KR102425588B1 - 고체 촬상 장치 및 그 제조 방법, 및 전자 기기 - Google Patents

고체 촬상 장치 및 그 제조 방법, 및 전자 기기 Download PDF

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요시키 에비코
카즈후미 와타나베
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Abstract

본 개시는, 혼색 악화를 억제하면서, 감도를 향상시킬 수 있도록 하는 고체 촬상 장치 및 그 제조 방법, 및 전자 기기에 관한 것이다. 고체 촬상 장치는, 2차원 배치되는 각 화소의 광전변환 영역의 수광면측 계면에 마련된 모스아이 구조의 반사 방지부와, 반사 방지부의 계면 이하에 마련된 입사광을 차광하는 화소 사이 차광부를 구비한다. 또한, 광전변환 영역은 반도체 영역이고, 화소 사이 차광부는, 화소 경계의 반도체 영역을 깊이 방향으로 파들어간 트렌치 구조를 갖는다. 본 개시의 기술은, 예를 들면, 이면 조사형의 고체 촬상 장치 등에 적용할 수 있다.

Description

고체 촬상 장치 및 그 제조 방법, 및 전자 기기{SOLID-STATE IMAGING DEVICE, METHOD FOR MANUFACTURING SAME, AND ELECTRONIC APPARATUS}
본 개시는, 고체 촬상 장치 및 그 제조 방법, 및 전자 기기에 관한 것으로, 특히, 혼색 악화를 억제하면서, 감도를 향상시킬 수 있도록 하는 고체 촬상 장치 및 그 제조 방법, 및 전자 기기에 관한 것이다.
고체 촬상 장치에 있어서, 입사광의 반사를 방지하기 위한 구조로서, 포토 다이오드가 형성되는 실리콘층의 수광면측의 계면에 미소한 요철 구조를 마련하는, 이른바 모스아이 구조가 제안되어 있다(예를 들면, 특허 문헌 1, 2 참조).
특허 문헌 1 : 일본국 특개2010-272612호 공보 특허 문헌 2 : 일본국 특개2013-33864호 공보
그러나, 모스아이 구조는, 입사광의 반사를 방지하여 감도를 향상시킬 수 있지만 산란도 커지고, 이웃하는 화소에 광이 누입되는 양도 많아지기 때문에, 혼색이 악화한다.
본 개시는, 이와 같은 상황을 감안하여 이루어진 것으로, 혼색 악화를 억제하면서, 감도를 향상시킬 수 있도록 하는 것이다.
본 개시의 제1의 측면의 고체 촬상 장치는, 2차원 배치되는 각 화소의 광전변환 영역의 수광면측 계면에 마련된 모스아이 구조의 반사 방지부와, 상기 반사 방지부의 계면 이하에 마련된 입사광을 차광하는 화소 사이 차광부를 구비한다.
본 개시의 제2의 측면의 고체 촬상 장치의 제조 방법은, 2차원 배치되는 각 화소의 광전변환 영역의 수광면측 계면에 모스아이 구조의 반사 방지부를 형성함과 함께, 상기 반사 방지부의 계면 이하에 입사광을 차광하는 화소 사이 차광부를 형성한다.
본 개시의 제2의 측면에서는, 2차원 배치되는 각 화소의 광전변환 영역의 수광면측 계면에 모스아이 구조의 반사 방지부가 형성됨과 함께, 상기 반사 방지부의 계면 이하에 입사광을 차광하는 화소 사이 차광부가 형성된다.
본 개시의 제3의 측면의 전자 기기는, 2차원 배치되는 각 화소의 광전변환 영역의 수광면측 계면에 마련된 모스아이 구조의 반사 방지부와, 상기 반사 방지부의 계면 이하에 마련된 입사광을 차광하는 화소 사이 차광부를 구비하는 고체 촬상 장치를 구비한다.
본 개시의 제1 및 제3의 측면에서는, 2차원 배치되는 각 화소의 광전변환 영역의 수광면측 계면에 모스아이 구조의 반사 방지부가 마련됨과 함께, 상기 반사 방지부의 계면 이하에 입사광을 차광하는 화소 사이 차광부가 마련된다.
고체 촬상 장치 및 전자 기기는, 독립한 장치라도 좋고, 다른 장치에 조립되는 모듈이라도 좋다.
본 개시의 제1 내지 제3의 측면에 의하면, 혼색 악화를 억제하면서, 감도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 개시에 관한 고체 촬상 장치의 개략 구성을 도시하는 도면.
도 2는 제1의 실시의 형태에 관한 화소의 단면 구성례를 도시하는 도면.
도 3은 화소의 제조 방법에 관해 설명하는 도면.
도 4는 화소의 제조 방법에 관해 설명하는 도면.
도 5는 화소의 기타의 제조 방법에 관해 설명하는 도면.
도 6은 본 개시의 화소 구조의 효과를 설명하는 도면.
도 7은 본 개시의 화소 구조의 효과를 설명하는 도면.
도 8은 제2의 실시의 형태에 관한 화소의 단면 구성례를 도시하는 도면.
도 9는 제2의 실시의 형태에 관한 화소의 제조 방법에 관해 설명하는 도면.
도 10은 화소의 다양한 개소의 최적 조건에 관해 설명하는 도면.
도 11은 화소 구조의 제1의 베리에이션을 도시하는 도면.
도 12는 화소 구조의 제2의 베리에이션을 도시하는 도면.
도 13은 화소 구조의 제3의 베리에이션을 도시하는 도면.
도 14는 화소 구조의 제4의 베리에이션을 도시하는 도면.
도 15는 화소 구조의 제5의 베리에이션을 도시하는 도면.
도 16은 화소 구조의 제6의 베리에이션을 도시하는 도면.
도 17은 화소 구조의 제7의 베리에이션을 도시하는 도면.
도 18은 화소 구조의 제8의 베리에이션을 도시하는 도면.
도 19는 화소 구조의 제9의 베리에이션을 도시하는 도면.
도 20은 화소 구조의 제10의 베리에이션을 도시하는 도면.
도 21은 화소 구조의 제11의 베리에이션을 도시하는 도면.
도 22는 화소 구조의 제12의 베리에이션을 도시하는 도면.
도 23은 화소 구조의 제13의 베리에이션을 도시하는 도면.
도 24는 화소 구조의 제14의 베리에이션을 도시하는 도면.
도 25는 화소 구조의 제15의 베리에이션을 도시하는 도면.
도 26은 화소 구조의 제16의 베리에이션을 도시하는 도면.
도 27은 개시에 관한 전자 기기로서의 촬상 장치의 구성례를 도시하는 블록도.
이하, 본 개시를 실시하기 위한 형태(이하, 실시의 형태라고 한다)에 관해 설명한다. 또한, 설명은 이하의 순서로 행한다.
1. 고체 촬상 장치의 개략 구성례
2. 제1의 실시의 형태에 관한 화소 구조(반사 방지부와 화소 사이 차광부를 갖는 화소 구조)
3. 제2의 실시의 형태에 관한 화소 구조(화소 사이 차광부에 메탈을 충전한 화소 구조)
4. 화소 구조의 변형례
5. 전자 기기에의 적용례
<1.고체 촬상 장치의 개략 구성례>
도 1은, 본 개시에 관한 고체 촬상 장치의 개략 구성을 도시하고 있다.
도 1의 고체 촬상 장치(1)는, 반도체로서 예를 들면 실리콘(Si)을 사용한 반도체 기판(12)에, 화소(2)가 2차원 어레이형상으로 배열된 화소 어레이부(3)와, 그 주변의 주변 회로부를 갖고서 구성된다. 주변 회로부에는, 수직 구동 회로(4), 칼럼 신호 처리 회로(5), 수평 구동 회로(6), 출력 회로(7), 제어 회로(8) 등이 포함된다.
화소(2)는, 광전변환 소자로서의 포토 다이오드와, 복수의 화소 트랜지스터를 갖고서 이루어진다. 복수의 화소 트랜지스터는, 예를 들면, 전송 트랜지스터, 선택 트랜지스터, 리셋 트랜지스터, 및, 증폭 트랜지스터의 4개의 MOS 트랜지스터로 구성된다.
또한, 화소(2)는, 공유 화소 구조로 할 수도 있다. 이 화소 공유 구조는, 복수의 포토 다이오드와, 복수의 전송 트랜지스터와, 공유되는 하나의 플로팅디퓨전(부유 확산 영역)과, 공유된 하나씩의 다른 화소 트랜지스터로 구성된다. 즉, 공유 화소에서는, 복수의 단위 화소를 구성하는 포토 다이오드 및 전송 트랜지스터가, 다른 하나씩의 화소 트랜지스터를 공유하여 구성된다.
제어 회로(8)는, 입력 클록과, 동작 모드 등을 지령하는 데이터를 수취하고, 또한 고체 촬상 장치(1)의 내부 정보 등의 데이터를 출력한다. 즉, 제어 회로(8)는, 수직 동기 신호, 수평 동기 신호 및 마스터 클록에 의거하여, 수직 구동 회로(4), 칼럼 신호 처리 회로(5) 및 수평 구동 회로(6) 등의 동작의 기준이 되는 클록 신호나 제어 신호를 생성한다. 그리고, 제어 회로(8)는, 생성한 클록 신호나 제어 신호를, 수직 구동 회로(4), 칼럼 신호 처리 회로(5) 및 수평 구동 회로(6) 등에 출력한다.
