KR20180107145A - 고체 촬상 장치 - Google Patents

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KR20180107145A
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토시후미 요코야마
요시아키 니시
마사카츠 스즈키
히로시 마스다
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타워재즈 파나소닉 세미컨덕터 컴퍼니 리미티드
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Abstract

고체 촬상 장치는, 글로벌 셔터 구조를 갖고, 수광부(2)와, 배선층(6)과, 수광부(2) 바로 위에 배선층(6)을 관통하도록 형성된 제 1 투명 절연막(10)과, 배선층(6) 및 제 1 투명 절연막(10) 위를 덮으며, 제 1 투명 절연막(10)보다 높은 굴절률을 갖는 투명 보호막(7)과, 투명 보호막(7) 위에 형성된 사각형의 평면 형상을 갖는 기둥 모양의 제 1 돌기부(8)와, 제 1 돌기부(8)보다 낮은 굴절률을 갖는 제 2 투명 절연막(11)을 구비한다.

Description

고체 촬상 장치
본 발명은, 글로벌 셔터 구조를 갖는 고체 촬상 장치에 관한 것이다.
이미지센서(고체 촬상 장치)의 셔터 방식에는, 상부 라인에서 하부 라인으로 순차적으로 노광시키는 롤링 셔터 방식과, 모든 라인에서 동시에 노광시키는 글로벌 셔터 방식이 있다. CMOS형 고체 촬상 장치에서는 롤링 셔터 방식이 많이 채용되어 왔지만, 롤링 셔터 구조를 갖는 고체 촬상 장치로는 고속으로 이동하는 물체를 촬영할 때 화상 왜곡(이른바, 젤로 현상(jello effect))이 발생한다.
그래서, 최근에는 글로벌 셔터 구조를 갖는 CMOS형 고체 촬상 장치가 제안되고 있다. 글로벌 셔터 구조를 갖는 고체 촬상 장치에서는, 포토다이오드와는 별도로 반도체 기판 위에 메모리부가 형성되고, 모든 포토다이오드에서 메모리부로 신호를 동시에 읽어 들인 후 메모리부로부터 당해 신호를 순차적으로 읽어 들임으로써 왜곡 없는 화상을 얻을 수 있게 된다. 따라서, 고속으로 이동하는 물체를 식별해야 할 필요가 있는 산업용 카메라나 하이엔드 카메라 등에는 글로벌 셔터 구조를 갖는 고체 촬상 장치가 요구되고 있다.
한편, 고체 촬상 장치의 크기를 증대시키지 않으며 고화질의 화상을 얻기 위해, 고체 촬상 장치의 각 셀 크기를 축소하는 경향이 있다. 그러나, 셀 크기가 축소될수록 입사광을 집광하기 어려워지므로 셀 크기를 작게 하여도 효율적으로 입사광을 집광할 수 있는 높은 감도의 고체 촬상 장치의 실현이 요구되고 있다.
특허문헌 1, 2에는, 복수의 배선층 상방에 형성되며 수광부 상방을 덮는 층 내 렌즈(inner layer lens)와, 층 내 렌즈 상방에 형성된 온 칩 렌즈(on chip lens)를 구비하는 고체 촬상 장치가 기재되어 있다. 이들 특허문헌에 기재된 고체 촬상 장치에서는, 온 칩 렌즈에 의해 모아진 입사광이, 위로 볼록한 거의 반구형의 층 내 렌즈에 의해 더욱 효과적으로 수광부에 집광된다.
또한, 특허문헌 3에는, 수광부와 층 내 렌즈 사이에, 복수의 배선층을 관통하는 광도파로를 구비하는 고체 촬상 장치가 기재되어 있다. 특허문헌 3에 기재된 고체 촬상 장치에서는, 광도파로에 입사된 광이 광도파로 내에 갇힌 상태로 수광부까지 도입되므로 집광 효율이 향상된다.
특허문헌 1 ： 일본 특허공개 평11－040787호 공보 특허문헌 2 ： 일본 특허공개 2006－73882호 공보 특허문헌 3 ： 일본 특허공개 2008－192951호 공보
글로벌 셔터 방식의 고체 촬상 장치의 반도체 기판 내에서는, 전하를 보유하는 메모리부가 각 수광부 근방에 형성된다. 따라서, 셀 크기를 축소할 경우 수광부와 메모리부 사이의 거리는 매우 짧아진다.
여기서, 상기 특허문헌 1, 2에 기재된 고체 촬상 장치에서는, 층 내 렌즈에 의해 집광되는 광 대부분이 수광부에 대해 경사광이 되었다. 따라서, 특허문헌 1, 2에 기재된 고체 촬상 장치에서 셀 크기를 축소하면 경사광 일부가 메모리부에 직접 입사되어 노이즈 성분이 커질 가능성이 있다.
또한, 특허문헌 3에 기재된 광도파로는, 수광부 위에 위치하는 층간 절연막을 일단 제거하고 구멍을 형성한 후, 구성 재료를 수광부 위에 매몰함으로써 형성된다. 따라서, 셀 크기를 축소할 경우에는 광도파로를 형성하기 어려워진다.
본 발명의 목적은, 상기 과제를 감안하여 셀 크기를 축소할 경우에도 높은 감도를 유지하고, 광학 노이즈를 저감시킬 수 있는 글로벌 셔터 방식의 고체 촬상 장치를 제공하는 데 있다.
본 명세서에 개시된 고체 촬상 장치는, 기판과, 상기 기판 상부에 형성되며, 광전 변환시키는 복수의 수광부와, 상기 기판 상부에, 상기 복수의 수광부마다 형성되며, 상기 복수의 수광부 각각에 의해 생성된 전하를 축적하는 메모리부와, 상기 기판 위에 형성되며, 복수의 금속 배선이 형성된 적어도 1층의 배선층과, 상기 복수의 수광부 바로 위이며, 상기 복수의 금속 배선 사이의 영역에, 상기 배선층을 관통하도록 형성된 제 1 투명 절연막과, 상기 배선층 위 및 상기 제 1 투명 절연막 위를 덮으며, 상기 제 1 투명 절연막보다 높은 굴절률을 갖는 투명 보호막과, 상기 투명 보호막 위에, 상기 복수의 수광부 각각의 상방에 위치하도록 형성되며, 사각형의 평면 형상을 갖는 기둥 모양의 제 1 돌기부와, 상기 제 1 돌기부 위에 형성되며, 상기 제 1 돌기부보다 낮은 굴절률을 갖는 제 2 투명 절연막을 구비한다.
