KR20150012993A - 고체 촬상 장치 및 고체 촬상 장치의 제조 방법 - Google Patents

고체 촬상 장치 및 고체 촬상 장치의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 과제는 수광 감도를 향상시킬 수 있는 고체 촬상 장치 및 고체 촬상 장치의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 하나의 실시 형태에 따르면, 고체 촬상 장치가 제공된다. 고체 촬상 장치는 반도체층과, 반사판과, 소자 분리 영역을 구비한다. 반도체층에는 복수의 광전 변환 소자가 2차원 어레이 형상으로 배열된다. 반사판은 반도체층에 있어서의 광이 입사하는 면과는 반대의 면측을 덮어 광을 반사한다. 소자 분리 영역은 광전 변환 소자마다 반도체층을 구획하도록, 반도체층의 광이 입사하는 면으로부터 반사판에 도달하는 깊이까지 형성되어, 광전 변환 소자끼리를 전기적으로 소자 분리함과 함께 광의 반사면을 갖는다.

Description

고체 촬상 장치 및 고체 촬상 장치의 제조 방법{SOLID-STATE IMAGING DEVICE AND METHOD FOR MANUFACTURING SOLID-STATE IMAGING DEVICE}
본 출원은 2013년 7월 26일에 출원된 일본 특허 출원 번호 2013-155182의 우선권의 이익을 향수하고, 그 일본 특허 출원의 전체 내용은 본 출원에 있어서 원용된다.
본 발명의 실시 형태는 고체 촬상 장치 및 고체 촬상 장치의 제조 방법에 관한 것이다.
종래, 디지털 카메라나 카메라 기능을 구비한 휴대 단말기 등의 전자 기기는 고체 촬상 장치를 갖는 카메라 모듈을 구비한다. 고체 촬상 장치는 촬상 화상의 각 화소에 대응하여 2차원 어레이 형상으로 배열되는 복수의 광전 변환 소자를 구비한다. 각 광전 변환 소자는 입사광을 수광량에 따른 양의 전하로 광전 변환하여, 각 화소의 휘도를 나타내는 신호 전하로서 축적한다.
이러한 고체 촬상 장치에는 표면 조사형의 것과, 이면 조사형의 것이 있다. 표면 조사형의 것에서는 광전 변환 소자가 배열되는 반도체층의 표면이 수광면으로 되고, 수광면측에 배선층이 설치된다. 한편, 이면 조사형의 것에서는 광전 변환 소자가 배열되는 반도체층의 이면이 수광면으로 되고, 표면측에 배선층이 설치된다.
이와 같이, 이면 조사형의 것은 각 광전 변환 소자의 수광면측에 배선층이 존재하지 않으므로, 표면 조사형의 것보다도 효율적인 수광이 가능하다. 그러나, 이면 조사형의 것에서는 반도체층을 이면측으로부터 연삭하여 박화함으로써, 각 광전 변환 소자의 수광면을 노출시킬 필요가 있으므로, 수광해야 할 광의 일부가 박화된 반도체층을 투과하여 수광 감도가 저하된다는 문제가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 수광 감도를 향상시키는 것이 가능한 고체 촬상 장치 및 고체 촬상 장치의 제조 방법을 제공하는 것이다.
일 실시 형태의 고체 촬상 장치는 복수의 광전 변환 소자가 2차원 어레이 형상으로 배열되는 반도체층과, 상기 반도체층에 있어서의 광이 입사하는 면과는 반대의 면측을 덮어 광을 반사하는 반사판과, 상기 광전 변환 소자마다 상기 반도체층을 구획하도록, 상기 반도체층에 있어서의 광이 입사하는 면으로부터 상기 반사판에 도달하는 깊이까지 형성되어, 상기 광전 변환 소자끼리를 물리적 및 전기적으로 소자 분리함과 함께 광의 반사면을 갖는 소자 분리 영역을 구비하는 것을 특징으로 한다.
다른 실시 형태의 고체 촬상 장치는 복수의 광전 변환 소자가 2차원 어레이 형상으로 배열되는 반도체층과, 상기 반도체층에 있어서의 광이 입사하는 면과는 반대의 면측을 덮어 광을 반사하는 반사판과, 상기 광전 변환 소자마다 상기 반도체층을 구획하도록, 상기 반도체층에 있어서의 광이 입사하는 면으로부터 상기 반사판에 도달하는 깊이까지 형성되어, 상기 광전 변환 소자끼리를 물리적 및 전기적으로 소자 분리함과 함께 광의 반사면을 갖는 소자 분리 영역을 구비하고,
상기 반사판 및 상기 소자 분리 영역은 상기 광전 변환 소자에 있어서의 암전류를 억제하는 전위로 바이어스되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 다른 실시 형태의 제조 방법은 복수의 광전 변환 소자가 2차원 어레이 형상으로 배열되는 반도체층을 형성하는 공정과, 상기 반도체층에 있어서의 광이 입사하는 면과는 반대의 면측을 덮어 광을 반사하는 반사판을 형성하는 공정과, 상기 광전 변환 소자마다 상기 반도체층을 구획하도록, 상기 반도체층에 있어서의 광이 입사하는 면으로부터 상기 반사판에 도달하는 깊이까지 형성되어, 상기 광전 변환 소자끼리를 전기적으로 소자 분리함과 함께 광의 반사면을 갖는 소자 분리 영역을 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 구성의 고체 촬상 장치 및 고체 촬상 장치의 제조 방법에 따르면, 수광 감도를 향상시키는 것이 가능하다.
