KR20130016075A - 고체 촬상 장치 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
일 실시 형태에 따르면, 고체 촬상 장치는 기판과 복수의 간섭 필터를 포함한다. 기판은 복수의 광전 변환부를 포함한다. 복수의 간섭 필터는 복수의 광전 변환부마다 개별적으로 제공된다. 복수의 간섭 필터는 굴절률이 상이한 복수의 층이 적층되어 있다. 복수의 간섭 필터는 소정의 파장 영역의 광을 선택적으로 투과시키도록 구성되어 있다. 인접하는 간섭 필터들 사이에는 공극부가 제공된다.
Description
<관련 출원의 상호 참조>
본 출원은 2011년 8월 3일자로 출원된 우선권인 일본 특허 출원 제2011-170144호에 기초하며, 이로부터의 우선권의 이익을 주장하며, 그 전체 내용은 참조로서 본 명세서에 원용된다.
본 명세서에 설명된 실시 형태는, 일반적으로, 고체 촬상 장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
CMOS(complementary metal oxide semiconductor)형 이미지 센서 및 CCD(charge coupled device)형 이미지 센서 등의 고체 촬상 장치에 있어서, 화소의 미세화(화소 수의 증가) 및 저 프로파일(profile)화(소형화)가 진행되고 있다.
그 때문에, 종래에 이용되었던 유기 안료를 이용한 컬러 필터보다 화소의 미세화 및 저 프로파일화에 더 적합한 간섭 필터를 포함하는 고체 촬상 장치가 제안되어 있다.
간섭 필터에서는, 비스듬히 입사하는 광이 인접하는 화소 영역에 혼입함으로써 혼색의 문제가 발생한다.
그 때문에, 간섭 필터의 주연(periphery)에 차광부를 포함하는 고체 촬상 장치가 제안되어 있다.
그러나, 간섭 필터의 주연에 차광부를 설치하면, 화소 면적에서의 차광부의 비율이 커지거나 차광부에 광이 흡수될 수 있으며, 이로 인해 감도가 저하될 수 있다. 또한, 차광부를 설치하는 공정이 필요해지므로, 제조 공정의 복잡화 및 제조 비용의 증대를 초래할 수도 있다.
일반적으로, 일 실시 형태에 따르면, 고체 촬상 장치는 기판과 복수의 간섭 필터를 포함한다. 기판은 복수의 광전 변환부를 포함한다. 복수의 간섭 필터는 복수의 광전 변환부마다 개별적으로 제공된다. 복수의 간섭 필터는 굴절률이 상이한 복수의 층이 적층되어 있다. 복수의 간섭 필터는 소정의 파장 영역의 광을 선택적으로 투과시키도록 구성되어 있다. 인접하는 간섭 필터들 사이에는 공극부가 제공된다.
도 1은 제1 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치를 예시하기 위한 모식 단면도이며, 도 1은 이면 조사형(back-side illumination)의 고체 촬상 장치(1)의 경우이다.
도 2는 제1 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치를 예시하기 위한 모식 단면도이며, 도 2는 표면 조사형(front-side illumination)의 고체 촬상 장치(11)의 경우이다.
도 3은 광학 시뮬레이션의 조건을 예시하기 위한 모식도.
도 4는 간섭 필터(4)가 산화 실리콘을 이용하여 형성되었을 경우의 광학 시뮬레이션 결과를 예시하기 위한 그래프.
도 5는 간섭 필터(4)가 산화 티탄을 이용하여 형성되었을 경우의 광학 시뮬레이션 결과를 예시하기 위한 그래프.
도 6은 제2 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치의 제조 방법에 대해 예시하기 위한 플로우차트.
도 2는 제1 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치를 예시하기 위한 모식 단면도이며, 도 2는 표면 조사형(front-side illumination)의 고체 촬상 장치(11)의 경우이다.
도 3은 광학 시뮬레이션의 조건을 예시하기 위한 모식도.
도 4는 간섭 필터(4)가 산화 실리콘을 이용하여 형성되었을 경우의 광학 시뮬레이션 결과를 예시하기 위한 그래프.
도 5는 간섭 필터(4)가 산화 티탄을 이용하여 형성되었을 경우의 광학 시뮬레이션 결과를 예시하기 위한 그래프.
도 6은 제2 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치의 제조 방법에 대해 예시하기 위한 플로우차트.
이하, 도면을 참조하여 실시 형태에 대해서 설명한다. 도면에서, 마찬가지의 구성요소에는 동일한 부호를 붙이고 그 상세한 설명은 적절하게 생략한다.
도면에서의 X 방향, Y 방향 및 Z 방향은 서로 직교하는 방향을 나타내며, X 방향 및 Y 방향은 기판(20)의 주면에 평행한 방향이고, Z 방향은 기판(20)의 주면에 직교하는 방향(적층 방향)이다.
제1 실시 형태
도 1 및 도 2는 제1 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치를 예시하기 위한 모식 단면도이다. 도 1은 이면 조사형의 고체 촬상 장치(1)의 경우이고, 도 2는 표면 조사형의 고체 촬상 장치(11)의 경우이다. 도 1 및 도 2는 일례로서 3 화소분의 구성을 예시한다.
우선, 도 1에 예시된 이면 조사형의 고체 촬상 장치(1)를 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 고체 촬상 장치(1)는 광전 변환부(2), 배선부(3), 간섭 필터(4) 및 렌즈(5)를 포함한다.