수직 구동 회로(4)는, 예를 들면 시프트 레지스터에 의해 구성되고, 화소 구동 배선(10)을 선택하고, 선택된 화소 구동 배선(10)에 화소(2)를 구동하기 위한 펄스를 공급하고, 행 단위로 화소(2)를 구동한다. 즉, 수직 구동 회로(4)는, 화소 어레이부(3)의 각 화소(2)를 행 단위로 순차적으로 수직 방향으로 선택 주사하고, 각 화소(2)의 광전변환부에서 수광량에 응하여 생성된 신호 전하에 의거한 화소 신호를, 수직 신호선(9)을 통하여 칼럼 신호 처리 회로(5)에 공급한다.
칼럼 신호 처리 회로(5)는, 화소(2)의 열마다 배치되어 있고, 1행분의 화소(2)로부터 출력되는 신호를 화소열마다 노이즈 제거 등의 신호 처리를 행한다. 예를 들면, 칼럼 신호 처리 회로(5)는, 화소 고유의 고정 패턴 노이즈를 제거하기 위한 CDS(Correlated Double Sampling : 상관 2중 샘플링) 및 AD 변환 등의 신호 처리를 행한다.
수평 구동 회로(6)는, 예를 들면 시프트 레지스터에 의해 구성되고, 수평 주사 펄스를 순차적으로 출력함에 의해, 칼럼 신호 처리 회로(5)의 각각을 순번대로 선택하고, 칼럼 신호 처리 회로(5)의 각각으로부터 화소 신호를 수평 신호선(11)에 출력시킨다.
출력 회로(7)는, 칼럼 신호 처리 회로(5)의 각각으로부터 수평 신호선(11)을 통하여 순차적으로 공급되는 신호에 대해, 신호 처리를 행하여 출력한다. 출력 회로(7)는, 예를 들면, 버퍼링만 하는 경우도 있고, 흑레벨 조정, 열 편차 보정, 각종 디지털 신호 처리 등이 행하여지는 경우도 있다. 입출력 단자(13)는, 외부와 신호의 교환을 한다.
이상과 같이 구성된 고체 촬상 장치(1)는, CDS 처리와 AD 변환 처리를 행하는 칼럼 신호 처리 회로(5)가 화소열마다 배치된 칼럼 AD 방식이라고 불리는 CMOS 이미지 센서이다.
또한, 고체 촬상 장치(1)는, 화소 트랜지스터가 형성되는 반도체 기판(12)의 표면측과 반대측의 이면측부터 광이 입사되는 이면 조사형의 MOS형 고체 촬상 장치이다.
<2. 제1의 실시의 형태에 관한 화소 구조>
<화소의 단면 구성례>
도 2는, 제1의 실시의 형태에 관한 화소(2)의 단면 구성례를 도시하는 도면이다.
고체 촬상 장치(1)는, 반도체 기판(12)과, 그 표면측(도면 중 하측)에 형성된 다층 배선층(21)과, 지지 기판(22)을 구비한다.
반도체 기판(12)은, 예를 들면 실리콘(Si)으로 구성되고, 예를 들면 1 내지 6㎛의 두께를 갖고서 형성되어 있다. 반도체 기판(12)에서는, 예를 들면, P형(제1 도전형)의 반도체 영역(41)에, N형(제2 도전형)의 반도체 영역(42)이 화소(2)마다 형성됨에 의해, 포토 다이오드(PD)가 화소 단위로 형성되어 있다. 반도체 기판(12)의 표리 양면에 임하는 P형의 반도체 영역(41)은, 암전류 억제를 위한 정공 전하 축적 영역을 겸하고 있다.
또한, N형의 반도체 영역(42)의 사이가 되는 각 화소(2)의 화소 경계에서는, P형의 반도체 영역(41)이, 후술하는 화소 사이 차광부(47)를 형성하기 위해, 도 2에 도시되는 바와 같이 깊게 파들어가 있다.
전하 축적 영역이 되는 N형의 반도체 영역(42)의 상측의 P형의 반도체 영역(41)의 계면(수광면측 계면)은, 미세한 요철 구조를 형성한, 이른바 모스아이 구조에 의해, 입사광의 반사를 방지하는 반사 방지부(48)를 구성한다. 반사 방지부(48)에서, 요철의 주기(週期)에 상당하는 방추(紡錘)형상의 볼록부의 피치는, 예를 들면, 40㎚ 내지 200㎚의 범위로 설정되어 있다.
다층 배선층(21)은, 복수의 배선층(43)과 층간 절연막(44)을 갖는다. 또한, 다층 배선층(21)에는, 포토 다이오드(PD)에 축적된 전하의 판독 등을 행하는 복수의 화소 트랜지스터(Tr)도 형성되어 있다.
반도체 기판(12)의 이면측에는, P형의 반도체 영역(41)의 상면을 피복하도록, 피닝층(45)이 성막되어 있다. 피닝층(45)은, 반도체 기판(12)과의 계면 부분에서 정전하(홀) 축적 영역이 형성되어 암전류의 발생이 억제되도록, 부의 고정 전하를 갖는고 유전체를 사용하여 형성되어 있다. 부의 고정 전하를 갖도록 피닝층(45)을 형성함으로써, 그 부의 고정 전하에 의해, 반도체 기판(12)과의 계면에 전계가 걸려지기 때문에, 정전하 축적 영역이 형성된다.
피닝층(45)은, 예를 들면, 산화하프늄(HfO2)을 사용하여 형성된다. 또한, 이산화지르코늄(ZrO2), 산화탄탈(Ta2O5) 등을 사용하여, 피닝층(45)을 형성하여도 좋다.
투명 절연막(46)은, P형의 반도체 영역(41)의 파들어가는 부분에 매입됨과 함께, 반도체 기판(12)의 피닝층(45) 상부의 이면측 전면에 형성되어 있다. 투명 절연막(46)이 매입된 P형의 반도체 영역(41)의 파들어가는 부분은, 인접하는 화소(2)로부터의 입사광이 누입을 방지하는 화소 사이 차광부(47)를 구성한다.
투명 절연막(46)은, 광을 투과시킴과 함께 절연성을 가지며, 굴절율(n1)이 반도체 영역(41 및 42)의 굴절율(n2)보다도 작은(n1<n2) 재료이다. 투명 절연막(46)의 재료로서는, 산화실리콘(SiO2), 질화실리콘(SiN), 산질화실리콘(SiON), 산화하프늄(HfO2), 산화알루미늄(Al2O3), 산화지르코늄(ZrO2), 산화탄탈(Ta2O5), 산화티탄(TiO2), 산화란탄(La2O3), 산화프라세오디뮴(Pr2O3), 산화세륨(CeO2), 산화네오디뮴(Nd2O3), 산화프로메튬(Pm2O3), 산화사마륨(Sm2O3), 산화유로퓸(Eu2O3), 산화가돌리늄(Gd2O3), 산화테르븀(Tb2O3), 산화디스프로슘(Dy2O3), 산화홀뮴(Ho2O3), 산화툴륨(Tm2O3), 산화이테르븀(Yb2O3), 산화루테튬(Lu2O3), 산화이트륨(Y2O3), 수지 등을, 단독 또는 조합시켜서 사용할 수 있다.
또한, 투명 절연막(46)을 형성하기 전에, 피닝층(45)의 상측에, 반사 방지막을 적층하여도 좋다. 반사 방지막의 재료로서는, 질화실리콘(SiN), 산화하프늄(HfO2), 산화알루미늄(Al2O3), 산화지르코늄(ZrO2), 산화탄탈(Ta2 Ta5), 산화티탄(TiO2), 산화란탄(La2O3), 산화프라세오디뮴(Pr2O3), 산화세륨(CeO2), 산화네오디뮴(Nd2O3), 산화프로메튬(Pm2O3), 산화사마륨(Sm2O3), 산화유로퓸(Eu2O3), 산화가돌리늄(Gd2O3), 산화테르븀(Tb2O3), 산화디스프로슘(Dy2O3), 산화홀뮴(Ho2O3), 산화툴륨(Tm2O3), 산화이테르븀(Yb2O3), 산화루테튬(Lu2O3), 산화이트륨(Y2O3) 등을 사용할 수 있다.
반사 방지막은, 모스아이 구조의 반사 방지부(48)의 상면(上面)에만 성막하여도 좋고, 피닝층(45)과 마찬가지로, 반사 방지부(48)의 상면과, 화소 사이 차광부(47)의 측면의 양쪽에 성막하여도 좋다.
투명 절연막(46)상의 화소 경계의 영역에는, 차광막(49)이 형성되어 있다. 차광막(49)의 재료로서는, 광을 차광하는 재료라면 좋고, 예를 들면, 텅스텐(W), 알루미늄(Al) 또는 구리(Cu) 등을 사용할 수 있다.
차광막(49)을 포함하는 투명 절연막(46)의 상측 전면에는, 평탄화막(50)이 형성되어 있다. 평탄화막(50)의 재료로서는, 예를 들면, 수지 등의 유기 재료를 사용할 수 있다.
