KR20080090295A - 고체 촬상 장치, 그 제조 방법, 및 전자 정보 기기 - Google Patents
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Abstract
반도체 기판의 깊이 방향으로 적층된 복수의 수광부를 구비한 복수의 고체 촬상 소자가 기판 표면을 따른 방향으로 주기적으로 배열되고; 입사 서브젝트 광(incident subject light)의 전자파 중 상기 반도체 기판의 반도체 기판 재료에 있어서의 광흡수 계수의 파장 의존성에 따라 각 수광부의 깊이에 대응한 파장 대역의 전자파가 상기 각 수광부에서 검출되고; 신호 전하가 각각 생성되고, 상기 반도체 기판의 광 입사면 또는 상기 광 입사면과 반대측의 기판 표면으로부터 평면으로 보았을 때 서로 겹치지 않는 각각의 수광부의 위치에 각각 도달하는 각 트렌치부가 형성되고, 상기 각 트렌치부에 판독 게이트 전극이 형성되고, 상기 판독 게이트 전극의 구동시에 상기 복수의 수광부로부터 상기 각 트렌치의 측벽 부분을 통해 상기 광 입사면측 또는 상기 광 입사면과 반대측의 기판 표면으로 독립적으로 전하를 전송할 수 있는 전하 전송부가 제공된 고체 촬상 장치가 제공된다.
고체 촬상 장치, 전자 정보 기기
Description
본 발명은 반도체 기판 또는 반도체층의 깊이 방향으로 적층된 복수의 수광부에 의해 파장이 다른 광을 분리 검출하는 방식의 고체 촬상 장치(예컨대, CMOS 이미지 센서나 CCD 이미지 센서 등) 및, 그 제조 방법, 이 고체 촬상 장치를 화상 입력 디바이스로서 촬상부에 사용한 전자 정보 기기(예컨대, 디지털 카메라나 카메라 장착 휴대 전화 장치 등)에 관한 것이다.
CMOS 이미지 센서나 CCD 이미지 센서 등으로 대표되는 종래의 컬러 고체 촬상 장치에서는 입사광을 광전 변환해서 신호 전하를 생성하는 복수의 수광부(복수의 화소부)가 이차원상으로 매트릭스상으로 배열된 복수의 고체 촬상 소자상에 3종류 또는 4종류의 컬러 필터가 수광부마다 각각 대응하도록 각 컬러마다 모자이크상으로 배치되어 있다. 이러한 구성에 의해 각 화소부로부터 컬러 필터에 대응한 컬러 신호가 출력되어, 이들 컬러 신호를 연산 처리함으로써 다른 컬러 신호를 포함하는 컬러 화상 데이터를 생성하고 있다.
그러나, 각 컬러마다 모자이크상의 컬러 필터가 배열된 종래의 컬러 고체 촬상 장치에서는 예컨대 3원색의 컬러 필터에 의해 입사광의 약 2/3가 흡수된다. 따라서, 실제의 컬러 신호를 출력하기 위해서 약 1/3의 나머지 입사광만이 이용될 수 있기 때문에 낮은 광 이용 효율 및 저감도의 문제를 야기한다.
또한, 종래의 컬러 고체 촬상 장치에서는 각 화소부마다 오직 한가지 컬러의 컬러 신호가 얻어질 수 있고, 각 3원색의 신호를 다른 화소부에서 검출할 필요가 있으며, 동일 위치(동일 화소부)에서의 다른 컬러 데이터는 다른 화소부에서 검출된 컬러 데이터로부터 연산에 의해 얻어진다.
또한, 종래의 컬러 고체 촬상 장치에서는 각 수광부에서 얻어진 신호 전하의 전송 영역이 동일면 상에 배치되기 때문에 각 화소부의 수광 영역 면적을 확대하기 어렵고, 화소부(수광부) 사이즈의 축소화에 따라 수광 감도가 저하하는 문제가 발생한다.
종래에는 이러한 문제를 각 단위 화소부당 수광 특성을 개선함으로써 대처하였다. 그러나, 화소부 사이즈의 미세화에 따라 특성 개선에 의한 대처는 이미 한계에 도달하여 상기 수광 감도의 저하는 고체 촬상 장치가 더 소형화되고 많은 화소를 갖는 것을 방해하는 요인이 되고 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해 예컨대, 특허문헌 1에는 각 컬러에 대응하는 복수의 수광부(전하 축적부)가 반도체 기판의 깊이 방향으로 적층되고, 각 수광부에 고농도 불순물 영역(고농도 확산층)에 의해 형성된 전송로가 형성된 고체 촬상 장치가 제안되어 있다. 이러한 구성에 의해 반도체의 광흡수 계수의 파장 의존성에 따라 각 수광부에서 수광부의 깊이에 대응하는 파장 대역을 가진 컬러 광이 분리 및 검출되고, 다른 컬러의 신호 전하가 고농도 불순물 영역으로 형성된 전송로를 통해 개별적으로 판독되어 복수의 신호 전하가 판독된다.
반도체층의 깊이 방향으로 적층된 수광부에 의해 파장이 다른 광을 분리 및 검출하는 종래의 고체 촬상 장치는 예컨대, 파랑(B), 초록(G), 및 빨강(R)의 각 걸러 광에 대한 신호 전하를 발생시키는 포토다이오드(수광부)가 광 입사측의 표면으로부터 더 깊은 방향으로 순차적으로 적층된 화소부 단면 구조를 갖는다. 이러한 종래의 고체 촬상 장치에 의하면 각 화소부에서의 컬러 분리가 실리콘에 있어서의 광흡수 계수의 파장 의존성을 이용하여 이루어지기 때문에 각 화소부 상에 컬러 필터를 제공할 필요가 없다. 또한, 화소부의 깊이에서 3원색의 신호가 얻어지기 때문에 고감도 및 고해상도로, 그리고 위색(false color)의 문제가 없는 양호한 컬러 화상이 얻어진다.
또한, 특허문헌 2에는 반도체 기판의 한쪽 표면에 광전 변환부(수광부)가 제공되고; 기판 표면의 반대쪽으로부터 광전 변환부로 도달하여 형성된 트렌치의 내벽이 게이트 절연막으로 커버링되고; 트렌치내에 판독 게이트 전극이 매립되고; 트렌치의 측면상에 형성된 게이트 절연막에 인접하여 전송용 축적 확산층이 형성된 고체 촬상 장치가 제안되어 있다. 이러한 구성에 의해 트렌치내에 매립된 판독 게이트 전극으로의 전압 인가에 의해 광전 변환부의 신호 전하가 판독된다.
이러한 방식의 종래의 고체 촬상 장치에서는 그 구조에 있어서, 반도체 기판의 광 입사면으로부터 깊이 방향으로 수광부, 판독 게이트 전극, 및 수광부로부터 의 신호 전하를 판독하는 전송용 축적 확산층이 순차적으로 배치되어 광 입사면에 있어서의 촬상 영역의 거의 모두가 수광 영역으로서 형성될 수 있다. 따라서, 수광 영역 면적의 확대에 의해 수광 감도가 향상되어 화소 사이즈가 더욱 소형화될 수 있다.
또한, 특허문헌 3에는 반도체 기판의 이면측에 수광부가 제공되고; 반도체 기판의 전면측에 배선층이 형성되고; 수광부를 구성하는 도전성 영역으로부터 반도체 기판의 표면측에 형성된 화소 형성 회로로 신호 전하를 선택적으로 판독하기 위한 판독 트랜지스터가 반도체 기판 내부에 제공된 고체 촬상 장치가 제안되어 있다. 이러한 구성에 의해 예컨대, 반도체 기판 내부에 판독 게이트를 구성하는 도전성 영역이 형성되고, 수광부에서 얻어진 신호 전하가 판독된다.
이러한 방식의 종래의 고체 촬상 장치에서는 이면측으로부터 광이 입사되는 구조에 이해 포토다이오드에 축적 가능한 전하량이 증가됨에 따라 수광 감도가 향상된다. 또한, 판독에 필요한 트랜지스터와 판독 선택선을 반도체 기판 내부에 형성함으로써 반도체 기판의 표면상에 형성된 트랜지스터와 배선수가 감소되어 화소 사이즈의 미세화가 가능하게 된다.
특허문헌 1 : 일본 특허 공개 2004-273951호 공보
특허문헌 2 : 일본 특허 공개 2004-281499호 공보
특허문헌 3 : 일본 특허 공개 2005-353994호 공보
그러나, 상기 종래의 고체 촬상 장치에는 이하의 문제가 있다.
상기 특허문헌 1에 개시되어 있는 종래의 고체 촬상 장치에서는 화소부로부 터 출력되는 신호 전하를 전송하기 위해 각 컬러에 대하여 전하 전송로로서의 고농도 확산층과, 기판 표면의 판독 게이트 전극을 모든 화소부 사이에 형성할 필요가 있다. 이에 따라, 고농도 확산층과 판독 게이트 전극이 배치되는 면적만큼 고체 촬상 장치의 해상도가 저하된다.
또한, 특허문헌 1에 개시되어 있는 종래의 고체 촬상 장치에서는 수광부와 판독 게이트 전극을 접속하는 고농도 확산층을 각 컬러에 대응하는 수광부의 깊이까지 형성하고 있기 때문에 수광부에 축적된 신호 전하를 모두 판독하기 위해서는 높은 판독 전압이 필요하다. 따라서, 저소비 전력 용도로 사용된 CMOS 이미지 센서에 대하여 특허문헌 1에 개시되어 있는 종래의 고체 촬상 장치를 직접 적용하는 것은 곤란하다. CMOS 이미지 센서용으로 사용된 저전압에 의해 판독을 수행하는 경우, 신호 전하가 완전히 판독되지 않고, 수광부에 남게 되어 잔상으로 인한 불량이 발생하여 화질이 저하된다.
상기 특허문헌 2에 개시되어 있는 종래의 고체 촬상 장치에서는 화소부마다 하나의 컬러 신호만을 얻을 수 있고, 3원색의 각각의 신호를 다른 화소부에서 검출할 필요가 있다. 이러한 경우, 동일면상에 각 컬러의 수광부가 배치되어 있기 때문에 각 화소부의 수광 영역 면적을 확대하는 것이 곤란하고, 수광 영역 면적의 축소화에 따라 수광 감도가 저하된다. 또한, 이러한 구성에 의해 컬러 필터를 제공할 필요가 없기 때문에 컬러 필터에 이해 흡수되는 광량만큼 입사광의 이용 효율이 감소하여 수광 감도가 저하되는 문제가 발생한다.
또한, 상기 특허문헌 2에 개시되어 있는 종래의 고체 촬상 장치에 대하여 상 기 특허문헌 1에 제안되어 있는 적층된 수광부를 그대로 적용했을 경우에는 판독 게이트를 구성하는 트렌치가 적층된 모든 수광부에 인접하게 되어 각 컬러의 신호 전하를 독립적이고 개별적으로 판독하는 것이 불가능하게 된다.
상기 특허문헌 3에 개시되어 있는 종래의 고체 촬상 장치에서는 상기 특허문헌 2의 경우와 마찬가지로 화소부마다 하나의 컬러 신호만을 얻을 수 있고, 3원색의 각각의 신호를 다른 화소부에서 검출할 필요가 있고, 동일면 상에 각 컬러의 수광부가 배치되기 때문에 각 화소부의 수광 영역 면적을 확대하기 곤란하고, 수광 영역 면적의 축소화에 따라 수광 감도가 저하된다. 또한, 이러한 구성에 의해 컬러 필터를 제공할 필요가 있기 때문에 입사광의 이용 효율 및 수광 감도가 저하된다.