광전 변환부(2)는 기판(20)의 주면에 복수 제공되어 있다. 광전 변환부(2)는, 입사한 광의 강도에 따른 전하를 발생시키고, 발생된 전하를 축적하도록 구성될 수 있다. 광전 변환부(2)는, 예를 들어, 반도체 공정에 의해 형성된 전하 축적 영역을 포함하는 포토다이오드일 수 있다. 이 경우, 광전 변환부(2r)는, 적색의 파장 영역의 광을 수광하고, 수광된 광의 강도에 따른 전하를 발생시키고 그 전하를 축적하도록 구성될 수 있다. 광전 변환부(2g)는, 녹색의 파장 영역의 광을 수광하고, 수광된 광의 강도에 따른 전하를 발생시키고 그 전하를 축적하도록 구성될 수 있다. 광전 변환부(2b)는, 청색의 파장 영역의 광을 수광하고, 수광된 광의 강도에 따른 전하를 발생시키고, 그 전하를 축적하도록 구성될 수 있다.
광전 변환부(2r, 2g, 2b)는, 기판(20)에 형성된 웰 영역 내에 제공되어 있다. 웰 영역은, 제1 도전형(예를 들어, p형)의 불순물을 낮은 농도로 함유하는 반도체(예를 들어, 실리콘)로 형성될 수 있다. p형의 불순물은, 예를 들어, 붕소일 수 있다. 광전 변환부(2r, 2g, 2b)에서의 전하 축적 영역은, 제1 도전형과 상이한 도전형인 제2 도전형(예를 들어, n형)의 불순물을 함유하는 반도체(예를 들어, 실리콘)로 형성될 수 있다. 이 경우, 전하 축적 영역에서의 제2 도전형의 불순물 농도는, 웰 영역에서의 제1 도전형의 불순물 농도보다 높게 설정된다. n형의 불순물은, 예를 들어, 인 또는 비소일 수 있다.
배선부(3)는 광전 변환부(2)의 광이 입사하는 측과 반대의 측에 제공되어 있다. 이 경우, 배선부(3r)는 광전 변환부(2r)에 관련되도록 제공된다. 배선부(3g)는 광전 변환부(2g)에 관련되도록 제공된다. 배선부(3b)는 광전 변환부(2b)에 관련되도록 제공된다. 배선부(3r, 3g, 3b)는, 절연부(3r1, 3g1, 3b1) 및 절연부(3r1, 3g1, 3b1)의 내부에 형성된 배선 패턴(3r2, 3g2, 3b2)을 각각 포함한다. 절연부(3r1, 3g1, 3b1)는, 예를 들어, 산화 실리콘 등으로 형성될 수 있다. 배선 패턴(3r2, 3g2, 3b2)은, 예를 들어, 복수의 층(도 1에 예시된 경우에는 2층)으로 형성될 수 있다. 배선 패턴(3r2, 3g2, 3b2)은, 예를 들어, 구리 등의 금속을 이용하여 형성될 수 있다.
간섭 필터(4)는, 입사한 광 중 적색, 녹색, 청색의 파장 영역의 광을 선택적으로 광전 변환부(2)에 유도하는 컬러 필터로서 기능한다. 이 경우, 간섭 필터(4r)는, 입사한 광 중 적색의 파장 영역의 광을 광전 변환부(2r)에 선택적으로 유도한다. 간섭 필터(4g)는, 입사한 광 중 녹색의 파장 영역의 광을 광전 변환부(2g)에 선택적으로 유도한다. 간섭 필터(4b)는, 입사한 광 중 청색의 파장 영역의 광을 광전 변환부(2b)에 선택적으로 유도한다.
간섭 필터(4)는, 저 굴절률의 무기 재료를 이용한 층과 고 굴절률의 무기 재료를 이용한 층이 적층된 포토닉 결정형의 필터일 수 있다.
즉, 간섭 필터(4)는, 복수의 광전 변환부(2)마다 제공되고, 굴절률이 상이한 복수의 층이 적층되어, 소정의 파장 영역의 광을 선택적으로 투과시키는 구성을 갖는다.
후술하는 바와 같이, 인접하는 간섭 필터들(4) 사이에는 공극부(21)가 제공되어 있다.
간섭 필터(4)는, 상부 적층부(9a)(제1 적층부의 일례에 상당함), 하부 적층부(9b)(제2 적층부의 일례에 상당함) 및 상부 적층부(9a)와 하부 적층부(9b) 사이에 제공된 간섭부(7r, 7g)를 포함한다. 후술하는 바와 같이, 간섭부의 막 두께는 선택되는 광의 파장 영역에 따라 설정되므로, 광의 파장 영역에 따라 간섭부가 제공되지 않는 경우도 있다.
상부 적층부(9a)와 하부 적층부(9b)는, 반사면이 서로 대향하는 미러로서 기능하고, 가시광 영역(예를 들어, 400nm 내지 700nm의 파장 영역)에서의 중심 파장(예를 들어, 550nm)을 간섭 필터(4)의 중심 파장으로서 갖는다. 가시광 영역의 중심 파장은 반사면의 반사율이 피크에 달하는 파장이다.
이 경우, 가시광 영역의 오차를 고려하면, 중심 파장은 540nm 이상 560nm 이하의 범위일 수 있다.