여기서, “사각형의 평면 형상”에는, 제조 공정상 불균일 또는 오차 등 범위 내에서, 모서리 부분의 형상이 둥글게 된 경우도 포함되는 것으로 한다.
본 명세서에 개시된 고체 촬상 장치에 의하면, 글로벌 셔터 방식을 채용한 경우 셀 크기를 축소할 경우에도, 높은 감도를 유지하면서 광학 노이즈를 저감시킬 수 있게 된다.
도 1은, 제 1 실시형태에 따른 고체 촬상 장치를 나타내는 단면도이다.
도 2는, 참고예에 따른 고체 촬상 장치를 나타내는 단면도이다.
도 3은, 제 1 실시형태 및 참고예에 따른 고체 촬상 장치에 있어서, 수광부에서 발생하는 전자 수와 메모리부에서 발생하는 전자 수의 비율을 비교한 도이다.
도 4는, 도 1에 나타내는 고체 촬상 장치에 있어서, 패시베이션 막 및 제 1 돌기부를 상방에서 본 경우의 평면도이다.
도 5a는, 제 1 실시형태에 따른 고체 촬상 장치의 제조방법을 나타내는 도이다.
도 5b는, 제 1 실시형태에 따른 고체 촬상 장치의 제조방법을 나타내는 도이다.
도 5c는, 제 1 실시형태에 따른 고체 촬상 장치의 제조방법을 나타내는 도이다.
도 5d는, 제 1 실시형태에 따른 고체 촬상 장치의 제조방법을 나타내는 도이다.
도 6은, 제 2 실시형태에 따른 고체 촬상 장치를 나타내는 단면도이다.
도 7은, 제 3 실시형태에 따른 고체 촬상 장치를 나타내는 단면도이다.
도 8은, 제 3 실시형태에 따른 고체 촬상 장치에 있어서, 패시베이션 막 및 제 1 돌기부를 상방에서 본 경우의 평면도이다.
도 9는, 제 3 실시형태에 따른 고체 촬상 장치의 수광부에서 관측되는 광의 파장 및 분광 강도를 나타내는 도이다.
도 10은, 제 4 실시형태에 따른 고체 촬상 장치를 나타내는 단면도이다.
도 11a는, 제 1 실시형태에 따른 고체 촬상 장치에 있어서, 차광막의 평면 형상을 나타내는 평면도이다.
도 11b는, 제 1 실시형태에 따른 고체 촬상 장치의 메모리부에 입사되는 광의 강도를 나타내는 도이다.
도 12a는, 제 4 실시형태에 따른 고체 촬상 장치에 있어서, 차광막의 형상을 나타내는 평면도이다.
도 12b는, 제 4 실시형태에 따른 고체 촬상 장치의 메모리부에 입사되는 광의 강도를 나타내는 도이다.
이하에, 도면을 이용하여 본 발명의 일례인 실시형태를 설명한다. 또한, 본 명세서에서 “셀”이란, 고체 촬상 장치의 촬상 영역에서 하나의 화소 신호를 생성하는 영역의 최소 단위를 의미하며, 하나의 수광부와 당해 수광부에서 발생한 전하를 축적하는 하나의 메모리부가 형성된 영역을 가리키는 것으로 한다. 또한, 셀 크기란, 셀의 평면 형상을 정사각형으로 가정했을 경우의 셀의 폭을 의미하는 것으로 한다.
(제 1 실시형태)
도 1은, 본 명세서에 개시된 제 1 실시형태에 따른 고체 촬상 장치를 나타내는 단면도이다. 도 1에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 고체 촬상 장치는, 기판(1)과, 기판(1) 상부에 형성되며, 광전 변환시키는 복수의 수광부(2)와, 복수의 수광부(2) 각각에 의해 생성된 전하를 축적하는 메모리부(3)와, 각 수광부(2)에서 광전 변환에 의해 생성된 전하를 메모리부(3)로 전송시키는 게이트부(4)와, 기판(1) 및 게이트부(4) 위에 형성되며 복수의 금속 배선(20)이 형성된 적어도 1층의 배선층(6)과, 게이트부(4)와 배선층(6) 사이에 배치되며 수광부(2) 각각의 상방 영역에 개구부가 형성된 차광막(5)과, 수광부(2) 바로 위이며 금속 배선(20)의 배선 사이의 영역에 차광막(5)의 개구부 및 배선층(6)을 관통하도록 형성된 제 1 투명 절연막(10)을 구비한다.
기판(1)으로는, 공지의 반도체 기판 등이 이용되며, 예를 들어 실리콘 기판을 이용할 수 있다. 수광부(2)는, 입사된 광을 전하로 변환시킬 수 있는 구조를 갖고 있으면 되고, 예를 들어 n형층 위에 p형층이 형성된 포토다이오드여도 된다. 복수의 수광부(2)는, 촬상 영역(도시 않음) 안에서 예를 들어 행렬형으로 배치되고, 행방향(도 1의 좌우방향, 이하 “수평방향”이라 함)에서, 서로 인접하는 수광부(2) 사이에 메모리부(3)가 배치된다. 예를 들어, 메모리부(3)는 기판(1) 내 n형층으로 구성되고, 수광부(2)와 메모리부(3) 사이에는 전위 장벽이 형성된다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 배선층(6)이 복수층으로 형성된 경우, 상하로 인접하는 배선층(6) 사이, 및 최하층의 배선층(6)과 차광막(5) 사이에는, 각각 제 1 투명 절연막(10)과 동일한 재료로 구성된 층간 절연막이 형성되어도 된다.