도 1은 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치를 구비하는 디지털 카메라의 개략 구성을 도시하는 블록도.
도 2는 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 개략 구성을 도시하는 블록도.
도 3은 실시 형태에 관한 화소 어레이의 단면 구조를 도시하는 설명도.
도 4는 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 제조 공정을 도시하는 단면 모식도.
도 5는 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 제조 공정을 도시하는 단면 모식도.
도 6은 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치의 제조 공정을 도시하는 단면 모식도.
도 7은 실시 형태의 변형예에 관한 화소 어레이의 단면 구조를 도시하는 설명도.
이하에 첨부 도면을 참조하여, 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치 및 고체 촬상 장치의 제조 방법을 상세하게 설명한다. 또한, 이 실시 형태에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
도 1은 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치(14)를 구비하는 디지털 카메라(1)의 개략 구성을 도시하는 블록도이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 디지털 카메라(1)는 카메라 모듈(11)과 후단 처리부(12)를 구비한다.
카메라 모듈(11)은 촬상 광학계(13)와 고체 촬상 장치(14)를 구비한다. 촬상 광학계(13)는 피사체로부터의 광을 도입하여 피사체상을 결상시킨다. 고체 촬상 장치(14)는 촬상 광학계(13)에 의해 결상되는 피사체상을 촬상하고, 촬상에 의해 얻어진 화상 신호를 후단 처리부(12)로 출력한다. 이러한 카메라 모듈(11)은 디지털 카메라(1) 이외에, 예를 들어 카메라가 부착된 휴대 단말기 등의 전자 기기에 적용된다.
후단 처리부(12)는 ISP(Image Signal Processor)(15), 기억부(16) 및 표시부(17)를 구비한다. ISP(15)는 고체 촬상 장치(14)로부터 입력되는 화상 신호의 신호 처리를 행한다. 이러한 ISP(15)는, 예를 들어 노이즈 제거 처리, 결함 화소 보정 처리, 해상도 변환 처리 등의 고화질화 처리를 행한다.
그리고, ISP(15)는 신호 처리 후의 화상 신호를 기억부(16), 표시부(17) 및 카메라 모듈(11) 내의 고체 촬상 장치(14)가 구비하는 후술하는 신호 처리 회로(21)(도 2 참조)로 출력한다. ISP(15)로부터 카메라 모듈(11)로 피드백되는 화상 신호는 고체 촬상 장치(14)의 조정이나 제어에 이용된다.
기억부(16)는 ISP(15)로부터 입력되는 화상 신호를 화상으로서 기억한다. 또한, 기억부(16)는 기억한 화상의 화상 신호를 유저의 조작 등에 따라서 표시부(17)로 출력한다. 표시부(17)는 ISP(15) 혹은 기억부(16)로부터 입력되는 화상 신호에 따른 화상을 표시한다. 이러한 표시부(17)는, 예를 들어 액정 디스플레이이다.
다음에, 도 2를 참조하여 카메라 모듈(11)이 구비하는 고체 촬상 장치(14)에 대해 설명한다. 도 2는 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치(14)의 개략 구성을 도시하는 블록도이다. 도 2에 도시한 바와 같이, 고체 촬상 장치(14)는 이미지 센서(20)와, 신호 처리 회로(21)를 구비한다.
여기서는, 이미지 센서(20)가, 입사광을 광전 변환하는 광전 변환 소자의 입사광이 입사하는 면과는 반대의 면측에 배선층이 형성되는 소위, 이면 조사형 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서인 경우에 대해 설명한다.
이미지 센서(20)는 주변 회로(22)와, 화소 어레이(23)와, 전압 공급부(24)를 구비한다. 또한, 주변 회로(22)는 수직 시프트 레지스터(25), 타이밍 제어부(26), CDS(상관 이중 샘플링부)(27), ADC(아날로그 디지털 변환부)(28) 및 라인 메모리(29)를 구비한다.
화소 어레이(23)는 이미지 센서(20)의 촬상 영역에 설치된다. 이러한 화소 어레이(23)에는 촬상 화상의 각 화소에 대응하는 복수의 광전 변환 소자가, 수평 방향(행방향) 및 수직 방향(열방향)으로 2차원 어레이 형상(매트릭스 형상)으로 배열되어 있다. 그리고, 화소 어레이(23)는 각 화소에 대응하는 각 광전 변환 소자가 입사광량에 따른 신호 전하(예를 들어, 전자)를 발생시켜 축적한다.