서로 굴절률이 다른 유전체층이 상부 적층부(9a)와 하부 적층부(9b)에 교대로 적층되어 있다. 도 1에 예시된 경우에는, 상부 적층부(9a)에, 유전체층(6a)(제1 유전체층의 일례에 상당함), 유전체층(6b)(제2 유전체층의 일례에 상당함) 및 유전체층(6c)(제3 유전체층의 일례에 상당함)이 이 순서대로 적층되어 있다. 하부 적층부(9b)에는, 유전체층(6d)(제4 유전체층의 일례에 상당함), 유전체층(6e)(제5 유전체층의 일례에 상당함) 및 유전체층(6f)(제6 유전체층의 일례에 상당함)이 이 순서대로 적층되어 있다. 이 경우, 유전체층(6a) 및 유전체층(6c)의 굴절률은 유전체층(6b)의 굴절률보다 높고, 유전체층(6d) 및 유전체층(6f)의 굴절률은 유전체층(6e)의 굴절률보다 높다. 유전체층(6a), 유전체층(6c), 유전체층(6d) 및 유전체층(6f)은, 예를 들어, 산화 티탄(TiO2, 굴절률:2.5), 질화 실리콘(SiN, 굴절률:2.0) 등을 이용하여 형성될 수 있다. 유전체층(6b) 및 유전체층(6e)은, 예를 들어, 산화 실리콘(SiO2, 굴절률:1.46)을 이용하여 형성될 수 있다.
유전체층(6a 내지 6f)의 광학적 막 두께는 중심 파장(가시광 영역의 중심 파장)의 1/4로 설정된다. 유전체층(6a 내지 6f)의 광학적 막 두께는, 예를 들어, 135nm 이상 140nm 이하로 설정될 수 있다.
이 경우, 광학적 막 두께의 값은 대상으로 되는 층의 물리적인 막 두께 d에 그 층을 형성하는 재료의 굴절률 n을 곱하여 얻어진 값으로 설정된다.
그러므로, 유전체층(6a 내지 6f)의 막 두께 d는 이하의 식으로 나타내어질 수 있다.
여기서, d는 유전체층(6a 내지 6f)의 막 두께이고, n은 굴절률이고, λ는 중심 파장이다.
예를 들어, 중심 파장 λ가 550nm이고, 유전체층(6d)이 산화 티탄(굴절률 n이2.5임)으로 형성되고, 유전체층(6e)이 산화 실리콘(굴절률 n이 1.46임)으로 형성되는 경우에는, 유전체층(6d)의 막 두께는 55nm이고, 유전체층(6e)의 막 두께는 94nm이다. 또한, 유전체층(6a, 6b, 6c, 6f)의 막 두께도 마찬가지로 될 수 있다. 그러나, 상부 적층부(9a)의 하부 적층부(9b) 측에 형성되는 유전체층(6a)의 막 두께는 55nm보다 얇게 설정된다.
간섭부(7r, 7g)는 상부 적층부(9a)와 하부 적층부(9b) 사이에 제공되고, 상부 적층부(9a)의 반사면과 하부 적층부(9b)의 반사면에서 다중 반사된 광을 간섭(다중 광속 간섭)시키기 위해 제공된다. 간섭부(7r, 7g)는 페브리 페로(Fabry- Perot) 간섭계와 동일한 원리에 기초한 기능을 갖는다.
간섭부(7r, 7g)의 굴절률은, 유전체층(6a, 6c, 6d, 6f)의 굴절률보다 낮다. 간섭부(7r, 7g)는, 예를 들어, 산화 실리콘을 이용하여 형성될 수 있다.
간섭부(7r, 7g)의 막 두께는, 선택되는 광의 파장 영역에 따라 설정된다. 예를 들어, 적색 광의 경우에는 간섭부(7r)의 막 두께가 85nm로 설정된다. 녹색 광의 경우에는 간섭부(7g)의 막 두께가 35nm로 설정된다. 청색 광의 경우에는 간섭부의 막 두께가 0nm로 설정된다. 즉, 청색 광의 경우에는 간섭부가 제공되지 않는다.
간섭 필터(4)와 렌즈(5) 사이에는 평탄화층(8r, 8g, 8b)이 제공되어 있다. 간섭 필터(4)의 두께 치수가 일정하지 않기 때문에, 렌즈(5)의 위치가 일정하게 되도록 하기 위해 평탄화층(8r, 8g, 8b)이 제공된다. 평탄화층(8r, 8g, 8b)은, 투명 수지나 산화 실리콘 등의 투광성 재료를 이용하여 형성된다.
렌즈(5)는 평탄화층(8r, 8g, 8b) 위에 제공되어 있다.
즉, 복수의 렌즈(5)가 복수의 간섭 필터(4)(간섭 필터(4r, 4g, 4b))마다 개별적으로 제공되고, 간섭 필터(4)의 광전 변환부(2)가 제공되는 측과 반대의 측에 각각 제공되어 있다.
렌즈(5)는 입사한 광을 광전 변환부(2r, 2g, 2b)에 모은다. 렌즈(5)는, 예를 들어, 투명 수지 등의 투광성 재료를 이용하여 형성될 수 있다.
렌즈(5)의 주연은, 간섭 필터(4)의 주연보다 간섭 필터(4)의 더 외측에 위치되어 있다. 즉, 렌즈(5)의 XY 평면(기판(20)의 주면에 평행한 평면)에서의 크기는 간섭 필터(4)의 XY 평면에서의 크기보다 크다. 이렇게 구성하면, 렌즈(5)에 입사하는 광의 양을 증가시킬 수 있으므로, 감도를 향상시킬 수 있다.
여기서, 간섭 필터(4) 대신에 유기 안료를 이용한 컬러 필터를 이용한 경우에는, 화소의 미세화(화소 수 증가) 및 저 프로파일화(소형화)를 도모하는 것이 어렵다.