또한, 본 실시형태의 고체 촬상 장치는, 배선층(6) 위 및 제 1 투명 절연막(10) 위를 덮으며 제 1 투명 절연막(10)보다 높은 굴절률을 갖는 패시베이션 막(투명 보호막)(7)과, 패시베이션 막(7) 위에, 복수의 수광부(2) 각각의 상방에 위치하도록 형성된 제 1 돌기부(8)와, 패시베이션 막(7) 및 제 1 돌기부(8) 위에 형성되며 평탄한 상면을 갖는 평탄화 막(제 2 투명 절연막)(11)과, 평탄화 막(11) 중 제 1 돌기부(8) 상방에 위치하는 영역 위에 각각 형성된 온 칩 렌즈(9)를 구비한다.
패시베이션 막(7)과 제 1 돌기부(8)는 서로 다른 재료로 구성되어도 되고, 서로 동일한 재료로 구성되어도 된다. 도 1에 나타내는 예에서는, 패시베이션 막(7)과 제 1 돌기부(8)는 동일한 투명 재료막(17)으로 구성된다. 이 경우, 투명 재료막(17) 하부가 배선층(6)을 보호하는 패시베이션 막(7)이 되고, 투명 재료막(17) 상부가 제 1 돌기부(8)가 된다.
본 실시형태의 고체 촬상 장치에서는 제 1 돌기부(8)가 사각형의 평면 형상을 갖는 기둥 모양을 하고 있다. 또한, 도 1에 나타내는 바와 같이, 제 1 돌기부(8)의 종방향 단면(기판면을 기준으로 수직 방향의 단면)은 사각형이다. 또한, 제 1 돌기부(8)의 굴절률은, 평탄화 막(11)의 굴절률보다 크다.
이 구성을 채용함으로써, 후술하는 바와 같이, 제 1 돌기부(8)에 입사된 광(22)을 제 1 돌기부(8)에 가둘 수 있음과 더불어, 수광부(2)에 들어가는 입사광 중 경사광 성분의 비율을 저감시킬 수 있다.
본 실시형태의 고체 촬상 장치에서, 예를 들어 제 1 돌기부(8)는 2.0 정도의 굴절률을 나타내는 질화실리콘계 재료로 구성되어도 되고, 평탄화 막(11)은 1.4∼1.7 정도의 굴절률을 나타내는 유기 재료 등으로 구성되어도 된다. 이와 같이, 제 1 돌기부(8)와 평탄화 막(11)의 굴절률 차를 크게 함으로써, 제 1 돌기부(8)에 입사된 광을 더욱 효과적으로 가두어, 수광부(2)로 모을 수 있다. 제 1 돌기부(8)와 평탄화 막(11)의 굴절률 차Δn은, 0.3 이상 0.6 이하 정도인 것이 바람직하다.
여기서, 패시베이션 막(7)은 제 1 돌기부(8)와 마찬가지로 질화실리콘계 재료로 구성되어도 되고, 제 1 투명 절연막은 1.5 정도의 굴절률을 나타내는 산화실리콘계 재료로 구성되어도 된다. 또한, 산화실리콘계 재료란, 산화실리콘을 주성분으로 하는 재료를 의미하고, 여기에서는 절연성을 갖는 한, 산화실리콘에 임의의 불순물 등이 포함되어도 된다. 또한, 질화실리콘계 재료란, 질화실리콘을 주성분으로 하는 재료를 의미하고, 임의의 불순물 등이 포함되어도 된다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 고체 촬상 장치에 입사된 광(22)은 온 칩 렌즈(9)에 의해 온 칩 렌즈(9)의 중심축 방향으로 굴절되어 제 1 돌기부(8)에 입사된다. 제 1 돌기부를 통과한 광(22)은, 제 1 돌기부(8)에 의해 집광되어, 패시베이션 막(7) 및 제 1 투명 절연막(10)을 통과하여 수광부(2)로 입사된다. 수광부(2)에 입사된 광(24)은 전자로 변환된다. 이 광전 변환에 의해 발생한 전자(전하)는, 게이트부(4)로 전압을 인가함으로써 메모리부(3)로 전송된다. 메모리부(3)에 축적된 전하는 화상신호로서 이용되고, 신호 처리에 의해 촬상 화상을 구성한다. 또한, 본 실시형태의 고체 촬상 장치는 글로벌 셔터 방식을 채용하므로, 수광부(2)에서의 광전 변환 및 전하 전송은 모든 화소에서 동일한 타이밍으로 이루어진다.
상술한 광전 변환 시 메모리부(3)에 직접 입사된 광은 노이즈 성분이 된다. 이는, 메모리부(3)에서도 광전 변환이 발생하여 버리기 때문이다. 메모리부(3)에 광이 입사되는 것을 방지하기 위해, 게이트부(4) 위에 차광막(5)이 형성된다. 이 차광막(5)의 구성 재료로는 텅스텐 등의 금속이 이용된다. 텅스텐은 광의 흡수 계수가 크고, 막 두께가 얇아도 높은 차광 능력을 가지므로 차광막(5)의 재료로서 바람직하다.
도 2는, 참고예에 따른 고체 촬상 장치를 나타내는 단면도이다. 당해 고체 촬상 장치에서는, 투명 재료막(17) 상부가 위로 볼록한 거의 반구형의 층 내 렌즈(112)인 점만이 도 1에 나타내는 본 실시형태의 고체 촬상 장치와 다르다.
참고예에 따른 고체 촬상 장치에서 온 칩 렌즈(9)의 주변부에서 입사된 광(122)은 층 내 렌즈(112)에 의해 더욱 강하게 집광된다. 그러나, 셀 크기가 작을 경우에는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 광(122)의 초점 위치가 기판(1)보다 대폭으로 전방 위치가 되는 경우가 많다. 또한, 층 내 렌즈(112)를 통과한 광(122)은, 사선방향의 성분이 강해진다. 따라서, 메모리부(3)에 직접 입사하는 경사광이 많아진다. 또한, 경사가 큰 광이 차광막(5)의 가장자리 부분에서 회절되어 메모리부(3)에 입사한다. 이 결과, 참고예에 따른 고체 촬상 장치에서는 노이즈 성분이 커져 버린다.
