KR20190089904A - 고체 촬상 소자 - Google Patents
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Abstract
광전 변환 소자를 투과한 적색 광을 효율적으로 광전 변환 소자를 향하여 반사할 수 있어서 우수한 적색 광 감도를 갖고, 또한 소자 형성 시의 기판 핸들링이 용이한 고체 촬상 소자를 제공한다. 고체 촬상 소자는, 반도체층(20) 내에 복수의 광전 변환 소자(21)가 이차원 형상으로 배열되어 구성되어 있다. 그리고 반도체층(20)은, 표면에 층간 절연층(22)과 복수의 광 반사 구조(14)가 형성된 지지 기판(10) 상에 형성되어 있다. 광 반사 구조(14)는, 광 투과층(11)과, 해당 광 투과층(11)의 표면을 덮는 곡면 형상으로 이루어지는 반사 금속(12)을 갖고, 또한 각 광전 변환 소자(21)의 이면측에 각각 배치되어 있다. 층간 절연층(22)은 인접하는 광 반사 구조(14) 사이에 위치하고 있다.
Description
본 발명은 고체 촬상 소자에 관한 것이다.
고체 촬상 소자는, 반도체층에 광을 흡수하여 전하를 발생시키는 CMOS 타입 또는 CCD 타입의 광전 변환 소자를 이차원적으로 배열하고, 발생한 전하를 외부에 전기 신호로서 전송하는 것이다. 이와 같은 고체 촬상 소자는 텔레비전 카메라, 디지털 스틸 카메라 등에 널리 이용되고 있다.
고체 촬상 소자 상의 광전 변환 소자는, pn 접합에 의한 실리콘 포토다이오드로 형성되는 것이 일반적이다. 역방향 전압을 가한 pn 접합에 광이 조사되면, 공핍층 내에서 발생한 전자는 공핍층 중에서 드리프트하여 n형 영역에 도달한다. 고체 촬상 소자에서는, 각 화소의 포토다이오드의 n형 영역에서 축적된 전자를 신호 전하로서 판독함으로써 촬상 데이터를 얻을 수 있다.
광전 변환 소자에 입사된 광의 강도는, 광자가 반도체 중에서 흡수되어 전자-정공 쌍을 생성하기 때문에 내부로 진행함에 따라 급격히 감쇠해 간다. 흡수의 비율은 광 흡수 계수에 의존하며, 장파장의 광일수록 동일한 거리를 침투하였을 때의 흡수의 비율이 적다. 그 때문에, 파장이 긴 적색 광이 반도체 내에서 흡수되지 않아 적색 광 감도가 저하되는 문제가 있었다.
특허문헌 1에 개시되어 있는 종래 기술은, 광전 변환 소자를 투과한 장파장 영역의 광을 재이용하기 위하여 광전 변환 소자의 이면에 금속 반사면이 형성되어 있는 이면 조사형 고체 촬상 소자이다.
또한 특허문헌 2에 개시되어 있는 종래 기술은, 반도체 기판의 이면에 오목면 반사경을 형성함으로써, 반도체 기판을 통과한 적색 광을 효율적으로 광전 변환 소자에 재입사시킬 수 있는 구조이다.
그러나 특허문헌 1에서는, 형성된 금속 반사경이 평면이기 때문에, 금속 반사경에서 반사되는 광의 각도를 제어하지 못하여 효율적으로 광을 광전 변환 소자에 재입사시키지 못한다는 문제가 있었다. 또한 특허문헌 2에서는, 기판의 표리 양면에 기능성 소자를 형성할 필요가 있기 때문에, 표면 소자 형성 후에 이면 소자를 형성할 때, 또는 양면에의 소자 형성 후에 패키징을 행할 때에 스테이지 상에 기판을 직접 배치하는 것이 불가능해지는 등, 기판 핸들링이 곤란해진다는 문제가 있었다.
본 발명은 상기 문제를 해결하기 위하여 제안되는 것이며, 광전 변환 소자를 투과한 적색 광을 효율적으로 광전 변환 소자를 향하여 반사할 수 있어서 우수한 적색 광 감도를 갖고, 또한 소자 형성 시의 기판 핸들링이 용이한 고체 촬상 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 양태에 따른 고체 촬상 소자는, 반도체층 내에 복수의 광전 변환 소자가 이차원 형상으로 배열되고, 상기 반도체층의 광 입사측과는 반대측의 면측에, 상기 반도체층측의 면에 대하여 층간 절연층과 복수의 광 반사 구조가 형성된 지지 기판이 마련되고, 상기 광 반사 구조는, 광 투과층과, 해당 광 투과층의 상기 반도체층과는 반대측의 표면을 덮는 반사 금속을 갖고, 또한 상기 광 반사 구조는 상기 각 광전 변환 소자와 각각 대향하는 위치에 형성되고, 상기 반사 금속은, 상기 광전 변환 소자측의 면이 상기 광전 변환 소자측으로 오목한 곡면 형상으로 되어 있고, 상기 층간 절연층은 인접하는 상기 광 반사 구조 사이에 위치하고 있는 것을 요지로 한다.
본 발명의 일 양태인 고체 촬상 소자에서는, 광전 변환 소자에 입사된 광 중, 광전 변환 소자에서 다 흡수되지 못하고 반도체층을 통과한 적색 광이, 광전 변환 소자의 이면측에 마련된 광 반사 구조에 의하여 반사되어 광전 변환 소자에 효율적으로 재입사된다. 이 때문에, 본 발명의 일 양태에 의하면 적색 광 감도가 우수하다.