타이밍 제어부(26)는 수직 시프트 레지스터(25)에 대해 동작 타이밍의 기준이 되는 펄스 신호를 출력하는 처리부이다. 수직 시프트 레지스터(25)는 2차원 어레이(행렬) 형상으로 배열된 복수의 광전 변환 소자 중으로부터 신호 전하를 판독하는 광전 변환 소자를 행단위로 순차 선택하기 위한 선택 신호를 화소 어레이(23)로 출력하는 처리부이다.
화소 어레이(23)는 수직 시프트 레지스터(25)로부터 입력되는 선택 신호에 의해 행단위로 선택되는 각 광전 변환 소자에 축적된 신호 전하를, 각 화소의 휘도를 나타내는 화소 신호로서 광전 변환 소자로부터 CDS(27)로 출력한다.
CDS(27)는 화소 어레이(23)로부터 입력되는 화소 신호로부터, 상관 이중 샘플링에 의해 노이즈를 제거하여 ADC(28)로 출력하는 처리부이다. ADC(28)는 CDS(27)로부터 입력되는 아날로그의 화소 신호를 디지털의 화소 신호로 변환하여 라인 메모리(29)로 출력하는 처리부이다. 라인 메모리(29)는 ADC(28)로부터 입력되는 화소 신호를 일시적으로 보유 지지하여, 화소 어레이(23)에 있어서의 광전 변환 소자의 행마다 신호 처리 회로(21)로 출력하는 처리부이다.
신호 처리 회로(21)는 라인 메모리(29)로부터 입력되는 화소 신호에 대해 소정의 신호 처리를 행하여 후단 처리부(12)로 출력하는 처리부이다. 신호 처리 회로(21)는 화소 신호에 대해, 예를 들어 렌즈 쉐이딩 보정, 흠집 보정, 노이즈 저감 처리 등의 신호 처리를 행한다.
전압 공급부(24)는 화소 어레이(23)에 설치되는 후술하는 반사판 및 소자 분리 영역으로 마이너스의 전압을 인가함으로써, 암전류의 발생을 억제하는 것이다. 이러한 점에 대해서는 도 3을 참조하여 후술한다.
이와 같이, 이미지 센서(20)에서는 화소 어레이(23)에 배치되는 복수의 광전 변환 소자가 입사광을 수광량에 따른 양의 신호 전하로 광전 변환하여 축적하고, 주변 회로(22)가 각 광전 변환 소자에 축적된 신호 전하를 화소 신호로서 판독함으로써 촬상을 행한다.
이러한 이미지 센서(20)는 피사체로부터의 광을 화소 어레이(23)의 각 광전 변환 소자에 의해 효율적으로 수광시킴으로써, 수광 감도를 향상시키는 구성을 구비한다. 이하, 수광 감도를 향상시키는 구성을 구비한 화소 어레이(23)에 대해 설명한다.
여기서는, 우선, 도 3을 참조하여, 화소 어레이(23)를 수광면에 대해 수직인 방향으로 절단한 단면에서 본 것에 의한 화소 어레이(23)의 단면 구조에 대해 설명한다. 도 3은 실시 형태에 관한 화소 어레이(23)의 단면 구조를 도시하는 설명도이다. 또한, 도 3에는 전압 공급부(24)를 직류 전원(전지)의 회로 기호로 모식적으로 나타내고 있다.
도 3에 도시한 바와 같이, 화소 어레이(23)는 광이 입사하는 측으로부터 차례로 마이크로 렌즈(31), 컬러 필터(32), 도파로(33), P형의 반도체(여기서는, Si:실리콘으로 함)층(34), 다층 배선층(35), 접착층(36), 지지 기판(37)을 구비한다.
마이크로 렌즈(31)는 입사하는 광을 집광하는 평볼록 렌즈이다. 컬러 필터(32)는 적색, 녹색, 청색, 혹은 백색 중 어느 하나의 색광을 선택적으로 투과시키는 필터이다. 도파로(33)는 컬러 필터(32)를 투과한 광을 P형의 Si층(34)측으로 유도하는 영역으로, 예를 들어 질화Si에 의해 형성된다. 도파로(33)의 주위에는, 예를 들어 산화Si에 의해 형성되는 보호막(38)이 설치된다.
P형의 Si층(34)은, 예를 들어 붕소 등의 P형의 불순물이 도핑된 Si를 에피택셜 성장시켜 형성되는 영역이다. 또한, P형의 Si층(34)은 Si 웨이퍼로 P형의 불순물을 이온 주입하여 형성된 것이어도 된다.
P형의 Si층(34)의 내부에 있어서의 광전 변환 소자(40)의 형성 위치에는 N형의 Si 영역(39)이 형성된다. 화소 어레이(23)에서는 P형의 Si층(34)과 N형의 Si 영역(39)의 PN 접합에 의해 형성되는 포토 다이오드가, 광전 변환 소자(40)로 된다.
또한, P형의 Si층(34)에는 광전 변환 소자(40)마다 P형의 Si층(34)을 구획하도록, P형의 Si층(34)에 있어서의 광이 입사하는 면으로부터 다층 배선층(35) 내부의 후술하는 반사판(46)까지 도달하는 소자 분리 영역(43)이 형성된다.