또한, 특허문헌 3에 개시되어 있는 종래의 고체 촬상 장치에 대하여 상기 특허문헌 1에 제안되어 있는 적층된 수광부를 직접 적용했을 경우에는 광의 입사면으로부터 최하층의 수광부만이 신호 전하를 판독할 수 있고, 각 컬러의 신호 전하를 독립적이고 개별적으로 판독하는 것은 불가능하다.
본 발명은 상기 종래의 문제를 해결한다. 본 발명의 목적은 컬러 필터가 불필요하여 복수의 컬러에 대응하는 신호 전하를 개별적으로 더 낮은 전압으로 판독할 수 있는 고감도 및 고해상의 고체 촬상 장치; 이 고체 촬상 장치의 제조 방법; 및 이 고체 촬상 장치를 화상 입력 디바이스로서 촬상부에 사용한 전자 정보 기기(예컨대, 디지털 카메라 및 카메라 장착 휴대 전화 장치)를 제공하는 것이다.
반도체 기판의 깊이 방향으로 적층된 복수의 수광부를 구비한 복수의 고체 촬상 소자가 기판 표면을 따른 방향으로 주기적으로 배열되고; 입사 서브젝트 광의 전자파 중 상기 반도체 기판의 반도체 기판 재료에 있어서의 광흡수 계수의 파장 의존성에 따라 각 수광부의 깊이에 대응한 파장 대역의 전자파가 상기 각 수광부에서 검출되고; 신호 전하가 생성되고, 상기 반도체 기판의 광 입사면 또는 상기 광 입사면과 반대측의 기판 표면으로부터 평면으로 보았을 때 서로 겹치지 않는 각 수광부의 위치에 각각 도달하는 트렌치부가 형성되고, 상기 각 트렌치부에 판독 게이트 전극이 형성되고, 상기 판독 게이트 전극의 구동시에 상기 복수의 수광부로부터 상기 각 트렌치의 측벽 부분을 통해 상기 광 입사면측 또는 상기 광 입사면측과 반대측의 기판 표면으로 독립적으로 전하를 전송할 수 있는 전하 전송부가 제공된 고체 촬상 장치를 제공함으로써 상기 목적이 달성된다.
본 발명에 의한 고체 촬상 장치에 있어서, 상기 전하 전송부는 상기 트렌치부가 상기 적층된 수광부의 각 층에 각 기판 평면 방향에 있어서 인접하도록 배치되고, 상기 트렌치부의 내벽이 게이트 절연막에 의해 커버링되고, 상기 각 트렌치 부내에 상기 판독 게이트 전극이 매립되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 고체 촬상 장치에 있어서, 상기 트렌치부의 측벽에 상기 측벽을 커버링하는 게이트 절연막을 따라 상기 복수의 수광부와 전기적 극성이 다른 역도전형 확산층이 형성되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 고체 촬상 장치에 있어서, 상기 광 입사면 또는 상기 광 입사면과 반대측의 기판 표면에 상기 게이트 절연막과 인접하고, 상기 각 수광부로부터 격리된 축적 확산층이 형성되어 있고, 상기 역도전형 확산층에 상기 수광부로부터 상기 축적 확산층으로 신호 전하를 전송하기 위한 채널 영역이 형성되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 고체 촬상 장치에 있어서, 상기 채널 영역은 상기 수광부와 전기적 극성이 다른 채널 확산층인 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 고체 촬상 장치에 있어서, 상기 복수의 수광부의 형성 영역과 상기 채널 영역이 겹치는 영역에는 저농도의 채널 확산층이 형성되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 고체 촬상 장치에 있어서, 상기 광 입사면과 반대측의 기판 표면 또는 상기 광 입사면으로부터 상기 복수의 수광부의 각 깊이까지의 상기 트렌치부의 측면에 형성된 역도전형 확산층에 의해 기판 표면을 따른 방향으로 서로 인접한 상기 고체 촬상 소자가 개별 소자로서 서로 전기적으로 분리되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 고체 촬상 장치에 있어서, 상기 복수의 수광부는 평면으로 보았을 때 정사각형 또는 직사각형 격자상이고, 상기 복수의 수광부가 평면으로 보았을 때 서로 겹치는 형상으로부터 평면으로 보았을 때 서로 겹치지 않도록 외측으로 연장된 각 에지마다 상기 각 에지에 인접하도록 상기 트렌치부가 상기 각 에지를 따라 상이한 2방향 또는 3방향으로 배치되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 고체 촬상 장치에 있어서, 상기 복수의 수광부는 평면으로 보았을 때 육각형 및 벌집 구조로 배치되어 있고, 상기 복수의 수광부가 평면으로 보았을 때 서로 겹치는 형상으로부터 평면으로 보았을 때 서로 겹치지 않도록 외측으로 연장된 에지마다 상기 각 에지에 인접하도록 상기 트렌치부가 상기 각 에지를 따라 상이한 2방향 또는 3방향으로 배치되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 고체 촬상 장치에 있어서, 상기 복수의 수광부는 평면으로 보았을 때 정사각형 또는 직사각형 격자상이며, 상기 복수의 수광부가 평면으로 보았을 때 서로 겹치는 형상으로부터 평면으로 보았을 때 서로 겹치지 않도록 외측으로 연장된 일부 에지마다 일부 에지에 인접하도록 상기 트렌치부가 상기 일부 에지를 따라 상이한 4방향으로 배치되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 고체 촬상 장치에 있어서, 상기 반도체는 에피택셜층을 가진 실리콘 기판이며, 상기 복수의 수광부는 상이한 도전형의 반도체 접합에 의해 형성된 포토다이오드로 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 고체 촬상 장치에 있어서, 상기 복수의 수광부로서 제 1 파장 대역의 전자파를 검출하는 제 1 수광부로부터 제 N 파장 대역(N은 자연수)의 전자파를 검출하는 제 N 수광부인 N개의 수광부가 제공되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 고체 촬상 장치에 있어서, 상기 복수의 수광부로서 제 1 파장 대역의 전자파를 검출하는 제 1 수광부와, 제 2 파장 대역의 전자파를 검출하는 제 2 수광부가 제공되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 고체 촬상 장치에 있어서, 상기 복수의 수광부로서 제 1 파장 대역의 전자파를 검출하는 제 1 수광부와, 제 2 파장 대역의 전자파를 검출하는 제 2 수광부와, 제 3 파장 대역의 전자파를 검출하는 제 3 수광부가 제공되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 고체 촬상 장치에 있어서, 상기 복수의 수광부로서 제 1 파장 대역의 전자파를 검출하는 제 1 수광부와, 제 2 파장 대역의 전자파를 검출하는 제 2 수광부와, 제 3 파장 대역의 전자파를 검출하는 제 3 수광부와, 제 4 파장 대역의 전자파를 검출하는 제 4 수광부가 제공되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 고체 촬상 장치에 있어서, 상기 반도체 기판의 광 입사측 표면으로부터 상기 제 1 수광부까지의 깊이는 0.2㎛ 이상 2.0㎛ 이하의 범위에서 백색광을 검출하고, 상기 광 입사측 표면으로부터 상기 제 2 수광부까지의 깊이는 3.0㎛±0.3㎛의 범위에서 적외광을 검출하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 고체 촬상 장치에 있어서, 상기 반도체 기판의 광 입사측 표면으로부터 상기 제 1 수광부까지의 깊이는 0.1㎛ 이상 0.2㎛ 이하의 범위에서 자외광을 검출하고, 상기 광 입사측 표면으로부터 상기 제 2 수광부까지의 깊이는 공핍층 두께로서 0.2㎛ 이상 2.0㎛ 이하의 범위에서 백색광을 검출하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 고체 촬상 장치에 있어서, 상기 반도체 기판의 광 입사측 표면으로부터 상기 제 1 수광부까지의 깊이는 0.1㎛ 이상 0.2㎛ 이하의 범위에서 자외광을 검출하고, 상기 광 입사측 표면으로부터 상기 제 2 수광부까지의 깊이는 3.0㎛±0.3㎛의 범위에서 적외광을 검출하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 고체 촬상 장치에 있어서, 상기 반도체 기판의 광 입사측 표면으로부터 상기 제 1 수광부까지의 깊이는 0.1㎛ 이상 0.4㎛ 이하의 범위이며, 상기 반도체 기판의 광 입사측 표면으로부터 상기 제 2 수광부까지의 깊이는 0.4㎛ 이상 0.8㎛ 이하의 범위이며, 상기 반도체 기판의 광 입사측 표면으로부터 상기 제 3 수광부까지의 깊이는 0.8㎛ 이상 2.5㎛ 이하의 범위이며, 이에 따라 3원색을 검출하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 고체 촬상 장치에 있어서, 상기 반도체 기판의 광 입사측 표면으로부터 상기 제 1 수광부까지의 깊이는 0.1㎛ 이상 0.4㎛ 이하의 범위이며, 상기 반도체 기판의 광 입사측 표면으로부터 상기 제 2 수광부까지의 깊이는 0.3㎛ 이상 0.6㎛ 이하의 범위이며, 상기 반도체 기판의 광 입사측 표면으로부터 상기 제 3 수광부까지의 깊이는 0.4㎛ 이상 0.8㎛ 이하의 범위이며, 상기 반도체 기판의 광 입사측 표면으로부터 상기 제 4 수광부까지의 깊이는 0.8㎛ 이상 2.5㎛ 이하의 범위이며, 이에 따라 3원색과 에메랄드 컬러를 검출하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 고체 촬상 장치에 있어서, 상기 복수의 고체 촬상 소자 각각내에 각각 상기 복수의 고체 촬상 소자 중 소정의 고체 촬상 소자를 선택해서 신호를 출력하는 신호 출력 회로가 제공되어 있고, 상기 신호 출력 회로는 상기 반도체 기판의 광 입사면측과 반대측 또는 상기 광 입사면측으로부터 형성된 복수의 트랜지스터에 의해 구성되는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 고체 촬상 장치에 있어서, 상기 복수의 고체 촬상 소자 각각내에 각각 상기 복수의 고체 촬상 소자 중 소정의 고체 촬상 소자를 선택해서 신호를 출력하는 신호 출력 회로가 제공되어 있고, 상기 신호 출력 회로를 구성하는 트랜지스터는 상기 고체 촬상 소자내의 불순물 확산층 웰 내부 및 상기 불순물 확산층 웰상에 제공되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 고체 촬상 장치에 있어서, 상기 신호 출력 회로는 상기 수광부로부터 상기 축적 확산층으로 전하 전송된 신호 전압에 따라서 신호를 증폭시키는 증폭 트랜지스터와, 상기 축적 확산층의 신호 전압을 소정 전압으로 리셋하는 리셋 트랜지스터를 구비하고 있는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 고체 촬상 장치에 있어서, 상기 신호 출력 회로로부터의 신호 출력 경로는 상기 반도체 기판의 광 입사면측과 반대측에 형성된 배선층에 의해 구성되는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 고체 촬상 장치에 있어서, 상기 게이트 절연막은 산화막 또는 고유전체 절연막인 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 고체 촬상 장치에 있어서, 상기 산화막은 산화 실리콘막인 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 고체 촬상 장치에 있어서, 상기 고유전체 절연막은 하프늄 옥사이드인 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 고체 촬상 장치에 있어서, 상기 판독 게이트 전극은 도핑된 실리콘 재료 또는 금속 재료를 포함하는 재료로 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 고체 촬상 장치는 CMOS 이미지 센서 또는 CCD 이미지 센서인 것이 바람직하다.
