JP2016131203A - 固体撮像素子、製造方法、および電子装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 固体撮像素子における金属遮光膜や金属遮光壁を高い位置精度で形成する。
【解決手段】 本開示の第１の側面である固体撮像素子は、画素毎に入射光に応じた電荷を発生する光電変換部と、隣接する画素どうしの境界であって前記光電変換部が形成されているシリコン基板に積層された状態で形成された金属遮光膜とを備え、前記金属遮光膜は選択タングステンCVDにより成膜されている。本開示は、例えば裏面照射型CMOSイメージセンサに適用できる。
【選択図】 図６

Description

本開示は、固体撮像素子、製造方法、および電子装置に関し、特に、シリコン基板のスクライブ領域（しろ領域）に設けられたアライメントマークを基準点として製造される固体撮像素子、製造方法、および電子装置に関する。

例えば裏面照射型CMOSイメージセンサ(以下、裏面照射型CISと略称する)のような半導体チップを製造する場合、シリコン基板のスクライブ領域の下層レイヤに設けられたアライメントマークを基準点として様々な工程が実行される。なお、アライメントマークはスクライブ領域に限らず、半導体チップ内に設けられることもある。

図１は、一般的な裏面照射型CISの構成の一例を示す断面図である。

この裏面照射型CIS１０は、光の入射側から順に、オンチップレンズ１１、カラーフィルタ１２、絶縁膜１３、固定電荷膜１４および光電変換部（ＰＤ）１５が形成されている。

また、隣接画素への光学混色を抑止するために、離接する画素どうしの境界のカラーフィルタ１２と絶縁膜１３の間にタングステンなどから成る金属遮光膜１６が形成されたもの（例えば、特許文献１参照）、さらに、光電変換部１５が形成されるシリコン基板の画素間にタングステンなどから成る金属遮光壁１７が形成されたもの（例えば、特許文献２参照）も存在する。

図２は、図１の裏面照射型CIS１０（ただし、金属遮光壁１７は省略されている）を製造する工程を説明するための図である。

裏面照射型CIS１０を製造する場合、光電変換部１５が形成されたシリコン層の裏面（図中における上面）の全体（スクライブ領域を含む）に、固定電荷膜１４が成膜され、次に絶縁膜１３が成膜され、さらに、金属遮光膜１６が成膜される。成膜された金属遮光膜１６は、アライメントマーク２１を基準とするパターニングが行われた後に所定の領域を残して削除される。

ただし、アライメントマーク２１は、金属遮光膜１６が成膜されたことによりその位置を光学的に読み取ることが困難となってしまっている。この対策として、従来、以下に説明する手法が採用されている。

第１の従来手法としては、図３に示されるように、露光装置側のプリアライメントを使用してアライメントマーク２１が形成されている大凡の位置を特定し、その位置の金属遮光膜１６を削除することにより開口部３１を設け、開口部３１からアライメントマーク２１を読み取る手法を挙げることができる。

第２の従来手法としては、図４に示されるように、Ｓｉ層上に固定電荷膜１４および絶縁膜１３が成膜された段階でその表面に凹凸マーク４１を形成して金属遮光膜１６を成膜し、アライメントマーク２１の代わりに凹凸マーク４１を読み取る手法を挙げることができる。

なお、金属遮光壁１７が形成される場合にも、アライメントマーク２１や凹凸マーク４１が基準点とされてエッチングが行われる。

特開２０１１−１７６３２５号公報 特開２０１３−６５６８８号公報

上述した第１の従来手法では、金属遮光膜１６を削除して開口部３１を設ける工程が必要となり、工程増となってしまう。

同様に、第２の従来手法では、凹凸マーク４１を形成する工程が必要となり工程増となってしまうことに加え、凹凸マーク４１上にある程度精度よく金属遮光膜１６が成膜されないと、その凹凸形状が崩れてしまい、凹凸マーク４１の光学的な精度が低下してしまうことが起こり得た。

