KR20180066020A - 고체 이미지 센서, 및 전자 장치 - Google Patents

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Abstract

제1측 및 제2측을 갖는 반도체 기판과, 상기 반도체 기판의 상기 제1측에 배치된 광전변환 소자를 포함하는 이미지 센서를 제공한다. 또한, 관통전극은. 상기 광전변환 소자에 접속되고, 도전부 및 절연막을 포함한다. 상기 반도체 기판의 제1측에서의 상기 반도체 기판과 상기 도전부 사이의 상기 절연막의 두께는, 상기 반도체 기판의 상기 제2측에서의 상기 반도체 기판과 상기 도전부 사이의 상기 절연막의 두께와 다르다.

Description

고체 이미지 센서, 및 전자 장치
본 개시는, 고체 이미지 센서 및 전자 장치에 관한 것으로, 특히, 반도체 기판을 관통하는 관통전극을 마련하는 경우에 이용하기 알맞은 고체 이미지 센서 및 전자 장치에 관한 것이다.
<관련 출원의 상호 참조>
본 출원은 2015년 10월 6일에 출원된 일본 우선권 특허출원 JP2015-198347의 이익을 주장하고, 그 전체 내용은 본원에 참고로서 인용된다.
종래의 이미지 센서에 널리 채용되고 있는, 각 화소가 R, G, B의 어느 하나의 컬러색 필터로 덮인 구조에서는 위색(僞色)이 발생하여 버리기 쉽다는 부적합함이 있다.
이 부적합함을 해결하는 방법으로서, 각 화소 영역에 종방향으로 R(RED), G(GREEN), B(BLUE) 각각의 파장의 광을 광전변환하는 광전변환 영역(PD(포토다이오드) 등)을 적층한 구조가 제안되어 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).
또한, 반도체 기판 외에 광전변환 영역(광전변환막 등)을 미련한 구조가 제안되어 있다(예를 들면, 특허문헌 2 또는 3 참조).
이와 같은 구조를 이면 조사형 고체 이미지 센서에 적용한 경우에는, 이면측의 광전변환막으로 얻어진 전하를 반도체 기판의 표면측에 전송하기 위한, 반도체 기판을 관통하는 관통전극을 미련한 구조가 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 4 참조).
일본 특허 04491323호 공보 일본 특개2010-278086호 공보 일본 특개2011-138927호 공보 일본 특개2011-29337호 공보
고체 이미지 센서의 반도체 기판에 관통전극을 마련하는 경우, 이하의 문제가 생길 수 있다.
일반적으로, 관통전극은 그 중심 부분은 도전체로 형성되고, 도전체와 반도체 기판과의 사이에는 절연막이 형성된다. 관통전극은, 반도체 기판을 관통하여 변조 트랜지스터와 FD(플로팅 디퓨전)에 접속된다. 이 때문에, 관통전극과 반도체 기판 사이에는 정전용량이 생기고, 이 정전용량이 크면 변환 효율이 감소하여 버려, 얻어지는 화소 신호의 품질이 저하되어 버리는 문제가 있다. 또한, 정전용량을 저감시키기 위해서는, 관통전극과 반도체 기판 사이의 거리를 확대하는 것이 비교적 용이한 대응이지만, 그 경우, 관통전극이 나타내는 면적이 커져 버려 소자 면적이 확대하여 버린다.
본 개시는 이와 같은 상황을 감안하여 이루어진 것으로, 관통전극의 정전용량을 저감시킴에 의해 화소 특성을 향상시킬 수 있도록 하는 것이다.
본 개시의 실시의 형태에 관하여, 제1측 및 제2측을 갖는 반도체 기판을 포함하는 촬상 장치를 제공한다. 상기 촬상 장치는, 상기 반도체 기판의 상기 제1측에 배치된 광전변환 소자와, 상기 광전변환 소자에 접속되고, 도전부 및 절연막을 포함하는 관통전극을 포함한다. 또한, 상기 반도체 기판의 제1측에서의 상기 반도체 기판과 상기 도전부 사이의 상기 절연막의 두께는, 상기 반도체 기판의 상기 제2측에서의 상기 반도체 기판과 상기 도전부 사이의 상기 절연막의 두께와 다르다.
본 개시의 실시의 형태에 관하여, 이미지 센서를 포함하는 전자 기기를 제공한다. 상기 이미지 센서는, 제1측 및 제2측을 갖는 반도체 기판과, 상기 반도체 기판의 상기 제1측에 배치된 광전변환 소자와, 상기 광전변환 소자에 접속되고, 도전부 및 절연막을 포함하는 관통전극을 포함한다. 상기 반도체 기판의 제1측에서의 상기 반도체 기판과 상기 도전부 사이의 상기 절연막의 두께는, 상기 반도체 기판의 상기 제2측에서의 상기 반도체 기판과 상기 도전부 사이의 상기 절연막의 두께와 다르다.
본 개시의 실시의 형태에 관하여, 제1측 및 제2측을 갖는 반도체 기판과, 상기 반도체 기판의 상기 제1측에 배치된 광전변환 소자를 포함하는 촬상 장치를 제공한다. 관통전극은, 상기 광전변환 소자에 접속되고, 도전부 및 절연막을 포함한다. 상기 반도체 기판의 제1측에서의 상기 관통전극의 단면 면적은, 상기 반도체 기판의 상기 제2측에서의 상기 관통전극의 단면 면적과 다르다.
본 개시의 한 측면에 의하면, 관통전극의 정전용량을 저감시킬 수 있고, 화소 특성을 향상시키는 것이 가능해진다.
도 1은 본 개시의 실시의 형태의 개요를 설명하기 위한 도면.
도 2는 본 개시의 실시의 형태의 개요를 설명하기 위한 도면.
도 3은 본 개시의 실시의 형태를 적용한 이면 조사형 고체 이미지 센서의 제1의 구성례를 도시하는 단면도.
도 4는 본 개시의 실시의 형태를 적용한 이면 조사형 고체 이미지 센서의 제3의 구성례를 도시하는 단면도.
