KR20180127327A - 고체 촬상 소자, 및 전자 장치 - Google Patents

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Abstract

화질을 향상시킬 수 있는 이면 조사형의 고체 촬상 소자를 제공할 것. 반도체 기판과, 그 반도체 기판의 표리면 중의 일방의 면측에 형성되어 있는 유기 광전변환막과, 그 반도체 기판과 그 유기 광전변환막의 사이에 형성되어 있는 광도파로를 적어도 구비하는, 이면 조사형의 고체 촬상 소자를 제공한다.

Description

고체 촬상 소자, 및 전자 장치
본 기술은, 고체 촬상 소자, 및 전자 장치에 관한 것이다.
일반적으로, CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서나 CCD 등(Charge Coupled Device)의 고체 촬상 소자는, 디지털 스틸 카메라나 디지털 비디오 카메라 등에 널리 사용되고 있다.
근래, 고체 촬상 소자의 소형화 및 화질의 향상을 도모하기 위해 다양한 개발이 행하여지고 있다.
예를 들면, 반도체 기판의 표면측에 입사한 광을 광전변환하여 제1광전변환 신호를 생성하고, 상기 반도체 기판의 표면측에 형성된 배선층을 통하여 상기 제1광전변환 신호를 출력하는 제1 촬상 소자와, 상기 제1 촬상 소자의 상기 표면측에 적층 배치되고, 적외광을 흡수하고 가시광을 투과하는 유기 광전막을 이용하여 적외광을 광전변환하여 제2광전변환 신호를 생성하고, 상기 배선층을 통하여 상기 제2광전변환 신호를 출력하는 제2 촬상 소자와, 상기 제2 촬상 소자의 상기 제1 촬상 소자와는 반대측에 적층 배치되고, 복수의 마이크로 렌즈가 2차원형상으로 배열된 마이크로 렌즈 어레이를 구비하고,
상기 제1 촬상 소자는, 상기 마이크로 렌즈의 각각에 대응하여 마련되고, 상기 제1광전변환 신호를 출력하는 제1 화소를 여러가지며, 상기 제2 촬상 소자는, 상기 마이크로 렌즈의 각각에 대응하여 마련되고, 상기 제2광전변환 신호를 출력하는 제2 화소를 여러가지며, 상기 제2 화소는, 동분할(瞳分割) 위상차 방식에 의해 결상 광학계의 초점 조절 상태를 검출하기 위한 초점 검출 신호를 출력하는 초점 검출용의 화소이고, 상기 제2 촬상 소자와 상기 제1 촬상 소자의 사이에는, 상기 제2 촬상 소자의 상기 제2 화소를 투과한 가시광을 상기 제1 촬상 소자의 상기 제1 화소에 도광하는 광도파로가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 촬상 장치가 제안되어 있다(특허 문헌 1을 참조).
특허 문헌 1에 제안된 기술에 의하면, 광도파로가 제1 촬상 소자와 제2 촬상 소자와의 사이에서 형성되어 있다.
특허 문헌 1 : 특개2015-162562호 공보
그렇지만, 특허 문헌 1에 제안된 기술은, 이른바 표면 조사형의 촬상 소자이고, 광도파로는, 배선층과 동일한 위치(동일층)에 형성(적층)되어 있기 때문에, 화질이 저하되어, 화질의 향상을 도모할 수 없을 우려가 있다.
그래서, 본 기술은, 이와 같은 상황을 감안하여 이루어진 것으로, 화질을 향상시킬 수 있는 이면 조사형의 고체 촬상 소자, 및 이면 조사형의 고체 촬상 소자를 탑재한 전자 장치를 제공하는 것을 주목적으로 한다.
본 발명자들은, 상술한 목적을 해결하기 위해 예의 연구를 행한 결과, 반도체 기판과 유기 광전변환막의 사이에 광도파로를 형성시킴에 의해, 화질을 비약적으로 향상시키는 것에 성공하여, 본 기술을 완성하는데 이르렀다.
즉, 본 기술에서는, 우선, 반도체 기판과, 그 반도체 기판의 표리면 중의 일방의 면측에 형성되어 있는 유기 광전변환막과, 그 반도체 기판과 그 유기 광전변환막의 사이에 형성되어 있는 광도파로를 적어도 구비하는, 이면 조사형의 고체 촬상 소자를 제공한다.
상기 유기 광전변환막의 하부에 마련된 하부 전극과, 상기 유기 광전변환막의 광전변환에 의해 변환된 전하를 상기 반도체 기판의 표리면 중의 타방의 면측에 전송하기 위한 상기 반도체 기판을 관통하는 관통 전극을 구비하고, 그 하부 전극과 그 관통 전극이 접속되어 있어도 좋다.
또한, 상기 유기 광전변환막의 하부에 마련된 하부 전극과, 상기 유기 광전변환막의 광전변환에 의해 변환된 전하를 상기 반도체 기판의 표리면 중의 타방의 면측에 전송하기 위한 상기 반도체 기판을 관통하는 관통 전극과, 그 하부 전극과 그 관통 전극을 접속하는 적어도 하나의 배선층을 구비하고 있어도 좋다.
상기 반도체 기판은 제1의 포토 다이오드를 구비하고 있고, 상기 유기 광전변환막에 의해 광전변환되지 않은 입사광의 적어도 일부의 광이 그 제1의 포토 다이오드에 의해 광전변환되어도 좋다.
상기 반도체 기판은 제2의 포토 다이오드를 구비하고 있고, 그 제2의 포토 다이오드가, 상기 제1의 포토 다이오드와 상기 반도체 기판의 표리면 중의 타방의 면의 사이에 마련되고, 상기 유기 광전변환막 및 상기 제1의 포토 다이오드에 의해 광전변환되지 않은 입사광의 적어도 1부의 광은 그 제2의 포토 다이오드에 의해 광전변환되어도 좋다.
상기 반도체 기판과 상기 유기 광전변환막의 사이에 형성되어 있는 제1의 절연막을 또한 구비하고 있어도 좋다.
또한, 상기 광도파로와 상기 제1의 절연막이 수직 방향으로 분리되어 있어도 좋다.
또한, 상기 광도파로의 굴절률이, 상기 제1의 절연막의 굴절률보다도 터도 좋다.
또한, 상기 광도파로가 SiN을 포함하고, 상기 광도파로의 굴절률이 1.8∼2.1이고, 상기 제1의 절연막이 SiO를 포함하고, 상기 제1의 절연막의 굴절률이 1.3∼1.5여도 좋다.
상기 광도파로가 저유전률 재료로 형성되어 있어도 좋다.
또한, 종방향 분광은 2층 또는 3층이라도 좋다.
또한, 상기 반도체 기판부터 상기 유기 광전변환막까지의 두께가 1㎛ 이하라도 좋다.
또한, 상기 광도파로가 유기막을 포함하여도 좋다.
또한, 상기 광도파로의 하부에 형성되어 있는 제2의 절연막을 또한 구비하여도 좋다.
또한, 상기 광도파로의 하부에 형성되어 있는 저유전률 재료층을 또한 구비하여도 좋다.
또한, 상기 유기 광전변환막과 상기 광도파로와의 사이에 형성되어 있는 이너 렌즈를 또한 구비하여도 좋다.
제1의 하부 전극과, 그 제1의 하부 전극과 접속되고, 그 제1의 하부 전극보다 하측에 형성되어 있는 제2의 하부 전극과, 그 제1의 하부 전극과 그 제2의 하부 전극을 접속하는 비아와, 그 제2의 하부 전극보다 하측에 형성되어 있는 포토 다이오드를 또한 구비하고, 화각 중심의 그 포토 다이오드의 중심과 그 비아의 중심과의 제1의 거리와, 화각단(畵角端)의 그 포토 다이오드의 중심과 그 비아의 중심과의 제2의 거리는 달라도 좋다.
또한, 본 기술에서는, 이면 조사형의 고체 촬상 소자가 탑재된 전자 장치에 있어서, 그 이면 조사형의 고체 촬상 소자가, 반도체 기판과, 그 반도체 기판의 표리면 중의 일방의 면측에 형성되어 있는 유기 광전변환막과, 그 반도체 기판과 그 유기 광전변환막의 사이에 형성되어 있는 광도파로를 적어도 구비하는, 전자 장치를 제공한다.
본 기술에 의하면, 화질을 향상시킬 수 있다. 또한, 여기에 기재된 효과는, 반드시 한정되는 것이 아니고, 본 기술 중에 기재된 어느 하나의 효과라도 좋다.
도 1은 본 기술을 적용한 제1의 실시 형태의 이면 조사형의 고체 촬상 소자의 구성례를 도시하는 단면도.
도 2는 본 기술을 적용한 제1의 실시 형태의 이면 조사형의 고체 촬상 소자의 구성례를 도시하는 평면도.
도 3은 광도파로를 설명하기 위한 도면.
도 4는 도 1의 부분 확대도.
도 5는 본 기술을 적용한 제1의 실시 형태의 이면 조사형의 고체 촬상 소자의 구성례를 도시하는 평면도.
도 6은 본 기술을 적용한 제1의 실시 형태의 이면 조사형의 고체 촬상 소자의 구성례를 도시하는 평면도.