光学的な精度が低下した凹凸マーク４１を基準として裏面照射型CIS１０が製造された場合、例えば、図５Ａに示されるように、金属遮光壁１７の位置がずれてしまったり、図５Ｂに示されるように、金属遮光膜１６を残す位置がずれてしまったりする。

そして最終的には、図５Ｃに示されるように、金属遮光膜１６および金属遮光壁１７が本来の位置からずれてしまい、意図する遮光効果が得られず、画素毎に感度が違ったり、輝度シェーディングが発生したりしてしまう裏面照射型CIS１０が製造されてしまう事態が発生し得る。

本開示はこのような状況に鑑みてなされたものであり、固体撮像素子における金属遮光膜や金属遮光壁を高い位置精度で形成できるようにするものである。

本開示の第１の側面である固体撮像素子は、画素毎に入射光に応じた電荷を発生する光電変換部と、隣接する画素どうしの境界であって前記光電変換部が形成されているシリコン基板に積層された状態で形成された金属遮光膜とを備え、前記金属遮光膜は選択タングステンCVDにより成膜されている。

本開示の第１の側面である固体撮像素子は、隣接する画素どうしの境界であって前記光電変換部が形成されているシリコン基板内に形成されている金属遮光壁をさらに備えることができる。

前記金属遮光膜または前記金属遮光膜の少なくとも一方は、タングステンを選択的に成長させるためのシード層から成長されたタングステンから成ることができる。

前記金属遮光壁は、隣接する画素どうしの境界であって前記光電変換部が形成されているシリコン基板内に設けられている溝の側面に成膜された前記シード層から成長されたタングステンから成ることができる。

前記金属遮光壁は、隣接する画素どうしの境界であって前記光電変換部が形成されているシリコン基板内に溝が設けられたことにより露光した前記シリコン基板から成長されたタングステンから成ることができる。

前記金属遮光膜は断面が曲率を有することができる。

本開示の第２の側面である製造方法は、画素毎に入射光に応じた電荷を発生する光電変換部と、隣接する画素どうしの境界であって前記光電変換部が形成されているシリコン基板に積層された状態で形成された金属遮光膜とを備える固体撮像素子の製造方法において、タングステンを選択的に成長させるためのシード層を、前記シリコン基板に形成されているアライメントマークが読み取り可能な膜厚で成膜する第１の工程と、前記シード層を介して読み取った前記アライメントマークを基準として前記シード層にパターニングを行い、前記シード層を所定の領域を残して削除する第２の工程と、残された前記シード層から選択タングステンCVDにより前記金属遮光膜を成膜する第３の工程とを含む。

本開示の第２の側面である製造方法は、前記固体撮像素子の隣接する画素どうしの境界であって前記光電変換部が形成されているシリコン基板内に金属遮光壁を形成する第４の工程をさらに含むことができる。

前記第４の工程は、読み取った前記アライメントマークを基準として前記シリコン基板内の隣接する画素どうしの境界に溝を形成し、前記溝の側面に前記シード層を成膜し、前記シード層から選択タングステンCVDによりタングステンを成長させて前記金属遮光壁を形成することができる。

前記第４の工程は、読み取った前記アライメントマークを基準として前記シリコン基板内の隣接する画素どうしの境界に溝を形成し、前記溝を形成したことにより露出したシリコン基板から選択タングステンCVDによりタングステンを成長させて前記金属遮光壁を形成することができる。

本開示の第３の側面である電子装置は、固体撮像素子が搭載された電子装置において、前記固体撮像素子は、画素毎に入射光に応じた電荷を発生する光電変換部と、隣接する画素どうしの境界であって前記光電変換部が形成されているシリコン基板に積層された状態で形成された金属遮光膜とを備え、前記金属遮光膜は選択タングステンCVDにより成膜されている。