도 5는 본 개시의 실시의 형태를 적용한 이면 조사형 고체 이미지 센서의 제5의 구성례를 도시하는 단면도.
도 6은 본 개시의 실시의 형태를 적용한 이면 조사형 고체 이미지 센서의 제7의 구성례를 도시하는 단면도.
도 7은 관통전극을 형성할 때에 개구하는 관통구멍의 형상의 변형례를 도시하는 도면.
도 8a는 테이퍼 형상으로 형성된 관통전극의 배치례를 도시하는 도면.
도 8b는 테이퍼 형상으로 형성된 관통전극의 배치례를 도시하는 도면.
도 8c는 테이퍼 형상으로 형성된 관통전극의 배치례를 도시하는 도면.
도 8d는 테이퍼 형상으로 형성된 관통전극의 배치례를 도시하는 도면.
도 9는 관통전극의 수평 방향의 단면 형상의 예를 도시하는 도면.
도 10은 본 개시의 실시의 형태를 적용한 이면 조사형 고체 이미지 센서의 제1의 구성례의 제조 공정을 도시하는 단면도.
도 11은 본 개시의 실시의 형태를 적용한 이면 조사형 고체 이미지 센서의 제1의 구성례의 제조 공정을 도시하는 단면도.
도 12는 본 개시의 실시의 형태를 적용한 이면 조사형 고체 촬상 소자의 제1의 구성례의 제조 공정을 도시하는 단면도.
도 13은 본 개시의 실시의 형태를 적용한 이면 조사형 고체 이미지 센서의 제1의 구성례의 제조 공정을 도시하는 단면도.
도 14는 본 개시의 실시의 형태를 적용한 이면 조사형 고체 이미지 센서의 제1의 구성례의 제조 공정을 도시하는 단면도.
도 15는 본 개시의 실시의 형태를 적용한 이면 조사형 고체 이미지 센서의 제1의 구성례의 제조 공정을 도시하는 단면도.
도 16은 본 개시의 실시의 형태를 적용한 전자 장치의 사용례를 도시하는 도면.
도 17은 본 개시의 실시의 형태를 적용한 전자 장치를 도시하는 도면.
이하, 본 개시를 실시하기 위한 최선의 형태(이하, 실시의 형태라고 칭한다)에 관해, 도면을 참조하면서 상세히 설명한다.
<본 개시의 개요>
처음에, 본 개시의 개요에 관해 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한다.
도 1은, 종래에 비교하여 정전용량을 저감시키도록 형성하는 관통전극의 제1의 구성례를 도시하는 단면도이다.
그 제1의 구성례에서는, 반도체 기판(10)에 형성하는 관통전극(14)의 외경이 소자 면적에 여유가 있는 면측을 굵게, 여유가 없는 측을 가늘게(도 1의 경우, 하측이 굵고, 상측이 가늘다) 형성되어 있다. 즉, 관통전극은, 수직 방향으로 테이퍼 형상(쇠퇴일로 형상)으로 형성되어 있다. 테이퍼 형상의 각도는, 90도로부터 70도의 범위로 한다.
관통전극(14)은, 두께 일정한 도전체(17)의 주위에 절연체 도전체(16)가 형성되어 있다. 그 제1의 구성례의 경우, 소자 면적에 여유가 없는 도면 상측의 관통전극(14)이 차지하는 면적을 작게 할 수 있다. 또한, 소자 면적에 여유가 있는 도면 하측의 절연막(16)의 막두께가 두껍게 형성되어 있음에 의해, 정전용량의 저감이 실현된다. 또한, 관통전극(14)의 단면 면적은, 반도체 기판(10)의 상측과 하측에서 다를 수 있다. 즉, 반도체 기판(10)의 제1측에서의 관통전극(14)의 단면 면적은, 반도체 기판의 제2측에서의 관통전극(14)의 단면 면적과 다르다. 이러한 단면 면적의 변화는, 도전체(17)의 단면 면적의 변화, 절연막(16)의 단면 면적의 변화, 또는 도전체(17)의 단면 면적의 변화 및 절연막(16)의 단면 면적의 변화의 조합에 의할 수 있다.
도 2는, 종래에 비교하여 정전용량을 저감시키도록 형성한 관통전극(14)의 제2의 구성례를 도시하는 단면도이다.
그 제2의 구성례에서는, 반도체 기판(10)에 대해, 그 외경이 일정하고 중심 부분이 테이퍼 형상(도 2의 경우, 하측이 굵고, 상측이 가늘다)으로 남겨진 환형상(環狀)(도너츠형상)의 관통구멍이 형성되어 있고, 그곳에 절연막(16)이 충전되어 있다. 또한, 환형상의 중심 부분의 반도체에 P형 불순물(21)이 주입됨에 의해 저항치가 저하된 도전부를 갖는 관통전극(14)이 형성되어 있다. 그 제2의 구성례의 경우, 도면 상측의 절연막(16)의 막두께가 두껍게 형성되어 있음에 의해, 정전용량의 저감이 실현되어 있다. 또한, 도면 하측의 도전부(P형 불순물(21)이 충전된 반도체)의 면적을 넓게 할 수 있기 때문에, 도면 하측 콘택트와의 맞겹침 마진을 확대할 수 있다.
<본 개시를 적용한 이면 조사형 고체 이미지 센서의 제1의 구성례>
다음에, 도 1 또는 도 2에 도시된 관통전극이 형성되어 있는, 본 개시를 적용한 이면 조사형 고체 이미지 센서의 구성례에 관해 설명한다.
도 3은, 도 1에 도시된 관통전극의 구조를 채용한, 본 개시를 적용한 이면 조사형 고체 이미지 센서의 1화소분의 제1의 구성례를 도시하고 있다.
도 3에 도시되는 제1의 구성례는, 반도체 기판(10) 내에 형성된 PD로 이루어지는 제1의 광전변환층(12) 및 제2의 광전변환층이 형성되어 있고, 제1의 광전변환층(12)의 바로 위에, 부(負)의 고정 전하를 갖는 고정 전하막(15)이 형성되어 있다.
