KR20050025909A - 고체 촬상 장치 - Google Patents

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KR20050025909A KR1020040071104A KR20040071104A KR20050025909A KR 20050025909 A KR20050025909 A KR 20050025909A KR 1020040071104 A KR1020040071104 A KR 1020040071104A KR 20040071104 A KR20040071104 A KR 20040071104A KR 20050025909 A KR20050025909 A KR 20050025909A
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미와데쯔야
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산요덴키가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 기판의 단부 근방에 있어서도 감도 특성을 향상시킬 수 있는 고체 촬상 장치를 제공한다. 이 고체 촬상 장치는, 기판에 형성된 수광부와, 컬러 필터층과, 기판과 컬러 필터층 사이에 형성되며, 수광부의 중심에 대해 소정 거리 어긋나게 배치된 렌즈 중심을 갖는 수광부에 광을 집광하기 위한 렌즈를 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.

Description

고체 촬상 장치{SOLID STATE IMAGING DEVICE}
본 발명은 고체 촬상 장치에 관한 것으로, 특히 광전 변환 기능을 갖는 수광부에 광을 집광하기 위한 렌즈를 구비한 고체 촬상 장치에 관한 것이다.
종래, 광전 변환 기능을 갖는 수광부에 광을 집광하기 위한 렌즈를 구비한 고체 촬상 장치가 알려져 있다. 이와 같은 고체 촬상 장치는 예를 들면 일본 특허공개 2000-164839호 공보에 개시되어 있다.
도29는 상기 일본 특허공개 2000-164839호 공보에 개시된 렌즈와 같은 구조를 갖는 수광부에 광을 집광하기 위한 렌즈를 구비한 종래의 일례에 의한 고체 촬상 장치의 구조를 도시한 단면도이다. 도29를 참조하면, 종래의 일례에 의한 고체 촬상 장치(102)는 기판(104)을 구비하고 있다. 이 기판(104)의 표면에는 입사된 광을 전하 신호로 변환하는 광전 변환 기능을 갖는 복수의 수광부(105)가 소정 간격을 두고 형성되어 있다. 이 복수의 수광부(105)에 의해 기판(104)의 표면에 수광 영역이 형성되어 있다. 또한, 기판(104)의 표면상에는, 절연막(110a)을 통하여 수광부(105)에서 얻어진 전하 신호를 전송하기 위한 전송 게이트(106)가 형성되어 있다. 또한, 절연막(110b)을 통하여 전송 게이트(106)를 피복하도록 차광 부재(107)가 형성되어 있다. 이 차광 부재(107)는 전송 게이트(106)에 광이 입사하는 것을 방지하는 기능을 갖는다. 또한, 인접하는 2개의 차광 부재(107)간의 수광부(105)상에는, 절연막(110a)을 사이에 두고 수광부(105)에 광을 집광하기 위한 위로 볼록한 형상을 갖는 렌즈(109)가 형성되어 있다. 이 렌즈(109)는 렌즈 중심(109a)이 수광부(105)의 중심에 일치하도록 배치되어 있다. 또한, 전송 게이트(106), 차광 부재(107) 및 렌즈(109)를 피복하도록, 평탄한 상면을 갖는 평탄화막(108)이 형성되어 있다. 또한, 평탄화막(108)상에는 컬러 필터층(111)이 형성되어 있다. 이와 같이, 컬러 필터층(111)과 기판(104) 사이에 배치되는 렌즈(109)는 컬러 필터층 위에 형성된 마이크로 렌즈와 달리 이너렌즈 등으로 불리워지고 있다.
도30은, 수광부에 광을 집광하기 위한 렌즈를 구비한 종래의 다른 예에 의한 고체 촬상 장치의 구조를 도시한 단면도이다. 도30을 참조하면, 종래의 다른 예에 의한 고체 촬상 장치(122)에서는, 도29에 도시한 종래의 일례에 의한 고체 촬상 장치(102)와 달리, 밑으로 볼록한 형상을 갖는 렌즈(119)를 구비하고 있다. 이 렌즈(119)의 밑으로 볼록한 형상을 갖는 부분은 인접하는 2개의 차광 부재(107) 사이에 배치되어 있다. 또한, 렌즈(119)의 렌즈 중심(119a)은 기판(104) 위에 형성된 수광부(105)의 중심과 일치하도록 배치되어 있다. 또한, 렌즈(119)상에는 수지층(120)을 사이에 두고 컬러 필터층(121)이 형성되어 있다.
그러나, 도29에 도시한 종래의 일례에 의한 고체 촬상 장치(102)에서는 렌즈 중심(109a)이 수광부(105)의 중심과 일치하도록 렌즈(109)가 배치되어 있기 때문에, 도31에 도시한 바와 같이 렌즈(109)에 대하여 경사 방향으로부터 입사된 광을 수광부(105)의 중앙부에 집광하는 것이 곤란하다는 장애가 있다. 여기에서, 종래의 고체 촬상 장치(102)에서는 도32에 도시한 바와 같이, 고체 촬상 장치(102)와 소정의 간격을 두고 설치된 광학 렌즈(101a, 101b)와, 광학 렌즈(101a, 101b) 사이에 배치된 개구 조리개(101c)를 이용하여, 외부로부터의 광을 고체 촬상 장치(102)에 입사시키고 있다. 이 때, 광학 렌즈(101a, 101b)에 의해 굴절된 광은, 고체 촬상 장치(102)의 단부 근방의 화소(102a)에서는 고체 촬상 장치(102)의 중심부 근방의 화소(102b)와 비교하여 더욱 경사 방향에서 광이 입사된다. 도29에 도시한 종래의 일례에 의한 고체 촬상 장치(102)에서는 상기한 바와 같이, 렌즈(109)에 대해 경사 방향으로부터 입사한 광을 수광부(105)의 중앙부에 집광하는 것이 곤란하기 때문에, 경사 방향에서 광이 입사되는 수광 영역의 단부 근방에 있어서 렌즈(109)의 수광부(105)에의 집광 효율를 향상시키는 것이 곤란하다는 장애가 있다. 이에 따라, 고체 촬상 장치의 감도 특성을 향상시키는 것이 곤란하다는 문제점이 있다.
또한, 도30에 도시한 종래의 다른 예에 의한 고체 촬상 장치(122)에 있어서도, 렌즈(119)의 렌즈 중심(119a)이 수광부(105)의 중심과 일치하도록 배치되어 있기 때문에, 도33에 도시한 바와 같이 렌즈(119)에 대해 경사 방향으로부터 입사한 광을 수광부(105)의 중앙부에 집광하는 것이 곤란하다는 장애가 있다. 이에 따라, 도29에 도시한 종래의 고체 촬상 장치(102)와 마찬가지로, 수광 영역의 중앙부 근방에 비하여 더욱 경사 방향의 광이 입사되는 수광 영역의 단부 근방에 있어서, 고체 촬상 장치의 감도 특성을 향상시키는 것이 곤란하다는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 바와 같은 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 본 발명의 하나의 목적은 수광 영역의 단부 근방에 있어서도 감도 특성을 향상시킬 수 있는 고체 촬상 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 제1 국면에 따른 고체 촬상 장치는, 기판에 형성된 수광부와, 컬러 필터층과, 기판과 컬러 필터층 사이에 형성되어 수광부의 중심에 대해 소정 거리 어긋나게 배치된 렌즈 중심을 갖는 수광부에 광을 집광하기 위한 렌즈를 구비하고 있다.
이 제1 국면에 따른 고체 촬상 장치에서는 상기한 바와 같이, 기판과 컬러 필터층 사이에 형성된 수광부에 광을 수광하기 위한 렌즈의 렌즈 중심을 수광부의 중심에 대하여 소정 거리 어긋나게 배치함으로써, 경사 방향으로부터 렌즈에 입사한 광의 초점이 수광부에 맞도록 렌즈 중심과 수광부 중심과의 편차량을 조절하면, 경사 방향으로부터 입사한 광을 수광부에 유효하게 집광할 수 있다. 이에 따라, 복수의 수광부에 의해 기판에 수광 영역을 형성하는 경우에, 수광 영역의 중앙부 근방에 비하여 더욱 경사 방향으로부터의 광이 입사되는 수광 영역의 단부 근방에 있어서도, 렌즈의 수광부에의 집광 효율을 향상시킬 수 있기 때문에, 기판과 컬러 필터층과의 사이에 렌즈가 설치된 고체 촬상 장치의 감도 특성을 향상시킬 수 있다.
상기 제1 국면에 따른 고체 촬상 장치에 있어서, 바람직하게는, 렌즈는 복수 설치되고, 복수의 렌즈는 연속된 하나의 층으로 이루어지는 부분을 포함한다. 이와 같이 구성하면, 인접하는 렌즈간에 간극이 형성되는 것이 억제되기 때문에, 크게 경사 방향으로 기울어진 입사광에 대응하여 복수의 렌즈의 렌즈 중심을, 대응하는 수광부의 중심에 대하여 크게 어긋나게 배치하는 경우에도, 복수의 렌즈를 소정의 간격(간극)을 두고 불연속으로 배치하는 경우와 달리, 인접하는 렌즈간의 간극의 영역에 기인하여 수광부에 집광되지 않는 입사광이 생기는 장애가 발생하는 것을 억제할 수 있다. 이에 따라, 크게 경사 방향으로 기울어진 입사광을 수광부에 집광시키기 위해, 복수의 렌즈의 렌즈 중심을 대응하는 수광부의 중심에 대하여 크게 어긋나게 배치하는 경우에도, 수광부에의 집광 효율이 저하하는 것을 억제할 수 있다.