소자 분리 영역(43)은 반사판(46)과의 접합면을 제외한 둘레면이 절연막(41)에 피복되는 도전성 부재(42)를 구비한다. 도전성 부재(42)는, 예를 들어 구리, 알루미늄, 텅스텐 등의 광을 반사하는 금속이다. 이러한 소자 분리 영역(43)은 둘레면에 설치되는 절연막(41)에 의해 각 광전 변환 소자(40)끼리를 전기적으로 소자 분리한다. 또한, 소자 분리 영역(43)은 절연막(41)과 도전성 부재(42)의 계면을 광의 반사면으로서 기능시킴으로써, 각 광전 변환 소자(40)끼리를 광학적으로 소자 분리한다.
다층 배선층(35)은 P형의 Si층(34)에 있어서의 광이 입사하는 면과는 반대의 면측에 설치되는 층간 절연막(44), 층간 절연막(44)의 내부에 설치되는 판독 게이트(45), 반사판(46), 배선(47) 등을 포함한다. 또한, 접착층(36) 및 지지 기판(37)에 대해서는 후술한다.
판독 게이트(45)는 각 광전 변환 소자(40)로부터 플로팅 디퓨전(도시 생략)으로 신호 전하를 판독하는 판독 트랜지스터의 게이트이다. 또한, 배선(47)은 화소 어레이(23)에 설치되는 각 반도체 소자로 제어 신호 등을 전송한다.
반사판(46)은 P형의 Si층(34)에 있어서의 광이 입사하는 면과는 반대의 면측을 덮도록 설치되어, 각 광전 변환 소자(40)를 투과해 온 광을 광전 변환 소자(40)측으로 반사한다. 이러한 반사판(46)은, 예를 들어 구리나 알루미늄 등의 배선(47)과 동일한 금속 재료에 의해 형성된다.
또한, 광전 변환 소자(40)를 투과하여 반사판(46)까지 도달하는 광은 3원색 중에서 청색광이나 녹색광보다도 파장이 긴 적색광일 가능성이 높다. 이로 인해, 반사판(46)의 재료로서는, P형의 Si층(34)과의 사이에 개재하는 층간 절연막(44)보다도 광의 굴절률이 작고, 적어도 적색광을 반사하는 재료이면, 금속 재료로 한정되지 않고 임의의 재료를 이용할 수 있다.
본 실시 형태와 같이, 층간 절연막(44)의 재료가 산화Si인 경우, 반사판(46)의 재료로서는, 산화Si보다도 광의 굴절률이 낮고, 적색광을 반사하는 금속 재료 이외의 재료로서, 산화Si에 카본이나 불소를 첨가한 재료를 이용해도 된다.
이와 같이, 화소 어레이(23)에서는 복수의 광전 변환 소자(40)가 2차원 어레이 형상으로 배열되는 P형의 Si층(34)에 있어서의 광이 입사하는 면과는 반대의 면측을 덮어 광을 반사하는 반사판(46)을 구비한다.
이에 의해, 도 3에 점선 화살표로 나타낸 바와 같이, 광전 변환 소자(40)로 입사한 광이 광전 변환 소자(40)를 투과해도, 투과한 광을 반사판(46)에 의해 광전 변환 소자(40)측으로 반사시킬 수 있다. 따라서, 화소 어레이(23)에 따르면, 입사한 광을 낭비 없이 광전 변환 소자(40)에 수광시킴으로써, 수광 감도를 향상시킬 수 있다.
또한, 화소 어레이(23)에서는, 전술한 바와 같이 광의 반사면을 갖는 소자 분리 영역(43)이, 광전 변환 소자(40)마다 P형의 Si층(34)을 구획하도록, P형의 Si층(34)에 있어서의 광이 입사하는 면으로부터 반사판(46)에 도달하는 깊이까지 형성된다. 즉, 각 광전 변환 소자(40)는 광이 입사하는 측의 면(수광면)을 제외한 면이 소자 분리 영역(43)과 반사판(46)에 의해 둘러싸인 상태로 된다.
이에 의해, 화소 어레이(23)에서는, 도 3에 일점 쇄선 화살표로 나타낸 바와 같이 임의의 경사 방향으로부터 입사한 광이 광전 변환 소자(40)를 투과해도, 투과한 광을 소자 분리 영역(43)의 반사면과 반사판(46)에 의해 광전 변환 소자(40)측으로 반사시킬 수 있다.
따라서, 화소 어레이(23)에 따르면, 각 광전 변환 소자(40)로 임의의 경사 방향으로부터 입사하는 광에 대해서도, 낭비 없이 광전 변환 소자(40)에 수광시킴으로써 수광 감도를 향상시킬 수 있다.
또한, 화소 어레이(23)에서는 P형의 Si층(34)에 있어서의 단부면의 결정 결함이나 오염 등에 기인하여, 광의 입사의 유무와는 관계없이 전자가 발생하는 경우가 있다. 광의 입사의 유무와는 관계없이 발생하는 전자는 암전류로 되어 이미지 센서(20)에 검출되고, 촬상 화상에 백색 흠집이 되어 나타나므로, 화질 열화의 원인이 된다.
