이다(요철의 패턴 B).
도 16은 도 15의 사진에 대한 확대 사진을 나타내는 도면이다.
도 17은 도 16의 사진에 대한 확대 사진을 나타내는 도면이다.
도 18은 실시 형태의 변형예에 관한 고체 촬상 소자 표면의 요철 구조의 전자 현미경 사진을 나타내는 도면이다(요철의 패턴 C).
도 19는 도 18의 사진에 대한 확대 사진을 나타내는 도면이다.
도 20은 도 19의 사진에 대한 확대 사진을 나타내는 도면이다.
도 21은 전하 전송 전극(2)의 구조를 설명하기 위한 촬상 영역의 평면도이다.
도 22는 도 21에 나타난 화소에 있어서 B-B 화살표 단면도이다.
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 간극이 존재하도록 기재되어 있지만, 실제로 이들은 겹쳐져 있고, 또한 형상도 다양한 형태를 채용할 수 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 21의 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, 상술한 이면 입사형 고체 촬상 소자는 반도체 기판(4)의 광입사면과 반대측의 광검출면에 마련된 전하 전송 전극(2)을 구비하고 있고, 광검출면(N형 반도체층(4A)의 Z축 부방향의 표면)은 요철면을 가지고 있다. 물론, N형 반도체층(4A)의 Z축 정방향의 표면도, 동일하게 P형 반도체 기판(4C)의 Z축 부방향의 표면도, 절연층(3)의 양면도, 전하 전송 전극(2)의 양면도 요철면을 가지고 있다.
이와 같이, 광검출면이 요철면을 가지고 있는 것에 의해, 입사광의 위상에 대해서, 요철면에서 반사되는 광이 분산한 위상차를 가지므로, 이러한 광끼리가 상쇄되어, 에탈론 현상이 억제된다. 따라서 이 이면 입사형 고체 촬상 소자에 의하면, 고품질인 화상을 취득할 수 있다. 또한, 도 7은 비교예가 되는 화소의 단면을 나타내고 있고, 반도체 기판의 광검출면은 평탄하다. 도 7에 나타내는 구조는 요철면이 형성되어 있지 않은 점을 제외하고, 도 4에 나타낸 바와 동일하다.
도 4에 나타낸 실시 형태에서, 요철면은 광검출면에만 형성되어 있다. 즉, 광입사면인 반도체 기판(4)의 이면은 요철을 가지지 않고 평탄하다. 이것은 광입사면측에 요철면을 형성한 경우, 이 표면에 있어서 산란이 생겨 화질이 열화되기 때문이다.
광상(L)이 이면으로부터 반도체 기판(4)에 입사한 경우, 반도체 기판(4) 내에 있어서 광전 변환이 행해져서, 캐리어가 발생한다. 이 캐리어는 전하 전송 전극(2) 아래의 영역에 축적되고, 전송 전압을 인가하는 것에 의해, Y축 방향으로 전송되어 간다. 여기서, 반도체 기판(4)의 광검출면에 형성된 요철면에 대해서 설명한다.
도 5는 반도체 기판(4)만을 잘라내 나타내는 설명도이다. 오목부의 최심부(最深部)와 볼록부의 정점(頂点) 또는 정면(頂面)과의 사이 거리(반도체 기판의 두께 방향을 따른 거리)를 D1, 인접하는 오목부의 최심부 사이의 최단 거리를 T1로 한다. 또한, 볼록부란 오목부에 대해서 상대적으로 높이를 가지는 형상이며, 평탄면에 복수의 오목부를 형성하고 있는 경우, 이 평탄면을 볼록부의 정면으로 한다. 반대로, 평탄면으로부터 복수의 돌기가 입설되어 있는 경우에, 오목부의 최심부는 평탄면이 된다.