고정 전하막(15)으로는, 예를 들면 산화하프늄, 산화알루미늄, 산화지르코늄, 산화탄탈, 산화티탄, 산화란탄, 산화프라세로디뮴, 산화세륨, 산화네오디뮴, 산화프로메튬, 산화사마륨, 산화유로퓸, 산화가돌리늄, 산화테르븀, 산화디스프로?, 산화홀뮴, 산화튤륨, 산화이테르븀, 산화루테튬, 산화이트륨, 질화알루미늄막, 산질화하프늄막, 산질화알루미늄막 등을 채용할 수 있다. 또한, 재질이 다른 2층 이상의 고정 전하막을 적층하도록 하여도 좋다.
고정 전하막(15)의 상측에는, 절연막(16)이 형성되어 있다. 절연막(16)으로는, 예를 들면 실리콘산화막, TEOS, 실리콘질화막, 실리콘산질화막 등의 절연성을 갖는 유전체를 채용할 수 있다.
절연막(16)의 상측에는, 광전변환 소자(11)가 형성되어 있다. 광전변환 소자(11)는, G의 광에 대해 감도를 갖는 광전변환막의 상하를 투명 전극이 끼우도록 형성되어 있다. 광전변환막으로는, 로다민계 색소, 메로시아닌계 색소, 퀴나크리돈 등의 유기 광전변환 재료 등을 채용할 수 있다.
또한, 반도체 기판(10)에는, 광전변환 소자(11)에서 변환된 전하를 반도체 기판(10)의 반대면측에 전송하기 위한 테이퍼 형상의 관통전극(14)이 형성되어 있다. 관통전극(14)의 중심 부분에는, 지름이 일정한 도전체(17)가 형성되어 있다. 도전체(17)에는, 예를 들면 PDAS(Phosphorus Doped Amorphous Silicon) 등의 도프된 실리콘 재료 외, 알루미늄, 텅스텐, 티탄, 코발트, 하프늄, 탄탈 등의 금속재료를 채용할 수 있다.
또한, 반도체 기판(10)의 표면측(도면 중의 하측)에는, 광전변환 소자(11)로부터 관통전극(14)을 통하여 전송된 전하를 축적하기 위한 FD(19)나 각종 트랜지스터가 형성되어 있다.
제1의 광전변환층(12)과 제2의 광전변환층(13)은, 각각 흡수 계수가 다르고, 제1의 광전변환층(12)은 B의 광에 대해 감도를 가지며, 제2의 광전변환층(13)은 R의 광에 대해 감도를 갖는다.
제1의 광전변환층(12)과 제2의 광전변환층(13)에서의 광전변환에 의해 발생된 전하는, 각각의 영역에 축적된 후, 도시하지 않은 판독 회로에 의해 외부에 출력된다.
<본 개시를 적용한 이면 조사형 고체 이미지 센서의 제2의 구성례>
제2의 구성례는, 도시는 생략하지만, 도 3에 도시된 제1의 구성례와는 반대로, 반도체 기판(10)의 표면측의 소자 면적에 여유가 있고, 이면측의 소자 면적에 여유가 없는 경우이고, 이 경우, 관통전극(14)의 외경을 표면측에서 넓게, 이면측에서 좁게 형성한다.
<본 개시를 적용한 이면 조사형 고체 이미지 센서의 제3의 구성례>
도 4는, 본 개시를 적용한 이면 조사형 고체 이미지 센서의 1화소분의 제3의 구성례를 도시하고 있다.
도 4에 도시되는 제3의 구성례는, 도 3에 도시된 제1의 구성례와 비교하여, 관통전극(14)의 형상이 다르다. 그 제3의 구성례에서는, 관통전극(14)의 외경이 단계적(도 4의 경우, 1단계)인 끝이 가는 형상으로 형성되어 있다. 기타의 구성 요소에 관해서는 마찬가지이다.
관통전극(14)을 형성하기 위한 관통구멍을 테이퍼 형상이 아니라, 단계적인 끝이 가는 형상으로 한 경우, 관통구멍의 측벽의 기판 결정 방위가 정돈되기 쉽게 되기 때문에, 계면준위 밀도가 저감되고, 백점(白点)·암전류 특성을 개선하는 것이 가능해진다.
또한, 제조 공정에서도, 관통구멍은 상면측의 지름이 넓게 개구되어 있기 때문에, 관통구멍의 표면에 대한 고정 전하막(15)의 형성과 절연막(16)의 충전을 용이하게 행할 수 있다.
<본 개시를 적용한 이면 조사형 고체 이미지 센서의 제4의 구성례>
제4의 구성례는, 도시는 생략하지만, 도 4에 도시된 제3의 구성례와는 반대로, 반도체 기판(10)의 표면측의 소자 면적에 여유가 있고, 이면측의 소자 면적에 여유가 없는 경우이고, 이 경우, 관통전극(14)의 외경을 표면측에서 넓게, 이면측에서 좁게 형성한다.
<본 개시를 적용한 이면 조사형 고체 이미지 센서의 제5의 구성례>
도 5는, 도 2에 도시된 관통전극의 구조를 채용한, 본 개시를 적용한 이면 조사형 고체 이미지 센서의 1화소분의 제5의 구성례를 도시하고 있다.
도 5에 도시되는 제5의 구성례는, 도 3에 도시된 제1의 구성례와 비교하여, 관통전극(1)의 구조가 다르고, 기타의 구성 요소에 관해서는 마찬가지이다.
즉, 제5의 구성례에서는, 반도체 기판(10)에 환형상의 관통구멍이 형성되고, 그 중심에 테이퍼 형상으로 남겨진 반도체 부분에 P형 불순물(21)이 주입됨에 의해 저항치가 경감되어 도전부가 형성되어 있다. 또한, 환형상의 관통구멍의 중심에 테이퍼 형상으로 남겨진 반도체 부분에는, P형 불순물이 주입됨에 의해 콘택트 저항을 저감시키기 위해 고농도 불순물 영역이 형성되어 있다. 또한, 환형상의 관통구멍의 외벽에도 P형 불순물이 주입되어 있고, 그 상면에 형성된 고정 전하막(15)과 더불어 홀 축전층이 형성된다. 고정 전하막(15)의 위에는 절연막(16)이 형성되어 있다. 또한, 관통구멍 내의 절연막(16)의 중앙 부분에 공극을 미련하도록 하여도 좋다.