반면 본 실시형태의 고체 촬상 장치에서는 제 1 돌기부(8)가 사각형의 평면 형상을 갖는 기둥 모양이므로, 입사된 광(22)을 모으는 힘이 층 내 렌즈(112)에 비해 약한 만큼, 광을 수광부(2)로 적당히 모아 제 1 돌기부(8)를 통과한 광(22)의 사선방향 성분을 작게 억제할 수 있다. 또한, 차광막(5)의 가장자리 부근을 지나는 광(24)의 경사도 참고예에 따른 고체 촬상 장치에 비해 작게 할 수 있으므로, 회절광이 메모리부(3)로 입사하기 어려워진다. 이 결과, 본 실시형태의 고체 촬상 장치에서는, 메모리부(3)에 입사하는 광을 크게 저감시킬 수 있어 참고예에 따른 고체 촬상 장치에 비해 노이즈를 대폭 저감시킬 수 있게 된다.
도 3은, 제 1 실시형태 및 참고예에 따른 고체 촬상 장치에 있어서, 수광부(2)에서 발생하는 전자 수와 메모리부에서 발생하는 전자 수의 비율(＝수광부에서 발생하는 전자 수／메모리부에서 발생하는 전자 수)을 비교한 도이다. 도 3에서, 참고예에 따른 고체 촬상 장치의 결과는 “층 내 렌즈”로 표기하고, 본 실시형태의 고체 촬상 장치의 결과는 “기둥 모양 돌기”로 표기한다.
수광부(2)에서 발생하는 전자 수와 메모리부(3)에서 발생하는 전자의 비율은, 노이즈의 크기를 나타내는 지표 중 하나로서 이용된다. 이 비율은 2000 이상을 요구하는 경우가 많은데 참고예에 따른 고체 촬상 장치에서는 당해 비율이 2865인 반면, 본 실시형태의 고체 촬상 장치에서는 당해 비율이 9541이었다. 이와 같이, 본 실시형태의 고체 촬상 장치에서는 노이즈 성분을 대폭 저감시킬 수 있는 것이 확인되었다.
참고예에 따른 고체 촬상 장치에서는 온 칩 렌즈(9)나 층 내 렌즈(112)를 이용하여 수광부(2)에 광을 모으는 것을 목적으로 하나, 본 실시형태의 고체 촬상 장치에서는 일부러 층 내 렌즈(112) 대신 집광 능력이 낮은 기둥 모양의 제 1 돌기부(8)를 채용하였다. 도 3에 나타내는 바와 같이, 셀 크기가 작은 글로벌 셔터 방식의 고체 촬상 장치에서 제 1 돌기부(8)의 상술한 형상이 매우 유효하다는 것은 본원 발명자들의 독자적인 검토에 의해 독자적으로 발견된 사항이다.
또한, 특허문헌 3에 기재된 바와 같은 광도파로는, 배선층(6) 형성 후에 제 1 투명 절연막(10) 중 수광부(2) 상방에 위치하는 부분을 제거하고 구멍을 형성 한 후, 굴절률이 높은 재료를 이용하여 그 구멍을 매몰함으로써 제작된다. 그러나, 본 실시형태의 고체 촬상 장치에는 메모리부(3)가 형성되므로, 본 실시형태의 고체 촬상 장치에서는 동일한 크기의 롤링 셔터 방식의 고체 촬상 장치에 비해 수광부(2) 상의 개구 치수가 작다. 따라서, 배선층(6) 형성 후에 구멍을 형성하면 당해 구멍의 종횡비가 커져 광굴절 재료로 매몰하기 어려워진다. 따라서, 본 실시형태의 고체 촬상 장치에서는 일부러 수광부(2) 상에 광도파로를 형성하지 않았다.
이 구성에 의하면 셀 크기가 축소된 경우에도 충분히 대응할 수 있으며, 또한 제조 비용도 억제할 수 있다.
또한, 후술하는 바와 같이, 제 1 돌기부(8)는, 리소그래피 처리 및 드라이에칭 처리를 이용하여 패시베이션 막(7)을 남긴 상태로 형성할 수 있으므로, 본 실시형태의 고체 촬상 장치에서는, 참고예에 따른 고체 촬상 장치에 비해 배선층(6)을 보호하기 쉬워짐과 더불어, 제조 공정이 간이화된다.
도 4는, 도 1에 나타내는 본 실시형태의 고체 촬상 장치에 있어서, 패시베이션 막(7) 및 제 1 돌기부(8)를 상방에서 본 경우의 평면도이다. 도 4에서, 패시베이션 막(7)의 외형선은 편의상 나타낸 것으로 실제로 패시베이션 막(7)은 도 4의 상하방향 및 좌우방향으로도 연장된다.
제 1 돌기부(8)의 평면 형상은 사각형이면 되고, 도 4에 나타내는 바와 같이 수평방향의 폭 Wx와 수직방향의 폭 Wy가 거의 동일한 정사각형이어도 된다. 최근, 온 칩 렌즈(9)는 되도록 많은 광을 수광하기 위해 수평방향의 갭이 없도록 에칭백 처리에 의해 작성되는 경우가 많다. 수평방향으로 갭이 없는 온 칩 렌즈(9)를 이용할 경우에는, 온 칩 렌즈(9)를 통과하는 광의 빔 형상이 정사각형에 가까워지므로, 제 1 돌기부(8)의 평면 형상을 광의 빔 형상에 일치시킴으로써 결합 효율의 저하를 막아 집광 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 제 1 돌기부(8)의 평면 형상의 한 변의 길이는, 모두, 셀 크기의 60％ 이상 80％ 이하여도 된다. 환언하면, 제 1 돌기부(8)의 수평방향의 폭(도 1에 나타내는 폭 W) 및 수직방향의 폭은, 모두 셀 크기의 60％ 이상 80％ 이하여도 된다.