本開示の第１の側面によれば、金属遮光膜が精度良く形成された固体撮像素子を実現でき、画素間の光学混色を抑止することができる。

本開示の第２の側面によれば、画素間に高い精度で金属遮光膜が形成されている固体撮像素子を製造することができる。

本開示の第３の側面によれば、画素間の光学混色を抑止できる固体撮像素子を搭載した電子装置を実現できる。

従来存在する裏面照射型CISの構成の一例を示す断面図である。 図１に示された裏面照射型CISの製造工程を説明するための図である。 アライメントマークを読み出すために金属遮光膜を削除する第１の従来手法を説明する図である。 アライメントマークに代わる凹凸マークを形成する第２の従来手法を説明する図である。 金属遮光膜および金属遮光壁がずれて形成された裏面照射型CISの問題点を説明するための図である。 本開示を適用した裏面照射型CISにおける金属遮光壁の第１の形成方法を説明するための図である。 本開示を適用した裏面照射型CISにおける金属遮光壁の第２の形成方法を説明するための図である。 本開示を適用した裏面照射型CISにおける金属遮光膜の形成方法を説明するための図である。 本開示を適用した裏面照射型CISを使用する使用例を示す図である。

以下、本開示を実施するための最良の形態（以下、実施の形態と称する）について、図面を参照しながら詳細に説明する。

＜第１の実施の形態＞
図６は、本開示を適用した裏面照射型CISの製造工程のうち、特に画素間に形成される金属遮光壁の第１の形成方法について説明するための図である。なお、本開示を適用した裏面照射型CISの構成要素のうち、図１に示された従来の裏面照射型CIS１０の構成要素と同様のものについては同一の符号を付しているので、その説明は適宜省略する。

金属遮光壁１７の第１の形成方法は、初めに、図６Ａに示されるように、スクライブ領域に形成されているアライメントマーク２１の位置を読み取り、アライメントマーク２１の位置を基準として、各画素の光電変換部１５を取り囲むように、金属遮光壁１７を形成するための溝５０を形成する。溝５０の形成にはリソグラフィ法およびドライエッチング法を適用できる。次に、溝５０の内側と、シリコン基板の裏面（図における上面）を被覆するように、固定電荷膜１４を成膜する、この成膜には、例えば化学気相成長法（CVD）、スパッタリング法、原子層堆積法（ALD）等を用いることができる。さらに、固定電荷膜１４を被覆し、かつ、溝５０を埋め込まない程度の膜厚で絶縁膜１３を成膜する。この成膜には、例えばスパッタリング法等を適用できる。

次に、図６Ｂに示されるように、絶縁膜１３を被覆するように、タングステンを選択的に成長させるためのシード層５１を成膜する。シード層５１の材料としては、タングステン、モリブテン、チタン、またはタンタル、あるいはこれらの金属窒化膜を採用することができる。この成膜には、例えば化学気相成長法、スパッタリング法、原子層堆積法等を用いることができる。

シード層５１を成膜した後、図６Ｃに示されるように、シリコン基板の裏面（図における上面）と溝５０の底面のシード層５１をエッチングにより除去する。このエッチングには、例えば異方性ドライエッチング等を用いることができる。これにより、シード層５１は、溝５０の側壁面だけに残されたことになる。

最後に、図６Ｄに示されるように、シード層５１における選択タングステンCVDにより、溝５０の側壁から溝５０を充填するようにタングステンを成長させる。これにより金属遮光壁１７が形成される。

上述した金属遮光壁の第１の形成方法では、アライメントマーク２１の他に凹凸マークなどを形成することなく、高い位置精度で金属遮光壁１７を形成することができる。よって光学混色、輝度シェーディングの発生を抑止できる。

＜第２の実施の形態＞
次に、図７は、本開示を適用した裏面照射型CISの製造工程のうち、特に画素間に形成される金属遮光壁の第２の形成方法について説明するための図である。なお、本開示を適用した裏面照射型CISの構成要素のうち、図１に示された従来の裏面照射型CIS１０の構成要素と同様のものについては同一の符号を付しているので、その説明は適宜省略する。

金属遮光壁１７の第２の形成方法は、初めに、図７Ａに示されるように、シリコン基板の裏面（図における上面）を被覆するように、固定電荷膜１４を成膜する、この成膜には、例えば化学気相成長法、スパッタリング法、原子層堆積法等を用いることができる。次に、固定電荷膜１４を被覆するように絶縁膜１３を成膜する。この成膜には、例えばスパッタリング法等を適用できる。