평탄화막(50)의 상측에는, Red(적), Green(녹), 또는 Blue(청)의 컬러 필터층(51)이 화소마다 형성된다. 컬러 필터층(51)은, 예를 들면 안료나 염료 등의 색소를 포함하는 감광성 수지를 회전 도포함에 의해 형성된다. Red, Green, Blue의 각 색은, 예를 들면 베이어 배열에 의해 배치되는 것으로 하지만, 기타의 배열 방법으로 배치되어도 좋다. 도 2의 예에서는, 우측의 화소(2)에는, Blue(B)의 컬러 필터층(51)이 형성되어 있고, 좌측의 화소(2)에는, Green(G)의 컬러 필터층(51)이 형성되어 있다.
컬러 필터층(51)의 상측에는, 온 칩 렌즈(52)가 화소(2)마다 형성되어 있다. 온 칩 렌즈(52)는, 예를 들면, 스티렌계 수지, 아크릴계 수지, 스티렌-아크릴 공중합계 수지, 또는 실록산계 수지 등의 수지계 재료로 형성된다. 온 칩 렌즈(52)에서는 입사된 광이 집광되고, 집광된 광은 컬러 필터층(51)을 통하여 포토 다이오드(PD)에 효율 좋게 입사된다.
고체 촬상 장치(1)의 화소 어레이부(3)의 각 화소(2)는, 이상과 같이 구성되어 있다.
<제1의 실시의 형태에 관한 화소의 제조 방법>
다음에, 도 3 및 도 4를 참조하여, 제1의 실시의 형태에 관한 화소(2)의 제조 방법에 관해 설명한다.
처음에, 도 3의 A에 도시되는 바와 같이, 반도체 기판(12)의 이면측의 P형의 반도체 영역(41)의 상면에 포토레지스트(81)가 도포되고, 리소그래피 기술에 의해, 반사 방지부(48)의 모스아이 구조의 오목부가 되는 부분이 개구하도록 포토레지스트(81)가 패턴 가공된다.
그리고, 패턴 가공된 포토레지스트(81)에 의거하여, 반도체 기판(12)에 대해 드라이 에칭 처리를 시행함에 의해, 도 3의 B에 도시되는 바와 같이, 반사 방지부(48)의 모스아이 구조의 오목부가 형성되고, 그 후, 포토레지스트(81)가 제거된다. 또한, 반사 방지부(48)의 모스아이 구조는, 드라이 에칭 처리가 아니라, 웨트 에칭 처리에 의해 형성할 수도 있다.
다음에, 도 3의 C에 도시되는 바와 같이, 반도체 기판(12)의 이면측의 P형의 반도체 영역(41)의 상면에 포토레지스트(82)가 도포되고, 리소그래피 기술에 의해, 화소 사이 차광부(47)의 파들어가는 부분이 개구하도록 포토레지스트(82)가 패턴 가공된다.
그리고, 패턴 가공된 포토레지스트(82)에 의거하여, 반도체 기판(12)에 대해 이방성의 드라이 에칭 처리를 시행함에 의해, 도 3의 D에 도시되는 바와 같이, 화소 사이 차광부(47)의 트렌치 구조가 형성되고, 그 후, 포토레지스트(82)가 제거된다. 이에 의해, 트렌치 구조의 화소 사이 차광부(47)가 형성된다.
반도체 기판(12)의 깊은 위치까지 파들어갈 필요가 있는 화소 사이 차광부(47)는, 이방성 에칭 처리로 형성된다. 이에 의해, 화소 사이 차광부(47)를 테이퍼가 없는 파들어가는 형상으로 할 수 있고, 도파로(導波路) 기능이 발생한다.
다음에, 도 4의 A에 도시되는 바와 같이, 모스아이 구조의 반사 방지부(48)와 트렌치 구조의 화소 사이 차광부(47)가 형성된 반도체 기판(12)의 표면 전체에, 예를 들면 CVD(Chemical Vapor Deposition)법에 의해, 피닝층(45)이 형성된다.
다음에, 도 4의 B에 도시되는 바와 같이, 피닝층(45)의 상면에, 투명 절연막(46)이, 예를 들면 CVD법 등의 매입성이 높은 성막 방법 또는 충전 재료를 사용하여 형성된다. 이에 의해, 파들어가진 화소 사이 차광부(47)의 내부에도, 투명 절연막(46)이 충전된다.
그리고, 도 4의 C에 도시되는 바와 같이, 화소 사이가 되는 영역에 관해서만, 리소그래피 기술에 의해 차광막(49)이 형성된 후, 도 4의 D에 도시되는 바와 같이, 평탄화막(50), 컬러 필터층(51), 온 칩 렌즈(52)가, 그 순서로 형성된다.
도 2의 구조를 갖는 고체 촬상 장치(1)는, 이상과 같이 하여 제조할 수 있다.
<제1의 실시의 형태에 관한 화소의 기타의 제조 방법>
상술한 제조 방법에서는, 처음에, 모스아이 구조의 반사 방지부(48)를 형성하고, 다음에, 트렌치 구조의 화소 사이 차광부(47)를 형성하였다. 그러나, 반사 방지부(48)와 화소 사이 차광부(47)를 형성하는 순서는 반대라도 좋다.
그래서, 도 5를 참조하여, 트렌치 구조의 화소 사이 차광부(47)를 우선 형성하고 나서, 모스아이 구조의 반사 방지부(48)를 형성하는 경우의 제조 방법에 관해 설명한다.
우선, 도 5의 A에 도시되는 바와 같이, 반도체 기판(12)의 이면측의 P형의 반도체 영역(41)의 상면에 포토레지스트(91)가 도포되고, 리소그래피 기술에 의해, 화소 사이 차광부(47)의 트렌치 부분이 개구하도록 포토레지스트(91)가 패턴 가공된다.
그리고, 패턴 가공된 포토레지스트(91)에 의거하여, 반도체 기판(12)에 대해 이방성의 드라이 에칭 처리를 시행함에 의해, 도 5의 B에 도시되는 바와 같이, 화소 사이 차광부(47)의 트렌치 부분이 형성되고, 그 후, 포토레지스트(91)가 제거된다. 이에 의해, 트렌치 구조의 화소 사이 차광부(47)가 형성된다.
다음에, 도 5의 C에 도시되는 바와 같이, P형의 반도체 영역(41)의 상면에 포토레지스트(92)가 도포되고, 리소그래피 기술에 의해, 반사 방지부(48)의 모스아이 구조의 오목부가 되는 부분이 개구하도록 포토레지스트(92)가 패턴 가공된다.
그리고, 패턴 가공된 포토레지스트(92)에 의거하여, 반도체 기판(12)에 대해 드라이 에칭 처리를 시행함에 의해, 도 5의 D에 도시되는 바와 같이, 반사 방지부(48)의 모스아이 구조의 오목부가 형성되는 후, 포토레지스트(92)가 제거된다. 이에 의해, 모스아이 구조의 반사 방지부(48)가 형성된다. 또한, 반사 방지부(48)의 모스아이 구조는, 드라이 에칭 처리가 아니라, 웨트 에칭 처리에 의해 형성할 수도 있다.
도 5의 D에 도시되는 상태는, 도 3의 D에 도시되는 상태와 같다. 따라서 그 이후의 투명 절연막(46)이나 평탄화막(50) 등의 제조 방법에 관해서는, 상술한 도 4와 마찬가지이기 때문에 설명은 생략한다.
<제1의 실시의 형태에 관한 화소 구조의 효과>
도 6은, 도 2에 도시한 화소(2)의 화소 구조의 효과를 설명하는 도면이다.
도 6의 A는, 모스아이 구조의 반사 방지부(48)에 의한 효과를 설명하는 도면이다.
반사 방지부(48)는, 모스아이 구조를 가짐에 의해, 입사광의 반사가 방지된다. 이에 의해, 고체 촬상 장치(1)의 감도를 향상시킬 수 있다.
도 6의 B는, 트렌치 구조의 화소 사이 차광부(47)에 의한 효과를 설명하는 도면이다.
종래, 화소 사이 차광부(47)가 마련되지 않은 경우에는, 반사 방지부(48)에 의해 산란한 입사광이, 광전변환 영역(반도체 영역(41 및 42))을 뚫고 나가는 경우가 있다. 화소 사이 차광부(47)는, 모스아이 구조의 반사 방지부(48)에 의해 산란한 입사광을 반사시켜, 광전변환 영역 내에 입사광을 가두는 효과를 갖는다. 이에 의해, 실리콘 흡수시키는 광학 거리가 연장하기 때문에, 감도를 향상시킬 수 있다.
화소 사이 차광부(47)의 굴절율을 n1=1.5(SiO2 상당), 광전변환 영역이 형성되어 있는 반도체 영역(41)의 굴절율을 n2=4.0이라고 하면, 그 굴절율 차(n1<n2)에 의해 도파로 효과(광전변환 영역 : 코어, 화소 사이 차광부(47) : 클래드)가 발생하기 때문에, 입사광은 광전변환 영역 내에 갇혀진다. 모스아이 구조는, 광산란에 의해 혼색을 악화시키는 결점이 있지만, 화소 사이 차광부(47)와 조합시킴에 의해 혼색의 악화를 지울 수 있고, 또한, 광전변환 영역을 진행된 입사각도가 커짐에 의해, 광전변환 효율을 향상시키는 메리트를 발생시킨다.
도 7은, 본 개시의 화소(2)의 화소 구조의 효과를 다른 구조와 비교하여 도시한 도면이다.