상기 제1 국면에 따른 고체 촬상 장치에 있어서, 바람직하게는, 인접하는 2개의 수광부간의 영역이며, 또한 기판과 렌즈 사이의 영역에 형성된 차광 부채를 더 구비하고, 렌즈 하단부는 차광 부재의 상단부보다 위에 배치되어 있다. 이와 같이 구성하면, 렌즈를 배치하는 횡방향의 위치가 차광 부재에 의해 제한되지 않기 때문에, 용이하게 렌즈의 렌즈 중심을 수광부 중심에 대해 소정 거리 어긋나게 배치할 수 있다.
이 경우에 있어서, 바람직하게는 차광 부재의 상단부와 동등 이상의 높이를 갖는 평탄한 상면을 갖는 평탄화막을 더 구비하고, 렌즈는 평탄화막의 상면상에 형성되어 있다. 이와 같이 구성하면, 렌즈를 평탄화막의 상면상의 임의의 위치에 배치할 수 있기 때문에, 용이하게 렌즈의 렌즈 중심을 수광부 중심에 대해 소정 거리 어긋나게 배치할 수 있다.
상기 평탄화막을 구비하는 고체 촬상 장치에 있어서, 바람직하게는, 평탄화막은 차광 부재를 피복하도록 형성되어 있다. 이와 같이 구성하면, 차광 부재를 피복하도록 평탄화막이 평성된 고체 촬상 장치에 있어서, 용이하게 렌즈의 렌즈 중심을 수광부 중심에 대해 소정 거리 어긋나게 배치할 수 있기 때문에, 감도 특성을 향상시킬 수 있다.
상기 평탄화막을 구비하는 고체 촬상 장치에 있어서, 바람직하게는, 평탄화막은 차광 부재의 측면 및 하면을 피복하도록 형성되고, 차광 부재의 상단부와 평탄화막의 상면은 실질적으로 같은 높이를 갖는다. 이와 같이 구성하면, 차광 부재 전체를 피복하도록 평탄화막을 형성하는 경우에 비하여, 평탄화막 상면의 높이를 작게 할 수 있기 때문에, 고체 촬상 장치의 높이 방향의 치수가 증대하는 것을 억제하면서, 렌즈의 중심을 수광부 중심에 대해 소정 거리 어긋나게 배치할 수 있다. 이에 따라, 고체 촬상 장치의 높이 방향의 치수가 증대하는 것을 억제하면서, 고체 촬상 장치의 감도 특성을 향상시킬 수 있다.
상기 평탄화막을 구비하는 고체 촬상 장치에 있어서, 바람직하게는, 렌즈는 위로 볼록한 형상을 갖는 상면부와 평탄화막의 상면상에 접촉하는 평탄면으로 이루어지는 하면부를 포함한다. 이와 같이 구성하면, 용이하게 렌즈를 평탄화막의 평탄면상의 임의의 위치에 배치할 수 있음과 동시에, 렌즈의 위로 볼록한 상면부에서 광을 굴절시켜 수광부에 광을 집광할 수 있다.
이 경우에 있어서, 바람직하게는, 렌즈의 위로 볼록한 형상을 갖는 상면부를 피복하도록 형성된 평탄한 상면을 갖는 수지층을 더 구비하고, 컬러 필터층은 수지층의 평탄한 상면상에 형성되어 있다. 이와 같이 구성하면, 렌즈의 볼록 형상의 상면부에 의한 영향을 받는 일 없이, 컬러 필터층을 평탄한 면 위에 형성할 수 있기 때문에, 컬러 필터층을 위로 볼록한 형상을 갖는 렌즈 위에 용이하게 형성할 수 있다.
상기 제1 국면에 따른 고체 촬상 장치에 있어서, 바람직하게는, 복수의 수광부에 의해 기판에 형성된 수광 영역을 더 구비하고, 렌즈는 복수의 수광부의 각각에 대응하도록 복수 설치되고, 수광 영역의 단부 근방에서의 렌즈의 렌즈 중심과 대응하는 수광부 중심 사이의 편차량은, 수광 영역의 중심부 근방에서의 렌즈의 렌즈 중심과 대응하는 수광부 중심 사이의 편차량에 비하여 크다. 이와 같이 구성하면, 수광 영역의 단부 근방에서 수광 영역의 중앙부 근방과 비교하여 더욱 경사 방향으로부터 입사되는 광을 유효하게 수광부에 집광할 수 있음과 동시에, 수광 영역의 중앙부 근방에서는 수직 방향에 가까운 광을 수광부에 집광할 수 있다. 이에 따라, 수광 영역의 중앙부 근방 및 단부 근방의 양쪽에서 수광부에의 집광 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 제1 국면에 따른 고체 촬상 장치에 있어서, 바람직하게는, 복수의 수광부에 의해 기판에 형성된 수광 영역을 더 구비하고, 렌즈의 렌즈 중심과 대응하는 수광부 중심 사이의 편차량은, 수광 영역의 중앙부 근방에서 복수의 수광부가 배치된 방향을 따라 수광 영역의 단부로 감에 따라 서서히 커지도록 구성되어 있다. 이와 같이 구성하면, 수광 영역의 중앙부 근방에서 복수의 수광부가 배치된 방향을 따라서 수광 영역의 단부로 감에 따라 입사각이 서서히 증대하는 광을 그 입사각에 따라서 유효하게 수광부에 집광할 수 있다. 이에 따라, 수광 영역의 중앙부 근방 및 단부 근방을 포함하는 수광 영역의 전 영역에 걸쳐서, 수광부에의 수광 효율을 향상시킬 수 있다.
이 경우에 있어서, 바람직하게는, 수광부와 사출동 사이의 거리를 L로 하고, 수광부 상면의 높이 위치로부터 인접하는 2개의 렌즈 경계부의 높이 위치까지의 거리보다 크고, 수광부 상면의 높이 위치로부터 렌즈의 렌즈 중심의 높이 위치까지의 거리보다 작은 임의의 거리를 h로 하고, 수광 영역 내의 임의의 수광부 중심과 수광 영역 중심 사이의 거리를 a로 한 경우에, 렌즈의 렌즈 중심과 대응하는 수광부 중심 사이의 편차량은, a×h/L로 표시되는 식에 의해 구해진다. 이와 같이 구성하면, 용이하게 렌즈에 의해 수광 영역의 중앙부 근방에서부터 복수의 수광부가 배치되는 방향을 따라서 수광 영역의 단부 근방으로 감에 따라 입사각이 서서히 증대하는 광을, 그 입사각에 따라 유효하게 수광부에 집광할 수 있다.
본 발명의 제2 국면에 따른 고체 촬상 장치는, 기판에 형성된 수광부와, 복수의 수광부에 의해 기판에 형성된 수광 영역과, 컬러 필터층과, 인접하는 2개의 수광부간의 영역이며, 또한 수광 영역상의 영역에 형성된 차광 부재와, 기판과 컬러 필터층과의 사이에 형성되고, 차광 부재의 상단부보다 위에 설치된 하단부와 위로 볼록한 형태를 갖는 상단부를 포함하는 수광부에 광을 집광하기 위한 복수의 렌즈를 구비하고, 복수의 렌즈는 연속한 하나의 층으로 이루어지는 부분을 포함한다.
이 제2 국면에 따른 고체 촬상 장치에서는, 상기한 바와 같이, 기판과 컬러 필터층의 사이에 형성된 수광부에 광을 집광하기 위한 렌즈 상면부를 위로 볼록한 형상으로 형성함과 동시에, 렌즈 하단부가 차광 부재의 상단부보다 위에 위치하도록 렌즈를 배치함으로써, 렌즈를 배치하는 횡방향의 위치가 차광 부재에 의해 제한되지 않기 때문에, 경사 방향으로부터 렌즈로 입사한 광의 초점이 수광부에 맞도록 렌즈 중심을 수광부 중심에 대해 횡방향으로 소정 거리 어긋나게 배치하면, 경사 방향으로부터 입사한 광을 렌즈의 위로 볼록한 상면부에서 굴절시켜 수광부에 유효하게 집광할 수 있다. 이에 따라, 수광 영역의 중앙부 근방에 비해 더욱 경사 방향으로부터의 광이 입사되는 수광 영역의 단부 근방에 있어서도, 렌즈 수광부에의 집광 효율을 향상시킬 수 있기 때문에, 기판과 컬러 필터층 사이에 렌즈가 설치된 고체 촬상 장치의 감도 특성을 향상시킬 수 있다. 또한, 복수의 렌즈를 연속된 하나의 층으로 이루어지는 부분을 포함하도록 구성함으로써 인접하는 렌즈간에 간극이 형성되는 것이 억제되기 때문에, 크게 경사 방향으로 기울어진 입사광에 대응하여 복수의 렌즈의 렌즈 중심을, 대응하는 수광부 중심에 대해 크게 어긋나게 배치하는 경우에도, 복수의 렌즈를 소정의 간격(간극)을 두고 불연속하게 배치하는 경우와 달리, 인접하는 렌즈간의 간극의 영역에 기인하여 수광부에 집광되지 않는 입사광이 생기는 장애가 발생하는 것을 억제할 수 있다. 이에 따라, 크게 경사 방향으로 기울어진 입사광을 수광부에 집광시키기 위해, 복수의 렌즈의 렌즈 중심을 대응하는 수광부 중심에 대해 크게 어긋나게 배치하는 경우에도, 수광부에의 집광 효율이 저하되는 것을 억제할 수 있다.