제5의 구성례의 경우, 환형상으로 형성된 관통구멍의 홈의 폭이, 소자 면적에 여유가 없는 표면측보다도, 소자 면적에 여유가 있는 이면측에서 굵어지도록 형성되어 있기 때문에, 관통전극(14)에서의 절연막(16)의 두께는 이면측에서 두꺼워져서 정전용량을 저감시키는 것이 가능해진다. 또한, 관통전극(14)에서의 도전부(P형 불순물(21)이 주입된 반도체)의 지름은 R면측에서 가늘고, 표면측에서 굵게 형성되기 때문에, 표면측의 콘택트와 관통전극(14)(의 도전체(17))과의 맞겹침 마진(overlap margin)이 향상한다.
<본 개시를 적용한 이면 조사형 고체 이미지 센서의 제6의 구성례>
제6의 구성례는, 도시는 생략하지만, 도 5에 도시된 제5의 구성례와는 반대로, 반도체 기판(10)의 표면측의 소자 면적에 여유가 있고, 이면측의 소자 면적에 여유가 없는 경우이고, 이 경우, 관통전극(14)의 외경을 표면측에서 넓게, 이면측에서 좁게 형성한다.
<본 개시를 적용한 이면 조사형 고체 이미지 센서의 제7의 구성례>
도 6은, 본 개시를 적용한 이면 조사형 고체 이미지 센서의 1화소분의 제7의 구성례를 도시하고 있다.
도 6에 도시되는 제7의 구성례는, 도 5에 도시된 제5의 구성례와 비교하여, 관통전극(14)의 형상이 다르다. 그 제7의 구성례에서는, 환형상으로 형성된 관통구멍의 외경 및 내경이 단계적(도 6의 경우, 1단계)인 끝이 가는 형상으로 형성되어 있다. 기타의 구성 요소에 관해서는 마찬가지이다.
관통전극(14)을 형성하기 위한 관통구멍을 테이퍼 형상이 아니라, 단계적인 끝이 가는 형상으로 한 경우, 관통구멍의 측벽의 기판 결정 방위가 정돈되기 쉽게 되기 때문에, 계면준위 밀도가 저감되고, 백점·암전류 특성을 개선한 것이 가능해진다.
<본 개시를 적용한 이면 조사형 고체 이미지 센서의 제8의 구성례>
제8의 구성례는, 도시는 생략하지만, 도 6에 도시된 제7의 구성례와는 반대로, 반도체 기판(10)의 표면측의 소자 면적에 여유가 있고, 이면측의 소자 면적에 여유가 없는 경우이고, 이 경우, 관통전극(14)의 외경을 표면측에서 넓게, 이면측에서 좁게 형성한다.
<관통전극(14)을 형성할 때에 개구하는 관통구멍의 형상>
다음에, 도 7은, 관통전극(14)을 형성하는데 즈음하여 개구되는 관통구멍의 형상의 변형을 도시하고 있다.
상술한 바와 같이, 관통전극(14)을 형성하는데 즈음하여 개구되는 관통구멍(31)은 테이퍼 형상으로 형성되는데, 동 도 A에 도시되는 바와 같이, 단부를 보다 넓혀서 개구하여도 좋다. 또한, 반대로, 동 도 B에 도시되는 바와 같이, 단부를 보다 좁혀서 개구하여도 좋다. 또한, 도시는 생략하지만, 관통구멍(31)의 양단부의 일방만을 보다 넓게 하든지, 보다 좁게 하여도 좋다. 또한, 관통구멍(31)의 양단부의 일방을 보다 넓히고, 타단을 보다 좁히도록 하여도 좋다.
<테이퍼 형상이 되는 관통전극(14) 방향>
반도체 기판(10)에 복수의 관통전극(14)을 마련하는 경우에는 테이퍼 형상 방향을 정돈할 필요는 없다. 예를 들면, 도 8에 도시되는 바와 같이, 반도체 기판(10)에 관통전극(14)을 마련하는 위치의 소자 면적의 여유의 유무에 응하여, 테이퍼 형상을 엇갈림에 변화시켜도 좋다. 또한, 테이퍼 형상이 되는 관통전극(14)의 외경이나 그 중심 부분에 형성된 도전체(17)의 지름을 통일하지 않아도 좋다.
또한, 일부 실시의 형태에서, 관통전극(14)의 하나 이상의 구성 요소는 테이퍼 될 수 있다. 예를 들면, 도 8b에서 도시한 바와 같이, 절연막의 두께는, 일정하거나, 거의 일정하게 유지될 수 있다. 대안으로, 또는 부가적으로, 도 8b에서 더 도시한 바와 같이, 절연막(16)이 테이퍼 되거나, 도전체(17)가 테이퍼 되거나, 또는 절연막(16) 및 도전체(16) 모두 테이퍼 될 수 있다. 도 8c에서 도시한 바와 같이, 관통전극(14)은 일정하거나 거의 일정한 폭을 갖는 반면, 도전체(17)는 테이퍼 된다. 또한, 도 8d에서 도시한 바와 같이, 절연막(16)은 도전체(17)가 테이퍼 되는 방향과 반대 방향으로 테이퍼 될 수 있다.
<관통전극(14)의 수평 방향의 단면 형상>
도 9는, 관통전극(14)의 수평 방향의 단면 형상의 예를 도시하고 있다.
도 9의 A 및 도 9의 B는, 관통구멍에 절연막(16)을 충전하고, 절연막(16)의 중심 부분에 도전체(17)를 매입하여 형성하는 구조이고, 도 9의 A는 수평 방향의 단면이 원형인 경우의 예, 도 9의 B는 수평 방향의 단면이 사각형인 경우의 예를 도시하고 있다.