*도 7의 A 내지 도 7의 D 각각은 상하 2단 구성으로 되어 있고, 상측의 도면은, 화소의 단면 구조도를 도시하고 있고, 하측의 도면은, 상단의 화소 구조를 갖는 화소에 Green의 평행광을 입사시킨 경우의 반도체 기판(12) 내의 광강도(光强度)를 도시하는 분포도이다. 또한, 이해를 용이하게 하기 위해, 도 7의 A 내지 도 7의 D에서, 도 2의 화소(2)의 구조와 대응하는 부분에 관해서는 동일한 부호를 붙이고 있다.
도 7의 A 상단은, 일반적인 고체 촬상 장치의 화소 구조를 도시하고 있고, 모스아이 구조의 반사 방지부(48)도 트렌치 구조에 의한 화소 사이 차광부(47)도 갖지 않고, 피닝층(45A)이, P형의 반도체 영역(41)상에 평탄하게 형성되어 있는 화소 구조를 도시하고 있다.
도 7의 A 하단에 도시되는 광강도를 도시하는 분포도에서는, 광강도가 강한 영역일수록, 진한 농도로 나타나고 있다. Green 화소의 수광 감도를 기준(1.0)으로 하면, Blue 화소에서도 약간의 Green 광이 통과하기 때문에, 도 7의 A의 Blue 화소의 수광 감도는, 0.06이 되고, 2화소 토탈의 수광 감도는, 1.06이 된다.
도 7의 B 상단은, P형의 반도체 영역(41)상에 모스아이 구조의 반사 방지부(48)만이 형성된 화소 구조를 도시하고 있다.
도 7의 B 하단에 도시되는 광강도의 분포도를 보면, 모스아이 구조의 반사 방지부(48)에 의해 산란한 입사광이, 이웃하는 Blue 화소에 누입되어 있다. 그 때문에, Green 화소의 수광 감도가 0.90로 저하되어 있고, 한편, 이웃의 Blue 화소의 수광 감도가 0.16으로 상승하고 있다. 2화소 토탈의 수광 감도는, 1.06이다.
도 7의 C는, P형의 반도체 영역(41) 내에 트렌치 구조의 화소 사이 차광부(47)만이 형성되는 화소 구조를 도시하고 있다.
도 7의 C 하단에 도시되는 광강도의 분포도를 보면, 도 7의 A의 화소 구조와 거의 변하지 않고, Green 화소의 수광 감도는 1.01, Blue 화소의 수광 감도는 0.06이고, 2화소 토탈의 수광 감도는, 1.07이다.
도 7의 D는, 도 2에 도시한 본 개시의 화소 구조를 도시하고 있다.
도 7의 D 하단에 도시되는 광강도의 분포도를 보면, 모스아이 구조의 반사 방지부(48)에 의해 상측에의 반사가 방지됨과 함께, 모스아이 구조의 반사 방지부(48)에 의해 산란한 입사광의 이웃하는 Blue 화소에의 누입이, 화소 사이 차광부(47)에 의해 방지되어 있다. 이에 의해, Green 화소의 수광 감도는 1.11로 상승하고 있고, Blue 화소의 수광 감도는 0.07로 도 7의 C의 화소 구조와 같은 레벨로 되어 있다. 2화소 토탈의 수광 감도는, 1.18이다.
이상과 같이, 도 2에 도시한 본 개시의 화소 구조에 의하면, 모스아이 구조의 반사 방지부(48)에 의해 상측에의 반사를 방지함과 함께, 화소 사이 차광부(47)에 의해, 반사 방지부(48)에 의해 산란한 입사광의 인접 화소에의 누입을 방지할 수 있다. 따라서 혼색 악화를 억제하면서, 감도를 향상시킬 수 있다.
<3. 제2의 실시의 형태에 관한 화소 구조>
<화소의 단면 구성례>
도 8은, 제2의 실시의 형태에 관한 화소(2)의 단면 구성례를 도시하는 도면이다.
*또한, 도 8에서, 도 2에 도시한 제1의 실시의 형태와 대응하는 부분에 관해서는 동일한 부호를 붙이고 있고, 그 설명은 적절히 생략한다.
도 8에 도시되는 제2의 실시의 형태에서는, 화소(2)끼리의 사이에 배치된 트렌치 구조의 화소 사이 차광부(47)의 중심부분에, 예를 들면, 텅스텐(W) 등의 메탈 재료가 충전됨에 의해 메탈 차광부(101)가 새롭게 마련되어 있는 점이, 상술한 제1의 실시의 형태와 다르다.
또한, 제2의 실시의 형태에서는, 피닝층(45)의 표면에 적층되어 있는 투명 절연막(46)이, 예를 들면 스퍼터링법 등을 이용하여 컨포멀하게 성막되어 있다.
제2의 실시의 형태의 고체 촬상 장치(1)에서는, 메탈 차광부(101)를 더욱 마련함에 의해, 혼색을 더욱 억제할 수 있다.
<제2의 실시의 형태에 관한 화소의 제조 방법>
도 9를 참조하여, 제2의 실시의 형태에 관한 화소(2)의 제조 방법에 관해 설명한다.
도 9의 A에 도시되는 상태는, 제1의 실시의 형태에 관한 화소의 제조 방법에서 설명한 도 4의 A의 상태와 동일하다. 따라서 피닝층(45)을 형성할 때까지의 제조 방법은, 상술한 제1의 실시의 형태와 마찬가지이다.
그리고, 도 9의 B에 도시되는 바와 같이, 피닝층(45)의 상면에, 투명 절연막(46)이, 예를 들면 스퍼터링법에 의해 컨포멀하게 형성된다.
다음에, 도 9의 C에 도시되는 바와 같이, 예를 들면, 텅스텐(W) 등을 사용하여 리소그래피 기술에 의해 화소 사이가 되는 영역에 관해서만 패턴 가공함에 의해, 메탈 차광부(101)와 차광막(49)이 동시에 형성된다. 또한, 메탈 차광부(101)와 차광막(49)은, 다른 메탈 재료를 사용하여 제각기 형성하여도 물론 좋다.
그 후, 도 9의 D에 도시되는 바와 같이, 평탄화막(50), 컬러 필터층(51), 온 칩 렌즈(52)가, 그 순서로 형성된다.
<화소 구조의 최적 조건례>
도 10을 참조하여, 화소(2)의 다양한 개소의 최적 조건에 관해 설명한다.
(반사 방지부(48)의 모스아이 배치 영역(L1))
상술한 실시의 형태에서는, 모스아이 구조의 반사 방지부(48)가, 포토 다이오드(PD)가 형성되는 반도체 영역(41 및 42)의 수광면측의 전 영역에 형성되어 있다. 그러나, 반사 방지부(48)의 모스아이 배치 영역(L1)(모스아이 배치 폭(L1))은, 도 10에 도시되는 바와 같이, 화소 영역(L4)(화소 폭(L4))에 대해 소정의 비율의 영역으로 화소 중심부에만 형성할 수 있다. 그리고, 이 반사 방지부(48)의 모스아이 배치 영역(L1)은, 화소 영역(L4)에 대해 대강 8할이 되는 영역인 것이 바람직하다.
온 칩 렌즈(52)에 의한 집광은, 광전변환 영역인 센서(포토 다이오드(PD))의 영역중심에 교축된다. 따라서 센서 중심에 가까울수록 광강도는 강하고, 센서 중심으로부터 떨어질수록 광강도는 약해진다. 센서 중심으로부터 떨어진 영역에서는, 회절광 노이즈 성분, 즉, 인접 화소에의 혼색 노이즈 성분이 많다. 그래서, 화소 사이 차광부(47) 부근에 관해서는 모스아이 구조를 형성하지 않음으로써, 광산란을 억제할 수 있고, 노이즈를 억제할 수 있다. 반사 방지부(48)의 모스아이 배치 영역(L1)은, 화소 사이즈, 온 칩 렌즈 곡률, 화소(2)의 총 두께 등의 상층 구조의 차이에 의해서도 베리에이션는 있지만, 온 칩 렌즈(52)는, 통상, 센서 영역의 중심 8할의 영역에 스폿 집광시키기 때문에, 화소 영역(L4)에 대해 대강 8할이 되는 영역인 것이 바람직하다.
또한, 모스아이 구조의 볼록부(방추형상)의 크기는, 색마다 다르도록 형성할 수 있다. 볼록부의 크기로서는, 높이, 배치 면적(평면시(平面視)에서 볼록부가 형성되어 있는 면적), 피치를 정의할 수 있다.
볼록부의 높이는, 입사광의 파장이 짧을수록 낮게 한다. 즉, Red의 화소(2)의 볼록부의 높이를 hR, Green의 화소(2)의 볼록부의 높이를 hG, Blue의 화소(2)의 볼록부의 높이를 hB라고 하면, hR>hG>hB의 대소 관계가 성립하도록 형성할 수 있다.
또한, 볼록부의 배치 면적은, 입사광의 파장이 짧을수록 작게 한다. 즉, Red의 화소(2)의 볼록부의 배치 면적을 xR, Green의 화소(2)의 볼록부의 배치 면적을 xG, Blue의 화소(2)의 볼록부의 배치 면적을 xB라고 하면, xR>xG>xB의 대소 관계가 성립하도록 형성할 수 있다. 배치 면적의 일방향의 폭은, 도 10의 모스아이 배치 폭(L1)에 상당한다.
볼록부의 피치는, 입사광의 파장이 짧을수록 낮게 한다. 즉, Red의 화소(2)의 볼록부의 피치를 pR, Green의 화소(2)의 피치의 높이를 pG, Blue의 화소(2)의 볼록부의 피치를 pB라고 하면, pR>pG>pB의 대소 관계가 성립하도록 형성할 수 있다.