상기 제2 국면에 따른 고체 촬상 장치에 있어서, 바람직하게는, 렌즈는 수광부 중심에 대해 소정 거리 어긋나게 배치된 렌즈 중심을 갖는다. 이와 같이 구성하면, 용이하게 렌즈에 더욱 경사 방향으로부터 입사된 광을 렌즈의 위로 볼록한 상면부에서 굴절하여 집광부에 유효하게 집광할 수 있다.
이 경우에 있어서, 바람직하게는, 차광 부재의 상단부와 동등 이상의 높이를 갖는 평탄한 상면을 갖는 평탄화막을 더 구비하고, 렌즈는 평탄화막의 상면상에 형성되어 있다. 이와 같이 구성하면, 렌즈를 평탄화막의 상면상의 임의의 위치에 배치할 수 있기 때문에, 용이하게 렌즈의 렌즈 중심을 수광부의 중심에 대해 소정 거리 어긋나게 배치할 수 있다.
상기 평탄화막을 구비하는 고체 촬상 장치에 있어서, 바람직하게는, 평탄화막은 차광 부재를 피복하도록 형성되어 있다. 이와 같이 구성하면, 차광 부재를 피복하도록 평탄화막이 형성된 고체 촬상 장치에 있어서, 용이하게 렌즈의 렌즈 중심을 수광부의 중심에 대해 소정 거리 어긋나게 배치할 수 있기 때문에, 감도 특성을 향상시킬 수 있다.
상기 평탄화막을 구비하는 고체 촬상 장치에 있어서, 바람직하게는, 평탄화막은 차광 부재의 측면 및 하면을 피복하도록 형성되고, 차광 부재의 상단부와 평탄화막의 상면은 실질적으로 같은 높이를 갖는다. 이와 같이 구성하면, 차광 부재 전체를 피복하도록 평탄화막을 형성하는 경우에 비하여, 평탄화막 상면의 높이를 작게 할 수 있기 때문에, 고체 촬상 장치의 높이 방향의 길이가 증대하는 것을 억제하면서, 렌즈의 중심을 수광부의 중심에 대해 소정 거리 어긋나게 배치할 수 있다. 이에 따라, 고체 촬상 장치의 높이 방향의 치수가 증대하는 것을 억제하면서 고체 촬상 장치의 감도 특성을 향상시킬 수 있다.
상기 평탄화막을 구비하는 고체 촬상 장치에 있어서, 바람직하게는, 렌즈는 평탄화막의 상면상에 접촉하는 평탄면으로 이루어지는 하면부를 포함한다. 이와 같이 구성하면, 용이하게 렌즈를 평탄화막의 평탄면상의 임의의 위치에 배치할 수 있다.
상기 제2 국면에 따른 고체 촬상 장치에 있어서, 바람직하게는, 렌즈의 위로 볼록한 형상을 갖는 상면부를 피복하도록 형성된 평탄한 상면을 갖는 수지층을 더 구비하고, 컬러 필터층은 수지층의 평탄한 상면상에 형성되어 있다. 이와 같이 구성하면, 렌즈의 볼록 형상의 상면부에 의한 영향을 받는 일 없이, 컬러 필터층을 평탄한 면 위에 형성할 수 있기 때문에, 컬러 필터층을 위로 볼록한 형상을 갖는 렌즈의 위에 용이하게 형성할 수 있다.
상기 렌즈가 수광부 중심에 대해 소정 거리 어긋나게 설치된 렌즈 중심을 갖는 구성에 있어서, 바람직하게는, 렌즈는 복수의 수광부 각각에 대응하도록 복수 설치되고, 수광 영역의 단부 근방에 있어서 렌즈의 렌즈 중심과 대응하는 수광부 중심 사이의 편차량은, 수광 영역의 중앙부 근방에서의 렌즈의 렌즈 중심과 대응하는 수광부 중심 사이의 편차량에 비하여 크다. 이와 같이 구성하면, 수광 영역의 단부 근방에 있어서, 수광 영역의 중앙부 근방에 비하여 더욱 경사 방향으로부터 입사되는 광을 유효하게 수광부에 집광할 수 있음과 동시에, 수광 영역의 중앙부 근방에 있어서는 수직 방향에 가까운 광을 수광부에 집광할 수 있다. 이에 따라, 수광 영역의 중앙부 근방 및 단부 근방의 양쪽에서, 수광부에의 집광 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 렌즈가 수광부 중심에 대해 소정 거리 어긋나게 배치된 렌즈 중심을 갖는 구성에 있어서, 바람직하게는, 렌즈의 렌즈 중심과 대응하는 수광부 중심 사이의 편차량은, 수광 영역의 중앙부 근방에서부터 복수의 수광부가 배치된 방향을 따라 수광 영역의 단부로 감에 따라 서서히 커지도록 구성되어 있다. 이와 같이 구성하면, 수광 영역의 중앙부 근방에서부터 복수의 수광부가 배치된 방향을 따라 수광 영역의 단부로 감에 따라 입사각이 서서히 증대하는 광을, 그 입사각에 따라서 유효하게 수광부에 집광할 수 있다. 이에 따라, 수광 영역의 중앙부 근방 및 단부 근방을 포함하는 수광 영역의 전 영역에 걸쳐, 수광부에의 집광 효율을 향상시킬 수 있다.
이 경우에 있어서, 바람직하게는, 수광부와 사출동 사이의 거리를 L로 하고, 수광부 상면의 높이 위치로부터 인접하는 2개의 렌즈 경계부의 높이 위치까지의 거리보다 크고, 수광부 상면의 높이 위치로부터 렌즈의 렌즈 중심의 높이 위치까지의 거리보다 작은 임의의 거리를 h라 하고, 수광 영역 내의 임의의 수광부 중심과 수광 영역 중심 사이의 거리를 a라 했을 경우에, 렌즈의 렌즈 중심과 대응하는 수광부 중심 사이의 편차량은, a×h/L로 표시되는 식에 의해 구할 수 있다. 이와 같이 구성하면, 용이하게 렌즈에 의해 수광 영역의 중앙부 근방에서부터 복수의 수광부가 배치되는 방향을 따라서 수광 영역의 단부 근방으로 감에 따라 입사각이 서서히 증대하는 광을 그 입사각에 따라서 유효하게 수광부에 집광할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시 형태를 도면에 기초하여 설명한다.
[제1 실시 형태]
먼저, 도1 내지 도4를 참조하여, 본 발명의 제1 실시 형태에 의한 고체 촬상 장치(50)의 구조에 대해 설명한다.
본 발명의 제1 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치(50)는, 도1에 도시한 바와 같이, 2개의 광학 렌즈(1a, 1b)와, 개구 조리개(1c)와, 고체 촬상 소자(2)를 구비하고 있다. 이 고체 촬상 소자(2)와, 2개의 광학 렌즈(1a, 1b)와, 개구 조리개(1c)는, 각각 소정 간격을 두고 배치되어 있다. 또한, 광학 렌즈(1a, 1b)는 피사체로부터의 반사광을 집광하기 위해 설치되어 있다. 또한, 개구 조리개(1c)의 개구부을 통하여 광학 렌즈(1a)로부터 광학 렌즈(1b)에 광이 입사되도록 구성되어 있다.
또한, 고체 촬상 소자(2)는 인터라인형 CCD(Charge Coupled Device)의 구조를 갖고 있다. 구체적으로는, 고체 촬상 소자(2)는 복수의 화소(3)를 포함하고 있다. 또한, 고체 촬상 소자(2)의 화소(3)에서는 도2에 도시한 바와 같이, 반도체 기판(4)의 표면의 소정 영역에 입사된 광을 전하 신호로 변환하는 광전 변환 기능을 갖는 복수의 수광부(5)가 형성되어 있다. 이 복수의 수광부(5)는 각각 약 2㎛ 내지 5㎛의 소정 간격을 두고 각 화소(3)에 대응하도록 배치되어 있다. 또한, 복수의 수광부(5)에 의해 도3에 도시한 바와 같이, 반도체 기판(4)의 표면에 수광 영역(5a)이 형성되어 있다. 또한, 반도체 기판(4)의 표면상에는 도2에 도시한 바와 같이, 절연막(15)를 통하여 수광부(5)에서 얻어진 전하 신호를 전송하기 위한 전송 게이트(6)가 설치되어 있다. 이 전송 게이트(6)는 폴리실리콘에 의해 형성되어 있다. 또한, 절연막(16)을 사이에 두고, 전송 게이트(6)의 상부를 피복하도록, Al 등의 금속으로 된 차광 부재(7)가 형성되어 있다. 이 차광 부재(7)는 인접하는 2개의 수광부(5)간의 영역으로, 또한, 수광 영역(5a, 도3 참조)의 상부 영역에 설치되어 있다. 또한, 차광 부재(7)는 전송 게이트(6)에 광이 입사하는 것을 방지하는 기능을 갖는다.