또한 반도체층이 지지 기판으로 지지되고, 광 반사 구조는 반도체층과 지지 기판 사이에 위치하는 점에서, 지지 기판의 이면에, 입사 광을 반사하기 위한 기능성 소자를 형성할 필요가 없다. 그 때문에, 제조 공정 중에 스테이지 상에 기판을 직접 배치하는 것이 가능하여 소자 형성 시의 기판 핸들링이 용이해진다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 고체 촬상 소자의 개략 구조를 설명하는 모식적 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 고체 촬상 소자의 제조 공정을 설명하는 모식적 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 고체 촬상 소자의 제조 공정을 설명하는 모식적 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 고체 촬상 소자의 제조 공정을 설명하는 모식적 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 고체 촬상 소자의 제조 공정을 설명하는 모식적인 평면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 고체 촬상 소자의 제조 공정을 설명하는 모식적 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 고체 촬상 소자의 제조 공정을 설명하는 모식적 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 고체 촬상 소자의 제조 공정을 설명하는 모식적 단면도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 고체 촬상 소자의 제조 공정을 설명하는 모식적 단면도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 고체 촬상 소자의 제조 공정을 설명하는 모식적 단면도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 고체 촬상 소자의 제조 공정을 설명하는 모식적 단면도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 고체 촬상 소자의 제조 공정을 설명하는 모식적 단면도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 고체 촬상 소자의 효과를 설명하는 모식적 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 고체 촬상 소자의 제조 공정을 설명하는 모식적 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 고체 촬상 소자의 제조 공정을 설명하는 모식적 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 고체 촬상 소자의 제조 공정을 설명하는 모식적 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 고체 촬상 소자의 제조 공정을 설명하는 모식적인 평면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 고체 촬상 소자의 제조 공정을 설명하는 모식적 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 고체 촬상 소자의 제조 공정을 설명하는 모식적 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 고체 촬상 소자의 제조 공정을 설명하는 모식적 단면도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 고체 촬상 소자의 제조 공정을 설명하는 모식적 단면도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 고체 촬상 소자의 제조 공정을 설명하는 모식적 단면도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 고체 촬상 소자의 제조 공정을 설명하는 모식적 단면도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 고체 촬상 소자의 제조 공정을 설명하는 모식적 단면도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 고체 촬상 소자의 효과를 설명하는 모식적 단면도이다.
본 발명의 일 실시 형태에 대하여 도면을 참조하면서 설명한다.
여기서 도면은 모식적인 것이며, 두께와 평면 치수의 관계, 각 층의 두께의 비율 등은 현실의 그것과는 상이하다. 또한 이하에 나타내는 실시 형태는, 본 발명의 기술적 사상을 구체화하기 위한 구성을 예시하는 것이며, 본 발명의 기술적 사상은, 구성 부품의 재질, 형상, 구조 등이 하기의 것에 특정되는 것은 아니다. 본 발명의 기술적 사상은, 특허 청구의 범위에 기재된 청구항이 규정하는 기술적 범위 내에 있어서 다양한 변경을 가할 수 있다.
<구성>
본 실시 형태의 고체 촬상 소자는, 도 1에 도시한 바와 같이, 복수의 광전 변환 소자(21)가 이차원 형상으로 배열된 반도체층(20)을 구비하며, 반도체층(20)의 광 입사측(도 1에 있어서는 상방)에 컬러 필터(24) 및 마이크로렌즈(25)가 이러한 순으로 형성되어 있다. 반도체층(20) 내에 있어서, 복수의 광전 변환 소자(21)는 소자 분리벽(26)으로 화소 단위로 분리되어 있다.
또한 본 실시 형태의 고체 촬상 소자는, 반도체층(20)의 이면측(광 입사측과는 반대의 면측)에 지지 기판(10)이 마련되고, 반도체층(20)은 지지 기판(10)으로 지지되어 있다. 그 지지 기판(10)의 표면(반도체층(20)측의 면)측에 층간 절연층(22)과 복수의 광 반사 구조(14)가 형성되어 있다.
구체적으로는 지지 기판(10)의 표면 상에 평탄화층(13)이 형성되고, 그 평탄화층(13)의 표면을 덮도록 막 형상의 반사 금속(12)이 형성되어 있다. 그 반사 금속(12) 상에 광 투과층(11)과 층간 절연층(22)이 마련되어 있다. 반사 금속(12)은 막 형상일 필요는 없으며, 광전 변환 소자(21)측을 향하는 면이 광전 변환 소자(21)측으로 오목한 곡면 형상으로 되어 있으면 된다.
광 투과층(11)은, 각 광전 변환 소자(21) 각각과 상하로 대향하는 위치, 즉, 각 광전 변환 소자(21)의 이면측에 마련되어 있다. 광 투과층(11)은, 반도체층(20)측의 면이 평면으로 되어 있음과 함께, 지지 기판(10)측의 면이 지지 기판(10)측으로 볼록한 반구 형상으로 형성되어 있다.