한편, 간섭 필터(4)를 이용하는 경우 화소의 미세화 및 저 프로파일화를 도모할 수 있다. 그러나, 간섭 필터(4)를 이용하는 경우에는, 간섭 필터(4)에 비스듬히 입사하는 광이 인접하는 화소 영역에 혼입한다는 문제가 발생한다. 이 경우, 간섭 필터(4)의 주연에 차광부를 제공하여 비스듬히 입사하는 광이 인접하는 화소 영역에 혼입하는 것을 억제하도록 할 수 있다. 그러나, 간섭 필터(4)의 주연에 차광부를 제공하면, 화소 면적에서의 차광부의 비율이 커지거나 차광부에 광이 흡수될 수 있고, 이로 인해 감도가 저하될 우려가 있다. 또한, 차광부를 제공하는 공정이 필요해지므로 제조 공정의 복잡화 및 제조 비용의 증대를 초래할 수도 있다.
이러한 견지에서, 본 실시 형태는, 인접하는 간섭 필터들(4) 사이에 공극부(21)를 제공함으로써, 간섭 필터(4)에 비스듬히 입사하는 광이 인접하는 화소 영역에 혼입하는 것을 억제하도록 하고 있다.
이 경우, 공극부(21)에는 고체 촬상 장치(1)가 제공되는 환경의 기체(일반적으로는, 공기)가 채워져 있다.
예를 들어, 공극부(21) 내의 기체가 공기인 경우에는, 공극부(21)의 굴절률이 공기의 굴절률(n=1)이므로, 간섭 필터(4)에 비스듬히 입사하는 광이 간섭 필터(4)와 공극부(21)의 계면에서 반사되어, 이 광이 인접하는 화소 영역에 혼입하는 것이 억제된다.
이 경우, 인접하는 평탄화층들(8r, 8g, 8b) 사이에도 공극부(21)가 제공될 수 있다.
또한, 공극부(21)가 기판(20) 및/또는 렌즈(5)에 도달하는 구성도 가능할 수 있다. 그러나, 공극부(21)가 기판(20)에 도달하도록 구성되면, 공극부(21)의 형성시에 기판(20)에 데미지가 발생할 수도 있다. 또한, 공극부(21)가 렌즈(5)에 도달하도록 구성되면, 렌즈(5)에 입사하는 광의 양이 감소하므로 감도가 저하될 수 있다. 그러므로, 공극부(21)는 인접하는 간섭 필터들(4) 사이에 그리고 인접하는 평탄화층들(8r, 8g, 8b) 사이에 제공되는 것이 바람직하다.
공극부(21)의 XY 평면에서의 치수 L(인접하는 간섭 필터들(4) 간의 치수)은, 감도를 향상시킨다는 관점으로부터는 작게 하는 것이 바람직하다. 한편, 공극부(21)의 XY 평면에서의 치수 L은, 인접하는 화소 영역에 광이 혼입하는 것을 억제한다는 관점으로부터는 크게 하는 것이 바람직하다.
다음으로, 공극부(21)의 XY 평면에서의 치수 L과 비스듬히 입사하는 광의 투과율 간의 관계의 광학 시뮬레이션 결과에 대해 설명한다.
도 3은 광학 시뮬레이션의 조건을 예시하기 위한 모식도이고, 도 4는 간섭 필터(4)가 산화 실리콘을 이용하여 형성되었을 경우의 광학 시뮬레이션 결과를 예시하기 위한 그래프이고, 도 5는 간섭 필터(4)가 산화 티탄을 이용하여 형성되었을 경우의 광학 시뮬레이션 결과를 예시하기 위한 그래프이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 광학 시뮬레이션에 있어서, 간섭 필터(4)가 산화 실리콘 또는 산화 티탄을 이용한 1층으로만 구성되어 있다고 가정한다. 또한, 산화 실리콘의 굴절률이 1.46이고, 산화 티탄의 굴절률이 2.5이고, 공극부(21)(공기)의 굴절률이 1이라고 한다. 그리고, 비스듬히 입사하는 광(23)과 XY 평면 간의 각도를 입사각 θ라고 한다. 도 4 및 도 5에 도시된 "10"은 치수 L이 10nm인 경우이고, "50"은 치수 L이 50nm인 경우이고, "100"은 치수 L이 100nm인 경우이고, "200"은 치수 L이 200nm인 경우이고, "500"은 치수 L이 500nm인 경우이다. 각 치수 L에서의 "a"는 광의 파장이 450nm인 경우이고, "b"는 광의 파장이 530nm인 경우이고, "c"는 광의 파장이 620nm인 경우이다. 예를 들어, "10a"는 치수 L이 10nm이고, 광의 파장이 450nm인 경우이다.
여기서, 실용상, 입사각 θ가 60도 이상이고, 투과율이 50% 이하(반사율이 50% 이상)인 것이 바람직하다.
도 4로부터 알 수 있는 바와 같이, 간섭 필터(4)가 산화 실리콘을 이용하여 형성되었을 경우에는, 치수 L을 100nm 이상으로 하면, 입사각 θ가 60도인 경우에도 투과율이 50% 이하(반사율이 50% 이상)가 되도록 할 수 있다.
도 5로부터 알 수 있는 바와 같이, 간섭 필터(4)가 산화 티탄을 이용하여 형성되었을 경우에는, 치수 L을 50nm 이상이라고 하면, 입사각 θ가 60도인 경우에도 투과율이 50% 이하(반사율이 50% 이상)가 되도록 할 수 있다.
이 경우, 간섭 필터(4)는 상이한 굴절률을 갖는 층들이 적층된 구조이기 때문에, 간섭 필터(4)의 굴절률은 상이한 굴절률의 평균이라 생각된다. 그러므로, 공극부(21)의 XY 평면에서의 치수 L의 조건은, 도 4에 예시된 것과 도 5에 예시된 것 사이라 생각된다.
즉, 치수 L은 50nm 이상으로 설정될 수 있고, 100nm 이상으로 설정되는 것이 바람직하다.