전자 정보 기기는 본 발명에 의한 고체 촬상 장치를 화상 입력 디바이스로서 사용함으로써 상기 목적이 달성된다.
반도체 기판의 깊이 방향으로 적층된 복수의 수광부를 구비한 복수의 고체 촬상 소자가 기판 표면을 따른 방향으로 주기적으로 배열되고; 입사 서브젝트 광의 전자파 중 상기 반도체 기판의 반도체 기판 재료에 있어서의 광흡수 계수의 파장 의존성에 따라 각 수광부의 깊이에 대응한 파장 대역의 전자파가 상기 각 수광부에서 검출되고; 신호 전하가 생성되는 고체 촬상 장치의 제조 방법은 상기 반도체 기판의 깊이 방향으로 제 1 수광부 확산층으로부터 제 N 수광부 확산층(N은 자연수)을 평면으로 보았을 때 상기 각 수광부 확산층이 다른 수광부의 확산층과 겹치는 부분을 갖지 않도록 상기 수광부 확산층의 겹친 부분이 각 에지와 함께 연장된 상태에서 순서대로 형성하는 수광부 형성 공정과; 상기 반도체 기판의 광 입사면에 상기 각 수광부와 전기적 극성이 다른 역도전형 확산층을 형성하는 역도전형 확산층 형성 공정과; 상기 광 입사면과 반대측의 기판 표면으로부터 상기 각 수광부에 도달하는 깊이를 갖고, 상기 적층된 수광부의 에지에 각 기판 평면 방향으로 인접하여 배치된 트렌치를 형성하는 트렌치 형성 공정과; 상기 트렌치의 측면에 상기 각 수광부와 전기적 극성이 다른 역도전형 확산층을 형성하는 트렌치 측면 확산층 형성 공정과; 상기 트렌치의 내부를 커버링하도록 게이트 절연막을 형성하는 게이트 절연막 형성 공정과; 상기 트렌치를 채워서 판독 게이트 전극을 형성하는 게이트 전극 형성 공정과; 상기 광 입사측면과 반대측의 기판 표면에 상기 게이트 절연막과 인접하고, 상기 각 수광부와 격리해서 축적 확산층을 형성하는 축적 확산층 형성 공정을 포함하고, 이에 따라 상기 목적이 달성된다.
이하, 상기 구성을 가진 본 발명의 작용을 상세히 설명한다.
본 발명의 고체 촬상 장치에 의하면, 반도체 기판의 깊이 방향으로 적층된 복수의 수광부를 구비한 고체 촬상 소자가 기판의 평면을 따른 방향으로 주기적으로 배열되어 있다. 이러한 구성에 의해 입사광(전자파) 중 각 수광부의 깊이에 대응한 파장 대역을 가진 광(전자파)이 반도체 기판 재료에 있어서의 광흡수 계수의 파장 의존성에 따라 수광부에서 검출되어 신호 전하가 생성된다. 따라서, 컬러 필터가 형성되지 않은 각 수광부에서 파장이 다른 광 성분(전자파)이 분리 및 검출된다.
또한, 적어도 수광부에 도달하는 깊이를 가진 트렌치부는 각각의 다른 기판 평면을 따른 방향으로 적층된 수광부의 각 층에 인접하여 배치되고, 수광부로부터 신호 전하를 전송하기 위한 판독 게이트 전극이 트렌치부 내에 매립된다. 각 수광부에 인접한 각각의 트렌치는 다른 수광부에 인접하지 않기 때문에 판독 게이트 전극에 판독 전압을 인가하여 이 판독 게이트 전극(트렌치부)에 인접한 수광부로부터 각 수광부의 각 컬러에 대응한 신호 전하를 독립적으로 판독할 수 있다. 또한, 판독 게이트 전극과 수광부가 서로 인접하고 있기 때문에 낮은 판독 전압에 의해 신 호 전하를 판독할 수 있다. 또한, 트렌치부는 광 입사면에 대향하는 기판 표면으로부터 각 수광부에 도달하는 깊이에 형성되어 있고, 기판 표면에 판독 게이트 전극이 접지되어 있지 않기 때문에 수광 영역 면적을 확대하여 수광 효율을 향상시킬 수 있다.
상기한 바와 같이, 적어도 신호 판독을 위한 판독 전극에 위치가 좁지 않고 넓은 트렌치가 될 필요가 있다는 문제, 판독 전극과 수광부 또는 채널 사이의 긴 거리로 인해 신호 판독 전압이 높아진다는 문제, 및 독립적인 위치 및 방향에서 각 컬러의 신호를 판독함으로써 해결되는 혼색의 문제를 해결하는 것이 가능하게 된다.
상기한 바와 같이, 고체 촬상 장치 특유의 광학적 특성에 영향을 미치는 제조 프로세스로서의 컬러 필터 형성 공정을 삭감할 수 있기 때문에 고체 촬상 장치의 생산성을 향상시킬 수 있다. 또한, 각 컬러 신호에 대한 수광부를 적층하여 형성할 수 있기 때문에 각 화소부의 수광 영역을 확대하고, 수광 감도의 향상에 의한 고화질화를 도모할 수 있다
또한, 판독 게이트 전극을 반도체 기판의 트렌치부 내에 형성하고, 각 컬러에 대응하는 수광부로부터 종방향으로 판독하기 때문에 판독 게이트 전극과 수광부가 인접하고; 판독 게이트 전극과 채널부 사이의 거리가 짧기 때문에 더욱 낮은 판독 전압에 의해 신호 전하를 판독할 수 있으므로 소비 전력을 억제할 수 있다. 또한, 전송로로서의 고농도 확산층을 형성하거나 기판 표면에 판독 게이트 전극을 설치할 필요가 없기 때문에 설치 면적을 더 작게 할 수 있고, 각 화소부의 수광 영역 을 실질적으로 확대할 수 있으며, 수광 감도 향상에 의한 고화질화를 도모할 수 있다.
또한, 배선층이 광 입사면과 반대측 표면에 형성되어 있기 때문에 각 화소부(각 수광부)로부터 출력된 신호 전하를 전송하기 위한 배선층을 화소부 사이에 배치할 필요가 없다. 따라서, 배선층의 설치 면적이 고체 촬상 장치의 해상도 저하를 초래하지 않는다. 또한, 광 입사면과 반대측에 신호 전하의 증폭과 수광부로부터의 신호 전하의 전기적 리셋에 필요한 트랜지스터를 형성하는 것이 가능하다. 트랜지스터의 배치 면적에 의해 각 화소부의 수광 영역 면적이 영향을 받지 않기 때문에 고체 촬상 장치의 해상도 저하를 초래하지 않고, 수광 영역 면적을 확대하여 수광 감도 향상에 의한 고화질화를 도모할 수 있다. 또한, 광 입사측(예컨대, 수광부 사이; 및 인접한 고체 촬상 소자 사이)에 신호 판독 회로 및 그 배선을 형성할 수 있다. 이러한 경우, 트렌치의 깊이가 얕아지기 때문에 제조가 용이해진다.
따라서, 본 발명에 의하면, 종래의 고체 촬상 장치에 있어서 필요한 컬러 필터가 불필요하게 되어 복수 컬러에 대응한 신호 전하를 개별적으로 저전압으로 판독 가능한 고감도 및 고해상도의 고체 촬상 장치를 컬러 필터 형성 공정이 삭감된 간략한 제조 공정에 의해 실현할 수 있다. 또한, 고체 촬상 장치를 입력 디바이스로서 촬상부에 사용한 전자 정보 기기를 실현할 수 있다.
본 발명의 장점은 첨부 도면을 참조한 이하의 상세할 설명을 읽고 이해한 당업자에게 자명하게 될 것이다.
이하에, 본 발명에 의한 고체 촬상 장치 및 그 제조 방법의 제 1 실시형태 내지 제 3 실시형태를 CMOS 이미지 센서에 적용했을 경우, 본 발명에 의한 고체 촬상 장치 및 그 제조 방법의 제 1 실시형태 내지 제 3 실시형태를 촬상부에 사용한 전자 정보 기기의 제 4 실시형태에 대해서 도면을 참조하면서 상세히 설명한다. 이 경우에 CMOS 이미지 센서뿐만 아니라 CCD 이미지 센서도 사용할 수 있다.
(제 1 실시형태)
도 1은 본 발명의 제 1 실시형태에 의한 고체 촬상 장치의 요부 구성예를 나타낸 종단면도이다.
도 1의 제 1 실시형태의 고체 촬상 소자(100)에서는 복수의 수광부로서 제 1 파장 대역의 전자파를 검출하는 제 1 수광부(111)와, 제 2 파장 대역의 전자파를 검출하는 제 2 수광부(112)와, 제 3 파장 대역의 전자파를 검출하는 제 3 수광부(113)를 포함하는 경우에 대해서 설명한다. 이 경우의 광의 파장 대역이 다른 3컬러로서는 예컨대 R(빨강), G(초록) 및 B(파랑)의 3원색이 생각된다. 이하, 제 1 파장 대역에서 청색광, 제 2 파장 대역에서 녹색광, 제 3 파장 대역에서 적색광이 각각 검출되는 경우에 대해서 설명한다.
도 1에 있어서, 제 1 실시형태에 의한 고체 촬상 장치(10)는 단위 화소부인 고체 촬상 소자(100)로서 반도체 기판(101)에 제 1 파장 대역의 전자파를 검출하는 제 1 수광부(청색광의 수광부 확산층)(111)와, 제 2 파장 대역의 전자파를 검출하는 제 2 수광부(녹색광의 수광부 확산층)(112)와, 제 3 파장 대역의 전자파를 검출하는 제 3 수광부(적색광의 수광부 확산층)(113)가 반도체 기판(101)의 깊이 방향 으로 순차적으로 적층되어 형성되어 있다.
이 고체 촬상 소자(100)는 도 1에는 도시되지 않았지만 반도체 기판(101)의 평면을 따른 방향으로 주기적(2차원상으로 예컨대 매트릭스상)으로 배열되어 있다. 각 고체 촬상 소자(100)에서는 입사된 전자파 중 반도체 기판(101)의 재료에 있어서의 광흡수 계수의 파장 의존성에 따라 각 수광부의 깊이에 대응한 파장 대역의 전자파가 각 수광부에서 각각 검출되어 신호 전하가 생성된다. 반도체 기판(101)의 표면[제 1 수광부(111)]상의 광 입사면에는 표면 준위에서의 전하 발생을 억제하기 위해서 수광부 확산층과 전기적 극성이 다른 역도전형의 불순물 확산층(121)이 형성되어 있다.
각 고체 촬상 소자(100)에는 반도체 기판(101)에 있어서의 광 입사측의 반대측 표면으로부터 각 수광부의 깊이를 가진 트렌치(홈부)는 적층된 수광부(111 내지 113)의 각 층마다(평면으로 보았을 때 위치를 변경하여) 기판의 평면 방향으로 수광부와 트렌치가 서로 인접하도록 배치되어 있다. 도 1에서는 수광부(112)에 인접하는 트렌치(112a)와, 수광부(113)에 인접하는 트렌치(113a)는 도시되어 있고, 수광부(111)에 인접하는 트렌치[트렌치(111a)는 도시되어 있지 않음]는 지면(도 1)의 내측에 배치되어 있기 때문에 도시되어 있지 않다.