본 실시 형태에서는, 반사 금속(12) 중, 광 투과층(11)에 있어서의 볼록한 반구 형상의 면과 대향하는 부분은, 광 투과층(11)의 반구 형상의 표면(구면)을 따른 반구 형상으로 되어 있다. 그리고 이 반구 형상의 반사 금속(12)과 광 투과층(11)에 의하여 반구형의 광 반사 구조(14)가 구성된다. 이것에 의하여 광 반사 구조(14)는, 반구 형상에 있어서의 구면을 이면측(지지 기판(10)측)을 향하게 하고, 평면을 반도체층(20)측(즉, 광 입사측)을 향하게 하여 배치되어 있다.
광 투과층(11)에 있어서의 볼록한 반구 형상의 면과 대향하는 반사 금속(12)의 형상은, 광전 변환 소자(21)측으로 오목한, 즉, 지지 기판(10)측으로 볼록한 곡면 형상으로 되어 있으면 되며, 구의 일부에 한정되지 않고 타원 형상 등의 일부 등으로 구성되어 있어도 된다.
층간 절연층(22)은 각 소자 분리벽(26)의 이면측, 즉, 인접하는 광 반사 구조(14) 사이에 배치되고, 그 층간 절연층(22) 내에 대하여 배선(23)이 배치되어 있다.
<작용 및 기타>
본 실시 형태의 고체 촬상 소자는, 광전 변환 소자(21)에 입사된 광 중, 광전 변환 소자(21)에서 흡수되지 않고 투과하여 반도체층(20)을 통과한 적색 광이, 광전 변환 소자(21)의 이면측에 마련된 광 반사 구조(14)에서 반사되어 광전 변환 소자(21)를 향한다. 이 결과, 반도체층(20)을 통과한 적색 광이 광전 변환 소자(21)에 효율적으로 재입사되기 때문에, 본 실시 형태의 고체 촬상 소자는 우수한 적색 광 감도를 갖고 있다.
또한 광 반사 구조(14)는 반구 형상 등의, 광전 변환 소자(21)측으로 오목한 곡면 형상을 갖기 때문에, 광 반사 구조(14)의 구면(반구 형상의 반사 금속(12))에서 반사된 광은, 그 광이 입사된 화소의 광전 변환 소자(21)를 향하여 효율적으로 반사된다. 그 때문에, 인접하는 화소의 광전 변환 소자(21)에 입사되는 것에 의한 혼색이 생기기 어렵다.
또한, 본 실시 형태의 고체 촬상 소자는, 광 반사 구조(14)가 반도체층(20)과 지지 기판(10) 사이에 위치하는 점에서, 지지 기판(10)의 이면에는, 입사 광을 반사하는 기능성 소자를 특별히 형성할 필요가 없다. 이 때문에, 제조 공정 중에 스테이지 상에 지지 기판(10)을 직접 배치하는 것이 가능하여, 고체 촬상 소자의 형성 시에 있어서의 지지 기판(10)의 핸들링이 용이하다.
이와 같은 본 실시 형태의 고체 촬상 소자는 이면 조사형 고체 촬상 소자이며, CMOS 이미지 센서, CCD 이미지 센서 등의 고체 촬상 소자로서 이용 가능하다.
<제조 방법>
다음으로, 도 1에 도시한 본 실시 형태의 고체 촬상 소자의 제조 방법에 대하여 도 2 내지 도 12를 참조하여 설명한다. 단, 본 발명은 이들에 한정되는 것은 아니다.
먼저, 도 2에 도시한 바와 같이, 반도체 기판(30)의 내부에 대하여, 공지된 방법에 의하여 광전 변환 소자(21)를 형성한다. 반도체 기판(30)은, 나중의 공정에서 지지 기판(10)과 맞붙인 후에 반도체 부분을 얇게 가공함으로써 반도체층(20)으로 하기 위한 p형 또는 n형 실리콘 기판이다. 또한 도 2에 있어서의 상측이 광전 변환 소자(21)의 이면측으로 된다.
광전 변환 소자(21)로서 포토게이트 또는 포토다이오드 등이 이용되지만, 전하 전송률이 높다는 점에서 매립형 포토다이오드를 이용하는 것이 바람직하다. 또한 도시하지는 않지만, 광전 변환 소자(21)를 형성함과 동시에, 고체 촬상 소자의 구동에 필요한 소자를 화소 내에 형성한다. 예를 들어 CCD 이미지 센서의 경우에는 수직 전송 CCD를 광전 변환 소자(21)와 함께 형성한다. 한편, CMOS 이미지 센서의 경우에는 부유 확산층 증폭기, 전하 전송용 트랜지스터 등의 소자를 광전 변환 소자(21)와 함께 형성한다.
광전 변환 소자(21) 및 그 외의 소자를 형성한 후, 신호 전하나 신호 전압을 전송하기 위한, 또는 트랜지스터를 구동하기 위한 배선(23)을 형성한다. 또한 고체 촬상 소자의 구조에 따라서는 복수의 배선(23)이 필요해지기 때문에 각 배선(23) 사이에 층간 절연층(22)을 형성한다(도 3을 참조).
층간 절연층(22)의 재료로는 비도프형 산화실리콘 등의, 투명성을 갖는 저유전율 재료를 이용한다. 또한 층간 절연층(22)의 형성은 상압 CVD(Chemical Vapor Deposition), PE-CVD(Plasma Enhanced-CVD) 등의 방법에 의하지만, 본 실시 형태는 그들에 한정되는 것은 아니다.