또한, 산화 티탄 대신에 질화 실리콘을 이용할 경우에는, 굴절률이 2.0이더라도 치수 L의 바람직한 범위는 동일할 수 있다.
다음으로, 도 2에 예시된 고체 촬상 장치(11)에 대해서 설명한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 고체 촬상 장치(11)는, 광전 변환부(2), 배선부(3), 간섭 필터(4) 및 렌즈(5)를 포함한다.
즉, 표면 조사형의 고체 촬상 장치(11)의 기본 구성은, 광전 변환부(2)와 배선부(3)의 Z 방향에서의 위치가 상이한 것을 제외하고는, 도 1에 도시된 이면 조사형의 고체 촬상 장치(1)의 기본 구성과 거의 동일하다.
그러므로, 간섭 필터(4), 공극부(21), 공극부(21)의 XY 평면에서의 치수 L, 렌즈(5), 렌즈(5)의 주연의 위치 등은 상술한 것과 마찬가지로 구성되거나 설정될 수 있다.
본 실시 형태에 의하면, 인접하는 간섭 필터들(4) 사이에 공극부(21)가 제공되기 때문에, 간섭 필터(4)에 비스듬히 입사하는 광이 인접하는 화소 영역에 혼입하는 것을 억제할 수 있다. 또한, 인접하는 간섭 필터들(4) 사이에 차광부를 제공할 필요가 없기 때문에, 감도의 저하, 제조 공정의 복잡화 등을 억제할 수 있다.
또한, 렌즈(5)의 주연은 간섭 필터(4)의 주연의 외측에 제공된다. 그러므로, 렌즈(5)에 입사하는 광의 양을 증가시킬 수 있으므로, 감도를 향상시킬 수 있다.
제2 실시 형태
다음으로, 제2 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치의 제조 방법에 대해 예시한다.
도 6은 제2 실시 형태에 따른 고체 촬상 장치의 제조 방법에 대해 예시하는 플로우차트이다.
우선, 기판(20)의 주면에 복수의 광전 변환부(2)를 형성한다(스텝 S1).
예를 들어, 실리콘 등으로 이루어지는 기판(20)의 상층 부분에 이온 주입법을 이용하여 제1 도전형(예를 들어, p형)의 불순물을 주입함으로써 웰 영역을 형성한다. 이후, 이온 주입법을 또한 이용하여 제1 도전형과 상이한 도전형인 제2 도전형(예를 들어, n형)의 불순물을 주입하여, 광전 변환부(2)의 전하 축적 영역을 형성한다. 이 경우, 전하 축적 영역에서의 제2 도전형의 불순물 농도는, 웰 영역에서의 제1 도전형의 불순물 농도보다 높게 설정된다. p형의 불순물은, 예를 들어, 붕소일 수 있다. n형의 불순물은, 예를 들어, 인 또는 비소일 수 있다.
다음으로, 광전 변환부(2) 위에 배선부(3)를 형성한다(스텝 S2).
예를 들어, 스퍼터법이나 CVD법(chemical vapor deposition법:화학 기상 성장법) 등을 이용하여, 광전 변환부(2) 위에 산화 실리콘 등의 절연막을 성막한다. 다음으로, 성막된 절연막 위에 구리 등의 금속의 막을 성막하고, 포토리소그래피법 및 RIE(reactive ion etching:반응성 이온 에칭)법을 이용하여 배선 패턴을 형성한다. 이후, 형성된 배선 패턴을 덮도록 산화 실리콘 등의 절연막을 성막한다. 이에 의해, 배선부(3)가 형성된다. 배선 패턴이 복수의 층에 형성될 경우에는, 절연막의 성막과 배선 패턴의 형성이 반복하여 행해진다. 필요할 경우, 비아(vias), 콘택트, 인출 배선 등을 형성할 수 있다.
다음으로, 굴절률이 상이한 복수의 층이 적층되어, 소정의 파장 영역의 광을 선택적으로 투과시키는 간섭 필터(4)를 형성한다.
여기서, 도 1에 예시된 이면 조사형의 고체 촬상 장치(1)의 경우에는, 배선부(3) 위에 지지용의 기판을 접합하고, 기판(20)의 이면측(광전 변환부(2)가 제공되는 측과 반대인 측)을 연삭 에칭하여 광전 변환부(2)를 노출시킨다(스텝 S3-1-1).
이후, 광전 변환부(2) 위에 간섭 필터(4)를 형성하는 적층체를 형성한다(스텝 S3-1-2).
도 2에 예시된 표면 조사형의 고체 촬상 장치(11)의 경우에는, 배선부(3) 위에 간섭 필터(4)를 형성하는 적층체를 형성한다(스텝 S3-2).
이제, 간섭 필터(4)를 형성하는 적층체의 형성에 대해 더 예시한다.
간섭 필터(4)를 형성하는 적층체의 형성에 있어서는, 우선, 하부 적층부(9b)를 형성하는 적층체를 형성한다.
예를 들어, 스퍼터법, CVD법 등을 이용하여, 유전체층(6d)을 형성하는 막, 유전체층(6e)을 형성하는 막 및 유전체층(6f)을 형성하는 막을 이 순서대로 적층한다.
유전체층(6d) 및 유전체층(6f)을 형성하는 막은, 예를 들어, 산화 티탄(TiO2, 굴절률:2.5), 질화 실리콘(SiN, 굴절률:2.0) 등을 이용하여 형성될 수 있다. 유전체층(6e)을 형성하는 막은, 예를 들어, 산화 실리콘(SiO2, 굴절률:1.46)을 이용하여 형성될 수 있다.