次に、図７Ｂに示されるように、シリコン基板のスクライブ領域に形成されているアライメントマーク２１の位置を読み取り、アライメントマーク２１の位置を基準として、各画素の光電変換部１５を取り囲むように、絶縁膜１３にパターニングを行い、金属遮光壁１７を形成するための溝５０を形成する。溝５０のパターニングと形成にはリソグラフィ法およびドライエッチング法を適用できる。

最後に、図７ｃに示されるように、溝５０が形成されたことにより露光したシリコン基板の内部（溝５０の側壁面）から選択タングステンCVDにより溝５０を充填するようにタングステンを成長させる。これにより金属遮光壁１７が形成される。

上述した金属遮光壁の第２の形成方法では、タングステンを成長させるためのシード層を成膜することなく、露光したシリコン基板の内部からタングステンを成長させるようにしたので、金属遮光壁の第１の形成方法に比較して、より少ない工程で金属遮光壁１７を形成することができる。また、アライメントマーク２１の他に凹凸マークなどを形成することなく、高い位置精度で金属遮光壁１７を形成することができる。よって光学混色、輝度シェーディングの発生を抑止できる。

＜第３の実施の形態＞
図８は、本開示を適用した裏面照射型CISの製造工程のうち、特に画素間に形成される金属遮光膜の形成方法について説明するための図である。なお、本開示を適用した裏面照射型CISの構成要素のうち、図１に示された従来の裏面照射型CIS１０の構成要素と同様のものについては同一の符号を付しているので、その説明は適宜省略する。

金属遮光膜１６の形成方法は、初めに、初めに、図８Ａに示されるように、シリコン基板の裏面（図における上面）を被覆するように、固定電荷膜１４を成膜する、この成膜には、例えば化学気相成長法、スパッタリング法、原子層堆積法等を用いることができる。次に、固定電荷膜１４を被覆するように絶縁膜１３を成膜する。この成膜には、例えばスパッタリング法等を適用できる。

次に、図８Ｂに示されるように、絶縁膜１３を被覆するように、タングステンを選択的に成長させるためのシード層６１を成膜する。ただし、シード層６１の膜厚は、スクライブ領域に形成されているアライメントマーク２１を光学的に読み取れる程度の厚み（例えば、１０ｎｍ）とする。シード層６１の材料としては、タングステン、モリブテン、チタン、またはタンタル、あるいはこれらの金属窒化膜を採用することができる。この成膜には、例えば化学気相成長法、スパッタリング法、原子層堆積法等を用いることができる。

次に、スクライブ領域に形成されているアライメントマーク２１をシード層６１の上から読み取り、図８Ｃに示されるように、アライメントマーク２１の位置を基準として、シード層６１にパターニングを行い、画素間の境界部分を残すようにシード層６１をエッチングにより除去する。このパターニングとエッチングには、リソグラフィ法およびドライエッチング法を適用できる。

最後に、シード層６１における選択タングステンCVDにより、タングステンを集光特性として最適な膜厚まで成長させる。これにより、断面が曲率を有する金属遮光膜１６が形成される。断面が曲率を有する金属遮光膜１６が形成されることにより、金属遮光膜の角での斜め光のケラレ成分の発生を低減することができる。また、反射成分が拡散されるので、フレアを低減させることができる。

上述した金属遮光膜の形成方法では、シード層６１の膜厚を、アライメントマーク２１を光学的に読み取れる程度に十分薄くするようにしたので、アライメントマーク２１の他に凹凸マークなどを形成することなく、高い位置精度で金属遮光膜１６を形成することができる。よって光学混色、輝度シェーディングの発生を抑止できる。