배선(23)의 재료로는 금속 재료, 또는 그것을 이용한 합금 등을 이용할 수 있다. 금속 재료로서는 알루미늄, 구리, 크롬 등을 예시할 수 있다. 그리고 사용하는 재료에 적합한 제조 프로세스를 이용하여 배선(23)에 의한 배선 패턴을 형성함으로써, 반도체 기판(30) 상에, 도 3에 도시한 바와 같은 층간 절연층(22) 및 배선(23)을 형성할 수 있다.
다음으로, 층간 절연층(22) 내에 광 반사 구조(14)를 형성하기 위하여 포토레지스트(15)를 도포하고, 도 4 및 도 5에 도시한 바와 같은 패터닝을 행한다. 패터닝 후의 포토레지스트(15)는, 광전 변환 소자(21) 상에 위치하는 반구 형상 패턴(15a), 및 배선(23) 상에 위치하는 직사각 형상 패턴(15b)으로 이루어진다. 직사각 형상 패턴(15b)은, 도 5의 평면도에 도시한 바와 같이, 이차원 형상으로 배열된 반구 형상 패턴(15a)을 둘러싸도록 격자 형상으로 형성한다.
도 4에 도시한 바와 같이, 반구 형상 패턴(15a)과 직사각 형상 패턴(15b)의 높이는 동일하지는 않으며, 높이는, 형성하고자 하는 광 반사 구조(14)의 구조에 따라 설정한다. 층간 절연층(22)의 막 두께를 H, 광전 변환 소자(21)의 폭을 W라 하면, 예를 들어 광 반사 구조(14)로서 광전 변환 소자(21)의 폭 W와 동일한 직경의 반구 형상을 형성하고자 하는 경우에는, 반구 형상 패턴(15a)과 직사각 형상 패턴(15b)의 높이비를 (W/2):H로 설정할 필요가 있다.
또한 나중의 건식 에칭 공정에서 반구 형상 패턴(15a)의 형상을 층간 절연층(22)에 전사시키기 위해서는, W/2는 H 이하일 필요가 있다.
광 반사 구조(14)는, 반사된 입사 광을 화소의 중심부에 집광시키는 반구 형상인 것이 바람직하지만, 적색 광의 감도를 개선하기 위해서는, 반사광은 반드시 화소의 중심부에 집광할 필요는 없으며, 광전 변환 소자(21)에 재입사되면 된다. 따라서 본 발명에 있어서는, 반구 형상 패턴(15a)의 형상을, 진구의 일부를 구성하는 곡면 형상으로 되도록 엄밀히 설계할 필요는 없다.
포토레지스트(15)의 패턴을 형성하기 위해서는, 먼저 포토레지스트(15)의 재료를 층간 절연층(22)의 표면에 도포하고, 화소마다 원기둥 형상으로 포토레지스트(15)가 남도록 패터닝한다. 다음으로, 패터닝한 포토레지스트에 대하여 열 리플로우 처리를 행함으로써, 포토레지스트(15)를 반구 형상으로 가공하여 반구 형상 패턴(15a)을 형성한다. 그 후, 다시 포토레지스트를 도포하여, 반구 형상 패턴(15a)을 둘러싸는 직사각 형상 패턴(15b)을 형성함으로써, 도 4에 도시하는 포토레지스트(15)의 패턴을 형성할 수 있다.
또한 나노임프린트 리소그래피 또는 망점 마스크를 이용함으로써 1회의 패터닝으로 포토레지스트(15)의 패턴을 형성하는 것도 가능하지만, 본 실시 형태의 방법은 그들에 한정되는 것은 아니다.
다음으로, 포토레지스트(15)를 건식 에칭용 마스크로 하여 건식 에칭 처리를 행함으로써, 도 6에 도시한 바와 같이, 반구 형상 패턴(15a)의 형상은 층간 절연층(22)에 전사되어 반구형의 광 투과층(11)이 형성된다. 또한 직사각 형상 패턴(15b)은 건식 에칭 시에 마스크로 되기 때문에, 건식 에칭 처리 후에도, 직사각 형상 패턴(15b)의 하방에 위치하는 층간 절연층(22) 및 그 내부의 배선(23)은 에칭되지 않고 보호된다.
다음으로, 도 7에 도시한 바와 같이, 광 투과층(11)의 표면과, 건식 에칭되지 않고 남은 층간 절연층(22)의 표면에 반사 금속(12)을 형성한다. 반사 금속(12)으로는 금속 재료, 또는 금속 재료를 이용한 합금 등, 높은 반사율을 갖는 재료를 포함하는 금속 박막을 이용한다. 금속 재료로서는 알루미늄, 은, 크롬, 탄탈륨, 텅스텐, 티타늄을 예시할 수 있다. 또한 반사 금속(12)의 재료는 나중의 제조 공정에서 고온에 노출되기 때문에, 적어도 500℃ 이상 600℃ 이하의 열처리에 의하여 용융되지 않는 재료인 것이 바람직하다. 반사 금속(12)의 성막에는 증착, 스퍼터 등의 수단을 이용한다.
다음으로, 도 8에 도시한 바와 같이, 반사 금속(12) 상에 평탄화층(13)을 성막함으로써, 층간 절연층(22)이나 광 반사 구조(14)의 가공으로 생긴 표면의 요철을 평탄화한다. 평탄화층(13)의 재료는 투명성을 가질 필요는 없지만, 반도체 프로세스에서 이용하는, 고온 환경에 대하여 내성이 있는 질화실리콘 또는 비도프형 산화실리콘 등의 재료가 바람직하다.