유전체층(6d 내지 6f)을 형성하는 막의 광학적 막 두께는, 중심 파장의 1/4로 설정된다. 유전체층(6d 내지 6f)을 형성하는 막의 광학적 막 두께는, 예를 들어, 135nm 이상 140nm 이하로 설정될 수 있다.
예를 들어, 중심 파장 λ가 550nm이고, 유전체층(6d, 6f)을 형성하는 막이 산화 티탄(굴절률 n이 2.5임)으로 형성되고, 유전체층(6e)을 형성하는 막이 산화 실리콘(굴절률 n이 1.46임)으로 형성될 경우에는, 유전체층(6d, 6f)을 형성하는 막의 막 두께가 55nm로 설정되고, 유전체층(6e)을 형성하는 막의 막 두께가 94nm로 설정된다.
다음으로, 스퍼터법, CVD법 등을 이용하여, 유전체층(6f)을 형성하는 막 위에 간섭부(7r)를 형성하는 막을 성막한다. 간섭부(7r)를 형성하는 막의 막 두께는, 적색광의 파장 영역에 따라 설정된다. 간섭부(7r)를 형성하는 막의 막 두께는 85nm로 설정된다. 간섭부(7r)를 형성하는 막은, 예를 들어, 산화 실리콘을 이용하여 형성될 수 있다.
이후, 포토리소그래피법을 이용하여 간섭 필터(4r)를 형성하는 영역을 덮는 레지스트 패턴을 형성하고, RIE법 등을 이용하여 레지스트 패턴으로 덮어지지 않는 영역에 노출된 간섭부(7r)를 형성하는 막의 표면 부분을 제거한다. 이 경우, 간섭부(7r)를 형성하는 막의 막 두께가 35nm가 되도록, 하프(half) 에칭을 행하여 간섭부(7g)를 형성하는 막을 형성한다. 그 후, 레지스트 패턴을 제거하고, 간섭 필터(4b)를 형성하는 영역이 노출되는 레지스트 패턴을 형성한다. 이후, RIE법 등을 이용하여, 간섭 필터(4b)를 형성하는 영역에 노출된 간섭부(7g)를 형성하는 막의 일부를 제거한다. 그 후, 레지스트 패턴을 제거하는 것에 의해, 간섭 필터(4r)를 형성하는 영역에 막 두께가 85nm인 막이 형성되고, 간섭 필터(4g)를 형성하는 영역에 막 두께가 35nm인 막이 형성된다. 이 경우, 간섭 필터(4b)를 형성하는 영역에는 간섭부를 형성하는 막이 형성되지 않는다.
다음으로, 상부 적층부(9a)를 형성하는 적층체를 형성한다.
상부 적층부(9a)는 하부 적층부(9b)와 마찬가지로 형성될 수 있다.
단, 하부 적층부(9b) 측에 형성되는 유전체층(6a)을 형성하는 막의 막 두께는 55nm보다 얇게 설정된다.
이상과 같이 하여, 간섭 필터(4)를 형성하는 적층체가 형성된다.
다음으로, 간섭 필터(4)를 형성하는 적층체 위에 평탄화층(8r, 8g, 8b)을 형성하는 막을 형성한다(스텝 S4).
즉, 상부 적층부(9a)를 형성하는 적층체 위에 평탄화층(8r, 8g, 8b)을 형성하는 막을 형성한다.
예를 들어, 투명 수지나 산화 실리콘 등의 투광성 재료를 성막하고, CMP법을 이용하여 성막된 막의 표면을 평탄화함으로써, 평탄화층(8r, 8g, 8b)을 형성하는 막이 형성될 수 있다.
다음으로, 간섭 필터(4) 및 평탄화층(8r, 8g, 8b)을 형성한다(스텝 S5).
예를 들어, 포토리소그래피법과 드라이 에칭법 등을 이용하여, 하부 적층부(9b)를 형성하는 적층체, 간섭부(7r, 7g)를 형성하는 막, 상부 적층부(9a)를 형성하는 적층체 및 평탄화층(8r, 8g, 8b)을 형성하는 막이 적층된 적층체로부터 소정의 형상을 갖는 간섭 필터(4) 및 평탄화층(8r, 8g, 8b)이 형성된다.
이 경우, 포토리소그래피법을 이용하여 간섭 필터(4) 및 평탄화층(8r, 8g, 8b)을 형성하는 영역을 덮는 레지스트 패턴을 형성할 수 있고, 드라이 에칭법을 이용하여 레지스트 패턴에 의해 덮어지지 않는 부분을 제거할 수 있다. 이에 의해, 소정의 형상을 갖는 간섭 필터(4) 및 평탄화층(8r, 8g, 8b)을 형성할 수 있다. 이때, 레지스트 패턴에 의해 덮어지지 않는 부분이 제거되는 것에 의해, 인접하는 간섭 필터들(4) 간에 공극부(21)가 형성된다. 그 후, 레지스트 패턴을 제거함으로써, 소정의 형상을 갖는 간섭 필터(4), 평탄화층(8r, 8g, 8b) 및 공극부(21)가 형성된다.
즉, 간섭 필터(4)를 형성하는 공정에 있어서, 간섭 필터(4)가 복수의 광전 변환부(2)마다 제공되고, 인접하는 간섭 필터들(4) 사이에 공극부(21)가 제공된다. 이 경우, 공극부(21)의 XY 평면에서의 치수 L(인접하는 간섭 필터들(4) 간의 치수)은 50nm 이상으로 설정될 수 있다.