여기에서, 제1 실시 형태에서는 차광 부재(7) 및 전송 게이트(6)을 피복하도록, 평탄한 상면(8a)을 갖는 실리콘 산화막으로 된 평탄화막(8)이 형성되어 있다. 이 평탄화막(8)의 상면(8a)은 차광 부재(7)의 상단부로부터 약 100nm 내지 800nm의 높이 위치에 형성되어 있다. 또한, 평탄화막(8)의 상면(8a) 위에는, 위로 볼록한 형상을 갖는 상면부와 평탄화막(8)의 상면(8a)에 접촉하는 평탄한 하면부를 갖는 SiN으로 된 복수의 렌즈(9)가 형성되어 있다. 이 렌즈(9)는 수광부(5)에 광을 집광하는 기능을 갖는다. 또한, 렌즈(9)는 렌즈 중심(9a)에서 약 500nm 내지 800nm의 두께를 갖음과 동시에, 인접하는 2개의 볼록 형상의 경계부(9b)에서 약 50nm 내지 200nm의 두께를 갖고 있다.
또한, 제1 실시 형태에서는 도2에 도시한 바와 같이, 수광 영역(5a, 도3 참조)의 단부 근방의 화소(3a)에서는 렌즈(9)의 렌즈 중심(9a)이 대응하는 수광부(5)의 중심에 대하여 소정 거리(L1) 어긋나게 배치되어 있다. 한편, 수광 영역(5a, 도3 참조)의 중앙부 화소(3b)에서는 도4에 도시한 바와 같이, 렌즈(9)의 렌즈 중심(9a)과 대응하는 수광부(5)의 중심이 일치하도록 배치되어 있다. 또한, 렌즈(9)의 렌즈 중심(9a)과 수광부(5)의 중심 사이의 편차량은, 수광 영역(5a, 도3 참조)의 중앙부 근방에서부터 복수의 수광부(5)가 배치되는 방향을 따라 수광영역(5a)의 단부 근방으로 감에 따라 서서히 커지도록 구성되어 있다. 따라서, 수광 영역(5a)의 중앙부와 단부의 중간부에서는 렌즈(9)의 렌즈 중심(9a)과 수광부(5)의 중심 사이의 편차량이, 수광 영역(5a) 중앙부에 있어서의 편차량(0, 도4 참조)과 수광 영역(5a)의 단부 근방에 있어서의 편차량(L1, 도2 참조)의 중간 편차량이 되도록 설정되어 있다. 또한, 수광 영역(5a)의 전 영역에 있어서 렌즈(9)의 렌즈 중심(9a)과 수광부(5)의 중심 사이의 편차량은, 약 500nm 이하로 설정되어 있다.
또한, 제1 실시 형태에서는 각 렌즈(9)의 렌즈 중심(9a)과 대응하는 수광부(5) 중심 사이의 편차량(d, 도6 참조)은 이하의 식(1)을 이용하여 설정되어 있다. 한편, 이하의 식(1)에 있어서 L은 수광부(5)와 사출동(20, 도5 참조) 사이의 거리이며, h와 수광부(5) 상면의 높이 위치에서부터 인접하는 2개의 렌즈(9)의 경계부(9b)의 높이 위치 까지의 거리보다 크고 수광부(5) 상면의 높이 위치에서부터 렌즈(9)의 렌즈 중심(9a)의 높이 위치 까지의 거리보다 작은 임의의 거리이며, a는 수광 영역(5a) 내의 임의의 수광부(5) 중심과 수광영역(5a) 중심(5b) 사이의 거리이다. 또한, 사출동(20, 도5 참조)은 개구 조리개(1c, 도1 참조)에 의해 고체 촬상 소자(2) 측에 배치된 랜즈(1b)에 의해 생기는 개구 조리개(1c)의 상이다.
d = a × h / L … (1)
또한, 제1 실시 형태에서 복수의 렌즈(9)는 연속한 하나의 층으로 이루어진다. 이에 따라, 인접하는 렌즈(9)간에 간극이 형성되는 것이 억제되기 때문에, 크게 경사 방향으로 기울어진 입사광에 대응하여 복수의 렌즈(9)의 렌즈 중심(9a)을, 대응하는 수광부(5)의 중심에 대해 크게 어긋나게 배치하는 경우에도 복수의 렌즈(9)를 소정의 간격(간극)을 두고 불연속하게 배치하는 경우와는 달리, 인접하는 렌즈(9)간의 간극 영역에 기인하여 수광부(5)에 집광되지 않는 입사광이 생기는 장애가 발생하는 것을 억제할 수 있다.
또한, 도2에 도시한 바와 같이, 렌즈(9)의 위로 볼록한 형상의 상면부를 피복하도록 양호한 투명성 및 피복성을 갖는 아크릴 수지 등으로 이루어지는 수지층(10)이 형성되어 있다. 이 수지층(10)은 평탄한 상면(10a)을 갖도록 형성되어 있다. 또한 수지층(10)의 평탄한 상면(10a) 위에 접하도록 약 300nm 내지 1000nm의 두께를 갖는 컬러 필터층(11)이 형성되어 있다. 이 컬러 필터층(11)은 R(적), G(녹), B(청)의 3색의 안료를 각각 첨가한 감광성 수지 재료에 의해 형성되어 있다. 이와 같이, 제1 실시 형태에서는 컬러 필터층(11)과 반도체 기판(4)의 사이에 렌즈(9)가 배치되어 있다.
제1 실시 형태에서는, 도7에 도시한 바와 같이 고체 촬상 장치(50)에 대하여 경사 방향으로부터의 광이 입사함으로써, 고체 촬상 소자(2)에 대하여 경사 방향으로부터의 광이 입사하는 경우에도, 상기한 바와 같이, 수광 영역(5a)의 단부 근방에서의 반도체 기판(4)와 컬러 필터층(11) 사이에 형성된 렌즈(9)의 렌즈 중심(9a)과 대응하는 수광부(5)의 중심과의 편차량을, 수광 영역(5a)의 중앙부 근방에서의 렌즈(9)의 렌즈 중심(9a)과 대응하는 수광부(5)의 중심 사이의 편차량에 비하여 커지도록 구성함으로써, 도8에 도시한 바와 같이, 경사 방향으로부터 렌즈(9)에 입사한 광의 초점을 수광부(5)에 맞출 수 있기 때문에, 수광 영역(5a)의 단부 근방에 있어서 수광 영역(5a)의 중앙부 근방에 비하여 더욱 경사 방향으로부터 입사된 광을 유효하게 수광부(5)에 집광할 수 있음과 동시에, 수광 영역(5a)의 중앙부 근방에 있어서는 수직 방향에 가까운 광을 수광부(5)에 집광할 수 있다. 이에 따라, 수광 영역(5a)의 중앙부 근방과 수광 영역(5a)의 단부 근방과의 양쪽에서 수광부(5)에의 집광 효율을 향상시킬 수 있기 때문에, 반도체 기판(4)과 컬러 필터층(11) 사이에 렌즈(9)가 설치된 고체 촬상 장치(50)의 감도 특성을 향상시킬 수 있다. 한편, 고체 촬상 소자(2)에 대하여 경사 방향으로부터의 광이 입사하는 경우에, 렌즈(9)의 렌즈 중심(9a)을 수광부(5)의 중심에 대하여 비켜서 옮기지 않고 배치하면, 도9에 도시한 바와 같이 입사한 광의 초점을 수광부(5)에 맞출 수 없기 때문에 경사 방향으로부터 입사한 광을 수광부(5)에 집광하는 것이 곤란하다.
또한, 제1 실시 형태에서는 복수의 렌즈(9)를 연속한 한개의 층으로 구성함으로써, 인접하는 렌즈(9)간에 간극이 형성되는 것이 억제되기 때문에, 크게 경사 방향으로 기울어진 입사광에 대응하여 복수의 렌즈(9)의 렌즈 중심(9a)을, 대응하는 수광부(5)의 중심에 대하여 크게 어긋나게 배치하는 경우에도, 복수의 렌즈(9)를 소정의 간격(간극)을 두고 불연속하게 배치하는 경우와 달리, 인접하는 렌즈(9)간의 간극 영역에 기인하여 수광부(5)에 집광되지 않는 입사광이 생기는 장애가 발생하는 것을 억제할 수 있다. 이에 따라, 크게 경사 방향으로 기울어진 입사광을 수광부(5)에 집광시키기 위해서, 복수의 렌즈(9)의 렌즈 중심(9a)을 대응하는 수광부(5)의 중심에 대해 크게 어긋나게 배치하는 경우에도, 수광부(5)에의 집광 효율이 저하하는 것을 억제할 수 있다.
또한, 제1 실시 형태에서는 렌즈(9)의 렌즈 중심(9a)과 대응하는 수광부(5)의 중심 사이의 편차량을 수광 영역(5a)의 중앙부 근방에서부터 복수의 수광부(5)가 배치되는 방향을 따라 수광 영역(5a)의 단부 근방으로 감에 따라 서서히 커지도록 구성함으로써, 수광 영역(5a)의 중앙부 근방에서부터 복수의 수광부(5)가 배치되는 방향을 따라 수광 영역(5a)의 단부 근방으로 감에 따라 입사각이 서서히 증대하는 광을 그 입사각에 따라서 유효하게 수광부(5)에 집광할 수 있다. 이에 따라, 수광 영역(5a)의 중앙부 근방 및 단부 근방을 포함하는 수광 영역(5a)의 전 영역에 걸쳐서 수광부(5)에의 수광 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 제1 실시 형태에서는 렌즈(9)의 위로 볼록한 형태를 갖는 상면부를 피복하도록 평탄한 상면(10a)을 갖는 수지층(10)을 형성함과 동시에, 수지층(10)의 평탄한 상면(10a)상에 컬러 필터층(11)을 형성함으로써, 렌즈(9)의 볼록 형상의 상면부에 의한 영향을 받는 일 없이 컬러 필터층(11)을 평탄한 상면(10a)상에 형성할 수 있기 때문에, 컬러 필터층(11)을 위로 볼록한 형상을 갖는 렌즈(9) 위에 용이하게 형성할 수 있다.