＜本開示を適用して製造された裏面照射型CISの使用例＞

図９は、上述の裏面照射型CISを使用する使用例を示す図である。

上述した裏面照射型CISは、例えば、以下のように、可視光や、赤外光、紫外光、X線等の光をセンシングする様々なケースに使用することができる。

・ディジタルカメラや、カメラ機能付きの携帯機器等の、鑑賞の用に供される画像を撮影する装置
・自動停止等の安全運転や、運転者の状態の認識等のために、自動車の前方や後方、周囲、車内等を撮影する車載用センサ、走行車両や道路を監視する監視カメラ、車両間等の測距を行う測距センサ等の、交通の用に供される装置
・ユーザのジェスチャを撮影して、そのジェスチャに従った機器操作を行うために、TVや、冷蔵庫、エアーコンディショナ等の家電に供される装置
・内視鏡や、赤外光の受光による血管撮影を行う装置等の、医療やヘルスケアの用に供される装置
・防犯用途の監視カメラや、人物認証用途のカメラ等の、セキュリティの用に供される装置
・肌を撮影する肌測定器や、頭皮を撮影するマイクロスコープ等の、美容の用に供される装置
・スポーツ用途等向けのアクションカメラやウェアラブルカメラ等の、スポーツの用に供される装置
・畑や作物の状態を監視するためのカメラ等の、農業の用に供される装置

なお、本開示の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。

本開示は以下のような構成も取ることができる。
（１）
画素毎に入射光に応じた電荷を発生する光電変換部と、
隣接する画素どうしの境界であって前記光電変換部が形成されているシリコン基板に積層された状態で形成された金属遮光膜とを備え、
前記金属遮光膜は選択タングステンCVDにより成膜されている
固体撮像素子。
（２）
隣接する画素どうしの境界であって前記光電変換部が形成されているシリコン基板内に形成されている金属遮光壁をさらに備える
前記（１）に記載の固体撮像素子。
（３）
前記金属遮光膜または前記金属遮光膜の少なくとも一方は、タングステンを選択的に成長させるためのシード層から成長されたタングステンから成る
前記（２）に記載の固体撮像素子。
（４）
前記金属遮光壁は、隣接する画素どうしの境界であって前記光電変換部が形成されているシリコン基板内に設けられている溝の側面に成膜された前記シード層から成長されたタングステンから成る
前記（２）または（３）に記載の固体撮像素子。
（５）
前記金属遮光壁は、隣接する画素どうしの境界であって前記光電変換部が形成されているシリコン基板内に溝が設けられたことにより露光した前記シリコン基板から成長されたタングステンから成る
前記（２）または（３）に記載の固体撮像素子。
（６）
前記金属遮光膜は断面が曲率を有する
前記（１）から（５）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（７）
画素毎に入射光に応じた電荷を発生する光電変換部と、
隣接する画素どうしの境界であって前記光電変換部が形成されているシリコン基板に積層された状態で形成された金属遮光膜とを備える固体撮像素子の製造方法において、
タングステンを選択的に成長させるためのシード層を、前記シリコン基板に形成されているアライメントマークが読み取り可能な膜厚で成膜する第１の工程と、
前記シード層を介して読み取った前記アライメントマークを基準として前記シード層にパターニングを行い、前記シード層を所定の領域を残して削除する第２の工程と、
残された前記シード層から選択タングステンCVDにより前記金属遮光膜を成膜する第３の工程と
を含む製造方法。
（８）
前記固体撮像素子の隣接する画素どうしの境界であって前記光電変換部が形成されているシリコン基板内に金属遮光壁を形成する第４の工程を
さらに含む前記（７）に記載の製造方法。
（９）
前記第４の工程は、読み取った前記アライメントマークを基準として前記シリコン基板内の隣接する画素どうしの境界に溝を形成し、前記溝の側面に前記シード層を成膜し、前記シード層から選択タングステンCVDによりタングステンを成長させて前記金属遮光壁を形成する
前記（８）に記載の製造方法。
（１０）
前記第４の工程は、読み取った前記アライメントマークを基準として前記シリコン基板内の隣接する画素どうしの境界に溝を形成し、前記溝を形成したことにより露出したシリコン基板から選択タングステンCVDによりタングステンを成長させて前記金属遮光壁を形成する
前記（８）に記載の製造方法。
（１１）
固体撮像素子が搭載された電子装置において、
前記固体撮像素子は、
画素毎に入射光に応じた電荷を発生する光電変換部と、
隣接する画素どうしの境界であって前記光電変換部が形成されているシリコン基板に積層された状態で形成された金属遮光膜とを備え、
前記金属遮光膜は選択タングステンCVDにより成膜されている
電子装置。