따라서, 이미지 센서(20)는 소자 분리 영역(43)의 도전성 부재(42) 및 반사판(46)으로 마이너스의 전압을 공급하는 전압 공급부(24)를 구비함으로써, 암전류의 저감을 도모하고 있다. 전압 공급부(24)는 P형의 Si층(34)에 있어서의 광이 입사하는 면측의 일점에서, 소자 분리 영역(43)의 도전성 부재(42)와 접속된다.
여기서, 소자 분리 영역(43)은 P형의 Si층(34)을 구획하도록, 평면에서 볼 때 격자 형상으로 형성되어 있다. 이로 인해, 전압 공급부(24)는 소자 분리 영역(43)의 도전성 부재(42)에 있어서의 일점과 접속됨으로써, 복수의 광전 변환 소자(40)를 둘러싸는 도전성 부재(42) 전체로 마이너스의 전압을 인가할 수 있다.
또한, 소자 분리 영역(43)의 도전성 부재(42)와 반사판(46)은 도통 상태이다. 이로 인해, 전압 공급부(24)에 의해 소자 분리 영역(43)의 도전성 부재(42)로 마이너스의 전압을 인가하면, 도전성 부재(42) 및 반사판(46)의 양쪽이 마이너스로 대전한다.
이에 의해, P형의 Si층(34)에 있어서의 층간 절연막(44)과의 접합면 근방 및 소자 분리 영역(43)과의 접합면 근방에는 정공이 끌어 당겨져 전기적 특성이 반전된 반전 영역이 생긴다. 따라서, 화소 어레이(23)에 따르면, 이러한 반전 영역 내의 정공과, P형의 Si층(34)에 있어서의 단부면에 광의 입사의 유무와는 관계없이 생긴 전자를 재결합시킴으로써 암전류를 저감시킬 수 있다.
다음에, 도 4 내지 도 6을 참조하여, 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치(14)의 제조 방법에 대해 설명한다. 또한, 고체 촬상 장치(14)에 있어서의 화소 어레이(23) 이외의 부분의 제조 방법은 일반적인 CMOS 이미지 센서와 마찬가지이다. 이로 인해, 이하에서는, 고체 촬상 장치(14)에 있어서의 화소 어레이(23) 부분의 제조 방법에 대해 설명한다.
도 4 내지 도 6은 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치(14)의 제조 공정을 도시하는 단면 모식도이다. 또한, 도 4 내지 도 6에는 화소 어레이(23)에 있어서의 도 3에 도시하는 부분의 제조 공정을 선택적으로 도시하고 있다.
도 4의 (a)에 도시한 바와 같이, 화소 어레이(23)를 제조하는 경우에는, Si 웨이퍼 등의 반도체 기판(4) 위에 P형의 Si층(34)을 형성한다. 이때, 예를 들어 반도체 기판(4) 위에 붕소 등의 P형의 불순물이 도핑된 Si층을 에피택셜 성장시킴으로써, P형의 Si층(34)을 형성한다. 또한, 이러한 P형의 Si층(34)은 Si 웨이퍼의 내부로 P형의 불순물을 이온 주입하여 어닐 처리를 행함으로써 형성되어도 된다.
계속해서, P형의 Si층(34)에 있어서의 광전 변환 소자(40)의 형성 위치로, 예를 들어 인 등의 N형의 불순물을 이온 주입하여 어닐 처리를 행함으로써, N형의 Si 영역(39)을 형성한다. 이에 의해, 화소 어레이(23)에는 P형의 Si층(34)과 N형의 Si 영역(39)의 PN 접합에 의해 포토 다이오드인 광전 변환 소자(40)가 형성된다.
그 후, 도 4의 (b)에 도시한 바와 같이, P형의 Si층(34) 위에 판독 게이트(45)를 형성한 후, 판독 게이트(45) 및 P형의 Si층(34) 위에, 예를 들어 CVD(Chemical Vapor Deposition)에 의해 산화Si를 적층함으로써 층간 절연막(44)을 형성한다.
계속해서, 도 4의 (c)에 도시한 바와 같이, 층간 절연막(44) 위에 반사판(46)을 형성한다. 이러한 반사판(46)은 P형의 Si층(34)에 있어서의 광전 변환 소자(40)가 설치되는 영역 위를 덮도록, 예를 들어 구리막을 성막함으로써 형성된다.
또한, 여기서는 도시되지 않지만, 반사판(46)을 형성하는 공정에서는 반사판(46)을 형성하는 층과 동일한 층에, 예를 들어 구리막을 형성한 후에 소정의 패터닝을 실시함으로써, 1층째의 배선(47)을 반사판(46)과 동시에 형성한다.
이와 같이, 1층째의 배선(47)을 형성하는 공정에서 동시에 반사판(46)을 형성하므로, 1층째의 배선(47)을 패터닝할 때에 반사판(46)의 패턴을 형성해 두는 것만으로, 별도 반사판(46)을 형성하는 공정을 추가하지 않고 반사판(46)을 형성할 수 있다.