도 9의 C 및 도 9의 D는, 환형상으로 형성된 관통구멍에 절연막(16)을 충전함과 함께, 관통구멍의 중심 부분에 남았던 반도체에 P형 불순물(21)을 주입하여 도전부로 한 구조이고, 도 9의 C는 수평 방향의 단면이 원형인 경우의 예, 도 9의 D는 수평 방향의 단면이 사각형인 경우의 예를 도시하고 있다.
또한, 관통전극(14)의 수평 방향의 단면 형상은, 예시한 원형 또는 사각형으로 한정되는 것이 아니다. 또한, 동일한 반도체 기판(10) 내에 단면 형상이 다른 관통전극(14)이 혼재하여도 좋다.
<본 개시를 적용한 이면 조사형 고체 이미지 센서의 제조 방법>
다음에, 도 3에 도시된 이면 조사형 고체 이미지 센서의 제1의 구성례의 제조 공정을 설명한다.
도 10 내지 도 15는, 이면 조사형 고체 이미지 센서의 제1의 구성례의 제조 공정을 도시하고 있다.
처음에, 도 10에 도시되는 바와 같이, SOI(Silicon on Insulator) 기판 등 등의 반도체 기판(10) 내에 제1의 광전변환층(12), 제2의 광전변환층(13), 각종 트랜지스터 등을 형성하면, 배선층을 형성한다.
다음에, 도 11을 도시하는 바와 같이, 반도체 기판(10)의 관통전극(14)을 마련하는 위치에, 이면측부터 테이퍼 형상의 관통구멍(31)을 드라이 에칭 등에 의해 형성한다. 그 후, 도 12에 도시되는 바와 같이, 관통구멍(31)을 포함한 반도체 기판(10)의 전체에 고정 전하막(15)을 적층하고, 도 13에 도시되는 바와 같이, 고정 전하막(15)의 위에 절연막(16)을 적층하여 관통구멍(31)을 충전한다.
다음에, 도 14에 도시되는 바와 같이, 관통구멍(31)에 충전한 절연막(16)의 중심 부분에서, 전면측에 접속되는 도체에 도달할 때까지 관통구멍(32)을 형성하고, 도 15에 도시되는 바와 같이, 관통구멍(32)에 도전체(17)를 매입한다.
이후, 도시는 생략하지만, CMP에 의해 이면측의 평면상의 도전체(17)를 연마, 제거하고, 또한 산화막을 퇴적하고, 콘택트를 형성하고, 광전변환 소자(11)를 적층시킨다. 광전변환 소자의 상부에는 질화규소 등의 보호막을 형성하여도 좋다. 또한, 평탄 막 등의 광학 부재를 형성하고, 온 칩 렌즈를 형성한다.
이상 설명한 공정에 의해, 이면 조사형 고체 이미지 센서의 제1의 구성례는 제조된다. 또한, 이면 조사형 고체 이미지 센서의 제2 내지 제8의 구성례에 관해서도, 이하의 설명과 같은 제조 방법에 기존의 제조 기술을 추가함으로써 제조 가능하다.
<본 개시를 적용한 이면 조사형 고체 이미지 센서의 사용례>
도 16은, 상술한 이면 조사형 고체 이미지 센서를 사용하는 사용례를 도시하는 도면이다.
상술한 이면 조사형 고체 이미지 센서는, 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 차량탐재용 센서, 주행 차량이나 도로를 감시하는 감시 카메라, 차량 사이 등의 거리측정을 행하는 거리측정 센서 등의, 교통용으로 제공되는 장치
- 유저의 제스처를 촬영하고, 그 제스처에 따른 기기 조작을 행하기 위해, TV 야, 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, 시큐리티용으로 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
도 17은 본 기술을 적용한 전자 기기의 한 예인 카메라 장치의 구성례를 도시하는 블록도이다.
도 17에서의 카메라 장치(70)는, 렌즈군 등을 포함하는 광학부(71)와, 상술한 화소(72)의 각각의 구성을 채용한 고체 촬상 소자(촬상 소자)(72)와, 카메라 신호 처리 회로인 DSP 회로를 포함한다. 또한, 카메라 장치(70)는 프레임 메모리(74), 표시부(75), 기록부(76), 조작부(77) 및 전원부(78)를 포함한다. DSP 회로(73), 프레임 메모리(74), 표시부(75), 기록부(76), 조작부(77) 및 전원부(78)는 버스 라인(79)을 통해 서로 접속되어있다.
광학부(71)는 고체 촬상 소자(72)의 촬상면 상에 촬상되도록 피사체로부터의 입사광(화상광)을 수광한다. 고체 촬상 소자(72)는 광학부(71)에 의해 촬상면 상에 촬상된 입사광의 광량을 화소의 단위에서 전기 신호로 변환하고, 화소 신호로서 전기 신호를 출력한다. 상술한 실시의 형태에 관한 고체 촬상 장치는, 고체 촬상 소자 (72)로서 이용할 수 있다.
표시부(75)는, 예를 들면, 액정 패널이나 유기 EL(electroluminescence) 패널 등의 패널형 표시 장치를 포함하고, 고체 촬상 소자(72)에 의해 촬상된 동화상이나 정지 화상을 표시한다. 기록부(76)는, 고체 촬상 소자(72)에 의해 촬상된 동화상이나 정지 화상을 비디오 테이프나 DVD(Digital Versatile Disk) 등의 기록 매체에 기록한다.
조작부(77)는 유저에 의한 조작에 따라 카메라 장치(70)의 각종 기능에 대한 조작 명령을 내린다. 전원부(78)는 DSP 회로(73), 프레임 메모리(74), 표시부(75), 기록부(76) 및 조작부(77)의 동작 전력인 다양한 전력을 공급 대상에 적절히 공급한다.
또한, 본 개시의 실시의 형태는, 상술한 실시의 형태로 한정되는 것이 아니고, 본 개시의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 여러가지의 변경이 가능하다.