다음에, 도2 내지 도6 및 도10 내지 도15를 참조하여 본 발명의 제1 실시 형태에 의한 고체 촬상 소자(2)의 제조 프로세스에 대하여 설명한다.
먼저, 도10에 도시한 바와 같이 복수의 수광부(5)로 이루어진 수광 영역(5a, 도3 참조)이 형성된 반도체 기판(4)의 표면상의 소정 영역에, 절연막(15)을 사이에 두고 폴리실리콘으로 이루어지는 전송 게이트(6)를 형성한다. 또한, 절연막(16)을 사이에 두고, 전송 게이트(6)의 상부를 피복하도록 Al 등의 금속 재료로 된 차광 부재(7)을 형성한다. 그 다음에, 차광 부재(7)를 피복하도록 실리콘산화막으로 된 평탄화막(8)을 형성한다. 그 다음, 평탄화막(8)의 상부를 CMP(Chemical Mechenical Polishing)법을 이용하여 평탄화한다. 이에 따라, 차광 부재(7)의 상면에서 약 100nm 내지 800nm의 높이에 평탄화막(8)의 평탄화된 상면(8a)을 형성한다.
다음에, 도11에서 도시한 바와 같이 CVD(Chemical Vapor Deposition)법을 이용하여, 평탄화막(8)의 상면(8a)상에 약 500nm 내지 800nm의 두께를 갖는 SiN막(9c)를 형성한다.
다음으로, 도12에 도시한 바와 같이 리소그래피 기술을 이용하여, SiN막(9c)상의 소정 영역에 레지스트(12)를 형성한다. 이 때, 제1 실시 형태에서는 수광 영역(5a, 도3 참조)의 중앙부 근방으로부터 복수의 수광부(5)가 배치되는 방향을 따라 수광 영역(5a)의 단부 근방으로 감에 따라 레지스트(12)의 중심과 수광부(5)의 중심 사이의 편차량이 서서히 커지도록 레지스트(12)를 패터닝한다. 한편, 레지스트(12)의 중심과 수광부(5)의 중심 사이의 편차량은 약 500nm 이하가 되도록 설정한다. 이 때, 레지스트(12)의 중심과 수광부(5)의 중심 사이의 편차량은 전기의 식(1)을 이용하여 설정한다. 구체적으로는, 먼저, 도13에 도시한 바와 같이, 렌즈 중심(9a, 도6 참조)과 수광부(5)의 중심이 일치한 배열 A의 영역을 설정한다. 그리고, 설정한 배열 A에서의 각 렌즈(9)의 볼록 형상을 소정 비율로 축소시켜 렌즈 중심(9a)을 수광부(5)의 중심에 대하여 내측에 편차량 d(도6 참조)만큼 어긋나게 함으로써, 배열 B의 영역을 설정한다. 이 때, 배열 A 영역의 중심을 원점으로 한 배열 A 중의 소정 렌즈(9)의 렌즈 중심(9a)의 좌표를 (x0, y0)로 하고, 상기 식(1)의 거리 L(도6 참조)을 12mm로 하고, 거리 h(도6 참조)를 3㎛로 한다. 이 경우, 상기 식(1)에 의해 구해진 대응하는 배열 B 중의 렌즈(9)의 렌즈 중심(9a)과 수광부(5)의 중심 사이의 편차량 d는, x축 방향에서는 (-x0 × 3/12000)의 편차량이 됨과 동시에, y축 방향에서는 (-y0 × 3/12000)의 편차량이 된다. 이에 따라, 배열 B 영역의 렌즈(9)의 렌즈 중심(9a)의 좌표는, (x0 - x0 × 3/12000, y0 - y0 × 3/12000)로 설정된다. 이 때문에, 원점의 좌표와 레지스트(12) 중심의 좌표 (x0 - x0 × 3/12000, y0 - y0 × 3/12000)를 설정함으로써, 수광부(5)의 중심에 대하여 편차량 d를 갖도록 렌즈(9)를 형성하기 위한 레지스트(12)를 패터닝할 수 있다.
예를 들어, 수광 영역(5a, 도13 참조)의 대각 길이를 약 3950㎛로 설정할 경우, 수광 영역(5a)의 중심으로부터 가장 떨어진 대각의 위치에서는 중심으로부터 약 1975㎛의 거리가 있다. 따라서, 이 대각상의 렌즈(9, 도6 참조)의 렌즈 중심(9a)과 수광부(5)의 중심 사이의 편차량 d는, 1975 × 3/12000 = 0.494㎛로 구해진다. 이에 따라, 수광 영역(5a)의 대각 길이를 약 3950㎛로 설정하는 경우에는 대각상의 렌즈(9)의 렌즈 중심(9a)을 약 0.494㎛ 만큼 수광 영역(5a)의 중심측으로어긋나게 하기 위해, 렌즈 중심(9a)에 대응하는 레지스트(12, 도12 참조)의 중심을 약 0.494㎛만큼 수광 영역(5a, 도13 참조)의 중심측에 어긋나도록 형성한다.
다음으로, 핫플레이트 상에 약 160℃, 약 2분간의 열처리를 행함으로써, 레지스트(12)의 유동성을 향상시킨다. 이에 따라, 레지스트(12)는 도14에 도시한 바와 같이, 표면장력에 의해 위로 볼록한 형상으로 형성된다. 또한, 이 때 위로 볼록한 형상을 갖는 인접하는 2개의 레지스트(12) 사이에는 약 0.2㎛의 간격이 형성된다. 다음에, 위로 볼록한 형상의 레지스트(12)와 SiN막(9c)를 동시에 에칭함으로써, 도15에 도시한 바와 같이 레지스트(12)의 위로 볼록한 형상을 반영한 위로 볼록한 형상을 갖는 복수의 렌즈(9)를 형성한다. 또한, 이 복수의 렌즈(9)는 연속한 하나의 층으로 이루어지도록 형성된다. 한편, 이 경우의 구체적인 에칭 조건으로는, 가스 : CF4 가스(약 5sccm 내지 25sccm), O2 가스(약 5sccm 내지 약30sccm) 및 Ar 가스(약 50sccm 내지 약 150sccm), RF 전력 : 약 500W 내지 1000W, 가스 압력 : 약 2.6Pa 내지 10.7Pa이다. 이에 따라 수광 영역(5a, 도3 참조)의 중앙부 근방에서부터 복수의 수광부(5)가 배치된 방향을 따라서 수광 영역(5a)의 단부 근방으로 감에 따라서, 렌즈(9)의 렌즈 중심(9a)과 수광부(5)의 중심 사이의 편차량이 서서히 커지도록 구성된 렌즈(9)가 형성된다.
다음으로, 렌즈(9)의 인접하는 2개의 볼록 형상 사이의 경계부(9b)를 매립하도록, 양호한 투명성 및 피복성을 갖는 아크릴 수지 등으로 이루어짐과 아울러, 평탄한 상면(10a, 도2 참조)을 갖는 수지층(10)을 형성한다. 이 수지층(10)는 스핀 코트법을 이용하여 형성한다. 이 스핀 코트법에 의한 수지층(10)의 형성은 렌즈(9)상에 아크릴 수지 등의 수지 재료를 도포한 후, 고체 촬상 소자(2)를 수직 방향의 축을 중심으로 회전시켜 수지 재료를 렌즈(9)의 전면(全面)으로 넓힘으로써 행한다. 한편, 이 때의 고정 촬상 소자(2)의 회전수는 수지 재료를 평탄한 기판상에 도포하여 회전시킨 경우에, 기판상에 약 500nm 내지 1500nm의 두께를 갖는 수지 재료막이 형성되는 회전수로 설정한다. 이 후, 수지층(10)의 상면(10a) 위에 약 300nm 내지 1000nm의 두께를 갖는 컬러 필터층(11)을 형성한다. 이 컬러 필터층(11)은 RGB 3색의 안료가 각각 첨가된 감광성 수지 재료를 이용하여, 노광 및 현상을 행함으로써 형성된다. 이와 같이, 도2 및 도4에 도시한 제1 실시 형태에 의한 고체 촬상 장치(500의 고체 촬상 소자(2)가 형성된다.
[제2 실시 형태]
이 제2 실시 형태에서는, 상기 제1 실시 형태와 달리 프레임 트랜스퍼형 CCD의 고체 촬상 소자에 본 발명을 적용한 예에 대하여 설명한다.