각 트렌치(111a 내지 113a)의 내벽은 게이트 절연막(141)(열산화막)에 의해 커버링되어 있고, 각 트렌치(111a 내지 113a)내에는 각각 판독 게이트 전극(151)(도 3에 도시됨)의 재료(예컨대, 금속 재료)가 매립되어 있다. 상기 각 트렌치(111a 내지 113a)의 측벽을 각각 커버링하는 게이트 절연막(141)(도 1의 상하 방 향)을 따라 각 수광부(111 내지 113)로부터 축적 확산층으로 신호 전하를 전송하는 전하 전송로로서 수광부 확산층과 전기적 극성이 반대(역도전형)인 채널 확산층(131)(채널 영역)이 형성되어 있다.
또한, 각 수광부(111 내지 113)의 형성 영역(도 1의 좌우 방향의 영역)과, 각 트렌치(111a 내지 113a)의 형성 영역(도 1의 상하 방향의 영역)이 부분적으로 겹치는 영역[예컨대, 수광부(113)과 트렌치(151)가 겹치는 깊이 부분(B)]에는 수광부 확산층의 불순물과 전기적 특성이 반대인 채널 확산층(131)의 불순물이 전기적으로 서로 부정함으로써 형성된 저농도 채널 확산층(133)이 형성되어 있다.
또한, 광조사 측면으로부터 각 수광부(111 내지 113)의 깊이까지의 트렌치 측면에도 각 수광부(111 내지 113)와 전기적 극성이 다른 역도전형 확산층(132)이 형성되어 있다. 상기 트렌치(111a 내지 113a) 및 역도전형 확산층(132)에 의해 기판 평면을 따른 방향으로 인접하는 각 수광부(111 내지 113)가 서로 전기적으로 소자 분리되어 있다.
또한, 광 입사측과 반대측의 기판 표면측에 있어서 트렌치(111a 내지 113a)의 각 측벽에 형성된 게이트 절연막(141)과 인접하고, 수광부(111 내지 113)로부터 격리되어 각 축적 확산층(161)이 각각 형성되어 있다. 각 판독 게이트 전극(151)에 소정의 판독 전압을 인가함으로써 각 수광부(111 내지 113)에 각각 축적된 신호 전하가 독립적으로 각 축적 확산층(161)으로 각각 전송된다.
각 고체 촬상 소자(100)내에는 각각 복수의 고체 촬상 소자(100) 중 특정한 고체 촬상 소자(100)의 선택 및 고체 촬상 소자(100)로부터의 신호 출력을 위한 회 로를 구성하는 트랜지스터로서 각 수광부(111 내지 113)로부터 축적 확산층(161)으로 각각 전송된 신호 전압에 따라서 출력을 증폭시키는 증폭 트랜지스터(163) 및, 전하 전송된 신호 전하를 검출하는 전하 검출부(신호 전압 변환부)로서 기능하는 축적 확산층(161)의 신호 전압을 소정 전압으로 리셋하기 위한 리셋 트랜지스터(164) 등이 제공되어 있다.
이들 트랜지스터는 반도체 기판(101)의 광 입사측과 반대측상에 불순물 확산층에 의해 형성된 각 웰(162)내 및 각 웰(162)상에 각각 형성되어 있다. 또한, 신호 전하의 전송 경로로서 반도체 기판(101)의 광 입사측과 반대측에 금속 재료로 이루어진 배선층(191 내지 193)이 형성되어 있다. 이들 배선층(191 내지 193)은 각각 층간 절연막(181 내지 184) 사이를 통해 교대로 적층되어 있고, 층간 절연막(181 내지 184)에 형성된 비아 콘택트(via contact)를 통해 판독 게이트 전극(151)과 전하 축적 영역(161), 및 증폭 트랜지스터(163)과 리셋 트랜지스터(164) 등에 각각 접속되어 있다.
따라서, 판독 게이트 전극(151) 및 축적 확산층(161)은 각각 금속 재료로 이루어진 각 배선층(191)을 통해 각 화소부로서의 고체 촬상 소자(100)로부터의 화소 선택 및 고체 촬상 소자(100)로부터의 신호 출력을 위한 신호 판독 회로에 전기적으로 접속되어 있다.
이하, 상기 구성에 의해 고체 촬상 소자(100)의 동작을 설명한다.
제 1 실시형태에 의한 고체 촬상 장치(10)에 있어서, 우선, 수광부(111 내지 113)가 형성되어 있는 반도체 기판(101)의 표면측으로부터 촬상시에 피사체광이 입 사된다. 이 입사 서브젝트 광의 전자파 중 반도체 기판(101)의 반도체 기판 재료에 있어서의 광흡수 계수의 파장 의존성에 따라 각 수광부(111 내지 113)의 깊이에 대응한 파장 대역의 전자파가 각각 각 수광부(111 내지 113)에서 각각 검출되어 신호 전하가 생성된다. 예컨대, 제 1 수광부(111)에서는 청색광이 검출되고, 제 2 수광부(112)에서는 녹색광이 검출되며, 제 3 수광부(113)에서는 적색광이 검출된다. 각 수광부에서 검출된 신호 전하는 판독 게이트 전극(151)에 전압을 인가함으로써 저농도 채널 확산층(133)과 채널 확산층(131)을 통해 축적 확산층(161)에서 판독된다.
우선, 제 1 실시형태에 의한 고체 촬상 장치(10)의 제조 방법을 간단히 설명한다.
제 1 실시형태에 의한 고체 촬상 장치의 제조 방법은 반도체 기판(101)의 깊이 방향으로 제 1 수광부(111) 내지 제 N 수광부[여기서는 제 3 수광부(113)]의 각 확산층을 각 층마다 평면으로 보았을 때 서로 겹치지 않는 부분을 갖도록 기판 평면의 측면을 따라 겹치는 부분(정사각형의 길이)과 함께 연장시킨 상태에서 순서대로 형성하는 수광부 형성 공정과; 광 입사측의 기판 표면에 각 수광부(111 내지 113)와 전기적 극성이 다른 역도전형 확산층을 형성하는 역도전형 확산층 형성 공정과; 광 입사측과 반대측의 기판 표면으로부터 각 수광부(111 내지 113)에 각각 도달하는 깊이를 갖고, 적층된 각 수광부(111 내지 113)에 따라 기판 평면을 따른 상이한 방향으로 기판의 측면에 인접하도록 배치된 트렌치(111a 내지 113a)를 형성하는 트렌치 형성 공정과; 트렌치(111a 내지 113a)의 측면에 각 수광부(111 내지 113)와 전기적 극성이 다른 역도전형 확산층(131 내지 133)을 형성하는 트렌치 측면 확산층 형성 공정과; 트렌치(111a 내지 113a)의 내벽을 커버링하도록 게이트 절연막(141)을 형성하는 게이트 절연막 형성 공정과; 트렌치(111a 내지 113a)를 채워서 판독 게이트 전극(151 내지 153)을 형성하는 게이트 전극 형성 공정과; 광 입사측과 반대측의 기판 표면에 게이트 절연막(141)과 인접하고, 각 수광부(111 내지 113)로부터 격리해서 축적 확산층(161)을 형성하는 축적 확산층 형성 공정을 포함한다.
이러한 방식으로, 공통 갭[트렌치(111a 내지 113a)]의 내벽에 소정의 불순물을 주입하여 산화 실리콘막[또는, CVD로부터의 고유전체; 하프늄 옥사이드:HfO2/HfSiO, 동일한 구동 전압이 인가되더라도 채널에 효율적으로 전압이 인가됨]을 형성하고, 도핑된 실리콘(또는 금속 재료)로 내벽의 내부를 채워서 판독 게이트 전극(151 내지 153)을 형성한다.
상기 제 1 실시형태에 의한 고체 촬상 장치의 제조 방법을 도 2 내지 도 8을 참조하여 더욱 상세히 설명한다.
도 2 및 도 4 내지 도 8은 각각 제 1 실시형태에 의한 고체 촬상 장치의 제조 공정을 설명하기 위한 요부 종단면도이고, 도 3은 화소부 배치예 및 화소부를 평면으로 보았을 때의 형상을 나타낸 평면도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 각 컬러마다 소망하는 수광부 확산층을 소망하는 깊이에 형성하기 위해서, 청색광을 검출하는 제 1 수광부 확산층(111)의 형성 영역이 개구되도록 포토리소그래피 기술을 이용해서 레지스트(도시되지 않음)를 개구시 킨 후 이온 주입 기술을 이용해서 불순물 주입을 행한다. 이어서, 레지스트를 제거하고, 최상층으로서 청색광을 검출하는 제 1 수광부 확산층(111)을 형성한다. 계속해서 마찬가지 방식으로, 포토리소그래피 공정, 이온 주입 공정 및 레지스트 제거 공정을 반복적으로 수행하여 중간층으로서 녹색광을 검출하는 제 2 수광부 확산층(112) 및, 최하층으로서 적색광을 검출하는 제 3 수광부 확산층(113)을 순차적으로 형성한다.
이들 수광부(111 내지 113)의 확산층과, 전기적 극성이 다른 반도체 기판(101)의 반도체 접합(PN 접합)에 의해 광전 변환부로서의 포토다이오드(수광부)가 구성되어 있다. 반도체 기판(101)은 에피택셜층을 일부 또는 전부에 가진 실리콘 기판이어도 좋고, 포토다이오드(수광부)를 그 에피택셜층내에 형성해도 좋다. 이러한 경우, 신호 전하의 노이즈 성분을 저감시켜서 화질을 향상시킬 수 있다.
각 수광부로서 청색광을 검출하는 제 1 수광부(111)는 반도체 기판(101)의 광 입사측 표면으로부터 0.1㎛ 이상 0.4㎛ 이하에 위치되고; 녹색광을 검출하는 제 2 수광부(112)는 반도체 기판(101)의 광 입사측 표면으로부터 0.4㎛ 이상 0.8㎛ 이하에 위치되고; 적색광을 검출하는 제 3 수광부(113)가 반도체 기판(101)의 광 입사측 표면으로부터 0.8㎛ 이상 2.5㎛ 이하에 위치된다. 이러한 방식으로, 제 1 수광부(111) 내지 제 3 수광부(113)를 배치하여 광의 3원색(R, G, B) 의 모든 신호를 1화소부내에 보다 정확하게 검출하는 것이 가능하게 된다.
그러나, 각 수광부(111 내지 113)의 깊이는 검출되는 파장 대역 및 반도체 기판 재료의 광흡수 계수에 따라서 최적으로 설정되므로 상기 깊이 범위는 일반적 인 값이며, 이 값으로 깊이 범위가 한정되는 것은 아니다.
상기 각 수광부(111 내지 113)는 수광부의 각 층이 기판의 평면을 따라 서로 다른 방향을 향하여 연장되도록 있어서 영역을 연장시킨 상태에서 형성되어 있다. 예컨대, 도 2에서는 최하층의 수광부(113)가 우측으로 연장되어 있고, 중간층의 수광부(112)이 좌측으로 연장되어 있고, 최상층의 수광부(111)는 도시되지 않았지만 전방측 또는 후방측으로 연장되어 형성되어 있다. 또한, 평면으로 보았을 때를 설명하면, 도 3(A)에 도시된 바와 같이, 수광부(111 내지 113)가 정사각형 또는 직사각형 격자상으로 배열된 화소부마다 상이한 기판 평면 방향을 향하여 수광부의 각 측면이 연장되도록 각 수광부(111 내지 113)가 형성되어 있다. 따라서, 각 수광부(111 내지 113)를 형성하는 영역이 상이한 방향을 향하여 연장되도록 배열되고, 트렌치가 각 수광부(111 내지 113)의 대응하는 연장된 측면에 인접하도록 상이한 3방향으로 배치된다. 따라서, 후술하겠지만, 판독 게이트 전극(151 내지 153)과 각 수광부(111 내지 113)를 대응하는 컬러마다 각각 독립적으로 서로 인접시키는 것이 가능하게 됨에 따라 다른 컬러 신호를 개별적으로 판독하는 것이 가능하게 된다.