평탄화층(13)의 성막에 의한 요철의 평탄화가 불충분한 경우에는 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 등의 연마 수단에 의하여 기판 표면을 보다 평탄화해도 된다. 이상의 공정에 의하여 반도체 기판(30) 상에 광 반사 구조(14)를 형성할 수 있다.
다음으로, 도 9에 도시한 바와 같이, 광 반사 구조(14)를 형성한 측을 접합면으로 하여 반도체 기판(30)과 지지 기판(10)을 접합한다. 지지 기판(10)의 재료로서는 석영 기판, 또는 p형 혹은 n형 실리콘 기판을 이용한다. 반도체 기판(30)의 광 반사 구조(14)를 형성한 면, 또는 지지 기판(10)의 표면을 플라스마 처리 또는 오존 처리로 표면 활성화한 후, 반도체 기판(30)과 지지 기판(10)을 맞붙임으로써 양자를 견고히 접착시키는 것이 가능하다. 그러나 반도체 기판(30)과 지지 기판(10)을 맞붙이는 방법은, 상기 방법에 한정되는 것은 아니다.
다음으로, 반도체 기판(30)과 지지 기판(10)의 접합 후, 반도체 기판(30)을 가공하여 반도체층(20)을 형성한다. 반도체 기판(30)과 지지 기판(10)의 맞붙임을 행한 후 반도체 기판(30)을 박막화함으로써, 도 10에 도시한 바와 같이, 지지 기판(10) 상에 반도체층(20)을 형성할 수 있다. 도 10은, 광 입사측을 상측에 배치한 도면이다.
반도체 기판(30)을 박막화시키기 위해서는, 먼저 그라인더를 이용하여 물리적으로 기판을 얇게 한 후에 CMP 등의 방법에 의하여 연마 처리를 행하여 표면을 평활화한다. 그 후, 습식 에칭 또는 건식 에칭에 의하여 화학적으로 기판을 에칭함으로써, 목표하는 막 두께까지 반도체 기판(30)을 박막화하여 반도체층(20)을 형성할 수 있다. 단, 본 발명의 형태는 이들에 한정되는 것은 아니다.
전자를 축적하는 공핍층은, 도 10에 도시하는 광전 변환 소자(21)의 하부(이면측 부분)에 위치하기 때문에, 반도체층(20)의 막 두께가 두꺼워진 경우에는, 광전 변환 소자(21)의 상방에서 전자가 공핍층에 다다르기까지의 거리가 길어져 버린다. 그 경우에는, 전자가 발생 화소의 공핍층에 다다르기 전에 재결합에 의하여 소멸 또는 인접 화소에 유입됨으로써, 효율 저하나 혼색을 일으키는 원인으로 될 수 있다. 특히 단파장 영역의 광(파장 360㎚ 이상 450㎚ 이하)은 주로 광전 변환 소자(21)의 상부(광 입사측 부분)에서 광전 변환되기 때문에, 반도체층(20)이 3㎛보다도 두께를 갖는 경우에는 단파장 광의 광전 변환 효율이 저하되어 버린다.
한편, 반도체층(20)의 막 두께를 얇게 함으로써 단파장 광의 변환 효율은 상승하지만, 장파장 광은 광전 변환 소자(21)의 내부에서 충분히 광전 변환되지 않아 광전 변환 소자(21)의 하방으로 빠져나간다. 그러나 그와 같은 광은, 본 실시 형태의 고체 촬상 소자에 구비되는 광 반사 구조(14)에서 반사되어 광전 변환 소자(21)에 재입사되기 때문에, 본 실시 형태의 구조에 있어서는 반도체층(20)의 두께가 2㎛ 이상이면, 전체 가시광 영역의 광을 효율적으로 광전 변환시키는 것이 가능하다. 이 때문에, 반도체층(20)의 막 두께는 2㎛ 이상 3㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다.
다음으로, 도 11에 도시한 바와 같이, 광전 변환 소자(21) 사이에 소자 분리벽(26)을 형성한다. 소자 분리벽(26)은, 소자 구동에 있어서는 반드시 필요한 것은 아니지만, 광전 변환 소자(21)로의 입사 광의, 인접 화소로의 입사, 또는 광전 변환 소자(21)에서 발생한 전자가 인접 화소로 유입되어 생기는 혼색을 억제하는 효과가 있다. 소자 분리벽(26)의 재료로서 다결정 실리콘 또는 산화실리콘을 이용함으로써, 입사 광과 발생 전자의 양쪽의 인접 화소로의 유입을 억제하는 것이 가능하다. 소자 분리벽(26)의 형성은, DTI(Deep Trench Isolation) 기술을 이용하여 반도체층(20) 내에 고애스펙트비의 홈을 형성하고, 이 홈에 소자 분리벽(26)의 재료를 매립함으로써 실시한다.
또한 박막화 후의 반도체층(20)의 표면에는 다수의 결함 준위가 존재하여, 그대로 촬상 소자를 형성한 경우에는 결함 준위에 의하여 발생 전자가 트랩되거나 또는 암시 노이즈가 증대되는 등, 현저히 소자의 성능이 저하된다. 그 때문에 반도체층(20)의 표면을 불활성화 처리할 필요가 있다. 불활성화 처리는, 반도체층(20)의 표면에 고농도의 p+층을 형성함으로써 실시한다.