도 7은 본 기술을 적용한 제1의 실시 형태의 이면 조사형의 고체 촬상 소자의 구성례를 도시하는 평면도.
도 8은 본 기술을 적용한 제1의 실시 형태의 이면 조사형의 고체 촬상 소자의 구성례를 도시하는 평면도.
도 9는 본 기술을 적용한 제2의 실시 형태의 이면 조사형의 고체 촬상 소자의 구성례를 도시하는 단면도.
도 10은 본 기술을 적용한 제2의 실시 형태의 이면 조사형의 고체 촬상 소자의 구성례를 도시하는 평면도.
도 11은 본 기술을 적용한 제3의 실시 형태의 이면 조사형의 고체 촬상 소자의 구성례를 도시하는 단면도.
도 12는 본 기술을 적용한 제3의 실시 형태의 이면 조사형의 고체 촬상 소자의 구성례를 도시하는 평면도.
도 13은 본 기술을 적용한 제4의 실시 형태의 이면 조사형의 고체 촬상 소자의 구성례를 도시하는 단면도.
도 14는 본 기술을 적용한 제4의 실시 형태의 이면 조사형의 고체 촬상 소자의 구성례를 도시하는 평면도.
도 15는 본 기술을 적용한 제5의 실시 형태의 이면 조사형의 고체 촬상 소자의 구성례를 도시하는 단면도.
도 16은 본 기술을 적용한 제5의 실시 형태의 이면 조사형의 고체 촬상 소자의 구성례를 도시하는 평면도.
도 17은 본 기술을 적용한 제5의 실시 형태의 이면 조사형의 고체 촬상 소자의 구성례를 도시하는 단면도.
도 18은 본 기술을 적용한 제5의 실시 형태의 이면 조사형의 고체 촬상 소자의 구성례를 도시하는 평면도.
도 19는 본 기술을 적용한 제1∼제5의 실시 형태의 이면 조사형의 고체 촬상 소자의 사용례를 도시하는 도면.
이하, 본 기술을 실시하기 위한 알맞은 형태에 관해 설명한다. 이하에 설명하는 실시 형태는, 본 기술의 대표적인 실시 형태의 한 예를 나타낸 것이고, 이에 의해 본 기술의 범위가 좁게 해석되는 일은 없다.
또한, 설명은 이하의 순서로 행한다.
1. 제1의 실시 형태(이면 조사형의 고체 촬상 소자)
2. 제2의 실시 형태(이면 조사형의 고체 촬상 소자)
3. 제3의 실시 형태(이면 조사형의 고체 촬상 소자)
4. 제4의 실시 형태(이면 조사형의 고체 촬상 소자)
5. 제5의 실시 형태(이면 조사형의 고체 촬상 소자)
6. 제6의 실시 형태(전자 장치)
7. 본 기술을 적용한 이면 조사형의 고체 촬상 소자의 사용례
<1. 제1의 실시 형태(이면 조사형의 고체 촬상 소자)>
본 기술에 관한 제1의 실시 형태의 이면 조사형의 고체 촬상 소자는, 반도체 기판과, 반도체 기판의 표리면 중의 일방의 면측에 형성되어 있는 유기 광전변환막과, 반도체 기판과 유기 광전변환막의 사이에 형성되어 있는 광도파로를 적어도 구비하는, 이면 조사형의 고체 촬상 소자이다.
도 1∼8에 본 기술에 관한 제1의 실시 형태의 이면 조사형의 고체 촬상 소자(1)(도 1∼8 중에서는 고체 촬상 소자(1-1)이다.)를 도시한다.
고체 촬상 소자(1-1)는, 반도체 기판(10)과, 반도체 기판(10)의 표리면 중의 일방의 면측에 형성되어 있는 유기 광전변환막(11)과, 반도체 기판(10)과 유기 광전변환막(11)의 사이에 형성되어 있는 광도파로(12)를 적어도 구비한다.
고체 촬상 소자(1-1)는, 또한, 제1의 절연막(16)(16-1)을 구비하고, 광도파로(12)와 제1의 절연막(16-1)은 수직 방향(도 1 중의 상하 방향)으로 분리되어 있다. 제1의 절연막(16-1)은, 예를 들면, 실리콘산화막, TEOS 등의 절연성을 갖는 유전체를 채용할 수 있다.
도 1은, 광 입사측에서 본 도 2의 평면도로 도시되는 이면 조사형의 고체 촬상 소자(1-1)의 A-A'선에 따라 절단한 단면도(A-A'(R열))와 B-B'선에 따라 절단한 단면도(B-B'(B열))를 좌우로 병렬한 도면이고, 고체 촬상 소자(1-1)의 4화소분의 화소(2)(화소(2-1∼2-4))를 도시한다.
도 3은, 도 1의 부분 확대도이고, 광도파로(12)를 설명하기 위한 도면이다. 광도파로(12)는, 촬상면에 대해 다양한 각도로 입사되는 광을, 광도파로(12)의 굴절률과 제1의 절연막(16-1)의 굴절률 차를 이용하여, 광도파로(12)와 제1의 절연막(16-1)과의 계면에서 광을 반사시킬 수 있다. 따라서 광도파로(12)는, 인접 화소로의 광의 침입을 방지할 수 있다.
본 기술에 관한 제1의 실시 형태의 이면 조사형의 고체 촬상 소자(1-1)에 광도파로(12)가 형성됨으로써, 상기한 바와 같이, 광도파로(12)와 제1의 절연막(16-1)과의 계면의 반사에 의해 인접 화소로의 광의 침입이 방지되기 때문에, 화질의 향상 효과, 특히 감도나, 셰이딩이나, 혼색의 개선의 효과가 이루어진다. 유기 광전변환막을 이용한 종래의 고체 촬상 소자는, 반도체 기판(10)과 유기 광전변환막(11) 사이의 거리를 크게 하면, 예를 들면 화소에의 입사광이 비스듬하게 입사하는 경우에는, 혼색이나 셰이딩이 발생하기 쉽다. 이 때문에, 종래의 고체 촬상 소자는, 반도체 기판(10)과 유기 광전변환막(11) 사이의 거리를 작게 하는 편이, 혼색이나 셰이딩을 저감하는 관점에서 바람직하다. 한편, 유기 광전변환막을 이용한 종래의 고체 촬상 소자는, 반도체 기판(10)과 유기 광전변환막(11) 사이의 거리를 작게 하면, 유기 광전변환막부터 신호 전하를 판독하는 하부 전극에 붙는 기생 용량이 커진다. 이 기생 용량이 증가하면, 유기 광전변환막(11)으로부터 신호 전하를 판독한 때에, 얻어지는 신호가 작아진다. 이 때문에 종래의 고체 촬상 소자는, 유기 광전변환막으로부터 판독하는 신호의 시그널 노이즈비(S/N비)가 저하되어 버린다. 이에 대해, 제1의 실시 형태의 이면 조사형의 고체 촬상 소자(1-1)는, 반도체 기판(10)과 유기 광전변환막(11)의 사이에 광도파로(12)가 형성되어 있다. 이에 의해 감도나, 셰이딩이나, 혼색의 개선의 효과가 이루어지기 때문에, 반도체 기판(10)으로부터 유기 광전변환막(11)과의 사이를 박막화할 필요가 없고, 즉 후막화할 수 있다. 그리고, 반도체 기판(10)으로부터 유기 광전변환막(11)과의 사이를 후막화함에 의해, 반도체 기판(10)과 유기 광전변환(11)용의 하부 전극(14)과의 용량 저감이 가능해저서, 변환 효율 저하나, 랜덤 노이즈(RN)의 악화가 방지될 수 있다.
나아가서는, 본 기술에 관한 제1의 실시 형태의 이면 조사형의 고체 촬상 소자(1-1)에 광도파로(12)가 도입됨에 의해, 본 기술에 관한 제1의 실시 형태의 이면 조사형의 고체 촬상 소자(1-1)는, 감도, 셰이딩 및 혼색의 개선의 효과와, 변환 효율 저하 및 랜덤 노이즈(RN)의 악화의 방지 효과를 양립할 수 있다.
도 4는, 도 1의 좌측에 도시되는 A-A'선에 따라 절단한 단면도(A-A'(R열))의 확대도이다. 도 5는, 도 4에 도시되는 동일층인 하부 전극(14), 실드 전극(21) 및 배선층(19-1)에 관해, 고체 촬상 소자(1-1)의 4화소분의 평면 레이아웃을 도시하는 도면이다. 도 6은, 도 4에 도시되는 동일층인 비아(20-1) 및 비아(20-2)에 관해, 고체 촬상 소자(1-1)의 4화소분의 평면 레이아웃을 도시하는 도면이다. 도 7은, 도 4에 도시되는 동일층인 배선층(19-2) 및 배선층(19-4)에 관해, 고체 촬상 소자(1-1)의 4화소분의 평면 레이아웃을 도시하는 도면이다. 도 8은, 도 4에 도시되는 좌측의 관통 전극(15)의 상부 및 우측의 관통 전극의 상부(단, 좌측의 관통 전극(15)의 상부 및 우측의 관통 전극의 상부는 동일한 높이이다.)에 관해, 고체 촬상 소자(1-1)의 4화소분의 평면 레이아웃을 도시하는 도면이다. 도 4와 도 5 내지
도 8에서, 같은 구성물에는 같은 부호를 붙여서 있다.