본 기술은 이하와 같은 구성도 취할 수 있다.
(1)
제1측 및 제2측을 갖는 반도체 기판과,
상기 반도체 기판의 상기 제1측에 배치된 광전변환 소자와,
상기 광전변환 소자에 접속되고, 도전부 및 절연막을 포함하는 관통전극을 포함하고,
상기 반도체 기판의 제1측에서의 상기 반도체 기판과 상기 도전부 사이의 상기 절연막의 두께는, 상기 반도체 기판의 상기 제2측에서의 상기 반도체 기판과 상기 도전부 사이의 상기 절연막의 두께와 다른 촬상 장치.
(2)
상기 관통전극은 상기 반도체 기판을 관통하고, 상기 광전변환 소자에 의해 광전변환된 전하를 증폭 트랜지스터 또는 상기 반도체 기판의 상기 제2측에 형성된 플로팅 디퓨전 중 적어도 하나에 전송하는 상기 (1)에 기재된 촬상 장치.
(3)
상기 반도체 기판과 상기 도전부 사이의 상기 절연부의 두께는, 상기 반도체 기판의 상기 제1측으로부터 상기 반도체 기판의 상기 제2측으로 서서히 변화하는 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 촬상 장치.
(4)
상기 반도체 기판과 상기 도전부 사이의 상기 절연부의 두께는, 상기 반도체 기판의 상기 제1측으로부터 상기 반도체 기판의 상기 제2측으로 90도 내지 70도의 범위 내의 기울기로 서서히 변화하는 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 기재된 촬상 장치.
(5)
상기 반도체 기판과 상기 도전부 사이의 상기 절연부의 두께는, 상기 반도체 기판의 상기 제1측으로부터 상기 반도체 기판의 상기 제2측으로 단계적으로 변화하는 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 촬상 장치.
(6)
상기 절연막은, 절연성을 갖는 유전체를 포함하는 상기 (1) 내지 (5) 중 어느 하나에 기재된 촬상 장치.
(7)
상기 반도체 기판의 상기 제1측 및 상기 반도체 기판의 상기 제2측에서의 상기 절연막의 양(兩)단부는, 상기 절연막의 비(非)단부에 대하여 테이퍼 형상으로 되어 있는 상기 (1) 내지 (6) 중 어느 하나에 기재된 촬상 장치.
(8)
상기 관통전극의 중심부는, 금속 또는 도전성 재료 중 적어도 하나를 포함하는 상기 (1) 내지 (7) 중 어느 하나에 기재된 촬상 장치.
(9)
상기 관통전극은, 각각의 화소마다 형성되는 상기 (1) 내지 (8) 중 어느 하나에 기재된 촬상 장치.
(10)
상기 반도체 기판의 상기 제1측에서의 상기 반도체 기판과 제1의 도전부 사이의 상기 절연막의 두께가, 상기 반도체 기판의 상기 제2측에서의 상기 반도체 기판과 상기 제1의 도전부 사이의 상기 절연막의 두께보다 두꺼운 제1의 관통전극은, 상기 반도체 기판 내에 배치되고,
상기 반도체 기판의 상기 제2측에서의 상기 반도체 기판과 제2의 도전부 사이의 상기 절연막의 두께가, 상기 반도체 기판의 상기 제1측에서의 상기 반도체 기판과 상기 제2의 도전부 사이의 상기 절연막의 두께보다 두꺼운 제2의 관통전극은, 상기 반도체 기판 내에 배치되는 상기 (1) 내지 (9) 중 어느 하나에 기재된 촬상 장치.
(11)
상기 반도체 기판은, 서로 다른 지름을 갖는 복수의 관통전극을 포함하는 상기 (1) 내지 (10) 중 어느 하나에 기재된 촬상 장치.
(12)
수평 방향에서의 상기 관통전극의 단면 형상은, 원 또는 사각형인 상기 (1) 내지 (11) 중 어느 하나에 기재된 촬상 장치.
(13)
상기 반도체 기판 내에 형성되고, 상기 광전변환 소자가 감도를 갖는 광의 파장과 다른 파장의 광의 파장에 감도를 갖는 제1의 광전변환층과,
상기 반도체 기판 내에 형성되고, 상기 광전변환 소자 및 상기 제1의 광전변환층이 감도를 갖는 광의 파장과 다른 파장의 광의 파장에 감도를 갖는 제2의 광전변환층을 더 구비하는 상기 (1) 내지 (12) 중 어느 하나에 기재된 촬상 장치.
(14)
이미지 센서를 구비하고,
상기 이미지 센서는,
제1측 및 제2측을 갖는 반도체 기판과,
상기 반도체 기판의 상기 제1측에 배치된 광전변환 소자와,
상기 광전변환 소자에 접속되고, 도전부 및 절연막을 포함하는 관통전극을 포함하고,
상기 반도체 기판의 제1측에서의 상기 반도체 기판과 상기 도전부 사이의 상기 절연막의 두께는, 상기 반도체 기판의 상기 제2측에서의 상기 반도체 기판과 상기 도전부 사이의 상기 절연막의 두께와 다른 전자 장치.
(15)
제1측 및 제2측을 갖는 반도체 기판과,
상기 반도체 기판의 상기 제1측에 배치된 광전변환 소자와,
상기 광전변환 소자에 접속되고, 도전부 및 절연막을 포함하는 관통전극을 구비하고,
상기 반도체 기판의 제1측에서의 상기 관통전극의 단면 면적은, 상기 반도체 기판의 상기 제2측에서의 상기 관통전극의 단면 면적과 다른 촬상 장치.
(16)
상기 반도체 기판의 상기 제1측에서의 상기 반도체 기판과 상기 도전부 사이의 절연막의 두께는, 상기 반도체 기판의 상기 제2측에서의 상기 반도체 기판과 상기 도전부 사이의 상기 절연막의 두께와 다른 상기 (15)에 기재된 촬상 장치.
(17)
상기 반도체 기판의 상기 제1측에서의 상기 도전부의 두께는, 상기 반도체 기판의 상기 제2측에서의 상기 도전부의 두께와 다른 상기 (15) 또는 (16)에 기재된 촬상 장치.