여기서, 산화 실리콘을 이용한 층과 산화 티탄을 이용한 층으로 간섭 필터(4)가 형성되는 경우에는, 예를 들어, CF4과 CHF3의 혼합 가스를 이용한 플라즈마에칭 처리에서, 혼합 가스의 압력 및 투입 파워를 최적화하는 것에 의해, 산화 실리콘과 산화 티탄의 에칭 속도를 거의 동일하게 할 수 있다. 이에 의해, 서로 다른 2종류의 층의 단부면이 노출되는 간섭 필터(4)의 측벽의 표면을 요철 없이 평활한(smooth) 평면 형상으로 할 수 있다. 이면 조사형의 고체 촬상 장치(1)를 제조할 경우에는, 간섭 필터(4)를 형성하기 위한 플라즈마 에칭 처리가 끝났을 때 광전 변환부(2)가 형성된 기판(20)이 노출된다. 이 경우, 기판(20)은 실리콘으로 형성되어 있지만, 이 실리콘에 대한 에칭 선택성에 관해서는, 반도체 공정에 있어서 콘택트 홀 에칭에서 사용되는 공지된 에칭 조건을 사용함으로써 실리콘에 대한 산화 실리콘의 적절한 선택비를 얻을 수 있다. 즉, 기판(20)에 대한 간섭 필터(4)의 선택적인 플라즈마 에칭 처리가 가능하다.
이 경우, 산화 티탄 및 산화 실리콘의 플라즈마 에칭 처리 시에 발생되는 티탄, 실리콘, 산소 등에 관한 플라즈마 중의 발광 강도를 모니터링함으로써, 플라즈마 에칭 처리의 상황 및 종점을 검출할 수 있다.
다음으로, 평탄화층(8r, 8g, 8b) 위에 렌즈(5)를 형성한다(스텝 S6).
즉, 간섭 필터(4)의 광전 변환부(2)가 제공되는 측과 반대의 측에 렌즈(5)를 형성한다.
렌즈(5)를 형성할 때, 렌즈(5)의 주연이 간섭 필터(4)의 주연보다 간섭 필터(4)의 더 외측에 위치될 수 있다.
렌즈(5)는, 예를 들어, 투명 수지 등의 투광성 재료를 이용하여 렌즈(5)를 형성하고, 형성된 렌즈(5)를 평탄화층(8r, 8g 、8b) 위에 접착하도록 형성될 수 있다.
대안으로, 평탄화층(8r, 8g, 8b) 위에 투명 수지 등의 투광성 재료를 이용하여 렌즈(5)를 형성하는 막을 성막하고, 열 처리를 행하여 렌즈(5)의 형상으로 막을 성형하는 방법도 가능하다. 또한, 렌즈(5)를 형성하는 막을 성막할 때에, 투명 수지 등의 투광성 재료가 공극부(21)에 들어가지 않도록 공극부(21)를 희생막 등으로 메울 수도 있다.
이상과 같이 하여, 고체 촬상 장치(1 및 11)를 제조할 수 있다.
상술한 실시 형태는, 비스듬히 입사하는 광이 인접하는 화소 영역에 혼입하는 것을 억제할 수 있고, 또한 감도의 저하를 억제할 수 있는 고체 촬상 장치 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다.
소정의 실시 형태를 설명했지만, 이들 실시 형태는 예로서 제시된 것이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에 설명된 신규의 실시 형태는 각종 다른 형태로 실시될 수 있으며, 또한, 발명의 사상을 벗어나지 않고 본 명세서에 설명된 실시 형태의 형태에 각종 생략, 치환 및 변경이 있을 수 있다. 첨부된 특허청구범위 및 그 동등물은 본 발명의 범위 및 사상 내에 있는 한 이러한 형태 또는 변형을 포함하려는 것이다. 또한, 상술한 실시 형태는 서로 조합되어 실시될 수 있다.
예를 들어, 고체 촬상 장치(1 및 11)에서, 복수의 화소가 1차원적으로 배열된 구성이 가능하며, 복수의 화소가 2차원적으로 배열된 구성도 가능하다. 복수의 화소가 2차원적으로 배열된 구성의 경우, 고체 촬상 장치(1 및 11)의 사양에 따라 원하는 사이즈 및 레이아웃을 갖는 간섭 필터(4)를 형성할 수 있다. 예를 들어, 도 1에 예시된 적색, 녹색, 청색의 각 파장 영역의 광에 대응하는 화소가 베이어 배열(Bayer arrangement)을 따라 레이아웃될 수 있다. 또한, 광전 변환부(2)는 포토다이오드 이외의 것일 수 있다. 예를 들면, 기판(20)과 간섭 필터(4) 사이에 제공된 광전 변환 기능을 갖는 무기막 또는 유기막을 사용할 수 있다. 또한, 간섭 필터(4)에 제공되는 상부 적층부, 간섭부, 하부 적층부의 재료, 적층 수, 각 층의 두께 치수 등은 적절하게 변경될 수 있다.