(화소 사이 차광부(47)의 홈폭(L2))
인접 화소에 대해 입사광이 누입을 방지하고, 전반사시키기 위해 필요한 화소 사이 차광부(47)의 홈폭(L2)에 관해 검토한다.
화소 사이 차광부(47)의 홈폭(L2)은, 입사광의 파장(λ)=600, 반도체 영역(41)의 굴절율(n2)을 4.0, 화소 사이 차광부(47)의 굴절율(n1)을 1.5(SiO2 상당), 반도체 영역(41)으로부터 화소 사이 차광부(47)에의 입사각(θ)=60°라고 하면, 40㎚ 이상이면 좋다. 단, 광학 특성을 충족시키는 마진과, 프로세스 매입성의 관점에서, 화소 사이 차광부(47)의 홈폭(L2)은, 200㎚ 이상으로 하는 것이 바람직하다.
(화소 사이 차광부(47)의 파들어가는 양(L3))
화소 사이 차광부(47)의 파들어가는 양(L3)에 관해 검토한다.
화소 사이 차광부(47)의 파들어가는 양(L3)은 클수록, 혼색을 억제하는 효과가 높아진다. 그러나, 어느 정도의 파들어가는 양을 초과하면, 혼색 억제도는 포화되어 온다. 또한, 초점 위치와 산란 강도에는 입사광 파장 의존이 있다. 구체적으로는, 파장이 짧으면, 초점 위치가 높고, 산란 강도가 강하여서, 얕은 영역의 혼색이 크기 때문에, 파들어가는 양은 작아도 좋다. 한편, 파장이 길면, 초점 위치가 낮고, 산란 강도가 약하여서, 깊은 영역의 혼색이 크기 때문에, 파들어가는 양은 크게 하고 싶다. 이상에 의해, 화소 사이 차광부(47)의 파들어가는 양(L3)은, 입사광 파장 이상으로 하는 것이 바람직하다. 예를 들면, Blue의 화소(2)의 파들어가는 양(L3)은 450㎚ 이상, Green의 화소(2)의 파들어가는 양(L3)은 550㎚ 이상, Red의 화소(2)의 파들어가는 양(L3)은 650㎚ 이상으로 하는 것이 바람직하다.
상술한 설명에서는, 화소 사이 차광부(47)는, 도파로 기능을 최대한 발휘하고, 또한, 센서 면적을 줄이지 않기 위해, 이방성의 드라이 에칭 처리를 이용하여, 테이퍼가 없는 파들어가는 형상으로 하는 것으로 하였다.
그러나, 화소 사이 차광부(47)와 N형의 반도체 영역(42)이 충분히 떨어져 있고, 화소 사이 차광부(47)를 테이퍼 형상으로 형성하여도, 포토 다이오드(PD)의 면적에 영향이 없는 경우에는, 화소 사이 차광부(47)의 형상을 테이퍼 형상으로 하여도 좋다. 예를 들면, 화소 사이 차광부(47)의 굴절율(n1)=1.5(SiO2 상당), P형의 반도체 영역(41)의 굴절율(n2)=4.0이라고 하면, 계면 반사율은 극히 높기 때문에, 화소 사이 차광부(47)의 형상을, 0 내지 30°의 범위 내에서 순테이퍼 또는 역테이퍼 형상으로 할 수 있다.
<4.화소 구조의 변형례>
도 11 내지 도 26을 참조하여, 화소 구조의 복수의 베리에이션에 관해 설명한다. 도 11 내지 도 26에서는, 도 2 및 도 8에 도시한 바와 같은 단면 구성례보다도 간략화하여 도시된 화소 구조를 이용하여 설명을 행하고, 각각의 대응하는 구성 요소라도 다른 부호가 붙여져 있는 일이 있다.
도 11은, 화소 구조의 제1의 베리에이션을 도시하는 도면이다.
우선, 도 11을 참조하여, 이하에서 설명하는 화소 구조의 각 베리에이션에서 공통되는 기본적인 구성에 관해 설명한다.
*도 11에 도시하는 바와 같이, 고체 촬상 장치(1)는, 포토 다이오드(PD)를 구성하는 N형의 반도체 영역(42)이 화소(2)마다 형성되는 반도체 기판(12)에, 반사 방지막(111), 투명 절연막(46), 컬러 필터층(51), 및 온 칩 렌즈(52)가 적층되고 구성된다.
반사 방지막(111)은, 예를 들면, 고정 전하막 및 산화막이 적층된 적층 구조가 되고, 예를 들면, ALD(Atomic Layer. Deposition)법에 의한 고유전율(High-k)의 절연 박막을 사용할 수 있다. 구체적으로는, 산화하프늄(HfO2)이나, 산화알루미늄(Al2O3), 산화티탄(TiO2), STO(Strontium Titan Oxide) 등을 사용할 수 있다. 도 11의 예에서는, 반사 방지막(111)은, 산화하프늄막(112), 산화알루미늄막(113), 및 산화실리콘막(114)이 적층되어 구성되어 있다.
또한, 반사 방지막(111)에 적층하도록 화소(2)의 사이에 차광막(49)이 형성된다. 차광막(49)은, 티탄(Ti), 질화티탄(TiN), 텅스텐(W), 알루미늄(Al), 또는 질화텅스텐(WN) 등의 단층의 금속막이 사용된다. 또는, 차광막(49)으로서, 이러한 금속의 적층막(예를 들면, 티탄과 텅스텐의 적층막이나, 질화티탄과 텅스텐의 적층막 등)을 사용하여도 좋다.
이와 같이 구성된 고체 촬상 장치(1)에서, 화소 구조의 제1의 베리에이션에서는, 반도체 기판(12)의 수광면측 계면에서의 화소(2)끼리의 사이에서 반사 방지부(48)를 형성하지 않는 소정폭의 영역을 마련함에 의해 평탄 부분(53)이 마련된다. 상술한 바와 같이, 반사 방지부(48)는, 모스아이 구조(미세한 요철 구조)를 형성함에 의해 마련되고, 그 모스아이 구조를, 화소(2)끼리의 사이의 영역에 형성하지 않고 평탄한 면을 남김에 의해, 평탄 부분(53)이 마련된다. 이와 같이, 평탄 부분(53)을 마련하는 화소 구조로 함으로써, 인접하는 다른 화소(2)의 부근이 되는 소정폭의 영역(화소 분리 영역)에서의 회절광의 발생을 억제하고, 혼색의 발생을 방지할 수 있다.
즉, 반도체 기판(12)에 모스아이 구조를 형성한 경우에는, 수직 입사광의 회절이 발생하고, 예를 들면, 모스아이 구조의 피치가 커짐에 따라 회절광의 성분이 커지고, 인접하는 다른 화소(2)에 입사하는 광의 비율이 증가하는 것이 알려져 있다.
이에 대해, 고체 촬상 장치(1)에서는, 인접하는 다른 화소(2)에 회절광이 누설되기 쉬운, 화소(2)끼리의 사이의 소정폭의 영역에 평탄 부분(53)을 마련함으로써, 평탄 부분(53)에서는 수직 입사광의 회절이 발생하지 않음에 의해, 혼색의 발생을 방지할 수 있다.
도 12는, 화소 구조의 제2의 베리에이션을 도시하는 도면이다.
도 12에서, 고체 촬상 장치(1)의 기본적인 구성은, 도 11에 도시한 구성과 공통된다. 그리고, 화소 구조의 제2의 베리에이션에서는, 반도체 기판(12)에서 화소(2)끼리의 사이를 분리하는 화소 분리부(54)가 형성된다.
화소 분리부(54)는, 포토 다이오드(PD)를 구성하는 N형의 반도체 영역(42)의 사이에 트렌치를 파들어가고, 그 트렌치의 내면에 산화알루미늄막(113)을 성막하고, 또한 산화실리콘막(114)을 성막할 때에 절연물(55)을 트렌치에 매입함에 의해 형성된다.
이와 같은 화소 분리부(54)를 구성함에 의해, 인접하는 화소(2)끼리는, 트렌치에 매입된 절연물(55)에 의해 전기적으로 분리된다. 이에 의해, 반도체 기판(12)의 내부에서 발생한 전하가, 인접하는 화소(2)에 누설되는 것을 방지할 수 있다.
그리고, 화소 구조의 제2의 베리에이션에서도, 평탄 부분(53)을 마련하는 화소 구조로 함으로써, 화소 분리 영역에서의 회절광의 발생을 억제하고, 혼색의 발생을 방지할 수 있다.
도 13은, 화소 구조의 제3의 베리에이션을 도시하는 도면이다.
도 13에서, 고체 촬상 장치(1)의 기본적인 구성은, 도 11에 도시한 구성과 공통된다. 그리고, 화소 구조의 제3의 베리에이션에서는, 반도체 기판(12)에서 화소(2)끼리의 사이를 분리하는 화소 분리부(54A)가 형성된다.
화소 분리부(54A)는, 포토 다이오드(PD)를 구성하는 N형의 반도체 영역(42)의 사이에 트렌치를 파들어가고, 그 트렌치의 내면에 산화알루미늄막(113)을 성막하고, 산화실리콘막(114)을 성막할 때에 절연물(55)을 트렌치에 매입하고, 또한 절연물(55)의 내측에 차광막(49)을 성막할 때에 차광물(56)을 매입함에 의해 형성된다. 차광물(56)은, 차광성을 구비하는 금속에 의해, 차광막(49)과 일체가 되도록 형성된다.