다음으로, 도 12에 도시한 바와 같이, 반도체층(20) 상에 컬러 필터(24)를 형성한다. 도시하고 있지는 않지만, 컬러 필터(24)의 형성 전에 반도체층(20) 상에, 평탄화성을 갖는 유기 막을 성막하고, 표면을 평활화하고 나서 컬러 필터(24)를 형성해도 된다. 컬러 필터(24)는, 안료를 분산시킨, 감광성을 갖는 수지를 이용하여, 포토리소그래피에 의하여 패턴 형성을 행할 수 있다.
또한 반도체층(20) 상, 또는 그 위에 형성한 평탄화막 상에, 안료를 분산시킨 비감광성 수지를 도포하고, 다시 이 비감광성 수지 상에 포토레지스트를 도포하고, 포토리소그래피에 의하여 패턴 형성한 후에 건식 에칭을 행함으로써, 컬러 필터(24)의 패턴 가공을 행하는 것도 가능하다.
컬러 필터(24)의 컬러 배열은 레드(R), 그린(G), 블루(B)의 3색의 베이어 배열(Bayer Array)이어도 되고, RGB에 의한 다른 배열이어도 되고, 그 외에 RGB 이외의 색(예를 들어 화이트, 시안, 옐로우, 마젠타 등)의 필터를 배열한 컬러 필터 배열이어도 되지만, 본 실시 형태는 그들에 한정되는 것은 아니다.
컬러 필터(24)의 형성 후, 컬러 필터(24) 상에 마이크로렌즈(25)를 형성함으로써, 도 1에 도시하는 본 실시 형태의 고체 촬상 소자로 된다. 컬러 필터(24) 상에 감광성 수지를 도포하고, 포토리소그래피에 의하여 각 화소의 렌즈 간 갭을 형성한 후에 열 플로우시킴으로써 렌즈 형상으로 형성하여, 마이크로렌즈(25)로 할 수 있다.
또는 컬러 필터(24) 상에 수지를 도포하고, 그 위에 감광성 수지를 도포하고 포토리소그래피, 열 플로우에 의하여 렌즈 형상으로 형성한 후에, 렌즈 형상의 감광성 수지막을 희생막으로 하여 건식 에칭을 행하고, 컬러 필터(24) 상에 형성한 수지를 렌즈 형상으로 가공하는 방법에 의해서도, 마이크로렌즈(25)를 형성할 수 있다.
실시예
이하, 본 발명의 실시예를 나타내지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다.
(지지 기판(10) 상으로의 광전 변환 소자(21)의 형성)
CMOS 제조 프로세스에 의하여 반도체 기판(30) 중에, 광전 변환 소자(21)로 되는 매립형 포토다이오드를 형성하였다. 또한 CMOS 이미지 센서를 구동하기 위한 기능성 소자인 부유 확산층 증폭기, 전하 전송용 트랜지스터 선택용 트랜지스터, 리셋 트랜지스터 및 소스 폴로어 증폭기를 광전 변환 소자(21)와 동시에 화소 내에 형성하였다.
광전 변환 소자(21) 및 그 외의 소자를 형성한 후에 배선(23)을 형성하였다. 또한 각 배선(23) 사이에 층간 절연층(22)을 형성하였다. 층간 절연층(22)은, 비도프형 산화실리콘을 상압 CVD로 성막함으로써 형성하였다. 또한 배선(23)은, 알루미늄 박막을 스퍼터로 성막한 후에 포토리소그래피에 의하여 배선 패턴 가공을 행함으로써 형성하였다.
(광 반사 구조(14)의 형성)
다음으로, 광 반사 구조(14)를 형성하기 위하여 층간 절연층(22) 상에 포토레지스트(15)의 패턴을 형성하였다. 맨 처음에, 감광성 레지스트를 스핀 코터로 도포하고 노광, 현상을 행함으로써 원기둥 형상의 패턴을 형성하였다. 반도체 기판(30)을 230℃의 핫 플레이트로 가열하여, 패터닝한 감광성 레지스트를 열 리플로우시킴으로써 반구 형상 패턴(15a)을 형성하였다. 그 후, 다시 감광성 레지스트를 스핀 코터로 도포하고 노광, 현상을 행하여, 반구 형상 패턴(15a)을 격자 형상으로 둘러싸는 직사각 형상 패턴(15b)을 형성하여 포토레지스트(15)의 패턴을 형성하였다.
본 실시예에서는, 광전 변환 소자(21)의 폭, 층간 절연층(22)의 막 두께가 모두 3㎛이고, 또한 포토레지스트(15)와 층간 절연층(22)의 건식 에칭 선택비가 거의 1:1로 되는 건식 에칭 조건을 적용하였기 때문에, 패턴 완성 후의 반구 형상 패턴(15a)의 막 두께가 1.5㎛, 직사각 형상 패턴(15b)의 막 두께가 3㎛로 되도록 감광성 레지스트 도포 시의 막 두께를 조정하였다.