이 제2 실시 형태에 의한 고체 촬상 소자(22)에서는 도16에 도시한 바와 같이, 반도체 기판(24) 표면의 소정 영역에 입사된 광을 전하 신호로 변환하는 광전 변환 기능을 갖는 복수의 수광부(25)가 형성되어 있다. 이 복수의 수광부(25)에 의해 상기 제1 실시 형태와 같이, 수광 영역(5a, 도3 참조)이 형성되어 있다. 또한, 복수의 수광부(25)는 각각, 약 0.3㎛ 내지 3㎛의 간격을 두고 배치되어 있다. 또한, 수광부(25)가 형성된 반도체 기판(24)상에는, 절연막(35)을 사이에 두고 폴리실리콘으로 된 전송 게이트(26)가 형성되어 있다. 또한, 전송 게이트(26)를 피복하도록 평탄화막(28)이 형성되어 있다. 이 평탄화막(28)은 양호한 피복성 및 광투과성을 갖는 실리콘 산화막에 의해 형성되어 있다.
여기에서, 제2 실시 형태에서는 W 등으로 이루어지는 차광 부재(27)가 평탄화막(28)에 형성된 홈부(28b)를 매립하도록 형성되어 있다. 이에 따라, 차광 부재(27)의 측면 및 저면은 평탄화막(28)으로 피복되어 있다. 또한 차광 부재(27)의 상단부와 평탄화막(28)의 상면은 같은 높이가 되도록 형성되어 있다. 이에 따라, 차광 부재(27)의 상단부 및 평탄화막(28)의 상면에 의해 평탄면(28a)이 형성되어 있다. 이 평탄면(28a)상에는, 상기 제1 실시 형태에 의한 렌즈(9, 도2 및 도3 참조)와 같은 구조를 갖는 복수의 렌즈(29)가 형성되어 있다. 이 복수의 렌즈(29)는, 연속한 하나의 층으로 이루어진다. 또한, 렌즈(29)는 수광 영역(5a, 도3 참조)의 단부 근방의 화소(23a)에서는 도16에 도시한 바와 같이, 렌즈 중심(29a)이 대응하는 수광부(25)의 중심에 대하여 소정의 거리 어긋나게 배치되어 있는 한편, 수광 영역(5a, 도3 참조)의 중앙부의 화소(23b)에서는 도17에 도시한 바와 같이, 렌즈 중심(29a)이 대응하는 수광부(25)의 중심과 일치하도록 배치되어 있다. 또한, 수광 영역(5a, 도3 참조)의 중앙부 근방에서부터 복수의 수광부(25)가 배치된 방향을 따라 수광 영역(5a, 도3 참조)의 단부 근방으로 감에 따라, 렌즈(29)의 렌즈 중심(29a)과 대항하는 수광부(25)의 중심 사이의 편차량이 서서히 커지도록 구성되어 있다. 이 편차량은, 상기 식(1)에 의해 구해진 편차량 d가 되도록 설정되어 있다. 또한, 수광 영역(5a) 전 영역에 있어서 렌즈(29)의 렌즈 중심(29a)과 대응하는 수광부(25) 중심과의 편차량은, 약 500nm 이하가 되도록 구성되어 있다. 또, 제2 실시 형태에 의한 고체 촬상 소자(22)의 상기 이외의 구조는, 상기한 제1 실시 형태에 의한 고체 촬상 소자(2)와 동일하다.
제2 실시 형태에서는 상기한 바와 같이, 수광 영역(5a)의 단부 근방에서의 반도체 기판(24)과 컬러 필터층(31) 사이에 형성된 렌즈(29)의 렌즈 중심(29a)과 대응하는 수광부(25) 중심 사이의 편차량을, 수광 영역(5a)의 중앙부 근방에서의 렌즈(29)의 렌즈 중심(29a)과 대응하는 수광부(25) 중심 사이의 편차량에 비하여 커지도록 구성함으로써, 수광 영역(5a)의 단부 근방에 있어서, 수광 영역(5a)의 중앙부 근방에 비하여 더욱 경사 방향으로 입사되는 광을 유효하게 수광부(25)에 집광할 수 있음과 동시에, 수광 영역(5a)의 중앙부 근방에 있어서는 수직 방향에 가까운 광을 수광부(25)에 집광할 수 있다. 이에 따라, 수광 영역(5a)의 중앙부 근방과 수광 영역(5a)의 단부 근방과의 양쪽에서 수광부(25)에의 집광 효율을 향상시킬 수 있기 때문에, 반도체 기판(24)과 컬러 필터층(31)의 사이에 렌즈(29)가 설치된 고체 촬상 장치의 감도 특성을 향상시킬 수 있다.
제2 실시 형태의 이 이외의 효과는 상기한 제1 실시 형태에 의한 효과와 동일하다.
다음으로, 도16 내지 도21을 참조하여 본 발명의 제2 실시 형태에 의한 고체 촬상 소자(22)의 제조 프로세스에 대하여 설명한다.
먼저, 제2 실시 형태에서는 도18에 도시한 바와 같이, 복수의 수광부(25)로 이루어진 수광 영역(도3 참조)이 형성된 반도체 기판(24)의 상면을 피복하도록, 절연막(35) 및 폴리실리콘으로 된 전송 게이트(26)를 이 순서로 형성한다. 그리고, 전송 게이트(26)를 피복하도록 실리콘 산화막으로 이루어지는 평탄화막(28)을 형성한 후, 평탄화막(28)의 상면을 CMP법에 의해 평탄화한다. 그리고, 평탄화된 평탄화막(28)의 상면 위의 소정 영역에 레지스트(32)를 형성한다.
다음에, 도19에 도시한 바와 같이, 레지스트(32)를 마스크로 하여 평탄화막(28)을 소정 깊이만큼 에칭함으로써 홈부(28b)를 형성한다. 이 다음, 평탄화막(28)상의 레지스트(32)를 제거한다.
다음으로, 도20에 도시한 바와 같이, W 등으로 이루어지는 금속층(27a)을 평탄화막(28)의 홈부(28b)를 매립함과 동시에, 평탄화막(28)의 상면 위로 연장되도록 형성한다. 그리고, 금속층(27a)의 나머지 부분을 CMP법을 이용하여 연마함으로써 도21에 도시한 바와 같이, W 등으로 된 차광 부재(27)를 형성함과 동시에, 차광 부재(27)의 상단부 및 평탄화막(28)의 상면을 같은 높이로 한다. 이에 따라, 차광 부재(27)의 상단부 및 평탄화막(28)의 상면에 의해 구성된 평탄면(28a)가 형성된다. 이 다음, 상기 제1 실시 형태와 같은 제조 프로세스에 의해 도16 및 도17에 도시한 바와 같이, 평탄면(28a)상에, 렌즈(29), 수지층(30) 및 컬러 필터층(31)을 형성한다.
[제3 실시 형태]
이 제3 실시 형태에서는 상기 제1 및 제2 실시 형태와 달리, 렌즈가 밑으로 볼록한 형상을 갖는 경우에 대하여 설명한다. 먼저, 도22 및 도23을 참조하여, 본 발명의 제3 실시 형태에 의한 고체 촬상 소자(42)의 구조에 대하여 설명한다.
이 제3 실시 형태에 의한 고체 촬상 소자(42)는 도22에 도시한 바와 같이, 복수의 수광부(45)로 이루어진 수광 영역(5a, 도3 참조)을 갖는 반도체 기판(44)의 표면상에, 절연막(55)을 사이에 두고, 폴리실리콘으로 이루어지는 전송 게이트(46)가 형성되어 있다. 또한, 절연막(56)을 사이에 두고, 전송 게이트(46)을 피복하도록 Al 등의 금속으로 이루어지는 차광 부재(47)가 형성되어 있다. 또한, 차광부재(47)를 피복하도록 실리콘 산화막으로 이루어지는 절연막(48)이 형성되어 있다. 이 절연막(48)의 상면은 오목부(48c)를 갖는다. 이 절연막(48)의 오목부(48c)를 매립하도록, 밑으로 볼록한 형상을 갖는 SiN으로 이루어지는 복수의 렌즈(49)가 형성되어 있다. 이 복수의 렌즈(49)는, 연속한 하나의 층으로 이루어진다. 또한, 렌즈(49)는 수광 영역(5a, 도3 참조)의 단부 근방의 화소(43a)에서는 도22에 도시한 바와 같이, 렌즈 중심(49a)이 대응하는 수광부(45)의 중심에 대하여 소정 거리 어긋나게 배치되는 한편, 수광 영역(5a, 도3 참조)의 중앙부의 화소(43b)에서는 도23에 도시한 바와 같이, 렌즈 중심(49a)이 대응하는 수광부(45)의 중심과 일치하도록 배치되어 있다. 또한, 수광 영역(5a, 도3 참조)의 중앙부 근방으로부터 복수의 수광부(45)가 배치된 방향을 따라 수광 영역(5a, 도3 참조)의 단부 근방으로 감에 따라서 렌즈(49)의 렌즈 중심(49a)과 대항하는 수광부(45)의 중심 사이의 편차량이 서서히 커지도록 구성되어 있다. 또한, 수광 영역(5a) 전 영역에 있어서 렌즈(49)의 렌즈 중심(49a)과 대응하는 수광부(45) 중심과의 편차량은 약 500nm 이하가 되도록 구성되어 있다. 또한, 렌즈(49)의 상면(49d)는 평탄화 됨과 동시에, 평탄화된 렌즈(49)의 상면(49d)상에는 약 300nm 내지 1000nm의 두께를 갖는 컬러 필터층(51)을 형성한다. 이 제3 실시 형태에 의한 고체 촬상 소자(42)의 상기 이외의 구조는 상기한 제1 실시 형태에 의한 고체 촬상 소자(2, 도2 및 도4 참조)와 동일하다.