이와 같은 화소 분리부(54A)를 구성함에 의해, 인접하는 화소(2)끼리는, 트렌치에 매입된 절연물(55)에 의해 전기적으로 분리됨과 함께, 차광물(56)에 의해 광학적으로 분리된다. 이에 의해, 반도체 기판(12)의 내부에서 발생한 전하가, 인접하는 화소(2)에 누설되는 것을 방지할 수 있음과 함께, 경사 방향부터의 광이, 인접하는 화소(2)에 누설되는 것을 방지할 수 있다.
그리고, 화소 구조의 제3의 베리에이션에서도, 평탄 부분(53)을 마련하는 화소 구조로 함으로써, 화소 분리 영역에서의 회절광의 발생을 억제하고, 혼색의 발생을 방지할 수 있다.
도 14는, 화소 구조의 제4의 베리에이션을 도시하는 도면이다.
도 14에서, 고체 촬상 장치(1)의 기본적인 구성은, 도 11에 도시한 구성과 공통된다. 그리고, 화소 구조의 제4의 베리에이션에서는, 반도체 기판(12)에서 화소(2)끼리의 사이를 분리하는 화소 분리부(54B)가 형성된다.
화소 분리부(54B)는, 포토 다이오드(PD)를 구성하는 N형의 반도체 영역(42)의 사이에 트렌치를 파들어가고, 그 트렌치의 내면에 산화알루미늄막(113)을 성막하고, 산화실리콘막(114)을 성막할 때에 절연물(55)을 트렌치에 매입하고, 또한 차광물(56)을 트렌치에 매입함에 의해 형성된다. 또한, 화소 분리부(54B)에서는, 차광막(49)이 평탄 부분(53)에 마련되지 않은 구성으로 되어 있다.
이와 같은 화소 분리부(54B)를 구성함에 의해, 인접하는 화소(2)끼리는, 트렌치에 매입된 절연물(55)에 의해 전기적으로 분리됨과 함께, 차광물(56)에 의해 광학적으로 분리된다. 이에 의해, 반도체 기판(12)의 내부에서 발생한 전하가, 인접하는 화소(2)에 누설되는 것을 방지할 수 있음과 함께, 경사 방향부터의 광이, 인접하는 화소(2)에 누설되는 것을 방지할 수 있다.
그리고, 화소 구조의 제4의 베리에이션에서도, 평탄 부분(53)을 마련하는 화소 구조로 함으로써, 화소 분리 영역에서의 회절광의 발생을 억제하고, 혼색의 발생을 방지할 수 있다.
도 15는, 화소 구조의 제5의 베리에이션을 도시하는 도면이다.
도 15에서, 고체 촬상 장치(1)의 기본적인 구성은, 도 11에 도시한 구성과 공통된다. 그리고, 화소 구조의 제5의 베리에이션에서는, 반사 방지부(48A)의 형상이, 화소(2)의 주변 부근에서, 모스아이 구조를 구성하는 요철의 깊이가 얕아지도록 형성되어 있다.
즉, 도 15에 도시하는 바와 같이, 반사 방지부(48A)는, 예를 들면, 도 11에 도시한 반사 방지부(48)와 비교하여, 화소(2)의 주위 부분에서, 즉, 인접하는 다른 화소(2)와 부근이 되는 부분에서, 모스아이 구조를 구성하는 요철의 깊이가 얕게 형성되어 있다.
이와 같이, 화소(2)의 주위 부분에서의 요철 구조의 깊이를 얕게 형성함에 의해, 그 주변부분에서의 회절광의 발생을 억제할 수 있다. 그리고, 화소 구조의 제5의 베리에이션에서도, 평탄 부분(53)을 마련하는 화소 구조로 함으로써, 화소 분리 영역에서의 회절광의 발생을 억제하고, 보다 혼색의 발생을 방지할 수 있다.
도 16은, 화소 구조의 제6의 베리에이션을 도시하는 도면이다.
도 16에서, 고체 촬상 장치(1)의 기본적인 구성은, 도 11에 도시한 구성과 공통된다. 그리고, 화소 구조의 제6의 베리에이션에서는, 반사 방지부(48A)의 형상이, 화소(2)의 주변부분에서, 모스아이 구조를 구성하는 요철의 깊이가 얕아지도록 형성됨과 함께, 화소 분리부(54)가 형성되어 있다.
이와 같은 반사 방지부(48A)를 형성함에 의해, 화소(2)의 주위 부분에서의 회절광의 발생을 억제할 수 있음과 함께, 화소 분리부(54)에 의해, 인접하는 화소(2)끼리를 전기적으로 분리할 수 있다. 그리고, 화소 구조의 제6의 베리에이션에서도, 평탄 부분(53)을 마련하는 화소 구조로 함으로써, 화소 분리 영역에서의 회절광의 발생을 억제하고, 보다 혼색의 발생을 방지할 수 있다.
도 17은, 화소 구조의 제7의 베리에이션을 도시하는 도면이다.
도 17에서, 고체 촬상 장치(1)의 기본적인 구성은, 도 11에 도시한 구성과 공통된다. 그리고, 화소 구조의 제7의 베리에이션에서는, 반사 방지부(48A)의 형상이, 화소(2)의 주변 부근에서, 모스아이 구조를 구성하는 요철의 깊이가 얕아지도록 형성됨과 함께, 화소 분리부(54A)가 형성되어 있다.
이와 같은 반사 방지부(48A)를 형성함에 의해, 화소(2)의 주위 부분에서의 회절광의 발생을 억제할 수 있음과 함께, 화소 분리부(54A)에 의해, 인접하는 화소(2)끼리를 전기적 및 광학적으로 분리할 수 있다. 그리고, 화소 구조의 제7의 베리에이션에서도, 평탄 부분(53)을 마련하는 화소 구조로 함으로써, 화소 분리 영역에서의 회절광의 발생을 억제하고, 보다 혼색의 발생을 방지할 수 있다.
도 18은, 화소 구조의 제8의 베리에이션을 도시하는 도면이다.
도 18에서, 고체 촬상 장치(1)의 기본적인 구성은, 도 11에 도시한 구성과 공통된다. 그리고, 화소 구조의 제8의 베리에이션에서는, 반사 방지부(48A)의 형상이, 화소(2)의 주변 부근에서, 모스아이 구조를 구성하는 요철의 깊이가 얕아지도록 형성됨과 함께, 화소 분리부(54B)가 형성되어 있다.
이와 같은 반사 방지부(48A)를 형성함에 의해, 화소(2)의 주위 부분에서의 회절광의 발생을 억제할 수 있음과 함께, 화소 분리부(54B)에 의해, 인접하는 화소(2)끼리를 전기적 및 광학적으로 분리할 수 있다. 그리고, 화소 구조의 제8의 베리에이션에서도, 평탄 부분(53)을 마련하는 화소 구조로 함으로써, 화소 분리 영역에서의 회절광의 발생을 억제하고, 보다 혼색의 발생을 방지할 수 있다.
도 19는, 화소 구조의 제9의 베리에이션을 도시하는 도면이다.
도 19에서, 고체 촬상 장치(1)의 기본적인 구성은, 도 11에 도시한 구성과 공통된다. 그리고, 화소 구조의 제9의 베리에이션에서는, 반사 방지부(48B)가, 예를 들면, 도 11의 반사 방지부(48)보다도 좁은 영역에 형성되어 있다.
즉, 도 19에 도시하는 바와 같이, 반사 방지부(48B)는, 예를 들면, 도 11에 도시한 반사 방지부(48)와 비교하여, 화소(2)의 주위 부분에서, 즉, 인접하는 다른 화소(2)와 부근이 되는 부분에서, 모스아이 구조를 형성하는 영역이 삭감되어 있다. 이에 의해, 평탄 부분(53A)이, 도 11이 평탄 부분(53)보다도 넓게 형성된다.
이와 같이, 화소(2)의 주위 부분에서 모스아이 구조를 형성하지 않고 평탄 부분(53A)을 넓게 마련함으로써, 그 주변부분에서의 회절광의 발생을 억제할 수 있다. 이에 의해, 화소 구조의 제9의 베리에이션에서도, 화소 분리 영역에서의 회절광의 발생을 억제하고, 또한 혼색의 발생을 방지할 수 있다.
도 20은, 화소 구조의 제10의 베리에이션을 도시하는 도면이다.
도 20에서, 고체 촬상 장치(1)의 기본적인 구성은, 도 11에 도시한 구성과 공통된다. 그리고, 화소 구조의 제10의 베리에이션에서는, 반사 방지부(48B)가 형성되는 영역이 좁게 되어 있음과 함께, 화소 분리부(54)가 형성되어 있다.
이와 같은 반사 방지부(48B)를 형성함에 의해, 화소(2)의 주위 부분에서의 회절광의 발생을 억제할 수 있음과 함께, 화소 분리부(54)에 의해, 인접하는 화소(2)끼리를 전기적으로 분리할 수 있다. 그리고, 화소 구조의 제10의 베리에이션에서도, 평탄 부분(53A)을 넓게 마련하는 화소 구조로 함으로써, 화소 분리 영역에서의 회절광의 발생을 억제하고, 또한 혼색의 발생을 방지할 수 있다.
도 21은, 화소 구조의 제11의 베리에이션을 도시하는 도면이다.