이어서, 도 4에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(101)의 전면(全面)에 이온 주입을 수행하고, 수광부(111)와 전기적 극성이 다른 역도전형 확산층(121)을 형성한다. 이 역도전형 확산층(121)을 형성함으로써 제 1 수광부(111)의 확산층으로부터 연장된 공핍층이 반도체 기판(101)의 표면부에 도달하는 것을 방지할 수 있고, 기판 표면의 계면 준위에 발생한 전하에 의한 암전압 노이즈를 억제해서 화질을 향상시킬 수 있다.
이어서, 도 5에 도시된 바와 같이, 실리콘 산화막 및 질화막 등의 절연층(122)이 CVD 등의 기술에 의해 형성된 후, 판독 게이트 전극이 형성될 광 입사면과 반대 기판의 표면 영역에서 포토리소그래피 기술에 의해 레지스트(도시되지 않음)도 개구된다. 에칭 기술에 의한 절연막(122)의 에칭에 의해 레지스트를 제거한 후, 제 1 수광부(111) 내지 제 3 수광부(113)의 깊이에 도달할 때까지 반도체 기판(101)에 대한 에칭을 수행함으로써 트렌치(111a 내지 113a)[트렌치(111a)는 도시되지 않음]를 형성한다. 이러한 경우, 상기한 바와 같이, 상이한 기판 평면 방향으로의 연장에 의해 제 1 수광부(111) 내지 제 3 수광부(113)가 형성된 제 1 수광부(111) 내지 제 3 수광부(113)의 형성 영역과 겹친 상태에서 트렌치가 배치된다.
또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 수광부(111 내지 113)의 확산층과 전기적 극성이 다른 도전형 불순물의 원료 가스 분위기하에서 어닐링을 수행한다. 따라서, 반도체 기판(101)의 표면에서는 절연막(122)에 의해 불순물 확산이 방지되지만, 트렌치 측면으로부터는 기상 확산이 발생함에 따라 트렌치 측면에만 제 1 수광부(111) 내지 제 3 수광부(113)와 전기적 극성이 다른 채널 확산층(131)이 형성된다. 이때, 제 1 수광부(111) 내지 제 3 수광부(113)를 포함하는 깊이까지의 트렌치 측면에 있어서도 불순물이 확산되어 역도전형 확산층(132)이 동시에 형성된다. 따라서, 제 1 수광부(111) 내지 제 3 수광부(113)로부터 공핍층이 트렌치 계면으로 연장되는 것을 방지할 수 있고, 트렌치 계면에 존재하는 계면 준위에 있어서 발생하는 전하로 인한 암전압 노이즈를 억제하여 화질을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기한 바와 같이, 서로 상이한 기판 평면 방향으로 연장됨으로써 형성된 제 1 수광 부(111) 내지 제 3 수광부(113)와 트렌치가 서로 겹치는 위치에 저농도 채널 확산층(133)이 자기 조정적으로 형성된다. 따라서, 제 1 수광부(111) 내지 제 3 수광부(113)에 대응하는 깊이에 있어서, 완전한 공핍화를 위해 필요한 판독 게이트 전압이 낮아짐으로써 저전압에서의 판독이 가능하게 된다. 또한, 제 1 수광부(111) 내지 제 3 수광부(113)가 직접 트렌치 측면에 접하지 않기 때문에 트렌치 계면에 존재하는 계면 준위에 있어서 발생하는 전하에 의한 암전압 노이즈를 억제하고, 화질을 향상시킬 수 있다.
이어서, 도 6에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(101)의 양쪽 표면의 절연층(122)을 제거한 후, 예컨대, 열산화에 의해 트렌치(111a 내지 113a)내의 측벽(내벽)을 커버링하도록 게이트 절연막(141)을 형성한다. 게이트 전극 재료로서 예컨대 인(phosphorus)이 도핑된 폴리실리콘을 기상 성장시켜서 트렌치(111a 내지 113a) 내부를 채운 후, 예컨대 반도체 기판(101)의 전체 표면을 에칭함으로써 기판 표면에 형성된 불필요한 게이트 전극 재료를 제거하여 게이트 전극(151 내지 153)을 형성한다. 여기서, 각 판독 게이트 전극(151 내지 153)은 서로 절연이 유지되어 형성되는 것으로 한다.
이어서, 도 7에 도시된 바와 같이, 광 입사면과 반대측의 기판 표면에 포토리소그래피 기술에 의해 레지스트(도시되지 않음)를 개구시킨 후 이온 주입 기술을 이용해서 각 수광부(111 내지 113)와 동일한 전기적 극성을 가진 불순물을 주입하고, 그 후, 레지스트를 제거해서 축적 확산층(161)을 형성한다. 여기서, 축적 확산층(161)은 상기 트렌치 측면의 게이트 절연막(141)에 인접하지만 수광부(111 내지 113)로부터 이격되어 형성될 필요가 있다. 또한, 축적 확산층(161)의 불순물 농도는 수광부(111 내지 113)의 불순물 농도보다도 높게 설정될 필요가 있다. 따라서, 제 1 실시형태에 있어서는 판독 게이트 전극(151 내지 153)에 전압을 인가했을 경우, 트렌치 측벽에 형성된 채널 확산층(131)을 통해 각 수광부(111 내지 113)에서 생성된 신호 전하를 반도체 기판 표면에 형성된 각 축적 확산층(161)에서 판독할 수 있다.
또한, 도 8에 도시된 바와 같이, 공지의 포토리소그래피 기술 및 이온 주입 기술에 의해 각 수광부(111 내지 113)의 광 입사면측과 반대측에 복수의 웰(162)을 형성한 후, 신호 출력을 위한 신호 판독 회로로서 각 축적 확산층(161)에서 신호 전하를 변환한 신호 전압에 따라서 증폭하기 위한 증폭 트랜지스터(163) 및, 각 축적 확산층(161)을 소정 전압으로 리셋하기 위한 리셋 트랜지스터(164) 등의 복수의 트랜지스터를 광 입사면과 반대측의 기판 표면에 공지 기술에 의해 형성한다. 도 8에 있어서, 이 신호 판독 회로내의 각 트랜지스터는 웰(162) 내부 및 그 위에 제공된다. 이어서, 배선 사이를 절연하기 위한 층간 절연막(181 내지 184), 신호 전하의 전송 경로가 되는 배선층(191 내지 193), 및 비아 콘택트(171)를 광 입사면측과 반대측의 반도체 기판(101)의 표면에 공지 기술에 의해 형성하고, 배선층(191 내지 193)을 통해 축적 확산층(161)이 증폭 트랜지스터(163) 및 리셋 트랜지스터(164)에 접속됨으로써 판독 게이트 전극(151 내지 153)과 화소 선택 회로(도시되지 않음)를 접속한다.
상기한 바와 같이, 도 1에 도시된 제 1 실시형태에 의한 고체 촬상 장치(10) 가 제공된다.
도 9은 도 1의 A-B-C로 나타낸 신호 전하의 전하 전송로에 있어서의 포텐셜 분포를 개략적으로 나타낸 포텐셜 분포도이다.
도 9에 실선으로 나타낸 바와 같이, 판독 게이트 전극(153)에 판독 전압이 인가되지 않은 경우에는 채널 확산층(131) 및 저농도 채널 확산층(133)의 포텐셜이 수광부(113)의 확산층의 포텐셜보다도 높기 때문에 수광부(113)측에서 신호 전하가 유출되지 않는다.
또한, 도 9에 점선으로 나타낸 바와 같이, 판독 게이트 전극(153)에 신호 전압이 인가되었을 경우에는 채널 확산층(131) 및 저농도 채널 확산층(133)의 포텐셜이 수광부(113)의 확산층의 포텐셜보다도 낮기 때문에 수광부(113)에 축적된 신호 전하가 유출되고, 신호 전하 검출부로서의 축적 확산층(161)에서 판독된다.
여기서, 수광부(111 및 112)의 확산층에 축적된 다른 컬러의 신호 전하에 관해서는 트렌치가 이들 수광부(111 및 112)로부터 이격되기 때문에 신호 전하가 유출되지 않는다. 따라서, 각 컬러에 대응한 신호 전하를 독립적으로 판독할 수 있다.
제 1 실시형태와 관련하여 설명한 바와 같이, 컬러 필터가 불필요하고, 저전압으로 복수의 컬러에 대응하는 신호 전하를 개별적으로 판독할 수 있는 고감도 및 고해상도의 고체 촬상 장치(10)를 실현할 수 있다.
또한, 상기 제 1 실시형태에서는 설명하지 않았지만, 반도체 기판(101)의 광 입사면과 반대측의 기판 표면으로부터 평면으로 보았을 때 서로 겹치지 않는 수광 부(111 내지 113)의 위치에 각각 도달하는 트렌치(111a 내지 113a)가 제공되고; 각 트렌치(111a 내지 113a)에 각각 판독 게이트 전극(151 내지 153)이 제공되고; 판독 게이트 전극(151 내지 153)의 구동시에 복수의 수광부(111 내지 113)로부터 각 트렌치(111a 내지 113a)의 측벽 부분을 통해 광 입사면과 반대측의 기판 표면부측에 각각 독립적으로 전하 전송할 수 있는 전하 전송부가 제공되어 있다. 이 전하 전송부는 각 트렌치(111a 내지 113a)가 적층된 수광부(111 내지 113)의 각 층마다 서로 다른 기판 평면 방향에 있어서 각각 인접하도록 배치되고, 트렌치(111a 내지 113a)의 내벽이 게이트 절연막(141)에 의해 커버링되어 각 트렌치(111a 내지 113a)내에 판독 게이트 전극 재료가 매립된다. 따라서, 컬러 필터가 불필요하고, 복수의 컬러에 대응한 신호 전하를 저전압으로 판독할 수 있는 고감도 및 고해상도의 고체 촬상 장치를 얻기 위한 본 발명의 목적이 달성된다.
(제 2 실시형태)
상기 제 1 실시형태에서는, 도 3(A)에 도시된 바와 같이, 수광부(111 내지 113)가 정사각형 또는 직사각형 격자상으로 배열되면, 수광부의 각 측면이 중심으로부터 상이한 기판 평면 방향을 향하여 연장(평면으로 보았을 때 각 수광부가 겹치지 않은 상태에서 주위를 향하여 수광부의 측면이 연장됨)되도록 3층의 수광부(111 내지 113) 각각이 형성된다. 제 2 실시형태에서는, 도 3(B)에 도시된 바와 같이, 각 화소부는 평면으로 보았을 때 육각형으로 배열되고, 복수의 화소부는 벌집 구조(벌통 구조)로 배열되며, 각 화소부는 벌집 구조내의 반주기만큼 시프팅되고, 3층의 수광부(211 내지 213)는 상이한 기판 평면 방향에 있는 각 수광부의 각 에지가 중심으로부터 이격되는 방향으로 연장[수광부의 영역은 평면으로 보았을 때 수광부(211 내지 213)가 겹치지 않도록 각 에지와 함께 연장됨]되도록 형성된 경우에 대해서 설명한다.