(18)
상기 반도체 기판 내에 배치된 제1의 관통전극과,
상기 반도체 기판 내에 배치된 제2의 관통전극을 구비하고,
상기 반도체 기판의 상기 제1측에서의 상기 제1의 관통전극의 단면 면적은, 상기 반도체 기판의 상기 제2측에서의 상기 제1의 관통전극의 단면 면적보다 크고,
상기 반도체 기판의 상기 제2측에서의 상기 제2의 관통전극의 단면 면적은, 상기 반도체 기판의 상기 제1측에서의 상기 제2의 관통전극의 단면 면적보다 큰 상기 (15) 내지 (17) 중 어느 하나에 기재된 촬상 장치.
(19)
반도체 기판의 표면 및 이면 중 일방의 면측에 형성되어 있는 광전변환 소자와,
상기 반도체 기판을 관통하고, 상기 광전변환 소자의 광전변환에 의해 변환된 전하를 반도체 기판의 표면 및 이면 중 타방의 면측에 전송하는 관통전극을 포함하고,
상기 관통전극은, 상기 전하를 전송하는 중심 부분과 상기 중심 부분을 둘러싸는 절연막으로 포함하고,
상기 관통전극을 형성하는 상기 절연막은, 반도체 기판의 일방의 면과 타방의 면에서의 두께가 다른 고체 이미지 센서.
(20)
상기 관통전극은, 상기 반도체 기판을 관통하고, 상기 광전변환 소자의 광전변환에 의해 변환된 전하를, 반도체 기판의 표면 및 이면 중 타방의 면측에 형성되어 있는 증폭 트랜지스터 또는 플로팅 디퓨전의 적어도 일방에 전송하는 상기 (1)에 기재된 고체 이미지 센서.
(21)
상기 관통전극을 형성하는 상기 절연막의 두께는, 반도체 기판의 일방의 면부터 타방의 면에 걸쳐서 서서히 변화하는 상기 (19) 또는 (20)에 기재된 고체 이미지 센서.
(22)
상기 관통전극을 형성하는 상기 절연막의 두께는, 반도체 기판의 일방의 면부터 타방의 면에 걸쳐서 90도로부터 70도의 범위의 기울기로 서서히 변화하는 상기 (19)부터 (21)의 어느 하나에 기재된 고체 이미지 센서.
(23)
상기 관통전극을 형성하는 상기 절연막의 두께는, 반도체 기판의 일방의 면부터 타방의 면에 걸쳐서 단계적으로 변화하는 상기 (19) 또는 (20)에 기재된 고체 이미지 센서.
(24)
상기 관통전극을 형성하는 상기 절연막은, 절연성을 갖는 유전체로 이루어지는 상기 (19)부터 (23)의 어느 하나에 기재된 고체 이미지 센서.
(25)
상기 관통전극을 형성하는 상기 절연막의 양단부는, 상기 양단부 이외의 직선부분과 다른 기울기로 형성되어 있는 상기 (19)부터 (24)의 어느 하나에 기재된 고체 이미지 센서.
(26)
상기 관통전극의 상기 중심 부분은, 금속 또는 도전성 재료로 이루어지는 상기 (19)부터 (25)의 어느 하나에 기재된 고체 이미지 센서.
(27)
상기 관통전극은, 화소마다 형성되어 있는 상기 (19)부터 (26)의 어느 하나에 기재된 고체 이미지 센서.
(28)
상기 절연막의 두께가 반도체 기판의 일방의 면부터 타방의 면에 걸쳐서 두꺼워지는 제1의 관통전극과, 상기 절연막의 두께가 반도체 기판의 타방의 면부터 일방의 면에 걸쳐서 두꺼워지는 제2의 관통전극이 상기 반도체 기판 내에 혼재하는 상기 (19)부터 (27)의 어느 하나에 기재된 고체 이미지 센서.
(29)
지름이 다른 복수의 상기 관통전극이 상기 반도체 기판 내에 혼재하는 상기 (19)부터 (28)의 어느 하나에 기재된 고체 이미지 센서.
(30)
상기 관통전극의 수평 방향의 단면 형상은, 원, 또는 사각형인 상기 (19)부터 (29)의 어느 하나에 기재된 고체 이미지 센서.
(31)
반도체 기판 내에 형성되고, 상기 광전변환 소자와는 다른 파장의 광에 대해 감도를 갖는 제1의 광전변환층과,
반도체 기판 내에 형성되고, 상기 광전변환 소자 및 상기 제1의 광전변환층과는 다른 파장의 광에 대해 감도를 갖는 제2의 광전변환층을 또한 포함하는 상기 (19)부터 (30)의 어느 하나에 기재된 고체 이미지 센서.
(32)
고체 이미지 센서가 포함하는 전자 장치에 있어서,
상기 고체 이미지 센서는,
반도체 기판의 표면 및 이면 중의 일방의 면측에 형성되어 있는 광전변환 소자와,
상기 반도체 기판을 관통하고, 상기 광전변환 소자의 광전변환에 의해 변환된 전하를 반도체 기판의 표면 및 이면 중 타방의 면측에 전송하는 관통전극을 포함하고,
상기 관통전극은, 상기 전하를 전송하는 중심 부분과 상기 중심 부분을 둘러싸는 절연막을 포함하고,
상기 관통전극을 형성하는 상기 절연막은, 반도체 기판의 일방의 면과 타방의 면에서의 두께가 다른 전자 장치.