제3 실시 형태에서는 상기한 바와 같이, 수광 영역(5a)의 단부 근방에서의 반도체 기판(44)과 컬러 필터층(51) 사이에 형성된 렌즈(49)의 렌즈 중심(49a)과 대응하는 수광부(45)의 중심 사이의 편차량을, 수광 영역(5a)의 중앙부 근방에서의 렌즈(49)의 렌즈 중심(49a)과 대응하는 수광부(45)의 중심 사이의 편차량에 비하여 커지도록 구성함으로써, 수광 영역(5a)의 단부 근방에 있어서 수광 영역(5a)의 중앙부 근방에 비하여 더욱 경사 방향으로부터 입사되는 광을 유효하게 수광부(45)에 집광할 수 있음과 동시에, 수광 영역(5a)의 중앙부 근방에서는 수직 방향에 가까운 광을 수광부(45)에 집광할 수 있다. 이에 따라, 수광 영역(5a)의 중앙부 근방과 수광 영역(5a)의 단부 근방과의 양쪽에서, 수광부(45)에의 집광 효율을 향상시킬 수 있기 때문에, 반도체 기판(44)과 컬러 필터층(51) 사이에 렌즈(49)가 설치된 고체 촬상 장치의 감도 특성을 향상시킬 수 있다.
제3 실시 형태의 이 밖의 효과는 상기한 제1 실시 형태에 의한 효과와 동일하다.
다음으로, 도22 내지 도28을 참조하여 본 발명의 제3 실시 형태에 의한 고체 촬상 소자(42)의 제조 프로세스에 대하여 설명한다.
먼저, 도24에 도시한 바와 같이 복수의 수광부(45)로 이루어진 수광 영역(5a, 도3 참조)을 갖는 반도체 기판(44), 절연막(55), 전송 게이트(46), 절연막(56) 및 차광 부재(47)를 형성한 후, 차광 부재(47)를 피복하도록 실리콘 산화막으로 된 절연막(48)을 형성한다. 그리고, CMP법에 의해 절연막(48)의 상면을 평탄화한다.
다음에, 도25에 도시한 바와 같이, 평탄화된 절연막(48)의 상면상의 소정 영역에 레지스트(52)를 형성한다.
다음으로, 도25에 도시한 바와 같이 레지스트(52)를 마스크로 하여, 절연막(48)을 에칭함으로써 약 500nm의 깊이를 갖는 홈부(48b)를 형성한다. 이 때, 제3 실시 형태에서는 수광 영역(5a, 도3 참조)의 중앙부 근방에서부터 복수의 수광부(45)가 배치된 방향을 따라 수광 영역(5a, 도3 참조)의 단부 근방으로 감에 따라서 홈부(48b)의 중심과 수광부(45)의 중심 사이의 편차량이 서서히 커지도록 레지스트(52)를 패터닝함으로써 홈부(48b)를 형성한다.
다음으로, 도27에 도시한 바와 같이, 불산(HF : H2O = 1 : 100)을 이용하여 4분간 습식 에칭을 행함으로써, 절연막(48)의 상면에 곡면상의 오목부(48c)를 형성한다. 그 후, 레지스트(52)를 제거한다.
다음으로, 도28에 도시한 바와 같이 CVD법 등에 의해 평탄화막(48)의 오목부(48c)를 매립하도록 SiN으로 이루어지는 렌즈(49)를 형성한다. 이 때, 렌즈(49)의 렌즈 중심(49a)에서의 두께가 약 800nm 내지 1000nm가 되도록 렌즈(49)를 형성한다. 그 후, 렌즈(49)의 상면(49d)을 CMP법을 이용하여 평탄화한다. 그리고, 도22 및 도23에 도시한 바와 같이 RGB 3색의 안료가 각각 첨가된 감광성 수지 재료를 형성한 후, 노광 및 현상을 행함으로써 RGB 3색을 갖는 컬러 필터층(51)을 렌즈(49)의 상면(49d)상에 형성한다. 제3 실시 형태에 의한 고체 촬상 소자(42)의 이 이외의 제조 프로세스는 상기 제1 실시 형태에 의한 고체 촬상 소자(2)의 제조 프로세스와 동일하다.
한편, 이번에 개시된 실시 형태는, 모든 점에서 예시이며 제한적인 것이 아니라고 생각되어져야 한다. 본 발명의 범위는, 상기 실시 형태의 설명에서가 아니라 특허 청구의 범위에 의해 개시되며, 또한 특허 청구의 범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함된다.
예를 들어, 상기 제1 내지 제3 실시 형태에서는 평탄화막 또는 절연막의 상면을 CMP법을 이용하여 평탄화한 예를 나타내었으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 에칭을 행함으로써 평탄화막 또는 절연막의 상면을 평탄화해도 된다.
또한, 상기 제1 내지 제3 실시 형태에서는 실리콘산화막으로 이루어지는 평탄화막 또는 절연막을 형성하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 실리콘 산화막으로 이루어지는 평탄화막 또는 절연막을 형성하도록 하여도 된다.
또한, 상기 제1 내지 제3 실시 형태에서는 수광부에 집광하기 위한 렌즈로서 컬러 필터층과 반도체 기판 사이에 형성된 렌즈(이너렌즈)만을 설치하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 컬러 필터층과 반도체 기판 사이에 형성된 렌즈(이너렌즈)에 부가하여, 컬러 필터층 상에 각 수광부에 대응한 복수의 볼록부를 갖는 마이크로 렌즈를 더 설치해도 된다.
또한, 상기 제1 내지 제3 실시 형태에서는 CCD에 본 발명을 적용한 예에 대해서 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, CMOS 센서 등의 다른 종류의 고체 촬상 장치에 본 발명을 적용해도 된다. CMOS 센서 등의 다른 종류의 고체 촬상 장치에 본 발명을 적용한 경우에도, 고체 촬상 장치의 감도 특성을 향상시킬 수 있는 등의 상기 실시 형태와 같은 효과를 얻을 수 있다.
또한, 상기 실시 형태에서는 복수의 렌즈를 연속된 하나의 층으로 이루어지도록 구성하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 복수의 렌즈를 연속된 하나의 층으로 이루어진 부분과 그 이외의 다른 층으로 이루어진 부분을 포함하도록 구성해도 된다.
본 발명의 고체 촬상 장치에 따르면, 광전 변환 기능을 갖는 수광부에 광을 집광하기 위한 렌즈를 구비한 고체 촬상 장치를 제공할 수 있다.
도1은 본 발명의 제1 실시 형태에 의한 고체 촬상 장치의 전체 구성을 도시한 개략도.
도2는 도1에 도시한 제1 실시 형태에 의한 고체 촬상 장치 수광 영역의 단부 근방에서의 화소 부분의 구조를 도시한 단면도.
도3은 도1에 도시한 제1 실시 형태에 의한 고체 촬상 장치 수광 영역의 구조를 설명하기 위한 모식도.
도4는 도1에 도시한 제1 실시 형태에 의한 고체 촬상 장치 수광 영역의 중앙부에서의 화소 부분의 구조를 도시한 단면도.
도5는 도1에 도시한 제1 실시 형태에 의한 고체 촬상 장치에 있어서의 사출동 구성을 도시한 모식도.
도6은 도1에 도시한 제1 실시 형태에 의한 고체 촬상 장치에 있어서의 렌즈의 편차량에 대해 설명하기 위한 모식도.
도7은 도1에 도시한 제1 실시 형태에 의한 고체 촬상 장치에 대한 광의 입사 경로를 도시한 모식도.
도8은 도1에 도시한 제1 실시 형태에 의한 고체 촬상 장치의 고체 촬상 소자에 대한 광의 입사 경로를 도시한 단면도.
도9는 도1에 도시한 제1 실시 형태에 의한 고체 촬상 장치의 효과를 설명하기 위한 비교예를 도시한 단면도.
도10 내지 도12는 본 발명의 제1 실시 형태에 의한 고체 촬상 소자의 제조 프로세스를 설명하기 위한 단면도.
도13은 본 발명의 제1 실시 형태에 의한 고체 촬상 장치에 있어서, 렌즈를 편차지게 형성할 때의 프로세스를 설명하기 위한 모식도.
도14 및 도15는 본 발명의 제1 실시 형태에 의한 고체 촬상 소자의 제조 프로세스를 설명하기 위한 단면도.
도16은 본 발명의 제2 실시 형태에 의한 고체 촬상 소자 수광 영역의 단부 근방에서의 화소 부분의 구조를 도시한 단면도.
도17은 본 발명의 제2 실시 형태에 의한 고체 촬상 소자 수광 영역의 중앙부에서의 화소 부분의 구조를 도시한 단면도.
도18 내지 도21은 본 발명의 제2 실시 형태에 의한 고체 촬상 소자의 제조 프로세스를 설명하기 위한 단면도.
도22는 본 발명의 제3 실시 형태에 의한 고체 촬상 소자 수광 영역의 단부 근방에서의 화소 부분의 구조를 도시한 단면도.
도23는 본 발명의 제3 실시 형태에 의한 고체 촬상 소자 수광 영역의 중앙부에서의 화소 부분의 구조를 도시한 단면도.
도24 내지 도28은 본 발명의 제3 실시 형태에 의한 고체 촬상 소자의 제조 프로세스를 설명하기 위한 단면도.