도 4∼도 8을 참조한다. 고체 촬상 소자(1-1)는, 유기 광전변환막(11)의 하부에 마련된 하부 전극(14)과, 유기 광전변환막(11)의 광전변환에 의해 변환된 전하를 반도체 기판(10)의 표리면 중의 타방의 면측에 전송하기 위한 반도체 기판(10)을 관통하는 관통 전극(15)(도 2의 우측의 관통 전극)과, 하부 전극(14)과 관통 전극(15)을 접속하는 배선층(19-4)을 구비하고 있다. 배선층(19-4)과, 하부 전극(14)은 비아(20-2)를 통하여 접속되어 있다. 하부 전극(14)과 관통 전극(15)(도 2의 우측의 관통 전극)은 하나의 배선층(19-4)으로 접속되어 있다. 배선층(19-4)은 후술하는 동보정용의 배선(제2의 하부 전극)으로서 사용되어도 좋고, 그 경우, 배선층(19-4)을, 동보정량(瞳補正量)에 응하여 연재(延在)시켜도 좋다. 하부 전극(14), 비아(20-2), 및 배선층(19-4)은, 예를 들면, 산화인듐주석막, 산화인듐아연막 등의 투명 도전막 등이면 좋다. 또한, 관통 전극(15)(도 2의 우측의 관통 전극)과, 배선층(19-4), 비아(20-2) 및 하부 전극(14)은 스퍼터링법 또는 화학 증착법(CVD)에 의해 형성할 수 있다.
관통 전극(15)(도 2의 우측의 관통 전극)은, 지름이 일정한 도전체로 형성되어 있어도 좋고, 도전체로서는, 예를 들면 PDAS(Phosphorus Doped Amorphous Silicon) 등의 도프된 실리콘 재료외, 알루미늄, 텅스텐, 티탄, 코발트, 하프늄, 탄탈 등의 금속재료를 채용할 수 있다.
하부 전극(14)과 관통 전극(15)(도 2의 우측의 관통 전극)은 복수의 배선층으로 접속되어 있어도 좋다. 하부 전극(14)과 관통 전극(15)(도 2의 우측의 관통 전극)이, 단층의 배선층 또는 복수의 배선층에서 접속함에 의해, 반도체 기판(10)부터 유기 광전변환막(11)까지의 두께를 후막화하여, 하부 전극(14)과 반도체 기판(10)을 멀리함에 의해, 대지(對地) 용량을 저감하여, 변환 효율 저하나 랜덤 노이즈(RN)의 악화를 방지할 수 있다. 반도체 기판(10)부터 유기 광전변환막(11)까지의 두께를 후막화한 분(分)은 광도파로(12)에 의해 인접 화소로의 광의 침입을 방지할 수 있기 때문에, 감도, 셰이딩 및 혼색의 개선을 할 수 있다. 특히, 감도, 셰이딩 및 혼색의 개선의 효과와, 변환 효율 저하 및 랜덤 노이즈(RN)의 악화의 방지 효과가 양립될 수 있다.
또한, 제1의 실시 형태의 고체 촬상 소자(1)는, 도 2에 기재된 4화소를 반복 단위로 하여, 또한 도 4에 기재된 관통 전극(15)이 여백 부분이 되도록 맞겹치면서, 도 2에 기재된 4화소를 2차원형상이 되는 행방향과 열방향의 각각으로 복수개 배열하여 화소 어레이를 형성하고 있다. 이 때문에, 도 2 내의 A-A'선상의 좌측에 기재된 관통 전극(15)은, 화소 어레이에서 도 2의 좌측에 배치되는 다른 4화소에서의 우상(右上)의 화소의 하부 전극(14)에 접속된 관통 전극이 된다. 마찬가지로, 도 4 내의 좌측에 기재된 관통 전극(15), 배선층(19-2), 비아(20-1), 배선층(19-1)도, 도 4의 좌(左)에 배치된 다른 화소의 하부 전극(14)에 접속된다.
실드 전극(21)은 하부 전극(14) 및 배선층(19-1)과 동일층에 형성되어 있고, 실드 전극(21)은 투명 전극이 된다. 배선층(19-3)은 배선층(19-2) 및 배선층(19-4)과 동일한 층에 형성되어 있고, 배선층(19-3)은 금속재료로 형성되어 있고, 화소 사이의 차광 효과를 갖는다. 배선층(19-3)은, 실 전극(21)으로부터의 신호를 배출하는 배선이라도 좋다.
고체 촬상 소자(1-1)는, 유기 광전변환막(11)의 하부에 마련된 하부 전극(14)과, 유기 광전변환막(11)의 광전변환에 의해 변환된 전하를 반도체 기판(10)의 표리면 중의 타방의 면측에 전송하기 위한 반도체 기판(10)을 관통하는 관통 전극(15)을 구비하고, 하부 전극(14)과 관통 전극(15)(도 2의 우측의 관통 전극)이 접속되어 있어도 좋다. 이 경우, 하부 전극(14)과 관통 전극(15)(도 2의 우측의 관통 전극)은, 배선층을 통하지 않고서 직접 접속되어 있다.
관통 전극(15)(도 2의 우측의 관통 전극)은, 유기 광전변환막(11)으로의 방향(도 2 중의 상방향)으로 길게 늘려져서, 반도체 기판(10)부터 유기 광전변환막(11)까지의 두께를 후막화하여, 하부 전극(14)과 반도체 기판(10)을 멀리함에 의해, 대지 용량을 저감하여, 변환 효율 저하나 랜덤 노이즈(RN)의 악화를 방지할 수 있다.
도 1에 도시되는 화소(2)(2-1∼2-4)에서는, 반도체 기판(10)에, 포토 다이오드(부도시) 및 전하 유지부(부도시)가 형성되고, 반도체 기판(10)의 실리콘(Si)층에 매입된다. 또한, 반도체 기판(10)상에는, 광도파로(12)(12-1∼12-4) 및 유기 광전변환막(11)의 순서로 적층되고, 또한, 보호막(17), 컬러 필터(3)(3-1∼3-4), 온 칩 렌즈(18)(18-1∼18-4)가 이 순서로 적층되어 있다. 유기 광전변환막(11)은 그 상하 양면을 상부 전극(13)과 하부 전극(14)으로 끼여져 있다. 상부 전극(13)은, 예를 들면, 산화인듐주석막, 산화인듐아연막 등의 투명 도전막 등으로 형성된다.
또한, 화소(2)(2-1∼2-4) 중, 화소(2-1)에는, 광이 입사하는 측에 대해, 유기 광전변환막(11)의 상측에 엘로(Ye) 컬러 필터(3-1)가 형성되고, 화소(2-2)에는, 광이 입사하는 측에 대해, 유기 광전변환막(11)의 상측에 화이트(W) 컬러 필터(3-2)가 형성되고, 화소(2-3)에는, 광이 입사하는 측에 대해, 유기 광전변환막(11)의 상측에 시안(Cy) 컬러 필터(3-3)가 형성되고, 화소(2-4)에는, 광이 입사하는 측에 대해, 유기 광전변환막(11)의 상측에 화이트(W) 컬러 필터(3-4)가 형성된다.
여기서는, 색의 조합으로서, 유기 광전변환막(11)을 녹색(G)용, 화소(2-1)의 포토 다이오드(부도시)를 적색(R)용, 화소(2-2)의 포토 다이오드(부도시)를 마젠타색(M=R+B)용, 화소(2-3)의 포토 다이오드(부도시)를 청색(B)용 및 화소(2-4)의 포토 다이오드(부도시)를 마젠타색(M=R+B)용으로 할 수 있지만, 그 밖의 임의의 색의 조합도 가능하다. 예를 들면, 유기 광전변환막(11)을 청색(B)용 또는 적색(R)용으로 할 수 있다. 그 경우, 화소(2-1∼2-4)의 4개의 포토 다이오드의 각각은, 유기 광전변환막(11)이 청색(B)용 또는 적색(R)용에 응하여, 4개의 포토 다이오드의 색의 용도를 설정할 수 있다. 이 경우, 색에 응하여 4개의 포토 다이오드의 깊이 방향의 위치가 설정된다.
유기 광전변환막(11) 및 포토 다이오드에 의해, 화소(2)(2-1∼2-4)에 생성된 신호 전하는, 복수의 화소 트랜지스터로 이루어지는 판독부에 의해 판독되고, 신호 처리부에 의해 처리됨으로써 화상 데이터로서 출력된다.
광도파로(12)의 굴절률은, 제1의 절연막(16-1)의 굴절률보다도 큰 것이 바람직하다. 이 바람직한 양태에 의해, 광도파로(12)와 제1의 절연막(16-1)과의 계면의 반사에 의해 인접 화소로의 광의 침입을 더욱 효과적으로 방지할 수 있다.
광도파로(12)가 SiN을 포함하고, 광도파로(12)의 굴절률이 1.8∼2.1이고, 제1의 절연막(16-1)이 SiO를 포함하고, 제1의 절연막(16-1)의 굴절률이 1.3∼1.5인 것이 바람직하다. 이 바람직한 양태에 의해, 광도파로(12)와 제1의 절연막(16-1)과의 계면의 반사에 의해 인접 화소로의 광의 침입을 더욱 효과적으로 방지할 수 있다.