제 1 돌기부(8)의 수평방향의 폭 및 수직방향의 폭이 셀 크기의 60％ 이상임에 따라, 온 칩 렌즈(9)에 의해 집광된 광을 충분히 수광할 수 있게 되어 감도 저하가 발생하기 어려워진다. 또한, 광을 가두는 능력이 지나치게 커지는 것을 억제하고, 제 1 돌기부(8)를 통과한 광의 경사광 성분을 저감시키기 쉬워지므로 노이즈를 저감시킬 수 있게 된다.
또한, 제 1 돌기부(8)의 수평방향의 폭 및 수직방향의 폭이 셀 크기의 80％ 이하임에 따라, 충분한 집광 능력을 확보할 수 있으므로 감도의 저하를 억제할 수 있게 된다.
또한, 예를 들어 평탄화 막(11) 중, 제 1 돌기부(8) 상방에 위치하는 부분 위에, 복수의 색 중 어느 하나에 대응된 파장의 광을 선택적으로 투과하는 컬러 필터(도시 않음)를 형성하여도 된다. 이 경우, 제 1 돌기부(8)의 평면 형상의 소정방향의 폭은, 제 1 돌기부(8) 상방에 형성된 컬러 필터가 투과시키는 광의 파장이 길수록 커져도 된다. 이러한 구성을 채용함으로써 화소의 색별로 감도를 최적화할 수 있으므로 고체 촬상 장치의 감도를 향상시킬 수 있다.
예를 들어, 제 1 돌기부(8)의 평면 형상을 정사각형으로 하고, 청색(B), 녹색(G), 적색(R) 3 종류의 화소를 형성할 경우, 청색(B)용 화소의 제 1 돌기부(8)의 폭을 WB, 녹색(G)용 제 1 돌기부(8)의 폭을 WG, 적색(R)용 제 1 돌기부(8)의 폭을 WR로 하면, WB ＜ WG ＜ WR인 것이 바람직하다. 광의 파장에 의해 온 칩 렌즈(9)에서의 집광 상태가 변하므로, 파장이 짧은 청색광은 제 1 돌기부(8) 상에서의 집광 크기가 작아지고, 파장이 긴 적색광은 제 1 돌기부(8) 상에서의 집광 크기가 커진다. 따라서, 상술한 구성을 채용함으로써 고감도의 고체 촬상 장치를 실현할 수 있다.
또한, 제 1 돌기부(8)의 높이 H(도 1 참조)는, 셀 크기의 5％ 이상 30％ 이하여도 된다. 높이 H를 셀 크기의 5％ 이상으로 함으로써, 충분한 집광 능력을 확보할 수 있어 감도의 저하를 억제할 수 있다. 또한, 경사광이 입사된 경우에 당해 입사광을 굴절시켜 수광부(2)로 도입시키는 능력도 확보할 수 있으므로, 입사각 특성 저하를 초래하지 않는다. 한편, 높이 H를 셀 크기의 30％ 이하로 함으로써, 집광 능력이 지나치게 커지는 것을 방지하여 노이즈 증가를 방지할 수 있다.
또한, 제 1 돌기부(8)의 구성 재료로서, 굴절률이 2 부근인 질화실리콘 외에도, 굴절률이 1.9 이상의 투명한 재료를 이용하여도 위에서 설명한 것과 동일한 효과를 얻을 수 있다. 또한, 제 1 돌기부(8)와, 제 1 돌기부(8)에 직접 접하는 부재의 굴절률 차는 0.2 이상이면 바람직하다. 이 굴절률 차를 0.2 이상으로 함으로써, 집광 능력 및 광을 가두는 능력의 저하, 감도의 저하, 입사각 특성의 악화 등의 초래를 방지할 수 있다.
－고체 촬상 장치의 제조방법－
도 5a∼도 5d는, 제 1 실시형태에 따른 고체 촬상 장치의 제조방법을 나타내는 도이다.
먼저, 도 5a에 나타내는 바와 같이, 실리콘 등으로 이루어진 기판(1) 상부에 이온 주입 등을 실시하여 수광부(2) 및 수광부(2)에 인접하는 메모리부(3)를 형성한다. 이어서, 공지의 리소그래피 공정이나 에칭 공정을 이용하여, 메모리부(3) 위에 폴리실리콘 등으로 이루어진 게이트부(4)를 형성한다. 이어서, 게이트부(4) 및 기판(1) 위에 절연막을 형성한 후, 스퍼터링 및 드라이에칭 등에 의해, 텅스텐 등으로 이루어지며 수광부(2) 상방에 개구부가 형성된 차광막(5)을 형성한다.
다음으로, 공지의 방법에 의해, 산화실리콘 등으로 이루어진 층간 절연막(25)과, 금속 배선(20)이 형성된 배선층(6)을 교대로 복수층 형성한다. 여기서, 기판(1) 위에 형성된 절연막 및 층간 절연막(25) 중, 수광부(2) 상방에 위치하는 부분을, 이후 제 1 투명 절연막(10)이라 부른다.
이어서, 도 5b에 나타내는 바와 같이, 공지의 Chemical Vapor Deposition(CVD) 법에 의해 예를 들어 질화실리콘으로 이루어진 투명 재료막(17)을 형성한 후, 투명 재료막(17) 중 각 수광부(2) 상방에 위치하는 부분을 덮으며, 평면 형상이 사각형인 레지스트 마스크(30)를 형성한다.
다음으로, 도 5c에 나타내는 바와 같이, 투명 재료막(17) 상부를 드라이 에칭에 의해 제거한 후, 레지스트 마스크(30)를 제거함으로써, 패시베이션 막(7) 및 제 1 돌기부(8)를 형성한다.