１０ 裏面照射型CIS， １１ オンチップレンズ， １２ カラーフィルタ， １３ 絶縁膜， １４ 固定電荷膜， １５ 光電変換部， １６ 金属遮光膜， １７ 金属遮光壁， ２１ アライメントマーク， ４１ 凹凸マーク， ５０ 溝， ５１，６１ シード層

Claims (11)

1. 画素毎に入射光に応じた電荷を発生する光電変換部と、
   隣接する画素どうしの境界であって前記光電変換部が形成されているシリコン基板に積層された状態で形成された金属遮光膜とを備え、
   前記金属遮光膜は選択タングステンCVDにより成膜されている
   固体撮像素子。
2. 隣接する画素どうしの境界であって前記光電変換部が形成されているシリコン基板内に形成されている金属遮光壁をさらに備える
   請求項１に記載の固体撮像素子。
3. 前記金属遮光膜または前記金属遮光膜の少なくとも一方は、タングステンを選択的に成長させるためのシード層から成長されたタングステンから成る
   請求項２に記載の固体撮像素子。
4. 前記金属遮光壁は、隣接する画素どうしの境界であって前記光電変換部が形成されているシリコン基板内に設けられている溝の側面に成膜された前記シード層から成長されたタングステンから成る
   請求項３に記載の固体撮像素子。
5. 前記金属遮光壁は、隣接する画素どうしの境界であって前記光電変換部が形成されているシリコン基板内に溝が設けられたことにより露光した前記シリコン基板から成長されたタングステンから成る
   請求項３に記載の固体撮像素子。
6. 前記金属遮光膜は断面が曲率を有する
   請求項２に記載の固体撮像素子。
7. 画素毎に入射光に応じた電荷を発生する光電変換部と、
   隣接する画素どうしの境界であって前記光電変換部が形成されているシリコン基板に積層された状態で形成された金属遮光膜とを備える固体撮像素子の製造方法において、
   タングステンを選択的に成長させるためのシード層を、前記シリコン基板に形成されているアライメントマークが読み取り可能な膜厚で成膜する第１の工程と、
   前記シード層を介して読み取った前記アライメントマークを基準として前記シード層にパターニングを行い、前記シード層を所定の領域を残して削除する第２の工程と、
   残された前記シード層から選択タングステンCVDにより前記金属遮光膜を成膜する第３の工程と
   を含む製造方法。
8. 前記固体撮像素子の隣接する画素どうしの境界であって前記光電変換部が形成されているシリコン基板内に金属遮光壁を形成する第４の工程を
   さらに含む請求項７に記載の製造方法。
9. 前記第４の工程は、読み取った前記アライメントマークを基準として前記シリコン基板内の隣接する画素どうしの境界に溝を形成し、前記溝の側面に前記シード層を成膜し、前記シード層から選択タングステンCVDによりタングステンを成長させて前記金属遮光壁を形成する
   請求項８に記載の製造方法。
10. 前記第４の工程は、読み取った前記アライメントマークを基準として前記シリコン基板内の隣接する画素どうしの境界に溝を形成し、前記溝を形成したことにより露出したシリコン基板から選択タングステンCVDによりタングステンを成長させて前記金属遮光壁を形成する
    請求項８に記載の製造方法。
11. 固体撮像素子が搭載された電子装置において、
    前記固体撮像素子は、
    画素毎に入射光に応じた電荷を発生する光電変換部と、
    隣接する画素どうしの境界であって前記光電変換部が形成されているシリコン基板に積層された状態で形成された金属遮光膜とを備え、
    前記金属遮光膜は選択タングステンCVDにより成膜されている
    電子装置。

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