광도파로(12)는 특히 한정되는 일 없이, 임의의 재료로 형성되어도 좋지만, 저유전률 재료로 형성되어도 좋다. 광도파로(12)의 재료로서, 저유전률 재료를 사용한 경우에는, 용량을 더욱 저감할 수 있다. 이 더한층의 용량 저감분을 저배화(低背化)로 돌릴 수 있기 때문에, 감도나, 혼색이나, 셰이딩의 개선의 효과가 더욱 이루어진다. 저유전률 재료의 굴절률은, 제1의 절연막(16-1)의 굴절률보다 크고, 1.6∼1.8인 것이 바람직하다. 저유전률 재료의 유전률은, 특히 한정되지 않지만, 3,4∼3.6인 것이 바람직하다.
저유전률 재료는, 특히 한정되지 않지만, 예를 들면, SiOC막이나 SiOCH막 등의 투명 재료 등을 들 수 있다.
고체 촬상 소자(1-1)는, 예를 들면, 한 화소 내에 유기 광전변환막(11)과 포토 다이오드(부도시)가 반도체 기판(10)의 두께 방향으로 적층되고, 서로 다른 파장역의 광(예를 들면, B광, G광, R광 등)을 선택적으로 검출하여 광전변환을 행하는, 이른바 종방향 분광형의 것이라도 좋고, 종방향 분광은 2층 또는 3층인 것이 바람직하다.
반도체 기판(10)부터 유기 광전변환막(11)까지의 두께는, 특히 한정되지 않고 임의의 두께라도 좋지만, 1㎛ 이하인 것이 바람직하다.
또한, 반도체 기판(10)부터 유기 광전변환막(11)까지의 두께는, 용량을 저감시키는 관점에서는, 특히 한정되지 않지만, 2.0㎛ 정도의 셀 사이즈의 경우는 300㎚ 이상인 것이 바람직하고, 1.4㎛ 정도의 셀 사이즈의 경우는 500㎚ 이상인 것이 바람직하다. 또한, 동보정이 필요해지는 관점에서는, 반도체 기판(10)부터 유기 광전변환막(11)까지의 두께는 특히 한정되지 않지만, 100㎚ 이상인 경우에 동보정을 하여도 좋다.
광도파로(12)는 유기막을 포함하여도 좋다. 유기막의 굴절률은, 특히 한정되지 않지만, 1.5∼1.7인 것이 바람직하다. 유기막의 유전률은, 특히 한정되지 않지만, 3.4∼3.6인 것이 바람직하다.
광도파로(12)는, 공지의 방법으로 제조할 수 있다. 예를 들면, 절연막(16)을 평탄하게 형성한 후, 광도파로(12)로 되는 부분을, 구멍형상(穴狀)(또는 원주형상 또는 원추대형상(圓錐臺狀))으로 파들어간다. 파들어간 구멍에, 절연막보다도 굴절률이 큰 재료를, 구멍에 매입한다. 그 굴절률이 큰 재료를 매입한 구멍형상(또는 원주형상 또는 원추대형상)의 부분이, 광도파로(12)가 된다.
또한, 도시하지 않지만, 반도체 기판(10)(실리콘)의 내부의 포토 다이오드는, 2층구조로 되어 있어도 좋다. 그 경우, 광 입사측부터 차례로(도 1 중의 위에서 아래에), 유기 광전변환막(11), 반도체 기판(10)에 구비되는 제1의 포토 다이오드 및 제2의 포토 다이오드, 및 배선층(도 1 중의 최하부의 3개의 배선층)이 배치되고, 입사광 중 녹색의 광이 유기 광전변환막에 의해 광전변환되고, 2층 구조의 상층(유기 광전변환막측의 층)의 제1의 포토 다이오드에 의해 청색의 광이 광전변환되고, 2층 구조의 하층(배선층측이고, 제1 포토 다이오드와 배선층이 형성되어 있는 반도체 기반(10)의 타방의 면의 사이에 배치된 층)의 제2의 포토 다이오드에 의해 적색의 광이 광전변환되도록 구성되어도 좋다. 또한, 그 경우는, 컬러 필터를 마련하지 않아도 좋다.
본 기술에 관한 제1의 실시 형태의 고체 촬상 소자(1-1)는, 벌크 실리콘 포토 다이오드(부도시)의 수광량을 크게 할 수 있는, 이면 조사 형이다. 그러나, 이면 조사형의 고체 촬상 소자(1-1)는, 유기 광전변환막(11)의 하부 전극(14)의 전하를 판독하기 위해, 반도체 기판(10)(실리콘 기판)을 관통하는 관통 전극(15)을, 하부 전극(14)의 전하 판독 경로에 구비할 필요가 있다. 이 때문에, 유기 광전변환막(11)과 벌크 실리콘 포토 다이오드를 이용한 이면 조사형의 고체 촬상 소자(1-1)를, 광전변환막과 벌크 실리콘 포토 다이오드를 이용한 표면 조사형 고체 촬상 소자와 비교하면, 이면 조사형의 고체 촬상 소자(1-1)의 쪽이 유기 광전변환막의 하부 전극(14)의 기생 용량이 크고, 이에 의해 하부 전극(14)의 신호 전하를 판독할 때의 신호가 작고, 이에 의해 판독된 신호의 S/N이 나빠질 가능성이 있다. 이면 조사형의 고체 촬상 소자(1-1)를, 표면 조사형의 고체 촬상 소자와 비교하면, 본 기술에 관한 제1의 실시 형태의 고체 촬상 소자(1-1)의 구조는, 벌크 실리콘 포토 다이오드를 이면 조사형으로 함으로써 벌크 실리콘 포토 다이오드의 수광량을 크게 하면서 광도파로(12)를 이용하여 유기 광전변환막(11)으로부터의 신호의 S/N을 크게 한다는 작용 효과를 가져온다.
<2. 제2의 실시 형태(이면 조사형의 고체 촬상 소자)>
본 기술에 관한 제2의 실시 형태의 이면 조사형의 고체 촬상 소자는, 반도체 기판과, 반도체 기판의 표리면 중의 일방의 면측에 형성되어 있는 유기 광전변환막과, 반도체 기판과 유기 광전변환막의 사이에 형성되어 있는 광도파로를 적어도 구비하고, 광도파로의 하부에 형성되어 있는 제2의 절연막을 또한 구비하는, 이면 조사형의 고체 촬상 소자이다.
도 9∼도 10에 본 기술에 관한 제2의 실시 형태의 이면 조사형의 고체 촬상 소자(1)(도 9∼도 10 중에서는 고체 촬상 소자(1-2)이다.)를 도시한다.
고체 촬상 소자(1-2)는, 반도체 기판(10)과, 반도체 기판의 일방의 면측에 형성되어 있는 유기 광전변환막(11)과, 반도체 기판(10)과 유기 광전변환막(11)의 사이에 형성되어 있는 광도파로(12)와, 제1의 절연막(16-1)을 구비하고, 광도파로(12)와 제1의 절연막(16-1)은 수직 방향(도 9의 상하 방향)으로 분리되고, 광도파로(12)의 하부에 형성되어 있는 제2의 절연막(16-2)을 또한 구비한다.
제2의 절연막(16-2)은, 예를 들면 실리콘산화막, TEOS, 실리콘질화막, 실리콘산질화막 등의 절연성을 갖는 유전체를 채용할 수 있다.
도 9는, 광 입사측에서 본 도 10의 평면도로 도시되는 이면 조사형의 고체 촬상 소자(1-2)의 A-A'선에 따라 절단한 단면도(A-A'(R열))와 B-B'선에 따라 절단한 단면도(B-B'(B열))를 좌우로 병렬한 도면이고, 고체 촬상 소자(1-2)의 4화소분의 화소(2)(화소(2-1∼2-4))를 도시한다.
도 9를 참조하면, 광도파로(12)와 반도체 기판(10)을 제2의 절연막(16-2)으로 분리함에 의해, 광도파로(12)(예를 들면, SIN)의 고정전화(固定電化)에 의한 피닝 어긋남으로 백점(白点) 악화를 막을 수 있다.
고체 촬상 소자(1-2)의 화소(2)(화소(2-1∼2-4))의 내용에 관해서는, 상기에서 기술한, 제1의 실시 형태의 이면 조사형의 고체 촬상 소자(1-1)의 화소(2)(화소(2-1∼2-4))의 내용과 마찬가지이다.
<3. 제3의 실시 형태(이면 조사형의 고체 촬상 소자)>
본 기술에 관한 제3의 실시 형태의 이면 조사형의 고체 촬상 소자는, 반도체 기판과, 반도체 기판의 표리면 중의 일방의 면측에 형성되어 있는 유기 광전변환막과, 반도체 기판과 유기 광전변환막의 사이에 형성되어 있는 광도파로를 적어도 구비하고, 광도파로의 하부에 형성되어 있는 저유전률 재료층을 또한 구비하는, 이면 조사형의 고체 촬상 소자이다.