도 21에서, 고체 촬상 장치(1)의 기본적인 구성은, 도 11에 도시한 구성과 공통된다. 그리고, 화소 구조의 제11의 베리에이션에서는, 반사 방지부(48B)가 형성되는 영역이 좁게 되어 있음과 함께, 화소 분리부(54A)가 형성되어 있다.
이와 같은 반사 방지부(48B)를 형성함에 의해, 화소(2)의 주위 부분에서의 회절광의 발생을 억제할 수 있음과 함께, 화소 분리부(54A)에 의해, 인접하는 화소(2)끼리를 전기적 및 광학적으로 분리할 수 있다. 그리고, 화소 구조의 제21의 베리에이션에서도, 평탄 부분(53A)을 넓게 마련하는 화소 구조로 함으로써, 화소 분리 영역에서의 회절광의 발생을 억제하고, 또한 혼색의 발생을 방지할 수 있다.
도 22는, 화소 구조의 제12의 베리에이션을 도시하는 도면이다.
도 22에서, 고체 촬상 장치(1)의 기본적인 구성은, 도 11에 도시한 구성과 공통된다. 그리고, 화소 구조의 제12의 베리에이션에서는, 반사 방지부(48B)가 형성되는 영역이 좁게 되어 있음과 함께, 화소 분리부(54B)가 형성되어 있다.
이와 같은 반사 방지부(48B)를 형성함에 의해, 화소(2)의 주위 부분에서의 회절광의 발생을 억제할 수 있음과 함께, 화소 분리부(54B)에 의해, 인접하는 화소(2)끼리를 전기적 및 광학적으로 분리할 수 있다. 그리고, 화소 구조의 제21의 베리에이션에서도, 평탄 부분(53A)을 넓게 마련하는 화소 구조로 함으로써, 화소 분리 영역에서의 회절광의 발생을 억제하고, 또한 혼색의 발생을 방지할 수 있다.
도 23은, 화소 구조의 제13의 베리에이션을 도시하는 도면이다.
도 23에서, 고체 촬상 장치(1)의 기본적인 구성은, 도 11에 도시한 구성과 공통된다. 그리고, 화소 구조의 제13의 베리에이션에서는, 상면 위상차 AF(Auto Focus : 오토 포커스)에 이용되는 위상차용 화소(2A)가 마련되어 있고, 위상차용 화소(2A)에는, 반사 방지부(48)가 마련되지 않은 구성으로 되어 있다. 위상차용 화소(2A)는, 상면(像面)에서의 위상차를 이용한 오토 포커스의 제어에 이용되는 신호를 출력하고, 반사 방지부(48)가 마련되지 않음에 의해, 수광면측 계면은 평탄면으로 형성된다.
도 23에 도시하는 바와 같이, 상면 위상차 AF에 이용되는 위상차용 화소(2A)에서는, 개구의 개략 반분을 차광하도록 차광막(49A)이 형성되어 있다. 예를 들면, 우측 반분이 차광된 위상차용 화소(2A)와 좌측 반분이 차광된 위상차용 화소(2A)와의 페어로 위상차의 측정에 사용되고, 위상차용 화소(2A)로부터 출력되는 신호는, 화상의 구축에는 이용되지 않는다.
그리고, 이와 같은 상면 위상차 AF에 이용되는 위상차용 화소(2A)를 갖는 화소 구조의 제13의 베리에이션에서도, 위상차용 화소(2A) 이외의 화소(2)끼리의 사이에 평탄 부분(53)을 마련하는 화소 구조로 함으로써, 화소 분리 영역에서의 회절광의 발생을 억제하고, 혼색의 발생을 방지할 수 있다.
도 24는, 화소 구조의 제14의 베리에이션을 도시하는 도면이다.
도 24에서, 고체 촬상 장치(1)의 기본적인 구성은, 도 11에 도시한 구성과 공통된다. 그리고, 화소 구조의 제14의 베리에이션에서는, 상면 위상차 AF에 이용되는 위상차용 화소(2A)에는 반사 방지부(48)가 마련되지 않은 구성으로 되어 있음과 함께, 화소 분리부(54)가 형성되어 있다.
그리고, 화소 구조의 제14의 베리에이션에서도, 화소 분리부(54)에 의해, 인접하는 화소(2)끼리를 전기적으로 분리할 수 있음과 함께, 위상차용 화소(2A) 이외의 화소(2)끼리의 사이에 평탄 부분(53)을 마련하는 화소 구조로 함으로써, 화소 분리 영역에서의 회절광의 발생을 억제하고, 혼색의 발생을 방지할 수 있다.
도 25는, 화소 구조의 제15의 베리에이션을 도시하는 도면이다.
도 25에서, 고체 촬상 장치(1)의 기본적인 구성은, 도 11에 도시한 구성과 공통된다. 그리고, 화소 구조의 제15의 베리에이션에서는, 상면 위상차 AF에 이용되는 위상차용 화소(2A)에는 반사 방지부(48)가 마련되지 않은 구성으로 되어 있음과 함께, 화소 분리부(54A)가 형성되어 있다.
그리고, 화소 구조의 제15의 베리에이션에서도, 화소 분리부(54A)에 의해, 인접하는 화소(2)끼리를 전기적 및 광학적으로 분리할 수 있음과 함께, 위상차용 화소(2A) 이외의 화소(2)끼리의 사이에 평탄 부분(53)을 마련하는 화소 구조로 함으로써, 화소 분리 영역에서의 회절광의 발생을 억제하고, 혼색의 발생을 방지할 수 있다.
도 26은, 화소 구조의 제16의 베리에이션을 도시하는 도면이다.
도 26에서, 고체 촬상 장치(1)의 기본적인 구성은, 도 11에 도시한 구성과 공통된다. 그리고, 화소 구조의 제16의 베리에이션에서는, 상면 위상차 AF에 이용되는 위상차용 화소(2A)에는 반사 방지부(48)가 마련되지 않은 구성으로 되어 있음과 함께, 화소 분리부(54B)가 형성되어 있다.
그리고, 화소 구조의 제16의 베리에이션에서도, 화소 분리부(54B)에 의해, 인접하는 화소(2)끼리를 전기적 및 광학적으로 분리할 수 있음과 함께, 위상차용 화소(2A) 이외의 화소(2)끼리의 사이에 평탄 부분(53)을 마련하는 화소 구조로 함으로써, 화소 분리 영역에서의 회절광의 발생을 억제하고, 혼색의 발생을 방지할 수 있다.
<5. 전자 기기에의 적용례>
본 개시의 기술은, 고체 촬상 장치에의 적용으로 한정되는 것이 아니다. 즉, 본 개시의 기술은, 디지털 스틸 카메라나 비디오 카메라 등의 촬상 장치나, 촬상 기능을 갖는 휴대 단말 장치나, 화상 판독부에 고체 촬상 장치를 이용하는 복사기 등, 화상 취입부(광전변환부)에 고체 촬상 장치를 이용하는 전자 기기 전반에 대해 적용 가능하다. 고체 촬상 장치는, 원칩으로서 형성된 형태라도 좋고, 촬상부와 신호 처리부 또는 광학계가 통합하여 팩키징된 촬상 기능을 갖는 모듈형상의 형태라도 좋다.
도 27은, 본 개시에 관한 전자 기기로서의 촬상 장치의 구성례를 도시하는 블록도이다.
도 27의 촬상 장치(200)는, 렌즈군 등으로 이루어지는 광학부(201), 도 1의 고체 촬상 장치(1)의 구성이 채용되는 고체 촬상 장치(촬상 디바이스)(202), 및 카메라 신호 처리 회로인 DSP(Digital Signal Processor) 회로(203)를 구비한다. 또한, 촬상 장치(200)는, 프레임 메모리(204), 표시부(205), 기록부(206), 조작부(207), 및 전원부(208)도 구비한다. DSP 회로(203), 프레임 메모리(204), 표시부(205), 기록부(206), 조작부(207) 및 전원부(208)는, 버스 라인(209)을 통하여 상호 접속되어 있다.
광학부(201)는, 피사체로부터의 입사광(상광)을 취입하여 고체 촬상 장치(202)의 촬상면상에 결상한다. 고체 촬상 장치(202)는, 광학부(201)에 의해 촬상면상에 결상된 입사광의 광량을 화소 단위로 전기 신호로 변환하여 화소 신호로서 출력한다. 이 고체 촬상 장치(202)로서, 도 1의 고체 촬상 장치(1), 즉, 혼색 악화를 억제하면서, 감도를 향상시킨 고체 촬상 장치를 이용할 수 있다.
표시부(205)는, 예를 들면, 액정 패널이나 유기 EL(Electro Luminescence) 패널 등의 패널형 표시 장치로 이루어지고, 고체 촬상 장치(202)에서 촬상된 동화 또는 정지화를 표시한다. 기록부(206)는, 고체 촬상 장치(202)에서 촬상된 동화 또는 정지화를, 하드 디스크나 반도체 메모리 등의 기록 매체에 기록한다.
조작부(207)는, 유저에 의한 조작하에, 촬상 장치(200)가 갖는 다양한 기능에 관해 조작 지령을 발한다. 전원부(208)는, DSP 회로(203), 프레임 메모리(204), 표시부(205), 기록부(206) 및 조작부(207)의 동작 전원이 되는 각종의 전원을, 이들 공급 대상에 대해 적절히 공급한다.