이어서, 도 5d에 나타내는 바와 같이, 스핀코팅법 등에 의해 투명 고분자 수지 등으로 이루어진 평탄화 막(11)과 온 칩 렌즈(9)를 각각 형성한다. 온 칩 렌즈(9)를 형성하기 전에, 평탄화 막(11) 위에 컬러 필터를 형성하여도 된다. 온 칩 렌즈(9)는, 투명 고분자 수지를 도포한 후, 리소그래피에 의한 현상화, 리플로우 처리에 의한 구면화, 드라이에칭 처리를 거쳐 형성된다. 이상의 방법에 의해 본 실시형태의 고체 촬상 장치를 제조할 수 있다.
본 실시형태의 고체 촬상 장치에서는, 투명 재료막(17) 하부를 패시베이션 막(7)으로 하고, 상부를 제 1 돌기부(8)로 하는 것도 가능하므로, 층 내 렌즈를 형성하는 경우에 비해 제조 공정 수를 줄일 수 있어 제조 비용의 저감을 도모할 수 있다.
(제 2 실시형태)
도 6은, 제 2 실시형태에 따른 고체 촬상 장치를 나타내는 단면도이다. 이하에서는 도 1에 나타내는 제 1 실시형태와 다른 부분을 중심으로 설명한다.
본 실시형태의 고체 촬상 장치에서는, 최상층의 배선층(6)과 패시베이션 막(7) 사이에 반사 방지막(13a)이 형성됨과 함께, 패시베이션 막(7)의 상면 및 제 1 돌기부(8)의 상면과 측면을 덮는 반사 방지막(13b)이 형성된다.
평면 형상이 사각형이며 기둥 모양의 제 1 돌기부(8)를 형성할 경우, 평탄한 면이 많아지므로, 특정 파장에 의해 광의 간섭이 발생하기 쉬워진다.
예를 들어, 굴절률 차가 큰 평면 사이에 위치한 도 6에 나타내는 구간A, B에서는, 특정 파장에 의해 간섭이 발생하기 쉬워진다. 본 실시형태의 고체 촬상 장치에서는, 간섭이 발생하기 쉬운 계면에 반사 방지막(13a, 13b)이 형성되므로, 구간A 및 구간B에서 발생하는 간섭을 효과적으로 억제할 수 있다.
본 실시형태의 고체 촬상 장치에서는, 예를 들어 제 1 돌기부의 굴절률을 2 부근, 제 1 투명 절연막(10)의 굴절률을 1.5 부근, 평탄화 막(11)의 굴절률을 1.5 부근으로 하므로, 반사 방지막(13a, 13b)의 재료로는, 부재 간의 굴절률 차를 완화시키기 위해, 굴절률이 1.6 이상 1.9 이하 정도의 재료가 이용된다. 반사 방지막(13a, 13b)은 다층막 구조여도 되며, 예를 들어 굴절률이 1.6 부근인 SiON막과 굴절률이 1.7 부근인 SiCO막을 적층함으로써 형성되어도 된다. 이 구성에 의하면 부재 사이에서 굴절률 변화가 완만하게 되어 간섭 발생을 효과적으로 억제할 수 있다. 이 결과, 완만한 분광 특성이 얻어져 화질 저하를 방지할 수 있다.
또한, 반사 방지막(13a, 13b)은 모두 형성되어도 되나, 어느 한쪽만 형성되어도 간섭 발생을 저감시키는 것은 가능하다.
(제 3 실시형태)
도 7은, 제 3 실시형태에 따른 고체 촬상 장치를 나타내는 단면도이다.
제 2 실시형태에서 설명한 바와 같이, 평면 형상이 사각형이며 기둥 모양의 제 1 돌기부(8)를 형성할 경우, 평탄한 면이 많아지므로 특정 파장에 의해 광의 간섭이 발생하기 쉬워진다.
도 7에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 고체 촬상 장치에서는, 패시베이션 막(7)의 하면 중, 각 수광부(2) 상방에 위치하는 영역의 일부에는, 제 1 투명 절연막(10) 안을 향하여 하방으로 돌출하는 제 2 돌기부(14)가 형성된다. 제 2 돌기부(14)는, 제 1 돌기부(8)나 패시베이션 막(7)과 같이 굴절률이 큰 질화실리콘으로 구성되어도 된다.
제 2 돌기부(14)를 형성함으로써, 패시베이션 막(7)의 하부에 형성되는 평면을 작게할 수 있게 된다.
이 결과, 패시베이션 막(7)의 하부와 기판(1) 사이에는 도 7에 나타내는 구간C와 구간D 두 가지 길이의 구간이 존재하게 되어, 광의 위상이 고르게 되기 어려워진다. 따라서, 본 실시형태의 고체 촬상 장치에 의하면, 일정 파장에 의한 간섭을 절반 이하로 억제할 수 있게 된다.
또한, 제 2 돌기부(14)가 형성됨으로써, 온 칩 렌즈(9)로부터 제 1 돌기부(8)에 입사되고 패시베이션 막(7)으로 들어가는 광(22)의 집광 상태가 변화한다. 패시베이션 막(7)을 투과한 광(28)은, 평행광에 가까운 상태가 되므로 경사광 성분이 감소한다. 따라서, 제 2 돌기부(14)가 형성되지 않은 경우에 비해 차광막(5)에 의해 회절되는 광을 감소시킬 수 있으므로, 당해 회절광에 의해 발생하는 노이즈를 제 1 실시형태의 고체 촬상 장치에 비해 10％ 이상 저하시킬 수 있게 된다.
도 8은, 도 7에 나타내는 고체 촬상 장치에 있어서, 패시베이션 막(7) 및 제 1 돌기부(8)를 상방에서 본 경우의 평면도이다. 도 8에 나타내는 바와 같이, 제 2 돌기부(14)는, 하방에서 보아 창틀 모양으로 형성되어도 된다. 수평방향의 갭이 없는 온 칩 렌즈(9)를 형성할 경우, 제 1 돌기부(8) 및 수광부(2)에 입사되는 광(22, 28)의 빔 형상은, 기판(1)의 상방에서 보아 사각형에 가까워진다. 이 경우에, 제 2 돌기부(14)를 사각형의 외형을 갖는 창틀 모양으로 함으로써, 제 2 돌기부(14) 및 제 2 돌기부(14)에 의해 둘러싸인 영역의 형상을 입사광의 빔 형상에 일치시키기 쉬워지므로, 광의 간섭 발생을 더욱 효과적으로 억제할 수 있게 된다.