도 11∼도 12에 본 기술에 관한 제3의 실시 형태의 이면 조사형의 고체 촬상 소자(1)(도 11∼도 12 중에서는 고체 촬상 소자(1-3)이다.)를 도시한다. 고체 촬상 소자(1-3)는, 반도체 기판(10)과, 반도체 기판의 일방의 면측에 형성되어 있는 유기 광전변환막(11)과, 반도체 기판(10)과 유기 광전변환막(11)의 사이에 형성되어 있는 광도파로(12)와, 제1의 절연막(16-1)과 제2의 절연막(16-2)을 구비하고, 광도파로(12)와 제1의 절연막(16-1)은 수직 방향(도 11의 상하 방향)으로 분리되고, 제2의 절연막(16-2)은 광도파로(12)의 하부에 형성되고, 광도파로(12)와 제2의 절연막(16-2)의 사이에 형성되어 있는 저유전률 재료층(22)을 또한 구비한다.
도 11은, 광 입사측에서 본 도 12의 평면도로 도시되는 이면 조사형의 고체 촬상 소자(1-3)의 A-A'선에 따라 절단한 단면도(A-A'(R열))와 B-B'선에 따라 절단한 단면도(B-B'(B열))를 좌우로 병렬한 도면이고, 고체 촬상 소자(1-3)의 4화소분의 화소(2)(화소(2-1∼2-4))를 도시한다.
광도파로(12)와 제2의 절연막(16-2)의 사이에 저유전률 재료층(22)을 형성시킴으로써, 용량을 더욱 저감할 수 있다. 이 더한층의 용량 저감분을 저배화에 돌릴 수 있기 때문에, 화질의 더한층의 향상 효과, 특히 감도나, 혼색이나, 셰이딩의 개선의 효과가 더욱 이루어진다.
저유전률 재료층(22)은, 저유전률 재료를 포함하는 층이라도 좋고, 또는 저유전률 재료로 이루어지는 층이라도 좋다. 저유전률 재료의 굴절률은, 특히 한정되지 않지만, 1.6∼1.8인 것이 바람직하다. 저유전률 재료의 유전률은, 특히 한정되지 않지만, 3,4∼3.6인 것이 바람직하다.
저유전률 재료는, 특히 한정되지 않지만, 예를 들면, SiOC막이나 SiOCH막 등의 투명 재료 등을 들 수 있다.
고체 촬상 소자(1-3)의 화소(2)(화소(2-1∼2-4))의 내용에 관해서는, 상기에서 기술한, 제1의 실시 형태의 이면 조사형의 고체 촬상 소자(1-1)의 화소(2)(화소(2-1∼2-4))의 내용과 마찬가지이다.
<4. 제4의 실시 형태(이면 조사형의 고체 촬상 소자)>
본 기술에 관한 제4의 실시 형태의 이면 조사형의 고체 촬상 소자는, 반도체 기판과, 반도체 기판의 표리면 중의 일방의 면측에 형성되어 있는 유기 광전변환막과, 반도체 기판과 유기 광전변환막의 사이에 형성되어 있는 광도파로를 적어도 구비하고, 유기 광전변환막과 광도파로와의 사이에 형성되어 있는 이너 렌즈를 또한 구비하는, 이면 조사형의 고체 촬상 소자이다.
도 13∼도 14에 본 기술에 관한 제4의 실시 형태의 이면 조사형의 고체 촬상 소자(1)(도 13∼도 14 중에서는 고체 촬상 소자(1-4)이다.)를 도시한다.
고체 촬상 소자(1-4)는, 반도체 기판(10)과, 반도체 기판의 일방의 면측에 형성되어 있는 유기 광전변환막(11)과, 반도체 기판(10)과 유기 광전변환막(11)의 사이에 형성되어 있는 광도파로(12)와, 제1의 절연막(16-1)과 제2의 절연막(16-2)을 구비하고, 광도파로(12)와 제1의 절연막(16-1)은 수직 방향(도 13의 상하 방향)으로 분리되고, 또한, 제1의 절연막(16-1)은 광도파로(12)의 상부에도 형성되고, 또한 제2의 절연막(16-2)은 광도파로(12)의 하부에 형성되고, 유기 광전변환막(11)(및 제1의 절연막(16-1))과 광도파로(12)의 사이에 형성되어 있는 이너 렌즈(23)(23-1∼23-4)를 또한 구비한다.
도 13은, 광 입사측에서 본 도 14의 평면도로 도시되는 이면 조사형의 고체 촬상 소자(1-4)의 A-A'선에 따라 절단한 단면도(A-A'(R열))와 B-B'선에 따라 절단한 단면도(B-B'(B열))를 좌우로 병렬한 도면이고, 고체 촬상 소자(1-4)의 4화소분의 화소(2)(화소(2-1∼2-4))를 도시한다.
유기 광전변환막(11)과 광도파로(12)의 사이, 즉, 제1의 절연막(16-1)과 광도파로(12)와의 사이에 이너 렌즈(23)(23-1∼23-4)를 삽입함에 의해, 온 칩 렌즈(18)(18-1∼18-4)로부터의 광을, 화소(2-1∼2-4)의 각각의 화소마다. 보다 효율 좋게 집광시킬 수 있다. 따라서 광도파로(12)와 이너 렌즈(23)의 양쪽이 고체 촬상 소자(1-4)에 형성된 것에 의해, 인접 화소의 혼색의 개선의 상승적인 효과가 이루어진다. 또한, 이너 렌즈(23)를 삽입함에 의해, 상기한 바와 같이, 인접 화소의 혼색의 개선의 상승적인 효과가 이루어지기 때문에, 도 13에 도시하는 바와 같이 제1의 절연막(16-1)을 더욱 두껍게 할 수 있고, 반도체 기판(10)으로부터 유기 광전변환막(11)과의 사이를 후막화할 수 있다. 이 후막화에 의해, 반도체 기판(10)과 유기 광전변환(11)용의 하부 전극(14)과의 용량 저감이 가능해지고, 변환 효율 저하나, 랜덤 노이즈(RN)의 악화가 방지될 수 있다. 그리고, 특히, 감도, 셰이딩 및 혼색의 개선의 효과와, 변환 효율 저하 및 랜덤 노이즈(RN)의 악화의 방지 효과가 양립될 수 있다.
이너 렌즈(23)는, 예를 들면, 플라즈마 질화실리콘(P-SiN ; 굴절률 약 1.9∼2.0) 등으로, 형성할 수 있다. 이너 렌즈(23)의 형상은, 임의의 형상이라도 좋지만, 도 13에 도시하는 바와 같은 온 칩 렌즈(18)와 같이, 반구 형상으로 하여도 좋고, 다른 형상이라도 좋다. 예를 들면, 이너 렌즈(23)를 사각형으로 하여도 좋다.
고체 촬상 소자(1-4)의 화소(2)(화소(2-1∼2-4))의 내용에 관해서는, 상기에서 기술한, 제1의 실시 형태의 이면 조사형의 고체 촬상 소자(1-1)의 화소(2)(화소(2-1∼2-4))의 내용과 마찬가지이다.
<5. 제5의 실시 형태(이면 조사형의 고체 촬상 소자)>
본 기술에 관한 제5의 실시 형태의 이면 조사형의 고체 촬상 소자는, 반도체 기판과, 반도체 기판의 표리면 중의 일방의 면측에 형성되어 있는 유기 광전변환막과, 반도체 기판과 유기 광전변환막의 사이에 형성되어 있는 광도파로를 적어도 구비하고, 제1의 하부 전극과 접속되고, 제1의 하부 전극보다 하측에 형성되어 있는 제2의 하부 전극과, 제1의 하부 전극과 제2의 하부 전극을 접속하는 비아와, 제2의 하부 전극보다 하측에 형성되어 있는 포토 다이오드를 또한 구비하고, 화각 중심의 포토 다이오드의 중심과 비아의 중심과의 제1의 거리와, 화각단(畵角端)의 포토 다이오드의 중심과 비아의 중심과의 제2의 거리는 다른, 이면 조사형의 고체 촬상 소자이다.
도 15∼도 18에 본 기술에 관한 제5의 실시 형태의 이면 조사형의 고체 촬상 소자(1)(도 15∼도 18에서는 고체 촬상 소자(1-5)이다.)를 도시한다.
고체 촬상 소자(1-5)는, 동보정을 고려한 구조를 갖는다.
도 15 및 도 16은, 화각 중심의 고체 촬상 소자(1-5)의 구조를 도시하고, 도 17 및 도 18은, 화각단의 고체 촬상 소자(1-5)의 구조를 도시한다. 이하의 설명에서는, 화각 중심에 배치된 동보정에 관한 구조에는, "a"라는 부호를 붙이고, 화각단에 배치된 동보정에 관한 구조에는, "b"라는 부호를 붙여서 설명을 행한다.
고체 촬상 소자(1-5)는, 반도체 기판(10)과, 반도체 기판의 일방의 면측에 형성되어 있는 유기 광전변환막(11)과, 반도체 기판(10)과 유기 광전변환막(11)의 사이에 형성되어 있는 광도파로(12)를 구비하고, 제1의 하부 전극(141)(141-1∼141-4)과, 제1의 하부 전극(141)(141-1∼141-4)과 접속되고, 제1의 하부 전극(141)(141-1∼141-4)보다 하측에 형성되어 있는 제2의 하부 전극(142)(142-1∼142-4)과, 제1의 하부 전극(141)(141-1∼141-4)과 제2의 하부 전극(142)(142-1∼142-4)을 접속하는 비아(201)(201-1∼201-4)와, 제2의 하부 전극(142)(142-1∼142-4)보다 하측에 형성되어 있는 포토 다이오드(24)(24-1∼24-4)를 또한 구비한다.