그 후, 반사판(46) 위에서, 층간 절연막(44)을 형성하는 공정과, 층간 절연막(44)의 소정의 배선 패턴을 형성하는 공정과, 배선 패턴 내에, 예를 들어 구리 등을 매립하여 배선(47)을 형성하는 공정을 반복한다. 이에 의해, 도 4의 (d)에 도시하는 다층 배선층(35)이 형성된다.
계속해서, 도 5의 (a)에 도시한 바와 같이, 다층 배선층(35)의 상면에 접착제를 도포하여 접착층(36)을 설치하고, 접착층(36)의 상면에, 예를 들어 Si 웨이퍼 등의 지지 기판(37)을 접착한다. 그 후, 도 5의 (a)에 도시하는 구조체를 뒤집은 후, 예를 들어 그라인더 등의 연마 장치에 의해 반도체 기판(4)을 이면측(여기서는, 상면측)으로부터 연마하여, 반도체 기판(4)을 소정의 두께가 될 때까지 박화한다.
또한, 예를 들어 CMP(Chemical Mechanical Polishing)에 의해 반도체 기판(4)의 이면측을 더욱 연마하여, 도 5의 (b)에 도시한 바와 같이, P형의 Si층(34)의 수광면이 되는 이면(여기서는, 상면)을 노출시킨다.
그 후, 도 5의 (c)에 도시한 바와 같이, P형의 Si층(34)에 있어서의 소자 분리 영역(43)(도 3 참조)의 형성 위치, 즉 각 N형의 Si 영역(39) 사이의 위치에, 소자 분리용 트렌치(5)를 형성한다. 트렌치(5)를 형성하는 공정에서는, 예를 들어 RIE(Reactive Ion Etching)에 의해, P형의 Si층(34)의 상면으로부터 반사판(46)에 도달하기 전까지의 트렌치(5)를 형성한 후, 또한, 습식 에칭을 행함으로써, 트렌치(5)를 반사판(46)까지 도달시킨다.
계속해서, 도 6의 (a)에 도시한 바와 같이, 트렌치(5)의 내주면에, 예를 들어 CVD나 스퍼터 등을 이용하여 산화Si 등의 절연막(41)을 형성한다. 그 후, 트렌치(5)의 내부에 대해, 이방성 에칭을 행함으로써, 도 6의 (b)에 도시한 바와 같이, 트렌치(5)의 측면에 있어서의 절연막(41)을 남기고, 트렌치(5)의 저면에 있어서의 절연막(41)을 선택적으로 제거한다.
그리고, 저면을 제외한 측면이 절연막(41)에 의해 피복된 트렌치(5)의 내부로, 예를 들어 스퍼터 등을 이용하여 구리 등의 도전성 부재(42)를 매립함으로써, 도 6의 (c)에 도시한 바와 같이, 소자 분리 영역(43)이 형성된다.
그 후, 도 3에 도시한 바와 같이, 소자 분리 영역(43)의 상면측에서, 도전성 부재(42)와 전압 공급부(24)를 접속하여, 도파로(33) 및 보호막(38)을 형성한 후, 컬러 필터(32), 마이크로 렌즈(31)를 순차 형성함으로써 화소 어레이(23)가 형성된다.
상술한 바와 같이, 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치는 복수의 광전 변환 소자가 설치되는 반도체층의 광이 입사하는 면과는 반대의 면측에, 광을 반사하는 반사판을 구비한다. 또한, 고체 촬상 장치는 각 광전 변환 소자를 평면에서 볼 때 격자 형상으로 둘러싸도록, 반도체층의 광이 입사하는 면으로부터 반사판에 도달하는 깊이까지 형성되어, 광전 변환 소자끼리를 전기적으로 소자 분리함과 함께 광의 반사면을 갖는 소자 분리 영역을 구비한다. 즉, 실시 형태에 관한 광전 변환 소자는 광이 입사하는 측의 면(수광면)을 제외한 면이 광 반사 기능을 구비한 소자 분리 영역과 반사판에 의해 둘러싸인 상태로 된다.
이에 의해, 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치에서는 광전 변환 소자의 수광면에 대해 임의의 방향으로부터 입사하는 광이 광전 변환 소자를 투과해도, 투과한 광을 소자 분리 영역과 반사판에 의해 광전 변환 소자측으로 반사시킬 수 있다. 따라서, 실시 형태에 관한 고체 촬상 장치에 따르면, 입사한 광을 낭비 없이 각 광전 변환 소자로 수광시킴으로써, 수광 감도를 향상시킬 수 있다.
또한, 상술한 소자 분리 영역(43)의 구성은 상기한 구성으로 한정되는 것은 아니다. 마지막으로, 도 7을 참조하여 소자 분리 영역(43)의 구성의 변형예에 대해 설명한다. 도 7은 실시 형태의 변형예에 관한 화소 어레이(23a)의 단면 구조를 도시하는 설명도이다.