본 예의 요철 구조에 있어서는 거리(T1)는 면 내에서 동일하고, 형성된 요철 패턴에는 주기성이 있다. 또한, 거리(T1)는 인접하는 볼록부 사이의 최단 거리로 해도 좋다. 광상(L)은 기판 이면으로부터 입사되지만, 여기서, 광상(L) 중 실선으로 나타나는 오목부의 최심부의 이면측에 조사되는 성분과 점선으로 나타나는 볼록부의 정점 또는 정면에 조사되는 성분에 대해서 생각한다. 이러한 성분 사이에는 거리(D1)에 상당하는 광학적 위상차가 생기고 있다. 반도체 기판(4)의 두께(평균)를 d, 입사광의 파장을 λ, 실리콘의 굴절률을 n, 입사각을 θ, 자연수를 m으로 하면, d=17㎛, λ=850nm, n=4, θ=0˚, m=160의 경우에 있어서, 간섭의 식(2nd/cosθ=mλ, 입사각 θ을 표면의 수선으로부터 취한 경우)으로부터, 위상 반전에 필요한 반도체 기판(4)의 두께는 0.06㎛ 이상이 된다. 또, 간섭의 억제에 유효한 거리(D1)의 범위, 0.06 ~ 1㎛로 하는 것이 바람직하다.
또, 요철면 내의 각 요철의 패턴은 이면 입사형 고체 촬상 소자의 각 화소 내에 있어서 동일하다. 개개의 화소에 있어서 요철 패턴(평면 형상과 깊이)이 다른 경우에는 간섭에 의해 고정 노이즈 패턴이 나타날 가능성이 있다. 본 발명에서, 각 화소 내에 있어서 요철 패턴은 동일하기 때문에, 이와 같은 고정 노이즈 패턴의 발생을 억제할 수 있다. 또한, 여기서 동일이란 수학적으로 엄밀한 동일이 아니라, 실질적인 동일을 의미하며, 형상의 치수의 오차, 또는 깊이의 오차가 ±10% 이내이면, 패턴이 동일한 것으로 한다.
도 6은 상술한 이면 입사형 고체 촬상 소자의 제조 방법을 나타내는 도면이다.
우선, P형의 반도체 기판(4)을 준비한다. 다음에, 반도체 기판(4)의 표면을 열산화하고, SiO2로 이루어진 제1 절연층(31)을 형성하고, 계속해서 제1 절연층(31) 상에 스퍼터법 등으로 SiNX로 이루어진 제2 절연층(32)을 형성한다(도 6(a)). 또한, 제2 절연층(32)을 복수의 개구를 가지도록 포토 레지스트를 이용하여 패터닝하고, 개구 바로 아래의 제1 절연층(31)의 영역을 외부에 노출시킨다(도 6(b)). 그 후, 제2 절연층(32)을 마스크로 하고, 제1 절연층(31)의 표면을 선택 산화하는 것에 의해, 그 두께를 증가시킨다(도 6(c)). 다음에, 제2 절연층(32)을 에칭에 의해 제거하고, 추가로 제1 절연층(31)을 에칭에 의해 제거한다. 이에 의해, 반도체 기판(4)의 광검출면이 되는 영역에 복수의 오목부(DP)가 형성된다(도 6(d)).
또한, SiNX의 에칭액으로서는 고온의 인산을 이용할 수 있고, SiO2의 에칭액으로서는 불산을 이용할 수 있지만, 물론 SiNX는 CF4 등을 이용한 드라이 에칭으로 제거하는 것도 가능하다. 또한, 하지측(下地側)에 SiO2를 이용하고 있기 때문에, 많은 개구를 SiNX로 이루어진 제2 절연층(32)에 형성해 두면, 제1 절연층(31)을 웨트 에칭할 때에 상부의 제2 절연층(32)는 리프트 오프하여 제거된다.
다음에, 복수의 오목부(DP)가 형성된 영역 상에 마스크(RE)를 패터닝 형성한다(도 6(c)). 이 마스크(RE)는 적당한 레지스트를 이용하여 패터닝된 무기 절연층으로 이루어진 것으로 해도 좋고, 액상의 포토 레지스트 자체로 구성해도 좋으며, 드라이 필름과 같은 레지스트 시트라고 해도 좋다. 마스크(RE)를 반도체 기판(4)에 피착시킨 상태에서, 기판 표면에 P형 불순물을 이온 주입법 또는 확산법을 이용하여 첨가해서 아이솔레이션 영역(4B)을 형성하고, 그 후 열산화를 행하는 것에 의해, 아이솔레이션 영역(4B) 상에 절연층(3)을 형성한다. 이러한 공정의 순번은 반대이어도 좋다. 또한, 열산화를 행하는 경우에, 마스크(RE)는 내열성이 있는 무기 재료를 이용하거나, 또는 마스크(RE)가 레지스트로 이루어진 경우에는 이것을 내열성이 있는 무기 재료로 치환하는 패터닝을 행해 둔다.