고체 촬상 소자(1-5)는, 화각 중심의 포토 다이오드(24)(24-1a∼24-4a)의 중심과 비아(201)(201-1a∼201-4a)의 중심과의 제1의 거리와, 화각단의 포토 다이오드(24)(24-1b∼24-4b)의 중심과 비아(201)(201-1b∼201-4b)의 중심과의 제2의 거리가 다르다.
온 칩 렌즈(18)(18-1∼18-4)에의 광은, 촬상면에 대해 다양한 각도로 들어오기 때문에, 화각 중심의 화소(2)(2-1∼2-4)와 화각단의 화소(2)(2-1∼2-4)를 같은 구조로 하면, 효율 좋게 집광할 수 없어서, 화각 중심의 화소(2)와 화각단의 화소(2)에서 감도차가 생겨 버린다.
화각 중심의 화소(2)와 화각단의 화소(2)에서 감도차가 생기지 않고, 일정한 감도로 하기 위해, 예를 들면, 촬상면의 중앙(화각 중심)에서는, 온 칩 렌즈(18)(18-1∼18-4)의 광축과 포토 다이오드(24)(24-1∼24-4)의 개구를 맞추고, 화각단을 향함에 따라, 포토 다이오드(24)(24-1∼24-4)의 위치를 주광선 방향에 맞추어서 어긋내는 동보정 등이라고 칭하여지는 기술이 있다.
화각 중심 부분이 배치된 화소(2)에서는, 도 15에 화살표로 도시한 바와 같이, 포토 다이오드(24-3a)에 대해 거의 수직으로 입사광이 입사하지만, 화각단 부분이 배치된 화소(2)에서는, 도 17에 화살표로 도시한 바와 같이, 포토 다이오드(24-3b)에 대해 경사 방향부터 입사광이 입사한다.
온 칩 렌즈(18-3b)나 시안(Cy) 컬러 필터(3-3b)에는, 경사 광에 대해서도 효율 좋게 집광할 수 있도록, 동보정이 가하여져 있다. 그 동보정량은, 상기 화각 중심(예를 들면 화소부 중심)보다 화각단을 향함에 따라 커진다.
도 15를 참조하면 화각 중심의 화소(2-3a)에서는, 예를 들면, 온 칩 렌즈(18-3a)의 중심축 방향부터 입사광이 입사되기 때문에, 온 칩 렌즈(18-3a)에 의해 집광된 입사광은, 시안 컬러 필터(3-3a)를 투과하여 분광되어, 포토 다이오드(24-3a)에 입사된다.
즉, 화각 중심의 화소(2-3a)에서는, 온 칩 렌즈(18-3a)의 중심을 투과한 입사광은, 시안(Cy) 컬러 필터(3-3a)의 중심을 투과하여, 포토 다이오드(24-3s)의 중심에 조사된다. 따라서 화각 중심의 화소(2-3a)에서는, 동보정은 행하여지지 않는다.
도 17을 참조하면, 화각 중심으로부터 벗어나는 화각단의 화소(2-3b)에서는, 온 칩 렌즈(18-3b)나 시안(Cy) 컬러 필터(3-3b)에는, 경사 광에 대해서도 효율 좋게 집광할 수 있도록, 동보정이 가하여져 있다. 도 17에서는, 포토 다이오드(24-3b)의 개구부에 대해, 시안(Cy) 컬러 필터(3-3b)는, 도면 중 좌방향으로 소정량만큼 어긋난 위치에 배치되어 있다. 또한, 온 칩 렌즈(18-3b)는, 시안(Cy) 컬러 필터(3-3b)보다도 좌방향으로 소정량만큼 어긋난 위치에 배치되어 있다.
온 칩 렌즈(18)나 컬러 필터(3)의 어긋남양은, 화각 중심부에서 화각단 방향을 향하여 커진다. 온 칩 렌즈(18-3b)나 시안(Cy) 컬러 필터(3-3b)뿐만 아니라, 상부 전극(141-3b)(투명 전극)의 위치도, 온 칩 렌즈(18-3b)나 시안(Cy) 컬러 필터(3-3b)에 맞추어, 어긋난 위치에 배치되어 있다.
도 16 및 18은, 온 칩 렌즈(18)측에서 화소(2)를 본 때의 평면도이다. 도 16은, 화각 중심에서 화소(2)의 평면도이고, 도 18은, 화각단에서의 화소(2)의 평면도이다.
도 15를 참조하면, 화각 중심에 위치하는 예를 들면 화소(2-3a)의 제1의 하부 전극(141-3a)은, 비아(201-3a)를 통하여, 제2의 하부 전극(142-3a)과 접속되고, 제2의 하부 전극(142-3a)은, 관통 전극(15-3a)과 접속되어 있다. 마찬가지로, 도 17을 참조하면, 화각단에 위치하는 예를 들면 화소(2-3b)의 제1의 하부 전극(141-3b)은, 비아(201-3b)를 통하여, 제2의 하부 전극(142-3b)과 접속되고, 제2의 하부 전극(142-3b)은, 관통 전극(15-3b)과 접속되어 있다.
이와 같이, 각 화소(2)의 제1의 하부 전극(141)은, 비아(201)를 통하여, 제2의 하부 전극(142)과 접속되고, 제2의 하부 전극(142)은, 관통 전극(15)과 접속되어 있다.
비아(201)는, 제조시에 비아로서 마련되고, 예를 들면, 제1의 하부 전극(141)과 동일한 재료가 충전됨으로써 제1의 하부 전극(141)과 접속된 전극을 형성한다. 제1의 하부 전극(141)을 투명한 재료로 구성되는 투명 전극으로 한 경우, 비아(201) 내에 충전되는 재료도, 투명 전극을 형성할 수 있는 재료이고, 제1의 하부 전극(141)을 구성하는 재료와 동일한 재료로 할 수 있다.
관통 전극(15)은, 제조시에 관통구멍이 형성되고, 그 관통구멍에, 전극의 재료로 이루어지는 재료가 충전됨으로써 형성된다. 제2의 하부 전극(142)은, 관통 전극(15)이 형성된 후에, 포토 리소그래피 등의 기술로 에칭되어, 전극으로서 기능하는 재료, 예를 들면, 관통 전극(15)과 같은 재료가 충전됨으로써 형성된다.
또는, 제2의 하부 전극(142)은, 제1의 하부 전극(141)과 같은 재료로 구성되도록 하여도 좋다. 제1의 하부 전극(141)이 투명 전극으로 된 경우, 제2의 하부 전극(142)도 투명 전극으로 할 수 있다.
또한, 관통 전극(15)은, 화소 사이에 마련되고, 인접하는 화소에의 광의 누출을 막는 차광벽으로서 기능시키는 것도 가능하고, 그와 같은 기능을 관통 전극(154)에 주는 경우, 차광성을 갖는 재료로 관통 전극(15)은 구성된다. 관통 전극(15)에 대해, 제2의 하부 전극(142)은, 포토 다이오드(24)의 일부를 덮는 위치에 있기 때문에, 포토 다이오드(24)에의 입사광을 차단하여 버릴 가능성이 있기 때문에, 그와 같은 가능성을 저감시키기 위해, 제1의 하부 전극(141)과 같이 투명 전극으로 하여도 좋다.
도 16 및 18을 참조한다. 포토 다이오드(24)는, 등간격으로 형성되어 있다. 화각 중심에서는, 도 16에 도시하는 바와 같이, 포토 다이오드(24-3a)의 중심부분에 제1의 하부 전극(141-3a)이 배치되어 있음에 대해, 화각단에서는, 도 18에 도시하는 바와 같이, 포토 다이오드(24-3b)의 중심부분보다 좌방향(화각 중심 방향)으로 어긋난 위치에 제1의 하부 전극(141-3b)이 배치되어 있다.
상기한 바와 같이, 화각단에서는, 동보정을 위해, 제1의 하부 전극(141-3b)(투명 전극(141-3b))은, 반도체 기판(10)의 실리콘층에 마련된 수광부(포토 다이오드(24-3b))보다 어긋난 위치에 배치함으로써, 경사 방향부터 입사된 입사광의 감도 저하가 억제된 구성으로 되어 있다.
화각 중심에서는, 도 15 및 16에 도시하는 바와 같이, 비아(201-3a)와 관통 전극(15-3a)은, 개략 같은 위치에 형성된다. 이에 대해, 화각단에서는, 도 17 및 18에 도시하는 바와 같이, 비아(201-3b)와 관통 전극(15-3b)은, 다른 위치에 형성된다. 이와 같이, 화소의 위치에 따라, 비아(201)와 관통 전극(15)의 위치 관계는 다르다.