다음으로, 반도체 기판(30)에 대하여 메탄(CF4)과 산소(O2)의 혼합 가스를 이용하여 건식 에칭 처리를 행하여, 층간 절연층(22)을 가공하여 광 투과층(11)을 형성하였다. 반구 형상으로 패터닝된 포토레지스트(15)는 건식 에칭 처리 중에 에칭되어 프로세스 도중에 소실되지만, 그 반구 형상이 하지의 층간 절연층(22)에 전사되었기 때문에 광 투과층(11)을 반구 형상으로 가공할 수 있었다. 또한 배선(23)이 형성된 부분의 층간 절연층(22) 상에 있는 직사각 형상의 포토레지스트(15)의 패턴도 건식 에칭 처리 중에 에칭되어 프로세스 도중에 소실되지만, 광 투과층(11)이 형성된 시점에서 에칭을 종료하기 때문에 그 아래의 층간 절연층(22) 및 배선(23)은 에칭되지 않고 보호된다.
그 후, 광 투과층(11), 및 건식 에칭되지 않고 남은 층간 절연층(22)의 표면에, 스퍼터링에 의하여 알루미늄 박막을 성막함으로써 반사 금속(12)을 형성하였다. 그 후, 상압 CVD에 의하여 비도프형 산화실리콘을 성막하고, 성막 후에 표면을 CMP에 의하여 연마하여 표면을 평활화시킴으로써 평탄화층(13)을 형성하였다. 이상의 공정에 의하여 반도체 기판(30) 상에 광 반사 구조(14)를 형성하였다.
(지지 기판(10) 상으로의 반도체층(20)의 형성)
지지 기판(10)으로 되는 실리콘 기판의 표면에 오존 처리를 실시하여 표면을 활성화시키고, 반도체 기판(30)의 평탄화층(13)을 형성한 측의 면에 부착하였다. 지지 기판(10)과 반도체 기판(30)을 맞붙인 후에 그라인더를 이용하여 반도체 기판(30)을 깎고, CMP에 의하여 반도체 박막 표면을 연마하여 표면을 평활화하였다.
그 후, 수산화칼륨과 수산화테트라메틸암모늄(TMAH)의 혼합 용액을 이용하여 습식 에칭 처리를 하여 반도체 기판(30)을 박막화함으로써 반도체층(20)을 형성하였다. 고체 촬상 소자를 형성한 후, 가부시키가이샤 히타치 하이테크놀로지즈 제조의 주사 전자 현미경 S4800에 의하여 고체 촬상 소자의 단면을 관찰한 바, 반도체층(20)의 막 두께는 2.5㎛였다.
(고체 촬상 소자의 제조)
반도체층(20)의 표면에 최대 캐리어 농도 1e19/㎤의 p+층을 도핑함으로써 불활성화 처리를 행하였다. 표면의 불활성화 처리 후에 건식 에칭에 의하여 반도체층(20) 내의 각 화소의 경계 부분에 폭 200㎚, 깊이 2㎛의 홈을 형성하고, 이 홈 내에 상압 CVD에 의하여 비도프형 산화실리콘을 매립하고, 또한 CMP에 의하여 반도체 박막 표면을 연마하여 표면을 평활화함으로써 반도체층(20) 내에 소자 분리벽(26)을 형성하였다.
다음으로, 반도체층(20) 상에, 각각 녹색, 청색, 적색의 안료를 함유하는 3종류의 감광성 수지를 이용하여 베이어 배열로 되도록 컬러 필터(24)를 형성하였다. 안료를 함유하는 감광성 수지는 스핀 코트법으로 도포한 후, 노광, 현상함으로써 색별로 패턴을 형성하였다.
컬러 필터(24)를 형성한 후에 컬러 필터(24) 상에 비감광성 수지를 도포하고 베이크를 행함으로써 평탄화막을 형성하였다. 다음으로, 평탄화막 상에 포지티브형 감광성 수지를 스핀 코트법으로 도포하고 포토리소그래피를 행하여 각 화소의 렌즈 간 갭을 형성한 후에 열처리를 함으로써, 감광성 수지가 리플로우되어 렌즈 형상으로 되어 마이크로렌즈(25)가 형성되었다. 또한 가시광 영역의 광을 입사시켰을 시에 광전 변환 소자(21)의 중심 부근에 집광되도록 마이크로렌즈(25)의 렌즈 형상을 설계하였다.
마이크로렌즈(25)를 형성한 후에 보호막의 성막, 지지 기판의 다이싱, 배선 본딩 등의 후처리를 행함으로써 고체 촬상 소자가 완성되었다.
본 실시예의 구조에 따라 제조한 고체 촬상 소자에 입사된 광의 거동에 대하여 도 13을 이용하여 설명한다. 고체 촬상 소자를 향하여 수직으로 입사된 광은 마이크로렌즈(25) 내에서 굴절하여 광전 변환 소자(21)의 중심을 향하여 집광된다. 파장이 짧은 광은 광전 변환 소자(21)의 표면 또는 내부에 있어서 광전 변환되어 전자-정공 쌍을 형성하지만, 대부분의 적색 광은 광전 변환되지 않고 반도체층(20)을 통과하여 광 반사 구조(14) 중의 반사 금속(12)에서 반사된다.
또한 마이크로렌즈(25)의 정점으로부터 수직으로 입사된 광뿐 아니라 광전 변환 소자(21)에 집광 후 광 반사 구조(14)에 비스듬히 입사된 광도, 광 투과층(11) 및 그것을 덮는 반사 금속(12)이 반구 형상으로 형성되어 있기 때문에 광전 변환 소자(21)의 중심을 향하여 효율적으로 반사되어 재입사된다.