2 : 광전 변환부
3 : 배선부
4 : 간섭 필터
5 : 렌즈
20 : 기판
21 : 공극부
3 : 배선부
4 : 간섭 필터
5 : 렌즈
20 : 기판
21 : 공극부
Claims (20)
- 고체 촬상 장치로서,
복수의 광전 변환부를 포함하는 기판,
상기 복수의 광전 변환부마다 개별적으로 제공되고, 굴절률이 상이한 복수의 층이 적층되고, 소정의 파장 영역의 광을 선택적으로 투과시키도록 구성된 복수의 간섭 필터
를 포함하고,
인접하는 상기 간섭 필터들 사이에는 공극부가 제공되는, 고체 촬상 장치. - 제1항에 있어서, 상기 간섭 필터들 사이의 치수는 50nm 이상인, 고체 촬상 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 간섭 필터들 사이의 치수는 100nm 이상인, 고체 촬상 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 복수의 간섭 필터마다 개별적으로 제공되고, 상기 간섭 필터의 상기 광전 변환부가 제공되는 측과 반대의 측에 제공되는 복수의 렌즈를 더 포함하고,
상기 렌즈의 주연(periphery)은, 상기 간섭 필터의 주연보다 상기 간섭 필터의 더 외측에 위치하는, 고체 촬상 장치. - 제1항에 있어서,
상기 간섭 필터는 제1 적층부와 제2 적층부를 포함하고,
상기 제1 적층부는 제1 유전체층, 상기 제1 유전체층 위에 제공된 제2 유전체층 및 상기 제2 유전체층 위에 제공된 제3 유전체층을 포함하고,
상기 제2 적층부는 제4 유전체층, 상기 제4 유전체층 위에 제공된 제5 유전체층 및 상기 제5 유전체층 위에 제공된 제6 유전체층을 포함하고,
상기 제1 유전체층의 굴절률 및 상기 제3 유전체층의 굴절률은 상기 제2 유전체층의 굴절률보다 높고,
상기 제4 유전체층의 굴절률 및 상기 제6 유전체층의 굴절률은 상기 제5 유전체층의 굴절률보다 높은, 고체 촬상 장치. - 제5항에 있어서, 상기 제2 유전체층 및 상기 제5 유전체층은 산화 실리콘을 함유하는, 고체 촬상 장치.
- 제5항에 있어서, 상기 제1 유전체층, 상기 제3 유전체층, 상기 제4 유전체층 및 상기 제6 유전체층은 산화 티탄 또는 질화 실리콘을 함유하는, 고체 촬상 장치.
- 제5항에 있어서, 상기 제1 유전체층의 광학적 막 두께, 상기 제2 유전체층의 광학적 막 두께, 상기 제3 유전체층의 광학적 막 두께, 상기 제4 유전체층의 광학적 막 두께, 상기 제5 유전체층의 광학적 막 두께 및 상기 제6 유전체층의 광학적 막 두께는, 135nm 이상 140nm 이하인, 고체 촬상 장치.
- 제5항에 있어서, 상기 제1 적층부와 상기 제2 적층부 사이에 제공되는 간섭부를 더 포함하고,
상기 간섭부의 굴절률은 상기 제1 유전체층의 굴절률 및 상기 제3 유전체층의 굴절률보다 낮은, 고체 촬상 장치. - 제9항에 있어서, 상기 간섭부는 산화 실리콘을 함유하는, 고체 촬상 장치.
- 제5항에 있어서, 상기 제1 적층부와 상기 제2 적층부 사이에 제공되는 간섭부를 더 포함하고,
상기 간섭부의 굴절률은 상기 제4 유전체층의 굴절률 및 상기 제6 유전체층의 굴절률보다 낮은, 고체 촬상 장치. - 제11항에 있어서, 상기 간섭부는 산화 실리콘을 함유하는, 고체 촬상 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 공극부는 상기 장치가 제공되는 환경의 기체로 채워져 있는, 고체 촬상 장치.
- 제13항에 있어서, 상기 기체는 공기인, 고체 촬상 장치.
- 제4항에 있어서, 상기 복수의 간섭 필터와 상기 복수의 렌즈 사이에 각각 제공되는 복수의 평탄화층을 더 포함하고,
인접하는 상기 평탄화층들 사이에는 공극부가 제공되는, 고체 촬상 장치. - 제1항에 있어서, 상기 복수의 간섭 필터의 중심 파장은 540nm 이상 560nm 이하인, 고체 촬상 장치.
- 제16항에 있어서, 상기 제1 유전체층의 광학적 막 두께, 상기 제2 유전체층의 광학적 막 두께, 상기 제3 유전체층의 광학적 막 두께, 상기 제4 유전체층의 광학적 막 두께, 상기 제5 유전체층의 광학적 막 두께 및 상기 제6 유전체층의 광학적 막 두께는, 상기 중심 파장의 1/4인, 고체 촬상 장치.
- 고체 촬상 장치의 제조 방법으로서,
기판에 복수의 광전 변화부를 형성하는 단계, 및
굴절률이 상이한 복수의 층이 적층되고 소정의 파장 영역의 광을 선택적으로 투과시키도록 구성된 복수의 간섭 필터를 형성하는 단계
를 포함하고,
상기 굴절률이 상이한 복수의 층이 적층되고 소정의 파장 영역의 광을 선택적으로 투과시키도록 구성된 복수의 간섭 필터를 형성하는 단계에서는, 상기 복수의 간섭 필터가 상기 복수의 광전 변환부마다 개별적으로 제공되고, 인접하는 상기 간섭 필터들 사이에는 공극부가 제공되는, 고체 촬상 장치의 제조 방법. - 제18항에 있어서, 상기 간섭 필터들 사이의 치수는 50nm 이상인, 고체 촬상 장치의 제조 방법.
- 제18항에 있어서, 상기 복수의 간섭 필터들마다, 상기 간섭 필터의 상기 광전 변환부가 제공되는 측과 반대의 측에 복수의 렌즈를 개별적으로 제공하는 단계를 더 포함하고,
상기 복수의 간섭 필터들마다, 상기 간섭 필터의 상기 광전 변환부가 제공되는 측과 반대의 측에 복수의 렌즈를 개별적으로 제공하는 단계에서는, 상기 렌즈의 주연이 상기 간섭 필터의 주연보다 상기 간섭 필터의 더 외측에 위치하는, 고체 촬상 장치의 제조 방법.
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