가령, 비아(201-3b)와 관통 전극(15-3b)을 다른 위치에 형성하는 것이 아니라, 동일한 위치, 즉, 화각 중심에 위치하는 화소(2)와 같이, 비아(201-3b)와 관통 전극(15-3b)을 동일한 위치에 형성한 경우, 비아(201-3b')(이하, 화각단에서 비아(201-3b)와 관통 전극(15-3b)을 동일한 위치에 형성한 경우의 비아(201-3b)와 관통 전극(15-3b)은, 대시를 붙여서 기술한다)은, 제2의 하부 전극(142)과 접속할 수 없을 가능성이 있다.
화각단에서는, 제1의 하부 전극(141-3b)은, 화각 중심에서의 제1의 하부 전극(141-3a)보다도, 어긋난 위치에 배치되어 있기 때문에, 비아(201-3b')를 관통 전극(15-3b')과 동일한 위치에 형성한 경우, 제1의 하부 전극(141-3b) 밖에 비아(201-3b')가 형성되어 버릴 가능성이 있다.
이와 같은 경우, 제1의 하부 전극(141-3b)과 비아(201-3b')는 접속되지 않는 상태가 되고, 제1의 하부 전극(141-3b)과 관통 전극(15-3b')이 접속되지 않는 상태가 되기 때문에, 이 화소(2-3b)로부터의 판독은 행할 수가 없게 된다.
즉, 유기 광전변환막(11)의 아래에 위치하는 제1의 하부 전극(141)을, 포토 다이오드(24)로부터 어긋내어 형성함으로써 사입사광의 감도 저하를 억제할 수 있지만, 동보정량이 큰 경우는, 제1의 하부 전극(141)이, 반도체 기판(10)의 실리콘층 내의 단위화소로부터 비어져나와 버릴 가능성이 있다. 그와 같은 경우, 유기 광전변환막(11)이 판독 회로는, 실리콘 기판 내의 단위화소 내에 배치되기 때문에, 유기 광전변환막(11)의 전위를 단위화소 내로 전달할 수 없게 될 가능성이 있다. 이와 같은 가능성을 저감시키기 위해, 동보정량을 제한하여, 제1의 하부 전극(141)이, 실리콘층 내의 단위화소로부터 비어져 나오는 일이 없도록 구성될 필요가 있다.
동보정량에 제한을 걸지 않고서, 적절하게 동보정을 할 수 있도록 하기 위해, 도 16 및 18에 도시하는 바와 같이, 하나의 화소(2)에서, 유기 광전변환막(11)과 접하는 투명한 제1의 하부 전극(141-3b)과, 제1의 하부 전극(141-3b)에 접속되는 제2의 하부 전극(142-3b)을 구비하고, 광학 중심으로부터의 위치에 응하여 제1의 하부 전극(141-3b)과, 제1의 하부 전극(141-3b)과 제2의 하부 전극(142-3b)을 연결하는 비아(201-3b)의 위치가, 실리콘 기판 내의 단위화소로부터 어긋내어 형성되는 구성으로 한다.
이와 같이, 제1의 하부 전극(141-3b)과 연동하여 비아(201-3b)가 이동함으로써, 반도체 기판(10)의 단위화소로부터 제1의 하부 전극(141-3b)이 어긋나도, 제2의 하부 전극(142-3b)에 의해, 반도체 기판(10)(실리콘 기판) 내의 단위화소 내에 신호를 전달할 수 있도록 된다.
고체 촬상 소자(1-5)는, 광도파로(12)(12-1∼12-4)를 또한 구비한다. 광도파로(12)를 구비하지 않고, 비스듬하게 입사한 광의 진행 방향에 따라 온 칩 렌즈와 컬러 필터와 하부 전극과 포토 다이오드의 위치를 직선적으로 보정하는 동보정을 행한 형태와 비교하면, 하부 전극과 포토 다이오드의 사이에 광도파로를 구비한 고체 촬상 소자(1-5)는, 광의 진행을 하방 즉 포토 다이오드 방향으로 유도할 수 있기 때문에, 광도파로(12)를 구비하지 않는 형태보다도, 하부 전극과 포토 다이오드 사이의 동보정의 양을 작게 할 수 있다. 하부 전극과 포토 다이오드 사이의 동보정의 양을 작게 할 수 있음에 의해, 제2의 하부 전극(142)의 크기를 작게 할 수 있다. 제2의 하부 전극(142)의 크기를 작게 함에 의해, 하부 전극으로부터 관통 전극에 이르는 사이의 기생 용량을 작게 할 수 있다. 이 기생 용량을 작게 함에 의해, 고체 촬상 소자(1-5)는, 변환 효율 저하나, 랜덤 노이즈(RN)의 악화를 저감할 수 있다.
<6. 제6의 실시 형태(전자 장치)>
본 기술에 관한 제6의 실시 형태의 전자 장치는, 이면 조사형의 고체 촬상 소자가 탑재된 전자 장치에서, 이면 조사형의 고체 촬상 소자가, 반도체 기판과, 그 반도체 기판의 표리면 중의 일방의 면측에 형성되어 있는 유기 광전변환막과, 그 반도체 기판과 그 유기 광전변환막의 사이에 형성되어 있는 광도파로를 적어도 구비하는, 전자 장치이다. 또한, 본 기술에 관한 제6의 실시 형태의 전자 장치는, 본 기술에 관한 제1의 실시 형태∼제5의 실시 형태의 이면 조사형의 고체 촬상 소자가 탑재된 전자 장치라도 좋다.
<7. 본 기술을 적용한 이면 조사형 고체 촬상 소자의 사용례>
도 19는, 상술한 이면 조사형의 고체 촬상 소자를 사용한 사용례를 도시하는 도면이다. 상술한 이면 조사형의 고체 촬상 소자는, 예를 들면, 이하와 같이, 가시광이나, 적외광, 자외광, X선 등의 광을 센싱하는 다양한 케이스에 사용할 수 있다.
·디지털 카메라나, 카메라 기능 부착의 휴대 기기 등의, 감상용으로 제공되는 화상을 촬영하는 장치.
·자동 정지 등의 안전운전이나, 운전자의 상태의 인식 등을 위해, 자동차의 전방이나 후방, 주위, 차내 등을 촬영하는 차량탑재용 센서, 주행 차량이나 도로를 감시하는 감시 카메라, 차량 사이 등의 거리측정을 행하는 거리측정 센서 등의, 교통용으로 제공되는 장치.
·유저의 제스처를 촬영하여, 그 제스처에 따른 기기 조작을 행하기 위해, TV나, 냉장고, 에어 컨디셔너 등의 가전에 제공되는 장치.
·내시경이나, 적외광의 수광에 의한 혈관 촬영을 행하는 장치 등의, 의료나 헬스케어용으로 제공되는 장치.
·방범 용도의 감시 카메라나, 인물 인증 용도의 카메라 등의, 보안용으로 제공되는 장치.
·피부를 촬영하는 피부 측정기나, 두피를 촬영하는 마이크로스코프 등의, 미용용으로 제공되는 장치.
·스포츠 용도 등 용의 액션 카메라나 웨어러블 카메라 등의, 스포츠용으로 제공되는 장치.
·밭이나 작물의 상태를 감시하기 위한 카메라 등의, 농업용으로 제공되는 장치.
또한, 본 기술에 관한 실시 형태는, 상술한 실시 형태로 한정되는 것이 아니고, 본 기술의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 여러가지의 변경이 가능하다.
또한, 본 명세서에 기재된 효과는 어디까지나 예시이고 한정되는 것이 아니고, 또한 다른 효과가 있어도 좋다.
또한, 본 기술은, 이하와 같은 구성도 취할 수 있다.
[1]
반도체 기판과,
그 반도체 기판의 표리면 중의 일방의 면측에 형성되어 있는 유기 광전변환막과,
그 반도체 기판과 그 유기 광전변환막의 사이에 형성되어 있는 광도파로를 적어도 구비하는, 이면 조사형의 고체 촬상 소자.
[2]
상기 유기 광전변환막의 하부에 마련된 하부 전극과,
상기 유기 광전변환막의 광전변환에 의해 변환된 전하를 상기 반도체 기판의 표리면 중의 타방의 면측에 전송하기 위한 상기 반도체 기판을 관통하는 관통 전극을 구비하고,
그 하부 전극과 그 관통 전극이 접속되어 있는, [1]에 기재된 이면 조사형의 고체 촬상 소자.
[3]
상기 유기 광전변환막의 하부에 마련된 하부 전극과,
상기 유기 광전변환막의 광전변환에 의해 변환된 전하를 상기 반도체 기판의 표리면 중의 타방의 면측에 전송하기 위한 상기 반도체 기판을 관통하는 관통 전극과,
그 하부 전극과 그 관통 전극을 접속하는 적어도 하나의 배선층을 구비하는, [1]에 기재된 이면 조사형의 고체 촬상 소자.
[4]
상기 반도체 기판은 제1의 포토 다이오드를 구비하고 있고,
상기 유기 광전변환막에 의해 광전변환되지 않은 입사광의 적어도 일부의 광이 그 제1의 포토 다이오드에 의해 광전변환되는, [1]부터 [3]의 어느 하나에 기재된 이면 조사형의 고체 촬상 소자.