각 수광부(211 내지 213)는 육각 형상을 갖고, 벌집 구조로 배치되어 있다. 수광부(211 내지 213)는 평면으로 보았을 때 서로 겹치고, 평면으로 보았을 때 다른 에지와 측면이 겹치지 않도록 외측을 향하여 연장된 에지를 각각 가지며, 판독 전극(251a 내지 253a)은 서로 인접하게 될 각각의 연장된 에지를 따라 상이한 3개의 위치에 배치된다.
따라서, 화소부가 육각형인 경우, 제 2 실시형태에 의한 고체 촬상 소자(200)는 상이한 기판 평면 방향으로 수광 영역상에서 함께 외측을 향하여 연장된 에지를 각각 갖도록 수광부(211 내지 213)를 형성한다. 이 경우의 트렌치는 수광부(211 내지 213)의 연장된 에지(육각형의 다른 모든 에지)에 인접하도록 상이한 3개의 위치에 배치된다. 이러한 구성에 의해, 전송 트랜지스터(전하 전송부)의 판독 게이트 전극이 되는 트렌치부는 평면으로 보았을 때 서로 겹치지 않도록 각 화소부[수광부(211 내지 213)]의 각 에지에 배치된다. 따라서, 육각 형상을 가진 하나의 화소부의 외주에서의 6개의 에지 모두 판독 게이트 전극이 되고 인접한 고체 촬상 소자(200)를 포함하는 트렌치부에 의해 둘러싸이게 된다. 따라서, 트렌치부를 이용하여 화소를 분리할 수 있고, 단위 화소부의 설치 면적이 작아지고 고해상도화를 도모할 수 있다. 따라서, 이러한 고체 촬상 소자(200) 이외에 신호 판독 회로를 구비한 고체 촬상 장치(20)가 구성된다.
제 2 실시형태에서는 각 수광부(211 내지 213)가 육각형이고, 벌집 구조로 배치되며, 각 수광부(211 내지 213)는 평면으로 보았을 때 서로 겹치고, 평면으로 보았을 때 연장된 에지가 서로 겹치지 않도록 외측을 향해 연장된 에지를 갖고, 판독 전극(251a 내지 253a)은 인접하게 될 연장된 각각의 에지를 따라 상이한 3개의 위치에 배치된 경우에 대해 설명한다. 그러나, 본 발명은 이러한 구조에 한정되지 않고, 수광부(211 내지 213)가 평면으로 보았을 때 서로 겹치고, 평면으로 보았을 때 연장된 에지가 서로 겹치지 않도록 외측을 향하여 연장된 에지를 갖고, 판독 전극(251a 내지 253a)가 인접하게 될 연장된 각각의 에지를 따라 상이한 2개의 위치에 배치된 구조를 가질 수 있다.
(제 3 실시형태)
상기 제 1 실시형태에서는 고체 촬상 장치(10)에 있어서 R, G, B의 3원색을 검출하기 위해 3층의 수광부(111 내지 113)가 적층된다. 제 3 실시형태에서는 수광부가 4개의 컬러를 검출하기 위해 4개의 층으로 적층된 고체 촬상 소자를 구비한 고체 촬상 장치의 경우에 대해 설명한다.
제 3 실시형태에서는 제 1 파장 대역의 전자파를 검출하는 제 1 수광부로부터 제 N 파장 대역(N은 자연수)의 전자파를 검출하는 제 N 수광부로 된 N개의 수광부가 반도체 기판의 깊이 방향으로 제공되어 있다. 여기에서는 복수 N층이 4층인 경우이다. 이러한 경우에 있어서, 제 1 파장 대역의 전자파를 검출하는 제 1 수광부, 제 2 파장 대역의 전자파를 검출하는 제 2 수광부, 제 3 파장 대역의 전자파를 검출하는 제 3 수광부, 및 제 4 파장 대역의 전자파를 검출하는 제 4 수광부 등의 4층(4 컬러)의 수광부는 상기 제 1 실시형태와 마찬가지로 적층될 수 있다.
각 수광부로서 청색광을 검출하는 제 1 수광부는 반도체 기판의 광 입사측 표면으로부터 0.1㎛ 이상 0.4㎛ 이하에 위치되고; 에메랄드 광을 검출하는 제 2 수광부는 반도체 기판의 광 입사측 표면으로부터 0.3㎛ 이상 0.6㎛ 이하에 위치되고; 녹색광을 검출하는 제 3 수광부는 반도체 기판의 광 입사측 표면으로부터 0.4㎛ 이상 0.8㎛ 이하에 위치되고; 적색광을 검출하는 제 4 수광부는 반도체 기판의 광 입사측 표면으로부터 0.8㎛ 이상 2.5㎛ 이하에 위치된다. 이러한 방식으로, 제 1 수광부 내지 제 4 수광부를 배치하여 3원색뿐만 아니라 에메랄드 컬러의 모든 신호를 하나의 화소부내에서 더욱 정확하게 검출하는 것이 가능하게 된다. 따라서, 선명한 하늘과 바다의 화상을 얻을 수 있다. 또한, 반도체 기판의 적절한 깊이 위치에서 선명한 피부색을 얻기 위해 에메랄드 광을 검출하는 수광부 대신에 피부색 광을 검출하는 수광부를 제공할 수 있다. 그러나, 검출된 파장 대역 및 반도체 기판 재료의 광흡수 계수에 따라 수광부의 깊이를 최적으로 설정함에 따라 상기 깊이 범위는 일반적인 값이 되고, 이 값으로 한정되지 않는다.
또한, 트렌치부의 배치에 있어서, 제 3 실시형태의 고체 촬상 소자(300)에서는 예컨대, 도 3(C)에 도시된 바와 같이, 평면으로 보았을 때 정사각형 또는 직사각형 격자상으로 배열된 복수의 화소부에 대하여 1화소부마다 각 수광부(311 내지 314)를 각 연장된 방향으로 에지로부터 일부(예컨대, 하나의 에지의 1/2 길이보다 짧은 부분)가 연장되도록(연장된 부분이 서로 겹치지 않도록) 형성한다. 이러한 방식으로, 제 1 수광부(311) 내지 제 4 수광부(314)의 형성 영역을 서로 상이한 방향 으로 외측을 향하여 연장 및 배치하고, 트렌치부(351 내지 354)를 연장된 영역 에지(4변형의 에지)에 인접하도록 상이한 4방향(각 에지를 따른 방향)에 배치함으로써 상이한 4컬러의 컬러 신호를 3원색의 경우와 아주 유사한 방식으로 개별적으로 판독할 수 있다. 이 경우에 있어서도, 화소부의 외주가 되는 사각형의 4개의 변 모두가 판독 게이트 전극이 되는 트렌치부(351 내지 354)에 의해 둘러싸이기 때문에 트렌치부(351 내지 354)를 사용하여 화소를 분리할 수 있음에 따라, 단위 화소부의 설치 면적을 더 작게 하고, 고해상도화를 도모할 수 있다.
상기 제 1 내지 제 3 실시형태에 의하면, 반도체 기판(101)의 깊이 방향으로 입사광의 광흡수 계수의 파장 의존성에 대응하는 깊이에 적층된 N층의 수광부를 구비한 고체 촬상 소자가 기판 평면 방향으로 2차원상으로 주기적으로 배치되어 있고, 각 수광부에 도달하는 소정 깊이를 가지고, 각 수광부에 각 기판 평면 방향으로 각 트렌치부가 인접하도록 트렌치부가 제공된다. 트렌치부의 내벽은 게이트 절연막(141)에 의해 커버링되고; 판독 게이트 전극의 재료는 각 트렌치부에 매립되고; 축적 확산층(161)은 광 입사측과 반대측 기판 표면상의 트렌치부에 인접하고, 각 수광부로부터 분리되도록 형성된다. 따라서, 컬러 필터가 불필요하고, 복수의 컬러에 대응하는 신호 전하를 저전압으로 개별적으로 판독할 수 있는 고감도 및 고해상도의 고체 촬상 장치를 얻을 수 있다.
광 입사측 표면으로부터 제 1 수광부까지의 깊이가 공핍층의 두께로서 0.2㎛ 이상 2.0㎛ 이하의 범위에서 백색광을 검출하고, 광 입사측 표면으로부터 제 2 수광부까지의 깊이가 3.0㎛±0.3㎛의 범위에서 적외광을 검출하도록 수광부가 상하의 2층을 가질 수 있다. 또한, 수광부가 상하의 2층을 갖는 다른 경우로서 광 입사측 표면으로부터 제 1 수광부까지의 깊이가 0.1㎛ 이상 0.2㎛ 이하의 범위에서 자외광을 검출하고, 광 입사측 표면으로부터 제 2 수광부까지의 깊이가 공핍층의 두께로서 0.2㎛ 이상 2.0㎛ 이하의 범위에서 백색광을 검출하는 방식으로 배치될 수 있다. 또한, 광 입사측 표면으로부터 제 1 수광부까지의 깊이가 0.1㎛ 이상 0.2㎛ 이하의 범위에서 자외광을 검출하고, 광 입사측 표면으로부터 제 2 수광부까지의 깊이가 3.0㎛±0.3㎛의 범위에서 적외광을 검출하는 방식으로 배치될 수 있다. 이러한 경우, 정확하게 표현하고자 하는 광의 컬러에 대응하는 수광부의 깊이로 설정된 모든 수광부가 제 1 수광부 대신 추가되는 방식으로 배치될 수 있다.
(제 4 실시형태)
제 4 실시형태에서는 화상광을 광전 변환하여 화상을 촬상하는 상기 제 1 실시형태 내지 제 3 실시형태에 의한 고체 촬상 소자(100 내지 300) 중 어느 하나를 포함하는 고체 촬상 장치를 사용하는 예컨대, 디지털 카메라(예컨대, 디지털 비디오 카메라, 디지털 스틸 카메라), 화상 입력 카메라(예컨대, 모니터링 카메라, 도어 인터콤 카메라, 차량 후방 감지 카메라 등의 차량에 장착된 카메라, 텔레비전 전화기용 카메라, 및 휴대 전화용 카메라), 및 화상 입력 장치(예컨대, 스캐너, 팩시밀리, 및 카메라 장착 휴대 전화)를 구비한 전자 정보 기기에 대하여 설명한다.
제 4 실시형태의 전자 정보 기기는 본 발명의 상기 제 1 실시형태 내지 제 3 실시형태에 의한 고체 촬상 장치를 촬상부로 사용하여 얻어진 고품질의 화상 데이터를 기록용으로 소정 신호 처리를 수행한 후 데이터 기록하는 메모리부(예컨대, 기록 매체)와; 화상 데이터를 표시용으로 소정 신호 처리한 후 표시 화면(예컨대, 액정 표시 화면)상에 표시하는 표시 수단(예컨대, 액정 표시 장치)과; 이 화상 데이터를 통신용으로 소정 신호 처리한 후 통신 처리하는 통신 수단(예컨대, 송수신 장치)과; 이 화상 데이터를 인쇄(인자)하여 출력[프린팅 아웃(printing out)]하는 화상 출력 수단 중 하나 이상을 포함한다.
상기한 바와 같이, 제 4 실시형태에 의하면, 전자 정보 기기(예컨대, 디지털 카메라, 각종 화상 입력 카메라, 카메라 장착 휴대 전화 장치)에 있어서, 컬러 필터가 불필요하고, 복수의 컬러에 대응하는 신호 전하를 저전압으로 개별적으로 판독할 수 있는 고감도 및 고해상도의 고체 촬상 장치를 포함하는 고성능의 전자 정보 기기를 실현할 수 있다.