또한, 여기서는 도 7에 도시하는 구성 요소 중, 도 3에 도시하는 구성과 동일한 기능을 갖는 구성 요소에 대해, 도 3에 나타내는 부호와 동일한 번호를 부여함으로써, 그 설명을 생략한다.
도 7에 도시한 바와 같이, 변형예에 관한 화소 어레이(23a)는 소자 분리 영역(43a)의 구성 및 전압 공급부(24)가 소자 분리 영역(43a)과 반사판(46)에 개별로 접속되는 점이 도 3에 도시하는 화소 어레이(23)와는 다르다.
구체적으로는, 소자 분리 영역(43a)의 도전성 부재(42a)는 측면에 추가하여 저면도 절연막(41a)에 의해 피복된다. 단, 소자 분리 영역(43a)도, 도 6의 (c)에 도시하는 소자 분리 영역(43)과 마찬가지로, 저면에서 반사판(46)과 접합된다.
이로 인해, 변형예에 관한 화소 어레이(23a)에 의해서도, 광전 변환 소자(40)의 수광면에 대해, 임의의 방향으로부터 입사하는 광이 광전 변환 소자(40)를 투과해도, 투과한 광을 소자 분리 영역(43a)과 반사판(46)에 의해 광전 변환 소자(40)측으로 반사시킬 수 있다. 따라서, 변형예에 관한 고체 촬상 장치에 따르면, 입사한 광을 낭비 없이 각 광전 변환 소자(40)로 수광시킴으로써, 수광 감도를 향상시킬 수 있다.
또한, 변형예에 관한 소자 분리 영역(43a)은, 도 6의 (a)에 도시한 바와 같이 트렌치(5)의 내주면을 절연막(41a)에 의해 피복한 후, 트렌치(5)에 있어서의 저면의 절연막(41a)을 제거하지 않고, 트렌치(5)의 내부로 절연성 부재(42a)를 매립함으로써 형성할 수 있다. 따라서, 변형예에 관한 화소 어레이(23a)는 제조 공정수를 감소시키면서 수광 감도를 향상시킬 수 있다.
단, 소자 분리 영역(43a)과 반사판(46)은 도통 상태로 되어 있지 않다. 이로 인해, 화소 어레이(23a)에서는 전압 공급부(24)와, 소자 분리 영역(43a)의 도전성 부재(42a) 및 반사판(46)을, 각각 개별로 접속하고 있다.
이에 의해, 화소 어레이(23a)에서는 전압 공급부(24)로부터 소자 분리 영역(43a)의 도전성 부재(42a) 및 반사판(46)으로 마이너스의 전압을 공급할 수 있으므로, 도 3에 도시하는 화소 어레이(23)와 마찬가지로, 암전류를 저감시킬 수 있다.
또한, 전압 공급부(24)와 소자 분리 영역(43a)의 도전성 부재(42a)를 접속하는 접속선은, 예를 들어 1층째의 배선(47) 및 반사판(46)을 형성하는 공정에서, 동시에 접속선을 패터닝함으로써 형성할 수 있다. 이로 인해, 제조 공정수를 증가시키지 않고, 전압 공급부(24)와 도전성 부재(42a)를 접속시킬 수 있다.
본 발명의 몇 개의 실시 형태를 설명하였지만, 이들 실시 형태는 예로서 제시한 것으로, 발명의 범위를 한정하는 것은 의도하고 있지 않다. 이들 신규의 실시 형태는 그 밖의 다양한 형태로 실시되는 것이 가능하고, 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서, 다양한 생략, 치환, 변경을 행할 수 있다. 이들 실시 형태나 그 변형은 발명의 범위나 요지에 포함됨과 함께, 특허 청구의 범위에 기재된 발명과 그 균등한 범위에 포함된다.