10 : 반도체 기판
11 : 광전변환 소자
12 : 제1의 광전변환층
13 : 제2의 광전변환층
14 : 관통전극
15 : 고정 전하막
16 : 절연막
17 : 도전체
19 : FD
21 : P형 불순물
31 : 관통구멍
32 : 관통구멍

Claims (18)

  1. 제1측 및 제2측을 갖는 반도체 기판과,
    상기 반도체 기판의 상기 제1측에 배치된 광전변환 소자와,
    상기 광전변환 소자에 접속되고, 도전부 및 절연막을 포함하는 관통전극을 구비하고,
    상기 반도체 기판의 제1측에서의 상기 반도체 기판과 상기 도전부 사이의 상기 절연막의 두께는, 상기 반도체 기판의 상기 제2측에서의 상기 반도체 기판과 상기 도전부 사이의 상기 절연막의 두께와 다른 것을 특징으로 하는 촬상 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 관통전극은 상기 반도체 기판을 관통하고, 상기 광전변환 소자에 의해 광전변환된 전하를 증폭 트랜지스터 또는 상기 반도체 기판의 상기 제2측에 형성된 플로팅 디퓨전 중 적어도 하나에 전송하는 것을 특징으로 하는 촬상 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 반도체 기판과 상기 도전부 사이의 상기 절연부의 두께는, 상기 반도체 기판의 상기 제1측으로부터 상기 반도체 기판의 상기 제2측으로 서서히 변화하는 것을 특징으로 하는 촬상 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 반도체 기판과 상기 도전부 사이의 상기 절연부의 두께는, 상기 반도체 기판의 상기 제1측으로부터 상기 반도체 기판의 상기 제2측으로 90도 내지 70도의 범위 내의 기울기로 서서히 변화하는 것을 특징으로 하는 촬상 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 반도체 기판과 상기 도전부 사이의 상기 절연부의 두께는, 상기 반도체 기판의 상기 제1측으로부터 상기 반도체 기판의 상기 제2측으로 단계적으로 변화하는 것을 특징으로 하는 촬상 장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 절연막은, 절연성을 갖는 유전체를 포함하는 것을 특징으로 하는 촬상 장치.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 반도체 기판의 상기 제1측 및 상기 반도체 기판의 상기 제2측에서의 상기 절연막의 양(兩)단부는, 상기 절연막의 비(非)단부에 대하여 테이퍼 형상으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 촬상 장치.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 관통전극의 중심부는, 금속 또는 도전성 재료 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 촬상 장치.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 관통전극은, 각각의 화소마다 형성되는 것을 특징으로 하는 촬상 장치.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 반도체 기판의 상기 제1측에서의 상기 반도체 기판과 제1의 도전부 사이의 상기 절연막의 두께가, 상기 반도체 기판의 상기 제2측에서의 상기 반도체 기판과 상기 제1의 도전부 사이의 상기 절연막의 두께보다 두꺼운 제1의 관통전극은, 상기 반도체 기판 내에 배치되고,
    상기 반도체 기판의 상기 제2측에서의 상기 반도체 기판과 제2의 도전부 사이의 상기 절연막의 두께가, 상기 반도체 기판의 상기 제1측에서의 상기 반도체 기판과 상기 제2의 도전부 사이의 상기 절연막의 두께보다 두꺼운 제2의 관통전극은, 상기 반도체 기판 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 촬상 장치.
  11. 제2항에 있어서,
    상기 반도체 기판은, 서로 다른 지름을 갖는 복수의 관통전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 촬상 장치.
  12. 제2항에 있어서,
    수평 방향에서의 상기 관통전극의 단면 형상은, 원 또는 사각형인 것을 특징으로 하는 촬상 장치.
  13. 제2항에 있어서,
    상기 반도체 기판 내에 형성되고, 상기 광전변환 소자가 감도를 갖는 광의 파장과 다른 파장의 광의 파장에 감도를 갖는 제1의 광전변환층과,
    상기 반도체 기판 내에 형성되고, 상기 광전변환 소자 및 상기 제1의 광전변환층이 감도를 갖는 광의 파장과 다른 파장의 광의 파장에 감도를 갖는 제2의 광전변환층을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 촬상 장치.
  14. 고체 이미지 센서를 구비하고,
    상기 고체 이미지 센서는,
    제1측 및 제2측을 갖는 반도체 기판과,
    상기 반도체 기판의 상기 제1측에 배치된 광전변환 소자와,
    상기 광전변환 소자에 접속되고, 도전부 및 절연막을 포함하는 관통전극을 포함하고,
    상기 반도체 기판의 제1측에서의 상기 반도체 기판과 상기 도전부 사이의 상기 절연막의 두께는, 상기 반도체 기판의 상기 제2측에서의 상기 반도체 기판과 상기 도전부 사이의 상기 절연막의 두께와 다른 것을 특징으로 하는 전자 장치.
  15. 제1측 및 제2측을 갖는 반도체 기판과,
    상기 반도체 기판의 상기 제1측에 배치된 광전변환 소자와,
    상기 광전변환 소자에 접속되고, 도전부 및 절연막을 포함하는 관통전극을 구비하고,
    상기 반도체 기판의 제1측에서의 상기 관통전극의 단면 면적은, 상기 반도체 기판의 상기 제2측에서의 상기 관통전극의 단면 면적과 다른 것을 특징으로 하는 촬상 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 반도체 기판의 상기 제1측에서의 상기 반도체 기판과 상기 도전부 사이의 절연막의 두께는, 상기 반도체 기판의 상기 제2측에서의 상기 반도체 기판과 상기 도전부 사이의 상기 절연막의 두께와 다른 것을 특징으로 하는 촬상 장치.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 반도체 기판의 상기 제1측에서의 상기 도전부의 두께는, 상기 반도체 기판의 상기 제2측에서의 상기 도전부의 두께와 다른 것을 특징으로 하는 촬상 장치.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 반도체 기판 내에 배치된 제1의 관통전극과,
    상기 반도체 기판 내에 배치된 제2의 관통전극을 구비하고,
    상기 반도체 기판의 상기 제1측에서의 상기 제1의 관통전극의 단면 면적은, 상기 반도체 기판의 상기 제2측에서의 상기 제1의 관통전극의 단면 면적보다 크고,
    상기 반도체 기판의 상기 제2측에서의 상기 제2의 관통전극의 단면 면적은, 상기 반도체 기판의 상기 제1측에서의 상기 제2의 관통전극의 단면 면적보다 큰 것을 특징으로 하는 촬상 장치.
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