도29는 수광부에 광을 집광하기 위한 렌즈를 구비한 종래의 일례에 의한 고체 촬상 장치의 구조를 도시한 단면도.
도30는 수광부에 광을 집광하기 위한 렌즈를 구비한 종래의 다른 예에 의한 고체 촬상 장치의 구조를 도시한 단면도.
도31는 도29에 도시한 종래의 일례에 의한 고체 촬상 장치의 문제점을 설명하기 위한 단면도.
도32는 종래의 고체 촬상 장치에 대한 광의 입사 경로를 도시한 모식도.
도33은 도30에 도시한 종래의 다른 예에 의한 고체 촬상 장치의 문제점을 설명하기 위한 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1a, 1b : 광학 렌즈
1c : 개구 조리개
2, 22, 42 : 고체 촬상 소자
3 : 화소
3a, 23a, 43a : 단부 근방의 화소
3b, 23b, 43b : 중앙부 화소
4, 24, 44 : 반도체 기판
5, 25, 24 : 수광부
5a : 수광 영역
5b : 수광 영역의 중심
6, 26, 46 : 전송 게이트
7, 27, 47 : 차광 부재
8, 28 : 평탄화막
8a, 28a : 평탄화막의 상면
28b : 평탄화막의 홈부
9, 29, 49 : 렌즈
9a, 29a, 49a : 렌즈 중심
9b : 렌즈 경계부
49d : 렌즈 상면
9c : SiN막
10, 30 : 수지층
10a : 수지층 상면
11, 31, 51 : 컬러 필터층
12, 32, 52 : 레지스트
15, 16, 35, 48, 55, 56 : 절연막
48b : 오목부
48c : 홈부
20 : 사출동
27a : 금속층
50 : 고체 촬상 장치

Claims (21)

  1. 기판에 형성된 수광부와,
    컬러 필터층과,
    상기 기판과 상기 컬러 필터층과의 사이에 형성되고, 상기 수광부의 중심에 대하여 소정 거리 어긋나게 배치된 렌즈 중심을 갖는 상기 수광부에 광을 집광하기 위한 렌즈를 구비한 고체 촬상 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 렌즈는 복수 설치되고,
    상기 복수의 렌즈는 연속한 하나의 층으로 이루어지는 부분을 포함하는 고체 촬상 장치.
  3. 제1항에 있어서, 인접하는 2개의 상기 수광부 사이의 영역에서, 또한 상기 기판과 상기 렌즈 사이의 영역에 형성된 차광 부재를 더 구비하고,
    상기 렌즈의 하단부는 상기 차광 부재의 상단부 보다 위에 배치되어 있는 고체 촬상 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 차광 부재의 상단부와 동등 이상의 높이를 갖는 평탄한 상면을 갖는 평탄화막을 더 구비하고,
    상기 렌즈는 상기 평탄화막의 상면상에 형성되어 있는 고체 촬상 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 평탄화막은 상기 차광 부재를 피복하도록 형성되어 있는 고체 촬상 장치.
  6. 제4항에 있어서, 상기 평탄화막은 상기 차광 부재의 측면 및 하면을 피복하도록 형성되고,
    상기 차광 부재의 상단부와 상기 평탄화막의 상면은 실질적으로 같은 높이를 갖는 고체 촬상 장치.
  7. 제4항에 있어서, 상기 렌즈는 위로 볼록한 형상을 갖는 상면부와 상기 평탄화막의 상면상에 접촉하는 평탄면으로 이루어지는 하면부를 포함하는 고체 촬상 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 렌즈의 위로 볼록한 형상을 갖는 상면부를 피복하도록 형성된 평탄한 상면을 갖는 수지층을 더 구비하고,
    상기 컬러 필터층은 상기 수지층의 평탄한 상면상에 형성되어 있는 고체 촬상 장치.
  9. 제1항에 있어서, 복수의 상기 수광부에 의해 상기 기판에 형성된 수광 영역을 더 구비하고,
    상기 렌즈는 상기 복수의 수광부 각각에 대응하도록 복수 설치되고,
    상기 수광 영역의 단부 근방에서의 상기 렌즈의 렌즈 중심과, 대응하는 상기 수광부의 중심과의 사이의 편차량은, 상기 수광 영역의 중심부 근방에서의 상기 렌즈의 렌즈 중심과, 대응하는 상기 수광부의 중심과의 사이의 편차량에 비하여 큰 고체 촬상 장치.
  10. 제1항에 있어서, 복수의 상기 수광부에 의해 상기 기판에 형성된 수광 영역을 더 구비하고,
    상기 렌즈의 렌즈 중심과, 대응하는 상기 수광부의 중심과의 사이의 편차량은, 상기 수광 영역의 중심부 근방에서부터 상기 복수의 수광부가 배치되는 방향을 따라서 상기 수광 영역의 단부로 감에 따라 서서히 커지도록 구성되어 있는 고체 촬상 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 수광부와 사출동 사이의 거리를 L로 하고, 상기 수광부 상면의 높이 위치로부터 인접하는 2개의 상기 렌즈의 경계부의 높이 위치까지의 거리보다 크고, 상기 수광부 상면의 높이 위치로부터 상기 렌즈의 렌즈 중심의 높이 위치까지의 거리보다 작은 임의의 거리를 h라 하고, 상기 수광 영역내의 임의의 상기 수광부 중심과 상기 수광 영역 중심과의 사이의 거리를 a라고 한 경우에, 상기 렌즈의 렌즈 중심과, 대응하는 상기 수광부의 중심과의 사이의 편차량은 a×h/L로 표시되는 식에 의해 구해지는 고체 촬상 장치.
  12. 기판에 형성된 수광부와,
    복수의 상기 수광부에 의해 상기 기판에 형성된 수광 영역과,
    컬러 필터층과,
    인접하는 2개의 상기 수광부 사이의 영역에서, 또한 상기 수광 영역상의 영역에 형성된 차광 부재와,
    상기 기판과 상기 컬러 필터층 사이에 형성되고, 상기 차광 부재의 상단부보다 위에 배치된 하단부와, 위로 볼록한 형상을 갖는 상면부를 포함하는 상기 수광부에 광을 집광하기 위한 복수의 렌즈를 구비하고,
    상기 복수의 렌즈는 연속한 하나의 층으로 이루어지는 부분을 포함하는 고체 촬상 장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 렌즈는 상기 수광부의 중심에 대하여 소정 거리 어긋나게 배치된 렌즈의 중심을 갖는 고체 촬상 장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 차광 부재의 상단부와 동등 이상의 높이를 갖는 평탄한 상면을 갖는 평탄화막을 더 구비하고,
    상기 렌즈는 상기 평탄화막의 상면상에 형성되어 있는 고체 촬상 장치.
  15. 제14항에 있어서, 상기 평탄화막은 상기 차광 부재를 피복하도록 형성되어 있는는 고체 촬상 장치.
  16. 제14항에 있어서, 상기 평탄화막은 상기 차광 부재의 측면 및 하면을 피복하도록 형성되고,
    상기 차광 부재의 상단부와 상기 평탄화막의 상면과는 실질적으로 같은 높이를 갖는 고체 촬상 장치.
  17. 제14항에 있어서, 상기 렌즈는 상기 평탄화막의 상면상에 접촉하는 평탄면으로 이루어지는 하면부를 포함하는 고체 촬상 장치.
  18. 제12항에 있어서, 상기 렌즈의 위로 볼록한 형상을 갖는 상면부를 피복하도록 형성된 평탄한 상면을 갖는 수지층을 더 구비하고,
    상기 컬러 필터층은 상기 수지층의 평탄한 상면상에 형성되어 있는 고체 촬상 장치.
  19. 제13항에 있어서, 상기 렌즈는 상기 복수의 수광부에 각각에 대응하도록 복수 설치되고,
    상기 수광 영역의 단부 근방에서의 상기 렌즈의 렌즈 중심과, 대응하는 상기 수광부의 중심과의 사이의 편차량은, 상기 수광 영역의 중앙부 근방에서의 상기 렌즈의 렌즈 중심과, 대응하는 상기 수광부의 중심과의 사이의 편차량에 비하여 큰 고체 촬상 장치.
  20. 제13항에 있어서, 상기 렌즈의 렌즈 중심과, 대응하는 상기 수광부의 중심과의 사이의 편차량은, 상기 수광 영역의 중앙부 근방에서부터 상기 복수의 수광부가 배치된 방향을 따라서 상기 수광 영역의 단부로 감에 따라 서서히 커지도록 구성되어 있는 고체 촬상 장치.
  21. 제20항에 있어서, 상기 수광부와 사출동 사이의 거리를 L로 하고, 상기 수광부 상면의 높이 위치로부터 인접하는 2개의 상기 렌즈의 경계부의 높이 위치까지의 거리보다 크고, 상기 수광부 상면의 높이 위치로부터 상기 렌즈의 렌즈 중심의 높이 위치까지의 거리보다 작은 임의의 거리를 h라 하고, 상기 수광 영역내의 임의의 상기 수광부 중심과 상기 수광 영역 중심과의 사이의 거리를 a라 한 경우에, 상기 렌즈의 렌즈 중심과, 대응하는 상기 수광부의 중심과의 사이의 편차량은 a×h/L로 표시되는 식에 의해 구해지는 고체 촬상 장치.
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