1 : 디지털 카메라
11 : 카메라 모듈
12 : 후단 처리부
13 : 촬상 광학계
14 : 고체 촬상 장치
15 : ISP
16 : 기억부
17 : 표시부
20 : 이미지 센서
21 : 신호 처리 회로
22 : 주변 회로
23, 23a : 화소 어레이
24 : 전압 공급부
25 : 수직 시프트 레지스터
26 : 타이밍 제어부
27 : CDS
28 : ADC
29 : 라인 메모리
31 : 마이크로 렌즈
32 : 컬러 필터
33 : 도파로
34 : P형의 Si층
35 : 다층 배선층
36 : 접착층
37 : 지지 기판
38 : 보호막
39 : N형의 Si 영역
40 : 광전 변환 소자
41, 41a : 절연막
42, 42a : 도전성 부재
43, 43a : 소자 분리 영역
44 : 층간 절연막
45 : 판독 게이트
46 : 반사판
47 : 배선
4 : 반도체 기판
5 : 트렌치

Claims (20)

  1. 복수의 광전 변환 소자가 2차원 어레이 형상으로 배열되는 반도체층과,
    상기 반도체층에 있어서의 광이 입사하는 면과는 반대의 면측을 덮어 광을 반사하는 반사판과,
    상기 광전 변환 소자마다 상기 반도체층을 구획하도록, 상기 반도체층에 있어서의 광이 입사하는 면으로부터 상기 반사판에 도달하는 깊이까지 형성되어, 상기 광전 변환 소자끼리를 물리적 및 전기적으로 소자 분리함과 함께 광의 반사면을 갖는 소자 분리 영역을 구비하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 소자 분리 영역의 각각은 반사면을 포함하는 반사 도전성 부재 및 절연막을 갖는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  3. 제1항에 있어서, 마이너스 전압을 공급하는 전압 공급부를 더 구비하고, 상기 전압 공급부는 상기 소자 분리 영역에 전기적으로 접속되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 반사판은 도전성 부재로 형성되어, 소자 분리 영역은 도전성 부재를 포함하고, 상기 반사판 및 상기 소자 분리 영역은 상기 반사판이 상기 소자 분리 영역을 통해 상기 전압 공급부에 전기적으로 접속되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 소자 분리 영역 및 상기 반사판에 따로따로 전기적으로 접속되어, 마이너스 전압을 공급하는 전압 공급부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 반도체층에 있어서의 광이 입사되는 면과 반대측의 면과 상기 반사판 사이에 설치된 층간 절연막과,
    상기 층간 절연막 내에 설치된 판독 게이트를 갖고, 상기 광전 변환 소자의 전하를 판독하는 판독 트랜지스터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  7. 제1항에 있어서, 복수의 마이크로 렌즈를 더 포함하고, 상기 마이크로 렌즈의 각각은 상기 광전 변환 소자 위에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  8. 제7항에 있어서, 복수의 컬러 필터를 더 포함하고, 상기 컬러 필터의 각각은 상기 마이크로 렌즈와 상기 광전 변환 소자 사이에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  9. 제8항에 있어서, 복수의 도파로를 더 포함하고, 상기 도파로의 각각은 상기 컬러 필터와 상기 광전 변환 소자 사이에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  10. 복수의 광전 변환 소자가 2차원 어레이 형상으로 배열되는 반도체층과,
    상기 반도체층에 있어서의 광이 입사하는 면과는 반대의 면측을 덮어 광을 반사하는 반사판과,
    상기 광전 변환 소자마다 상기 반도체층을 구획하도록, 상기 반도체층에 있어서의 광이 입사하는 면으로부터 상기 반사판에 도달하는 깊이까지 형성되어, 상기 광전 변환 소자끼리를 물리적 및 전기적으로 소자 분리함과 함께 광의 반사면을 갖는 소자 분리 영역을 구비하고,
    상기 반사판 및 상기 소자 분리 영역은 상기 광전 변환 소자에 있어서의 암전류를 억제하는 전위로 바이어스되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  11. 제1항에 있어서, 마이너스 전압을 공급하는 전압 공급부를 더 포함하고, 상기 전압 공급부는 상기 소자 분리 영역에 전기적으로 접속되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 반사판 및 상기 소자 분리 영역은 전기적으로 접속되고, 상기 반사판은 상기 소자 분리용 영역을 통해 상기 전압 공급부에 전기적으로 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  13. 제11항에 있어서, 상기 반사판 및 상기 소자 분리 영역의 각각은 상기 전압 공급부에 따로따로 전기적으로 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  14. 복수의 광전 변환 소자가 2차원 어레이 형상으로 배열되는 반도체층을 형성하는 공정과,
    상기 반도체층에 있어서의 광이 입사하는 면과는 반대의 면측을 덮어 광을 반사하는 반사판을 형성하는 공정과,
    상기 광전 변환 소자마다 상기 반도체층을 구획하도록, 상기 반도체층에 있어서의 광이 입사하는 면으로부터 상기 반사판에 도달하는 깊이까지 형성되어, 상기 광전 변환 소자끼리를 전기적으로 소자 분리함과 함께 광의 반사면을 갖는 소자 분리 영역을 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치의 제조 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 광전 변환 소자의 각각의 위에 마이크로 렌즈를 형성하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치의 제조 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 광전 변환 소자와 대응하는 상기 마이크로 렌즈 사이에서, 각각의 상기 광전 변환 소자 위에 컬러 필터를 형성하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치의 제조 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 광전 변환 소자와 대응하는 상기 컬러 필터 사이에서, 각각의 상기 광전 변환 소자 위에 도파로를 형성하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치의 제조 방법.
  18. 제14항에 있어서, 지지 기판을 형성하는 공정과,
    상기 지지 기판과 상기 반사판 사이에 다층 배선층을 형성하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치의 제조 방법.
  19. 제14항에 있어서, 상기 층간 절연막과 상기 반도체층에 있어서의 광이 입사되는 면과 반대측의 면 사이에, 층간 절연막을 형성하는 공정과,
    상기 층간 절연막 내에 판독 게이트가 배치되어, 상기 광전 변환 소자의 전하를 판독하는 판독 트랜지스터를 형성하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치의 제조 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 반도체층은 p-형층을 형성하는 공정과, 상기 p-형층 내에 광전 변환 소자의 각각을 위한 n-형 영역을 형성하는 공정으로 형성되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치의 제조 방법.
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