상술한 바와 같이, 고체 촬상 장치(202)로서, 상술한 고체 촬상 장치(1)를 이용함으로써, 혼색 악화를 억제하면서, 감도를 향상시킬 수 있다. 따라서, 비디오 카메라나 디지털 스틸 카메라, 나아가서는 휴대 전화기 등의 모바일 기기용 카메라 모듈 등의 촬상 장치(200)에서도, 촬상 화상의 고화질화를 도모할 수 있다.
본 개시의 실시의 형태는, 상술한 실시의 형태로 한정되는 것이 아니고, 본 개시의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 여러가지의 변경이 가능하다.
상술한 예에서는, 제1 도전형을 P형, 제2 도전형을 N형으로 하여, 전자를 신호 전하로 한 고체 촬상 장치에 관해 설명하였지만, 본 개시는 정공을 신호 전하로 한 고체 촬상 장치에도 적용할 수 있다. 즉, 제1 도전형을 N형으로 하고, 제2 도전형을 P형으로 하여, 전술한 각 반도체 영역을 역의 도전형의 반도체 영역으로 구성할 수 있다.
또한, 본 개시의 기술은, 가시광의 입사광량의 분포를 검지하여 화상으로서 촬상하는 고체 촬상 장치에의 적용으로 한하지 않고, 적외선이나 X선, 또는 입자 등의 입사량의 분포를 화상으로서 촬상하는 고체 촬상 장치나, 광의의 의미로서, 압력이나 정전용량 등, 다른 물리량의 분포를 검지하여 화상으로서 촬상하는 지문 검출 센서 등의 고체 촬상 장치(물리량 분포 검지 장치) 전반에 대해 적용 가능하다.
또한, 본 개시는 이하와 같은 구성도 취할 수 있다.
(1)
2차원 배치되는 각 화소의 광전변환 영역의 수광면측 계면에 마련된 모스아이 구조의 반사 방지부와,
상기 반사 방지부의 계면 이하에 마련된 입사광을 차광하는 화소 사이 차광부를 구비하는 고체 촬상 장치.
(2)
상기 광전변환 영역은 반도체 영역이고,
상기 화소 사이 차광부는, 화소 경계의 상기 반도체 영역을 깊이 방향으로 파들어간 트렌치 구조를 갖는 상기 (1)에 기재된 고체 촬상 장치.
(3)
상기 화소 사이 차광부는, 깊이 방향으로 파들어간 상기 반도체 영역에 투명 절연막을 충전하여 형성되어 있는 상기 (2)에 기재된 고체 촬상 장치.
(4)
상기 화소 사이 차광부는, 깊이 방향으로 파들어간 상기 반도체 영역에 투명 절연막과 메탈 재료를 충전하여 형성되어 있는 상기 (2) 또는 (3)에 기재된 고체 촬상 장치.
(5)
상기 반도체 영역과 상기 투명 절연막과의 사이에 피닝층이 적층되어 있는 상기 (3) 또는 (4)에 기재된 고체 촬상 장치.
(6)
상기 반도체 영역과 상기 투명 절연막과의 사이에 피닝층과 반사 방지막이 적층되어 있는 상기 (3) 또는 (4)에 기재된 고체 촬상 장치.
(7)
상기 반사 방지부는, 화소 영역에 대해 소정의 비율의 영역으로 화소 중심부에 형성되어 있는 상기 (1) 내지 (6)의 어느 하나에 기재된 고체 촬상 장치.
(8)
상기 반사 방지부는, 화소 영역에 대해 8할의 영역으로 화소 중심부에 형성되어 있는 상기 (7)에 기재된 고체 촬상 장치.
(9)
상기 화소 사이 차광부의 홈폭은, 40㎚ 이상인 상기 (1) 내지 (8)의 어느 하나에 기재된 고체 촬상 장치.
(10)
상기 화소 사이 차광부의 깊이 방향이 파들어가는 양은, 입사광 파장 이상인 상기 (1) 내지 (9)의 어느 하나에 기재된 고체 촬상 장치.
(11)
상기 수광면측 계면에서의 상기 화소끼리의 사이에서, 상기 반사 방지부가 되는 상기 모스아이 구조를 형성하지 않은 소정폭의 영역을 마련함에 의해 평탄 부분이 마련되는 상기 (1) 내지 (10)의 어느 하나에 기재된 고체 촬상 장치.
(12)
상기 평탄 부분에서 상기 반도체 영역을 깊이 방향으로 파들어간 트렌치에 절연물을 매입함에 의해, 인접하는 상기 화소의 상기 광전변환 영역끼리의 사이를 분리하는 화소 분리부가 마련되는 상기 (11)에 기재된 고체 촬상 장치.
(13)
상기 화소 분리부의 트렌치에는, 상기 절연물의 내측에 차광성을 구비하는 차광물이 매입되는 상기 (12)에 기재된 고체 촬상 장치.
(14)
상면에서의 위상차를 이용한 오토 포커스의 제어에 이용되는 신호를 출력하는 위상차용 화소를 또한 구비하고, 상기 위상차용 화소에서의 상기 수광면측 계면은 평탄면으로 형성되는 상기 (1) 내지의 어느 하나(13)에 기재된 고체 촬상 장치.
(15)
2차원 배치되는 각 화소의 광전변환 영역의 수광면측 계면에 모스아이 구조의 반사 방지부를 형성함과 함께, 상기 반사 방지부의 계면 이하에 입사광을 차광하는 화소 사이 차광부를 형성하는 고체 촬상 장치의 제조 방법.
(16)
2차원 배치되는 각 화소의 광전변환 영역의 수광면측 계면에 마련된 모스아이 구조의 반사 방지부와,
상기 반사 방지부의 계면 이하에 마련된 입사광을 차광하는 화소 사이 차광부를 구비하는 고체 촬상 장치를 구비하는 전자 기기.
1 : 고체 촬상 장치
2 : 화소
3 : 화소 어레이부
12 : 반도체 기판
41, 42 : 반도체 영역
45 : 피닝층
46 : 투명 절연막
47 : 화소 사이 차광부
48 : 반사 방지부
49 : 차광막
50 : 평탄화막
51 : 컬러 필터층
52 : 온 칩 렌즈
101 : 메탈 차광부
200 : 촬상 장치
202 : 고체 촬상 장치

Claims (12)

  1. 반도체 기판 내에 배치된 제1 포토다이오드를 포함하는 제1 광전변환영역을 포함하는 2차원 어레이로 배열된 복수의 광전변환영역과,
    상기 복수의 광전변환영역들 사이에 배치된 분리영역을 포함하고,
    상기 반도체 기판의 수광면은 제1 모스아이 구조를 포함하고,
    상기 제1 모스아이 구조는 제1 오목부 및 제2 오목부를 포함하고,
    상기 제1 오목부의 제1 깊이는 단면도에서 깊이 방향으로 상기 제2 오목부의 제2 깊이보다 얕고,
    상기 제1 오목부는 단면도에서 상기 분리영역의 제1 분리부와 상기 제2 오목부 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 광검출장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 2차원 어레이로 배열된 복수의 온칩 렌즈를 더 포함하고, 상기 복수의 온칩 렌즈 각각은 각각의 광전변환영역에 대응하여 배치되는 것을 특징으로 하는 광검출 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 분리영역은 단면도에서 상기 복수의 광전변환영역 사이에서 상기 반도체 기판에 배치된 트렌치를 포함하는 것을 특징으로 하는 광검출 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 분리영역은 상기 반도체 기판 위에 배치된 차광막을 포함하는 것을 특징으로 하는 광검출 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 광전변환영역은 제2 포토다이오드를 더 포함하고, 부유확산영역이 상기 제1 및 제2 포토다이오드에 의해 공유되는 것을 특징으로 하는 광검출 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 모스아이 구조의 제3 오목부는 상기 분리영역의 제2 분리부와 상기 제2 오목부 사이에 배치되고, 상기 제3 오목부의 제3 깊이는 상기 제2 깊이보다 얕은 것을 특징으로 하는 광검출 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 모스아이 구조는 단면도에서 상기 제1 분리부와 상기 제2 분리부 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 광검출 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 깊이는 상기 제1 오목부의 가장 깊은 깊이이고, 상기 제2 깊이는 상기 제2 오목부의 가장 깊은 깊이인 것을 특징으로 하는 광검출 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 분리부와 상기 제1 오목부 사이에 평탄부가 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 광검출 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 기판의 상기 수광면과 대향하는 면에 배선층이 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 광검출 장치.
  11. 제3항에 있어서,
    상기 트렌치의 깊이는 상기 제2 깊이보다 깊은 것을 특징으로 하는 광검출 장치.
  12. 반도체 기판 내에 배치된 제1 포토다이오드를 포함하는 제1 광전변환영역을 포함하는 2차원 어레이로 배열된 복수의 광전변환영역과,
    상기 복수의 광전변환영역들 사이에 배치된 분리영역을 포함하고,
    상기 반도체 기판의 수광면은 제1 모스아이 구조를 포함하고,
    상기 제1 모스아이 구조는 제1 오목부 및 제2 오목부를 포함하고,
    상기 제1 오목부의 제1 깊이는 단면도에서 깊이 방향으로 상기 제2 오목부의 제2 깊이보다 얕고,
    상기 제1 오목부는 단면도에서 상기 분리영역의 제1 분리부와 제2 오목부 사이에 배치되는 광검출장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기기..
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