다음에, 마스크(RE)를 제거하고, 추가로 열산화를 행한다. 이에 의해 SiO2로 이루어진 절연층(3)은 실리콘의 광검출면 상에도 형성되고, 오목부(DP)의 형상을 따라서 게이트 절연막이 형성된다. 이 절연층(3)을 통하여 반도체 기판 내부에 N형의 불순물을 이온 주입하고, 절연층(3)의 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 위에 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 이루어지며, 예를 들어 Si 및 Ge의 산화물을 적층해서 이루어진다. 이상의 공정에 의해, 상술한 이면 입사형 고체 촬상 소자는 완성되지만, 실제로는 인접하는 전하 전송 전극(2)이 중복되어 있는 구조이기 때문에, 하층의 전하 전송 전극(2)의 형성 후, 스페이서가 되는 절연층을 통하여 상층의 전하 전송 전극(2)을 형성한다.
도 21은 본 예의 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. 도 4는 이 화소에 있어서 A-A 화살표 단면도를 나타낸 것이다.
또, 이 화소에 있어서 B-B 화살표 단면도는 도 22에 나타나 있다. 상층의 전극(mp+6, mp+8, mp+10)의 바로 아래에는 저농도의 N형 반도체 영역(4A')이 형성되어 있다. 저농도란 N형 반도체 영역(4A)보다 낮은 불순물 농도를 의미한다. 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.
여기서, 비교예(도 7의 구조)에 있어서 에탈론 현상(간섭)에 대해서 설명해 둔다.
도 8은 각 파장(nm)에 대한 투과율(%), 반사율(%) 및 흡수율(%)의 관계를 나타내는 그래프이다.
통상, 가시광의 촬상에 있어서 간섭은 크게 문제는 되지 않지만, 이면 입사형 고체 촬상 소자에 있어서, 파장이 700nm의 후반보다 길고, 근적외역에 도달하면, 간섭에 의해 투과율(%), 반사율(%) 및 흡수율(=QE)(%)이 파장마다 크게 진동하게 된다. 또한, 흡수율은 파장의 증가에 수반해서 저하되어 간다. 이 스펙트럼 곡선의 진동 현상에 있어서, 수nm 스케일의 진동 성분은 Si에 있어서 간섭에 기인하고, 100nm 스케일의 진동 성분은 전하 전송 전극(폴리 실리콘)이나 절연층(SiO2)에 있어서 간섭에 기인한다. 최근, 근적외 대역의 촬상이 요구되고 있고, 이와 같은 간섭 성분은 저감되는 것이 바람직하다.
도 9는 다른 두께(17.00㎛, 17.06㎛)의 Si에 있어서 파장(nm)과 양자 효율(QE)(%)의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 10은 도 9에 나타낸 그래프의 부분적인 확대도이다. 파장의 증가와 함께 양자 효율은 저하되고 있지만, 두께의 상위에 의해, 위상 반전이 생기고 있고, 평균값의 스펙트럼 변동은 작아지고 있다. 즉, 상술한 실시 형태에 관한 이면 입사형 고체 촬상 소자에 의하면, 광검출면이 요철면을 가지고 있기 때문에, 스펙트럼 변동이 작아진다.
도 11은 입사광의 파장(nm)과, 실시 형태의 이면 입사형 고체 촬상 소자(구조 1)와, 비교예의 이면 입사형 고체 촬상 소자(구조 2)에 있어서 출력(규격화된 출력:최대값=1.0)의 관계를 나타내는 그래프이다. 실시 형태에서는 스펙트럼의 진동이 억제되고 있는데 대해, 비교예에서는 스펙트럼이 크게 진동하고 있다.
도 12는 상기 실시 형태에 관한 고체 촬상 소자 표면의 요철 구조의 전자 현미경 사진을 나타내는 도면이다(요철의 패턴 A). 도 13은 도 12의 사진에 대한 확대 사진, 도 14는 도 13의 사진에 대한 확대 사진을 나타내는 도면이다. 또한, 오목부의 깊이는 0.1㎛이다. 패턴 A에서는 원형 오목부의 개구 직경은 1㎛, 인접하는 오목부의 중심 사이의 거리(T1)는 2㎛, 오목부의 이격 거리는 1㎛이다.