[5]
상기 반도체 기판은 제2의 포토 다이오드를 구비하고 있고,
그 제2의 포토 다이오드가, 상기 제1의 포토 다이오드와 상기 반도체 기판의 표리면 중의 타방의 면의 사이에 마련되고, 상기 유기 광전변환막 및 상기 제1의 포토 다이오드에 의해 광전변환되지 않은 입사광의 적어도 1부의 광은 그 제2의 포토 다이오드에 의해 광전변환되는, [4]에 기재된 이면 조사형의 고체 촬상 소자.
[6]
상기 반도체 기판과 상기 유기 광전변환막의 사이에 형성되어 있는 제1의 절연막을 또한 구비하는, [1]부터 [5]의 어느 하나에 기재된 이면 조사형의 고체 촬상 소자.
[7]
상기 광도파로와 상기 제1의 절연막이 수직 방향으로 분리되어 있는, [6]에 기재된 이면 조사형의 고체 촬상 소자.
[8]
상기 광도파로의 굴절률이, 상기 제1의 절연막의 굴절률보다도 큰, [6] 또는 [7]에 기재된 이면 조사형의 고체 촬상 소자.
[9]
상기 광도파로가 SiN을 포함하고,
상기 광도파로의 굴절률이 1.8∼2.1이고,
상기 제1의 절연막이 SiO를 포함하고,
상기 제1의 절연막의 굴절률이 1.3∼1.5인, [6]부터 [8]의 어느 하나에 기재된 이면 조사형의 고체 촬상 소자.
[10]
상기 광도파로가 저유전률 재료로 형성되어 있는, [1]부터 [9]의 어느 하나에 기재된 이면 조사형의 고체 촬상 소자.
[11]
종방향 분광은 2층 또는 3층인, [1]부터 [10]의 어느 하나에 기재된 이면 조사형의 고체 촬상 소자.
[12]
상기 반도체 기판부터 상기 유기 광전변환막까지의 두께가 1㎛ 이하인, [1]부터 [11]의 어느 하나에 기재된 이면 조사형의 고체 촬상 소자.
[13]
상기 광도파로가 유기막을 포함하는, [1]부터 [12]의 어느 하나에 기재된 이면 조사형의 고체 촬상 소자.
[14]
상기 광도파로의 하부에 형성되어 있는 제2의 절연막을 또한 구비하는, [1]부터 [13]의 어느 하나에 기재된 이면 조사형의 고체 촬상 소자.
[15]
상기 광도파로의 하부에 형성되어 있는 저유전률 재료층을 또한 구비하는, [1]부터 [14]의 어느 하나에 기재된 이면 조사형의 고체 촬상 소자.
[16]
상기 유기 광전변환막과 상기 광도파로의 사이에 형성되어 있는 이너 렌즈를 또한 구비하는, [1]부터 [15]의 어느 하나에 기재된 이면 조사형의 고체 촬상 소자.
[17]
제1의 하부 전극과,
그 제1의 하부 전극과 접속되고, 그 제1의 하부 전극보다 하측에 형성되어 있는 제2의 하부 전극과,
그 제1의 하부 전극과 그 제2의 하부 전극을 접속하는 비아와,
그 제2의 하부 전극보다 하측에 형성되어 있는 포토 다이오드를 또한 구비하고,
화각 중심의 그 포토 다이오드의 중심과 그 비아의 중심과의 제1의 거리와, 화각단의 그 포토 다이오드의 중심과 그 비아의 중심과의 제2의 거리와는 다른, [1]부터 [16]의 어느 하나에 기재된 이면 조사형의 고체 촬상 소자.
[18]
이면 조사형의 고체 촬상 소자가 탑재된 전자 장치에 있어서,
그 이면 조사형의 고체 촬상 소자가,
반도체 기판과,
그 반도체 기판의 표리면 중의 일방의 면측에 형성되어 있는 유기 광전변환막과,
그 반도체 기판과 그 유기 광전변환막의 사이에 형성되어 있는 광도파로를 적어도 구비하는, 전자 장치.
[19]
[2]로부터 [17]의 어느 하나에 기재된 이면 조사형의 고체 촬상 소자가 탑재된 전자 장치.
1(1-1∼1-5) : 고체 촬상 소자
2(2-1∼2-4) : 화소
3(3-1∼3-4) : 컬러 필터
10 : 반도체 기판
11 : 유기 광전변환막
12(12-1∼12-4) : 광도파로

Claims (18)

  1. 반도체 기판과,
    그 반도체 기판의 일방의 면측에 형성되어 있는 유기 광전변환막과,
    그 반도체 기판과 그 유기 광전변환막의 사이에 형성되어 있는 광도파로를 적어도 구비하는 것을 특징으로 하는 이면 조사형의 고체 촬상 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유기 광전변환막의 하부에 마련된 하부 전극과,
    상기 유기 광전변환막의 광전변환에 의해 변환된 전하를 상기 반도체 기판의 타방의 면측에 전송하기 위한 상기 반도체 기판을 관통하는 관통 전극을 구비하고,
    그 하부 전극과 그 관통 전극이 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 이면 조사형의 고체 촬상 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 유기 광전변환막의 하부에 마련된 하부 전극과,
    상기 유기 광전변환막의 광전변환에 의해 변환된 전하를 상기 반도체 기판의 타방의 면측에 전송하기 위한 상기 반도체 기판을 관통하는 관통 전극과,
    그 하부 전극과 그 관통 전극을 접속하는 적어도 하나의 배선층을 구비하는 것을 특징으로 하는 이면 조사형의 고체 촬상 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 기판은 제1의 포토 다이오드를 구비하고 있고,
    상기 유기 광전변환막에 의해 광전변환되지 않은 입사광의 적어도 일부의 광이 그 제1의 포토 다이오드에 의해 광전변환되는 것을 특징으로 하는 이면 조사형의 고체 촬상 소자.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 반도체 기판은 제2의 포토 다이오드를 구비하고 있고,
    그 제2의 포토 다이오드가, 상기 제1의 포토 다이오드와 상기 반도체 기판의 타방의 면의 사이에 마련되고, 상기 유기 광전변환막 및 상기 제1의 포토 다이오드에 의해 광전변환되지 않은 입사광의 적어도 일부의 광은 그 제2의 포토 다이오드에 의해 광전변환되는 것을 특징으로 하는 이면 조사형의 고체 촬상 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 기판과 상기 유기 광전변환막의 사이에 형성되어 있는 제1의 절연막을 또한 구비하는 것을 특징으로 하는 이면 조사형의 고체 촬상 소자.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 광도파로와 상기 제1의 절연막이 수직 방향으로 분리되어 있는 것을 특징으로 하는 이면 조사형의 고체 촬상 소자.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 광도파로의 굴절률이, 상기 제1의 절연막의 굴절률보다도 큰 것을 특징으로 하는 이면 조사형의 고체 촬상 소자.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 광도파로가 SiN을 포함하고,
    상기 광도파로의 굴절률이 1.8∼2.1이고,
    상기 제1의 절연막이 SiO를 포함하고,
    상기 제1의 절연막의 굴절률이 1.3∼1.5인 것을 특징으로 하는 이면 조사형의 고체 촬상 소자.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 광도파로가 저유전률 재료로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이면 조사형의 고체 촬상 소자.
  11. 제1항에 있어서,
    종방향 분광은 2층 또는 3층인 것을 특징으로 하는 이면 조사형의 고체 촬상 소자.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 기판부터 상기 유기 광전변환막까지의 두께가 1㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 이면 조사형의 고체 촬상 소자.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 광도파로가 유기막을 포함하는 것을 특징으로 하는 이면 조사형의 고체 촬상 소자.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 광도파로의 하부에 형성되어 있는 제2의 절연막을 또한 구비하는 것을 특징으로 하는 이면 조사형의 고체 촬상 소자.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 광도파로의 하부에 형성되어 있는 저유전률 재료층을 또한 구비하는 것을 특징으로 하는 이면 조사형의 고체 촬상 소자.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 유기 광전변환막과 상기 광도파로와의 사이에 형성되어 있는 이너 렌즈를 또한 구비하는 것을 특징으로 하는 이면 조사형의 고체 촬상 소자.
  17. 제1항에 있어서,
    제1의 하부 전극과,
    그 제1의 하부 전극과 접속되고, 그 제1의 하부 전극보다 하측에 형성되어 있는 제2의 하부 전극과,
    그 제1의 하부 전극과 그 제2의 하부 전극을 접속하는 비아와,
    그 제2의 하부 전극보다 하측에 형성되어 있는 포토 다이오드를 또한 구비하고,
    화각 중심의 그 포토 다이오드의 중심과 그 비아의 중심과의 제1의 거리와, 화각단의 그 포토 다이오드의 중심과 그 비아의 중심과의 제2의 거리는 다른 것을 특징으로 하는 이면 조사형의 고체 촬상 소자.
  18. 이면 조사형의 고체 촬상 소자가 탑재된 전자 장치에 있어서,
    그 이면 조사형의 고체 촬상 소자가,
    반도체 기판과,
    그 반도체 기판의 일방의 면측에 형성되어 있는 유기 광전변환막과,
    그 반도체 기판과 그 유기 광전변환막의 사이에 형성되어 있는 광도파로를 적어도 구비하는 것을 특징으로 하는 전자 장치.
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