따라서, 본 실시형태의 고체 촬상 장치에 의하면 간섭 발생을 저감시키면서 노이즈가 적은 화상을 얻을 수 있다. 또한, 제 2 돌기부(14)의 최적 크기는 고체 촬상 장치의 설계에 따라 적절히 정해진다.
도 9는 제 3 실시형태에 따른 고체 촬상 장치의 수광부에서 관측되는 광의 파장 및 분광 강도를 나타내는 도이다. 도 9에서, “돌기 없음”으로 나타내는 것은 제 2 돌기부(14)를 형성하지 않은 것을 제외하고 제 3 실시형태와 동일한 구성을 갖는 고체 촬상 장치의 시뮬레이션 결과이며, “돌기 있음”으로 나타내는 것은, 제 3 실시형태에 따른 고체 촬상 장치의 시뮬레이션 결과이다.
도 9에 나타내는 바와 같이, 제 2 돌기부(14)가 형성되지 않은 경우에는 파장에 따라 입사광 강도에 진폭이 보였다. 반면 본 실시형태의 고체 촬상 장치에서는, 제 2 돌기부(14)를 형성함으로써 파장이 변화한 경우의 분광 강도의 변동은 완만한 것으로 확인되었다.
또한, 본 실시형태에서는, 제 2 돌기부(14)의 단면 형상이 창틀 모양인 예로 설명하였으나, 패시베이션 막(7)의 하면에 요철이 형성되어 있으면 간섭 저감 효과를 얻을 수 있다.
제 2 돌기부(14)의 깊이는 수광하는 광의 파장에 따라 최적화하면 되나, 청색(B), 녹색(G), 적색(R) 화소를 형성할 경우에는, 3색 중 중간의 파장을 갖는 녹색광에 맞추어 설계하여도 된다. 제 2 돌기부(14)의 깊이는, 고체 촬상 장치의 구성 재료에도 따르나, 60㎚ 이상 100㎚ 이하 정도라면 간섭 저감 효과를 얻을 수 있다. 또한, 제 2 돌기부(14)의 깊이가 지나치게 작으면 간섭 방지 효과도 약해지고, 제 2 돌기부(14)의 깊이가 지나치게 깊으면 제 1 투명 절연막(10) 상부에 형성한 구멍에 질화실리콘계 등의 재료 매몰이 어려워진다.
(제 4 실시형태)
도 10은, 제 4 실시형태에 따른 고체 촬상 장치를 나타내는 단면도이다. 또한, 도 11a는, 제 1 실시형태에 따른 고체 촬상 장치에 있어서, 차광막의 평면 형상을 나타내는 평면도이고, 도 11b는, 당해 고체 촬상 장치의 메모리부에 입사되는 광의 강도를 나타내는 도이다. 도 12a는, 제 4 실시형태에 따른 고체 촬상 장치에 있어서, 차광막의 형상을 나타내는 평면도이고, 도 12b는, 당해 고체 촬상 장치의 메모리부에 입사되는 광의 강도를 나타내는 도이다.
도 11a 및 도 12a는, 각각 도 10에 나타내는 파선으로 둘러싼 부분에 상당하는 영역을 나타낸다. 또한, 도 11b는, 도 11a의 우측에 나타내는 메모리부에서의 입사광 강도를 나타내고, 도 12b는, 도 12a의 우측에 나타내는 메모리부에서의 입사광 강도를 나타낸다.
상술한 바와 같이, 차광막(5)을 구비한 단일 슬릿 구조를 채용할 경우, 차광막(5)의 가장자리 부분에서 회절광(24)이 발생하므로, 노이즈가 되는 광이 메모리부(3)에 입사된다. 이 경우, 도 11b에 나타내는 바와 같이, 차광막(5)의 가장자리에서 회절된 회절광(24a)과 회절광(24b)은 동일한 위상이므로 서로 간섭하고, 메모리부(3)에 광의 강도가 강해지는 부분이 발생하는 경우가 있다.
도 10 및 도 12a에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 고체 촬상 장치에서는, 차광막(5) 중, 평면에서 보아 수광부(2)에 면한 부분에 요철이 형성된다. 이 구성에 의하면, 차광막(5)의 볼록부에서 회절된 광(24c)과 차광막(5) 오목부에서 회절된 광(24d)으로는 위상이 고르게 되기 어려워지므로, 간섭의 발생을 완화시킬 수 있다(도 12b 참조). 따라서, 본 실시형태의 고체 촬상 장치에서는, 차광막(5)에 요철을 형성하지 않은 경우에 비해 메모리부(3)에서 발생하는 노이즈를 대폭 저감시킬 수 있다. 도 11b에 나타내는 결과와 도 12b에 나타내는 결과를 비교하면, 본 실시형태의 고체 촬상 장치의 메모리부(3)에서는 15％ 이상 노이즈가 저감되는 것이 확인되었다.
차광막(5)에 형성하는 요철의 폭 Δd는, 노이즈를 억제하고자 하는 파장에 맞추어 설계하면 되고, 가시광을 관측하는 촬상 소자의 경우, 650㎚ 부근의 파장을 갖는 광에 맞추어 설계하면 된다. 본 실시형태의 고체 촬상 장치에서는, 예를 들어 Δd ＝ 100㎚로 하여도 된다. 또한, 메모리부(3)의 가장자리와 차광막(5)의 가장자리 사이의 거리를 고려하여, Δd를 50㎚ 이상 150㎚ 이하의 범위에서 설정하여도 된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 명세서에서 개시된 고체 촬상 장치에 의하면, 셀 크기가 축소된 경우에도, 고감도를 유지한 채로 광학 노이즈를 저감시킬 수 있다. 이상에서 설명한 고체 촬상 장치의 구성은, 글로벌 셔터 구조를 갖는 CMOS 이미지 센서에 적용되어도 되나, CCD 센서에 적용한 경우에도 높은 감도와 노이즈 저감을 양립시킬 수 있다.