도 15는 상기 실시 형태의 변형예에 관한 고체 촬상 소자 표면의 요철 구조의 전자 현미경 사진을 나타내는 도면이다(요철의 패턴 B). 또한, 오목부의 깊이는 0.1㎛이다. 패턴 B는 패턴 A보다 오목부의 밀도를 저하시킨 것이다. 도 16은 도 15의 사진에 대한 확대 사진, 도 17은 도 16의 사진에 대한 확대 사진을 나타내는 도면이다. 패턴 B에서는 원형 오목부의 개구 직경은 1㎛, 인접하는 오목부의 중심 사이의 거리(T1)는 3㎛, 오목부의 이격 거리는 2㎛이다.
도 18은 상기 실시 형태의 변형예에 관한 고체 촬상 소자 표면의 요철 구조의 전자 현미경 사진을 나타내는 도면이다(요철의 패턴 C). 또한, 오목부의 깊이는 0.1㎛이다. 패턴 C는 오목부의 형상을 Y축을 따른 반 원통면 형상(홈 형상)으로 한 것이다. 도 19는 도 18의 사진에 대한 확대 사진, 도 20은 도 19의 사진에 대한 확대 사진을 나타내는 도면이다. 패턴 C에서는 라인 형상의 오목부의 폭은 1㎛, 인접하는 오목부의 중심 사이의 거리(T1)는 3㎛, 오목부의 이격 거리는 2㎛이다.
상술한 바와 같이, 오목부를 형성하여, 에탈론 현상을 억제하는 것은 가능하고, 이에 의해 에탈론 현상에 의한 화상 열화를 억제하고, 화상 품질을 향상 가능한 이면 입사형 고체 촬상 소자를 제공하는 것이 가능하게 된다. 또한, 본 발명은 상기 실시 형태로 한정되는 것이 아니며, 예를 들어, 반도체 재료로서는 GaAs나 GaN 등의 화합물 반도체를 이용하는 것도 가능하다. 또, 광감응 영역에 있어서 화소로서는 MOS형의 이미지 센서의 포토 다이오드를 채용하는 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.
Lㆍㆍㆍ입사광,
1ㆍㆍㆍ보호막,
2ㆍㆍㆍ전하 전송 전극,
3ㆍㆍㆍ절연층,
4ㆍㆍㆍ반도체 기판,
5ㆍㆍㆍ반사 방지막,
4AㆍㆍㆍN형 반도체층,
4Bㆍㆍㆍ아이솔레이션 영역,
4CㆍㆍㆍP형 반도체 기판,
4Dㆍㆍㆍ어큐뮬레이션층.
Claims (6)
- 이면측에 광입사면을 가지는 반도체 기판과,
상기 반도체 기판의 상기 광입사면과는 반대측의 광검출면에 마련된 전하 전송 전극을 구비한 이면 입사형 고체 촬상 소자에 있어서,
상기 이면 입사형 고체 촬상 소자는 전하 결합 소자이며,
상기 광검출면의 상기 전하 전송 전극이 마련되어 있는 영역은 요철면을 가지고,
상기 반도체 기판이 Si인 것을 특징으로 하는 이면 입사형 고체 촬상 소자. - 청구항 1에 있어서,
상기 반도체 기판의 상기 요철면은 상기 반도체 기판의 상기 광검출면에만 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이면 입사형 고체 촬상 소자. - 청구항 1에 있어서,
상기 요철면 내의 각 요철의 패턴은 상기 이면 입사형 고체 촬상 소자의 각 화소 내에 있어서 동일한 것을 특징으로 하는 이면 입사형 고체 촬상 소자. - 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전하 전송 전극의 양면은 요철면을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 이면 입사형 고체 촬상 소자. - 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
상기 반도체 기판의 상기 광검출면과 상기 전하 전송 전극의 사이에는 절연층이 개재하여 있으며, 상기 절연층의 양면은 요철면을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 이면 입사형 고체 촬상 소자. - 청구항 1에 있어서,
상기 요철면에 있어서 오목부의 최심부(最深部)와 볼록부의 정점(頂点) 또는 정면(頂面)과의 사이의, 상기 반도체 기판의 두께 방향을 따른 거리를 D1로 하면, 거리 D1은 0.06 ~ 1㎛인 것을 특징으로 하는 이면 입사형 고체 촬상 소자.
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