제 1 실시형태 내지 제 3 실시형태에서는 CMOS 이미지 센서에 적용한 경우에 대해서 본 발명을 설명하였다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 수직 전송부에서 신호 전하를 판독하여 수직 전송하고, 수평 전송부를 통해 신호 검출부에서 신호 검출을 수행하는 CCD 이미지 센서의 경우에도 적용될 수 있다. 수직 전송부와 수평 전송부가 수광부측으로부터 반대측에 제공되어 있으면 본 발명을 적용할 수 있다.
또한, 상기 제 1 실시형태에서는 광 입사면과 반대측의 기판 표면에 게이트 절연막(141)과 인접하고, 수광부(111 내지 113)로부터 격리된 상태에서 축적 확산층(161)이 형성되고; 역도전형 확산층에 수광부(111 내지 113)로부터 축적 확산층(161)으로 신호 전하를 전송하기 위한 채널 영역(131)이 형성되고; 반대측의 기 판 표면으로부터 복수의 수광부(111 내지 113)의 각 깊이까지의 트렌치(111a 내지 113a)의 측면에 형성된 역도전형 확산층(132)에 의해 기판 표면을 따른 방향으로 인접한 고체 촬상 소자가 서로 전기적으로 소자 분리되어 있는 경우에 대해서 설명하였다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 광 입사면측에 게이트 절연막(141)과 인접하고, 수광부(111 내지 113)로부터 격리된 상태에서 축적 확산층(161)이 형성되고; 역도전형 확산층에 수광부(111 내지 113)로부터 축적 확산층(161)으로 신호 전하를 전송하기 위한 채널 영역(131)이 형성되고; 광 입사면과 반대측의 기판 표면측으로부터 복수의 수광부(111 내지 113)의 각 깊이까지의 트렌치(111a 내지 113a)의 측면에 형성된 역도전형 확산층(132)에 의해 기판 표면을 따른 방향으로 인접한 고체 촬상 소자가 서로 전기적으로 소자 분리된 방식으로 구성할 수도 있다. 이러한 경우, 트렌치(111a 내지 113a)의 깊이를 얕게 설정함으로써 제조 방법이 용이하게 된다.
또한, 상기 제 1 실시형태에서는 복수의 고체 촬상 소자(100) 중 소정의 고체 촬상 소자(100)를 선택하여 신호 출력하는 신호 출력 회로가 제공되고, 이 신호 출력 회로는 반도체 기판(101)의 광 입사면측과 반대측으로부터 형성된 복수의 트랜지스터에 의해 구성된 경우를 설명하였다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 반도체 기판(101)의 광 입사면측으로부터 형성된 복수의 트랜지스터에 의해 신호 출력 회로가 구성될 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명을 바람직한 제 1 실시형태 내지 제 4 실시형태에 의해 예시하였다. 그러나, 본 발명은 상기 제 1 실시형태 내지 제 4 실시형태로 한 정되어 해석되지 않는다. 본 발명의 범위는 청구범위에 의해서만 해석되어야 하는 것으로 이해된다. 당업자는 본 발명의 구체적이고 바람직한 제 1 실시형태 내지 제 4 실시형태의 기재로부터 본 발명의 기재 및 기술 상식에 의거하여 동등 범위를 실시할 수 있는 것으로 이해된다. 또한, 본 명세서에 인용된 특허, 특허출원 및 문헌은 그 내용 자체가 구체적으로 본 명세서에 기재되어 있는 바와 같이 그 내용이 본 명세서에 참조로서 포함된 것으로 이해된다.
본 발명은 고체 촬상 장치(CMOS 이미지 센서나 CCD 이미지 센서 등), 특히, 반도체 기판의 깊이 방향으로 적층된 복수의 수광부에 의해 파장이 다른 전자파를 분리 검출하는 방식의 고체 촬상 장치, 및 이 고체 촬상 장치를 화상 입력 디바이스로서 촬상부에 사용한 전자 정보 기기[예컨대 디지털 카메라(디지털 비디오 카메라 및 디지털 스틸 카메라), 각종 화상 입력 카메라, 스캐너, 팩시밀리, 카메라 장착 휴대 전화 장치 등]의 분야에 있어서, 고체 촬상 장치 특유의 광학적 특성에 영향을 미치는 제조 프로세스로서의 컬러 필터 형성 공정을 삭감할 수 있기 때문에 생산성을 향상시킬 수 있다. 또한, 각 컬러 신호에 대하여 수광부를 적층해서 형성할 수 있기 때문에 각 화소부의 수광 영역 면적을 확대하고, 수광 감도의 향상에 의한 고화질화를 도모할 수 있다.
또한, 판독 게이트 전극을 반도체 기판의 트렌치부내에 형성하고, 각 컬러에 대응하는 수광부로부터 종방향으로 판독하기 때문에 판독 게이트 전극과 수광부가 서로 인접하고; 판독 게이트 전극과 채널부 사이의 거리가 가깝기 때문에 보다 낮은 판독 전압에 의해 신호 전하를 판독할 수 있고, 이에 따라 소비 전력을 억제할 수 있다. 또한, 전송로로서의 고농도 확산층을 형성하거나 기판 표면에 판독 게이트 전극을 설치할 필요가 없기 때문에 설치 면적을 작게 할 수 있고, 실질적으로 각 화소부내의 수광 영역의 면적을 확대할 수 있기 때문에 수광 감도 향상으로 인한 고화질화를 도모할 수 있다.
또한, 배선층이 광 입사면과 반대측 표면에 형성되어 있기 때문에 각 화소부(각 수광부)로부터 출력된 신호 전하를 전송하기 위한 배선층을 각 화소부사이에 배치할 필요가 없다. 따라서, 배선층의 설치 면적에 의해 고체 촬상 장치의 해상도 저하를 초래하지 않는다. 또한, 광 입사면의 반대측에 신호 전하의 증폭 및 수광부로부터의 신호 전하의 전기적 리셋에 필요한 트랜지스터를 형성하는 것이 가능하다. 트랜지스터 배치 면적에 의해 각 화소부의 수광 영역 면적이 영향받지 않기 때문에 고체 촬상 장치의 해상도 저하를 초래하지 않고, 수광 영역 면적을 확대함으로써 수광 감도 향상에 의한 고화질화를 도모할 수 있다. 또한, 광 입사측(예컨대, 각 수광부의 사이; 인접한 고체 촬상 소자의 사이)에 신호 판독 회로나 그 배선을 제공할 수 있다. 이러한 경우, 트렌치의 깊이를 얕게 할 수 있고, 이에 따라 제조가 용이하게 된다.
따라서, 본 발명에 의하면, 종래의 고체 촬상 장치에 있어서 필요했던 컬러 필터가 불필요하고, 복수 컬러에 대응한 신호 전하를 개별적으로 저전압으로 판독할 수 있는 고감도 및 고해상도의 고체 촬상 장치를 컬러 필터 형성 공정이 삭감된 간략한 제조 공정에 의해 실현할 수 있다. 또한, 이 고체 촬상 장치를 화상 입력 디바이스로서 촬상부에 사용한 전자 정보 기기를 실현할 수 있다.
본 발명의 범위 및 사상으로부터 벗어나지 않은 다양한 수정이 당업자에게 자명하게 되고 당업자에 의해 용이하게 이루어질 수 있다. 따라서, 청구 범위의 범위는 여기에 인용된 설명에 한정되지 않고 넓게 해석된다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시형태에 의한 고체 촬상 장치의 요부 구성예를 나타낸 종단면도이다.
도 2는 도 1의 고체 촬상 장치의 제조 방법에 있어서의 고체 촬상 소자 제조 공정을 설명하기 위한 요부 종단면도이다.
도 3(A)는 도 1의 고체 촬상 소자로서 정사각 격자상으로 화소부가 배치되었을 경우에 각 컬러마다 서로 다른 3방향으로 수광부를 연장시켜서 배치한 고체 촬상 장치의 촬상 영역의 요부 구성예를 나타낸 평면도이다.
도 3(B)는 제 2 실시형태의 고체 촬상 소자로서 육각형의 화소부가 벌집 구조로 배치되었을 경우에 서로 다른 3방향으로 수광부를 연장시켜서 배치한 고체 촬상 장치의 촬상 영역의 요부 구성예를 나타낸 평면도이다.
도 3(C)는 제 3 실시형태의 고체 촬상 소자로서 정사각 격자상으로 화소부가 배치되었을 경우에 각 컬러마다 서로 다른 4방향으로 수광부를 연장시켜서 배치한 고체 촬상 장치의 촬상 영역의 요부 구성예를 나타낸 평면도이다.
도 4는 도 1에 도시된 고체 촬상 장치의 제조 방법에 있어서의 제조 공정을 설명하기 위한 요부 종단면도이다.
도 5는 도 1에 도시된 고체 촬상 장치의 제조 방법에 있어서의 제조 공정을 설명하기 위한 요부 종단면도이다.
도 6은 도 1에 도시된 고체 촬상 장치의 제조 방법에 있어서의 제조 공정을 설명하기 위한 요부 종단면도이다.
도 7은 도 1에 도시된 고체 촬상 장치의 제조 방법에 있어서의 제조 공정을 설명하기 위한 요부 종단면도이다.
도 8운 도 1에 도시된 고체 촬상 장치의 제조 방법에 있어서의 제조 공정을 설명하기 위한 요부 종단면도이다.
도 9는 도 1에 A-B-C로 도시된 전하 전송로에 있어서의 포텐셜 분포를 나타낸 도면이다.