또한, 이상에서 설명한 각 실시형태에 따른 고체 촬상 장치는 본 발명의 실시형태의 일례이며, 각 구성 부재의 형상이나 구성 재료, 크기 등은 적절히 변경 가능하다. 또한, 제 1∼제 4 실시형태에 따른 고체 촬상 장치의 구성을 각각 조합하여도 된다. 예를 들어, 제 4 실시형태에 따른 고체 촬상 장치에, 제 2 실시형태에 따른 고체 촬상 장치의 반사 방지막(13a, 13b)을 채용함으로써, 광의 간섭을 더욱 효과적으로 억제할 수 있다.
본 개시의 일례에 따른 고체 촬상 장치는, 각종 카메라나 휴대기기 등의 촬상 장치에 적용될 수 있다.
1 ： 기판 2 ： 수광부
3 ： 메모리부 4 ： 게이트부
5 ： 차광막 6 ： 배선층
7 ： 패시베이션 막 8 ： 제 1 돌기부
9 ： 온 칩 렌즈 10 ： 제 1 투명 절연막
11 ： 평탄화 막 13a, 13b ： 반사 방지막
14 ： 제 2 돌기부 17 ： 투명 재료막
20 ： 금속 배선
22, 24, 24a, 24b, 24c, 24d, 28, 122 : 광
25 ： 층간 절연막 30 ： 레지스트 마스크
112 ： 층 내 렌즈

Claims (14)

  1. 기판과,
    상기 기판 상부에 형성되며, 광전 변환시키는 복수의 수광부와,
    상기 기판 상부에, 상기 복수의 수광부마다 형성되며, 상기 복수의 수광부 각각에 의해 생성된 전하를 축적하는 메모리부와,
    상기 기판 위에 형성되며, 복수의 금속 배선이 형성된 적어도 1층의 배선층과,
    상기 복수의 수광부 바로 위이며, 상기 복수의 금속 배선 사이의 영역에, 상기 배선층을 관통하도록 형성된 제 1 투명 절연막과,
    상기 배선층 위 및 상기 제 1 투명 절연막 위를 덮으며, 상기 제 1 투명 절연막보다 높은 굴절률을 갖는 투명 보호막과,
    상기 투명 보호막 위에, 상기 복수의 수광부 각각의 상방에 위치하도록 형성되며, 사각형의 평면 형상을 갖는 기둥 모양의 제 1 돌기부와,
    상기 제 1 돌기부 위에 형성되며, 상기 제 1 돌기부보다 낮은 굴절률을 갖는 제 2 투명 절연막을 구비하는 고체 촬상 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 투명 보호막과 상기 제 1 돌기부는, 동일한 투명 재료막으로 구성되고, 상기 투명 재료막 하부는 상기 투명 보호막이 되고, 상기 투명 재료막 상부는 상기 제 1 돌기부가 되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 기판 위에는, 상기 복수의 수광부 중 하나의 수광부와, 상기 수광부에 대응하는 하나의 메모리부를 포함하는 셀이, 복수개 형성되고,
    상기 제 1 돌기부의 평면 형상의 각 변의 길이는, 상기 셀의 크기의 60％ 이상 80％ 이하인 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 기판 위에는, 상기 복수의 수광부 중 하나의 수광부와 상기 수광부에 대응하는 하나의 메모리부를 포함하는 셀이, 복수개 형성되고,
    상기 제 1 돌기부의 높이는, 상기 셀의 크기의 5％ 이상 30％ 이하인 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    제 2 투명 절연막 중, 상기 제 1 돌기부 상방에 위치하는 부분 위에 형성되며, 복수의 색 중 어느 하나에 대응된 파장의 광을 선택적으로 투과하는 컬러 필터를 추가로 구비하고,
    상기 제 1 돌기부의 평면 형상의 소정방향의 폭은, 당해 제 1 돌기부 상방에 형성된 상기 컬러 필터가 투과시키는 광의 파장이 길수록 커지는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배선층은 2층 이상 형성되고,
    상하방향으로 인접하는 상기 배선층 사이에는, 상기 제 1 투명 절연막과 동일한 재료로 구성된 층간 절연막이 형성되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 돌기부의 굴절률은, 상기 제 2 투명 절연막의 굴절률에 비해 0.3 이상 0.6 이하의 범위로 큰 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 투명 절연막은 산화실리콘계 재료로 구성되고, 상기 투명 보호막 및 상기 제 1 돌기부는, 질화실리콘계 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  9. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 돌기부를 평면에서 본 형상은, 정사각형인 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  10. 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 돌기부의 상면 및 측면을 덮는 반사 방지막을 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  11. 청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 투명 보호막의 하면 중, 상기 복수의 수광부 각각의 상방에 위치하는 영역의 일부에는, 상기 제 1 투명 절연막 안을 향하여 하방으로 돌출하는 제 2 돌기부가 형성되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 제 2 돌기부는, 하방에서 보아 창틀 모양으로 형성되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  13. 청구항 11 또는 청구항 12에 있어서,
    상기 제 2 돌기부의 깊이는, 60㎚ 이상 100㎚ 이하인 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  14. 청구항 1 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 메모리부 위에 형성되며, 상기 복수의 수광부 각각에서 생성된 전하를 상기 메모리부로 전송시키는 게이트부와,
    상기 게이트부와 상기 배선층 사이에 배치되며, 상기 복수의 수광부 각각의 상방 영역에 개구부가 형성된 차광막과,
    상기 제 2 투명 절연막 중, 상기 제 1 돌기부 상방에 위치하는 영역 위에 각각 형성된 온 칩 렌즈를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
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