본 실시예에 의한 고체 촬상 소자의 감도 향상 효과를 검증하기 위하여, 실시예에 따라 제작한 고체 촬상 소자의 양자 효율을 측정하였다. 고체 촬상 소자의 양자 효율 QE는, 단위 시간당의 1화소에 대한 입사 광자 수를 Np, 그 화소에서 발생하는 신호 전자 수를 Ne라 한 경우, 하기 식으로 나타낼 수 있다.
QE=Ne/Np
신호 전자 수 Ne을 구하기 위하여, 고체 촬상 소자를 전용의 구동 회로 기판에 접속하고 파장 가변 광원으로부터의 입사 광을 조사함으로써 파장별로 센서 출력 DN(Digit Number)을 측정한 후, 이하의 식을 이용하여 신호 전자 수 Ne을 계산하였다.
Ne=DN×C
여기서, 상기 식에 있어서 C는 변환 계수(Electron Number/Digit Number)를 나타내고 있다.
한편, 단위 시간당의 1화소에 대한 입사 광자 수 Np는, 먼저 분광 감도가 기지인, 시판 중인 포토다이오드에 입사 광을 조사하고, 각 파장에 있어서의 광 전류를 측정함으로써 파장별 광량 W(W/㎠)를 구한 후, 이하의 식을 이용하여 산출하였다.
Np=W×s×λ×t/(h×c)
상기 식에 있어서, s는 고체 촬상 소자의 1화소의 면적(㎠), λ는 입사 광의 파장(m), t는 입사 광의 조사 시간(sec), h는 플랑크 상수(6.6×10-34J·sec), c는 진공 중의 광속(3.0×1010m/sec)을 나타내고 있다.
상기 방법에 의하여, 본 실시예에서 제작한 고체 촬상 소자의 양자 효율을 측정한 바, 적색 영역(600 내지 650㎚)의 입사 광에 대한 양자 효율은 61.9%였다.
비교를 위하여, 반도체층(20)의 하부에 광 반사 구조(14)를 갖지 않는 점을 제외하면 본 실시예와 동일한 구조인 고체 촬상 소자를 제작하고, 본 실시예의 고체 촬상 소자와 동일한 측정 조건에서 양자 효율을 측정한 바, 적색 영역(600 내지 650㎚)의 입사 광에 대한 양자 효율은 50.9%여서 실시예와 비교하여 감도가 저하되어 있었다.
감도 저하는, 비교를 위하여 제작한 고체 촬상 소자는 반도체층(20)의 하부에 광 반사 구조(14)를 갖고 있지 않기 때문에, 반도체층(20)에서 광전 변환되지 않은 적색 광이 배선층을 통과하여 지지 기판측(10)으로 빠져나가 버림으로써 생긴 것이라고 생각된다.
이상의 검증에 의하여 본 실시예의 구조 고체 촬상 소자는, 적색 광에 대한 감도가 양호함을 보여 준다.
본 발명의 범위는, 도시되고 기재된 예시적인 실시 형태에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 목적으로 하는 것과 균등한 효과를 초래하는 모든 실시 형태도 포함한다. 또한, 본 발명의 범위는, 청구항에 의하여 구분되는 발명의 특징의 조합에 한정되는 것은 아니며, 모든 개시된 각각의 특징 중, 특정 특징의 모든, 원하는 조합에 의하여 구분될 수 있다.
또한 본원이 우선권을 주장하는 일본 특허 출원 제2016-235840호(2016년 12월 5일 출원)의 전체 내용은 참조에 의하여 본 개시의 일부를 이룬다.
10: 지지 기판
11: 광 투과층
12: 반사 금속
13: 평탄화층
14: 광 반사 구조
15: 포토레지스트
15a: 반구 형상 패턴
15b: 직사각 형상 패턴
20: 반도체층
21: 광전 변환 소자
22: 층간 절연층
23: 배선
24: 컬러 필터
25: 마이크로렌즈
26: 소자 분리벽
30: 반도체 기판
11: 광 투과층
12: 반사 금속
13: 평탄화층
14: 광 반사 구조
15: 포토레지스트
15a: 반구 형상 패턴
15b: 직사각 형상 패턴
20: 반도체층
21: 광전 변환 소자
22: 층간 절연층
23: 배선
24: 컬러 필터
25: 마이크로렌즈
26: 소자 분리벽
30: 반도체 기판
Claims (3)
- 반도체층 내에 복수의 광전 변환 소자가 이차원 형상으로 배열되고,
상기 반도체층의 광 입사측과는 반대측의 면측에, 상기 반도체층측의 면에 대하여 층간 절연층과 복수의 광 반사 구조가 형성된 지지 기판이 마련되고,
상기 광 반사 구조는, 광 투과층과, 해당 광 투과층의 상기 반도체층과는 반대측의 표면을 덮는 반사 금속을 갖고, 또한 상기 광 반사 구조는 상기 각 광전 변환 소자와 각각 대향하는 위치에 형성되고,
상기 반사 금속은, 상기 광전 변환 소자측의 면이 상기 광전 변환 소자측으로 오목한 곡면 형상으로 되어 있고,
상기 층간 절연층은 인접하는 상기 광 반사 구조 사이에 위치하고 있는 것을 특징으로 하는, 고체 촬상 소자. - 제1항에 있어서,
상기 광 반사 구조는, 상기 반도체층측에 평면을 갖도록 배치된 반구 형상인 것을 특징으로 하는, 고체 촬상 소자. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 지지 기판의 재질은 석영 또는 실리콘인 것을 특징으로 하는, 고체 촬상 소자.
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