10, 20, 30 : 고체 촬상 장치 100, 200, 300 : 고체 촬상 소자
101 : 반도체 기판 111 : 제 1 수광부
112 : 제 2 수광부 113 : 제 3 수광부
121 : 역도전형 확산층 122 : 절연막
131 : 채널 확산층 132 : 역도전형 확산층
133 : 저농도 채널 확산층 141 : 게이트 절연막
151, 152, 153 : 판독 게이트 전극 161 : 축적 확산층
162 : 웰 163 : 증폭 트랜지스터
164 : 리셋 트랜지스터 171 : 비아 콘택트
181, 182, 183, 184 : 층간 절연막 191, 192, 193 : 배선층
211, 311 : 제 1 수광부(형성 영역)
212, 312 : 제 2 수광부(형성 영역)
213, 313 : 제 3 수광부(형성 영역)
314 : 제 4 수광부(형성 영역)
251, 351 : 제 1 수광부용 판독 게이트 전극 형성 영역
252, 352 : 제 2 수광부용 판독 게이트 전극 형성 영역
253, 353 : 제 3 수광부용 판독 게이트 전극 형성 영역
354 : 제 4 수광부용 판독 게이트 전극 형성 영역
Claims (31)
- 반도체 기판의 깊이 방향으로 적층된 복수의 수광부를 구비한 복수의 고체 촬상 소자가 기판 표면을 따른 방향으로 주기적으로 배열되고; 입사 서브젝트 광의 전자파 중 상기 반도체 기판의 반도체 기판 재료에 있어서의 광흡수 계수의 파장 의존성에 따라 각 수광부의 깊이에 대응한 파장 대역의 전자파가 상기 각 수광부에서 검출되고; 신호 전하가 각각 생성되는 고체 촬상 장치에 있어서:상기 반도체 기판의 광 입사면 또는 상기 광 입사면과 반대측의 기판 표면으로부터 평면으로 보았을 때 서로 겹치지 않는 각 수광부의 위치에 각각 도달하는 트렌치부가 형성되고,상기 각 트렌치부에 판독 게이트 전극이 형성되고, 상기 판독 게이트 전극의 구동시에 상기 복수의 수광부로부터 상기 각 트렌치의 측벽 부분을 통해 상기 광 입사면측 또는 상기 광 입사면측과 반대측의 기판 표면으로 독립적으로 전하를 전송할 수 있는 전하 전송부가 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 전하 전송부는 상기 트렌치부가 상기 적층된 수광부의 각 층에 각 기판 평면 방향에 있어서 인접하도록 배치되고, 상기 트렌치부의 내벽이 게이트 절연막에 의해 커버링되고, 상기 각 트렌치부내에 상기 판독 게이트 전극이 매립되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 트렌치부의 측벽에 상기 측벽을 커버링하는 게이트 절연막을 따라 상기 복수의 수광부와 전기적 극성이 다른 역도전형 확산층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
- 제 3 항에 있어서,상기 광 입사면 또는 상기 광 입사면과 반대측의 기판 표면에 상기 게이트 절연막과 인접하고, 상기 각 수광부로부터 격리된 축적 확산층이 형성되어 있고, 상기 역도전형 확산층에 상기 수광부로부터 상기 축적 확산층으로 신호 전하를 전송하기 위한 채널 영역이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
- 제 4 항에 있어서,상기 채널 영역은 상기 수광부와 전기적 극성이 다른 채널 확산층인 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
- 제 4 항에 있어서,상기 복수의 수광부의 형성 영역과 상기 채널 영역이 겹치는 영역에는 저농도의 채널 확산층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
- 제 3 항에 있어서,상기 광 입사면과 반대측의 기판 표면 또는 상기 광 입사면으로부터 상기 복수의 수광부의 각 깊이까지의 상기 트렌치부의 측면에 형성된 역도전형 확산층에 의해 기판 표면을 따른 방향으로 서로 인접한 상기 고체 촬상 소자가 개별 소자로서 서로 전기적으로 분리되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 복수의 수광부는 평면으로 보았을 때 정사각형 또는 직사각형 격자상이고, 상기 복수의 수광부가 평면으로 보았을 때 서로 겹치는 형상으로부터 평면으로 보았을 때 서로 겹치지 않도록 외측으로 연장된 각 에지마다 상기 각 에지에 인접하도록 상기 트렌치부가 상기 각 에지를 따라 상이한 2방향 또는 3방향으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 복수의 수광부는 평면으로 보았을 때 육각형 및 벌집 구조로 배치되어 있고, 상기 복수의 수광부가 평면으로 보았을 때 서로 겹치는 형상으로부터 평면으로 보았을 때 서로 겹치지 않도록 외측으로 연장된 에지마다 상기 각 에지에 인접하도록 상기 트렌치부가 상기 각 에지를 따라 상이한 2방향 또는 3방향으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 복수의 수광부는 평면으로 보았을 때 정사각형 또는 직사각형 격자상이며, 상기 복수의 수광부가 평면으로 보았을 때 서로 겹치는 형상으로부터 평면으로 보았을 때 서로 겹치지 않도록 외측으로 연장된 일부 에지마다 일부 에지에 인접하도록 상기 트렌치부가 상기 일부 에지를 따라 상이한 4방향으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 반도체는 에피택셜층을 가진 실리콘 기판이며, 상기 복수의 수광부는 상이한 도전형의 반도체 접합에 의해 형성된 포토다이오드로 형성되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 복수의 수광부로서 제 1 파장 대역의 전자파를 검출하는 제 1 수광부로부터 제 N 파장 대역(N은 자연수)의 전자파를 검출하는 제 N 수광부인 N개의 수광부가 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 복수의 수광부로서 제 1 파장 대역의 전자파를 검출하는 제 1 수광부와, 제 2 파장 대역의 전자파를 검출하는 제 2 수광부가 제공되어 있는 것을 특징 으로 하는 고체 촬상 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 복수의 수광부로서 제 1 파장 대역의 전자파를 검출하는 제 1 수광부와, 제 2 파장 대역의 전자파를 검출하는 제 2 수광부와, 제 3 파장 대역의 전자파를 검출하는 제 3 수광부가 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 복수의 수광부로서 제 1 파장 대역의 전자파를 검출하는 제 1 수광부와, 제 2 파장 대역의 전자파를 검출하는 제 2 수광부와, 제 3 파장 대역의 전자파를 검출하는 제 3 수광부와, 제 4 파장 대역의 전자파를 검출하는 제 4 수광부가 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
- 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,상기 반도체 기판의 광 입사측 표면으로부터 상기 제 1 수광부까지의 깊이는 0.2㎛ 이상 2.0㎛ 이하의 범위에서 백색광을 검출하고, 상기 광 입사측 표면으로부터 상기 제 2 수광부까지의 깊이는 3.0㎛±0.3㎛의 범위에서 적외광을 검출하는 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
- 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,상기 반도체 기판의 광 입사측 표면으로부터 상기 제 1 수광부까지의 깊이는 0.1㎛ 이상 0.2㎛ 이하의 범위에서 자외광을 검출하고, 상기 광 입사측 표면으로부터 상기 제 2 수광부까지의 깊이는 공핍층 두께로서 0.2㎛ 이상 2.0㎛ 이하의 범위에서 백색광을 검출하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
- 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,상기 반도체 기판의 광 입사측 표면으로부터 상기 제 1 수광부까지의 깊이는 0.1㎛ 이상 0.2㎛ 이하의 범위에서 자외광을 검출하고, 상기 광 입사측 표면으로부터 상기 제 2 수광부까지의 깊이는 3.0㎛±0.3㎛의 범위에서 적외광을 검출하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
- 제 14 항에 있어서,상기 반도체 기판의 광 입사측 표면으로부터 상기 제 1 수광부까지의 깊이는 0.1㎛ 이상 0.4㎛ 이하의 범위이며, 상기 반도체 기판의 광 입사측 표면으로부터 상기 제 2 수광부까지의 깊이는 0.4㎛ 이상 0.8㎛ 이하의 범위이며, 상기 반도체 기판의 광 입사측 표면으로부터 상기 제 3 수광부까지의 깊이는 0.8㎛ 이상 2.5㎛ 이하의 범위이며, 이에 따라 3원색을 검출하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
- 제 15 항에 있어서,상기 반도체 기판의 광 입사측 표면으로부터 상기 제 1 수광부까지의 깊이는 0.1㎛ 이상 0.4㎛ 이하의 범위이며, 상기 반도체 기판의 광 입사측 표면으로부터 상기 제 2 수광부까지의 깊이는 0.3㎛ 이상 0.6㎛ 이하의 범위이며, 상기 반도체 기판의 광 입사측 표면으로부터 상기 제 3 수광부까지의 깊이는 0.4㎛ 이상 0.8㎛ 이하의 범위이며, 상기 반도체 기판의 광 입사측 표면으로부터 상기 제 4 수광부까지의 깊이는 0.8㎛ 이상 2.5㎛ 이하의 범위이며, 이에 따라 3원색과 에메랄드 컬러를 검출하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 복수의 고체 촬상 소자 각각내에 각각 상기 복수의 고체 촬상 소자 중 소정의 고체 촬상 소자를 선택해서 신호를 출력하는 신호 출력 회로가 제공되어 있고, 상기 신호 출력 회로는 상기 반도체 기판의 광 입사면측과 반대측 또는 상기 광 입사면측으로부터 형성된 복수의 트랜지스터에 의해 구성되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 복수의 고체 촬상 소자 각각내에 각각 상기 복수의 고체 촬상 소자 중 소정의 고체 촬상 소자를 선택해서 신호를 출력하는 신호 출력 회로가 제공되어 있고, 상기 신호 출력 회로를 구성하는 트랜지스터는 상기 고체 촬상 소자내의 불순물 확산층 웰 내부 및 상기 불순물 확산층 웰상에 제공되어 있는 것을 특징으로 하 는 고체 촬상 장치.
- 제 21 항 또는 제 22 항에 있어서,상기 신호 출력 회로는 상기 수광부로부터 상기 축적 확산층으로 전하 전송된 신호 전압에 따라서 신호를 증폭시키는 증폭 트랜지스터와, 상기 축적 확산층의 신호 전압을 소정 전압으로 리셋하는 리셋 트랜지스터를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
- 제 21 항 또는 제 22 항에 있어서,상기 신호 출력 회로로부터의 신호 출력 경로는 상기 반도체 기판의 광 입사면측과 반대측에 형성된 배선층에 의해 구성되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
- 제 2 항에 있어서,상기 게이트 절연막은 산화막 또는 고유전체 절연막인 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
- 제 25 항에 있어서,상기 산화막은 산화 실리콘막인 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
- 제 25 항에 있어서,상기 고유전체 절연막은 하프늄 옥사이드인 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
- 제 2 항에 있어서,상기 판독 게이트 전극은 도핑된 실리콘 재료 또는 금속 재료를 포함하는 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
- 제 1 항에 있어서,CMOS 이미지 센서 또는 CCD 이미지 센서인 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
- 제 1 항, 제 2 항, 제 12 항 내지 제 15 항, 또는 제 25 항 내지 제 29 항 중 어느 한 항에 기재된 고체 촬상 장치를 화상 입력 디바이스로서 사용하는 것을 특징으로 하는 전자 정보 기기.
- 반도체 기판의 깊이 방향으로 적층된 복수의 수광부를 구비한 복수의 고체 촬상 소자가 기판 표면을 따른 방향으로 주기적으로 배열되고; 입사 서브젝트 광의 전자파 중 상기 반도체 기판의 반도체 기판 재료에 있어서의 광흡수 계수의 파장 의존성에 따라 각 수광부의 깊이에 대응한 파장 대역의 전자파가 상기 각 수광부에 서 검출되고; 신호 전하가 생성되는 고체 촬상 장치의 제조 방법에 있어서:상기 반도체 기판의 깊이 방향으로 제 1 수광부 확산층으로부터 제 N 수광부 확산층(N은 자연수)을 평면으로 보았을 때 상기 각 수광부 확산층이 다른 수광부의 확산층과 겹치는 부분을 갖지 않도록 상기 수광부 확산층의 겹친 부분이 각 에지와 함께 연장된 상태에서 순서대로 형성하는 수광부 형성 공정과;상기 반도체 기판의 광 입사면에 상기 각 수광부와 전기적 극성이 다른 역도전형 확산층을 형성하는 역도전형 확산층 형성 공정과;상기 광 입사면과 반대측의 기판 표면으로부터 상기 각 수광부에 도달하는 깊이를 갖고, 상기 적층된 수광부의 에지에 각 기판 평면 방향으로 인접하여 배치된 트렌치를 형성하는 트렌치 형성 공정과;상기 트렌치의 측면에 상기 각 수광부와 전기적 극성이 다른 역도전형 확산층을 형성하는 트렌치 측면 확산층 형성 공정과;상기 트렌치의 내부를 커버링하도록 게이트 절연막을 형성하는 게이트 절연막 형성 공정과;상기 트렌치를 채워서 판독 게이트 전극을 형성하는 게이트 전극 형성 공정과;상기 광 입사측면과 반대측의 기판 표면에 상기 게이트 절연막과 인접하고, 상기 각 수광부와 격리해서 축적 확산층을 형성하는 축적 확산층 형성 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치의 제조 방법.
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