JP2021150554A - 裏面照射型固体撮像素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】カラーフィルタの変質または劣化を防止して、裏面照射型固体撮像素子における画質低下を防止する。【解決手段】裏面照射型固体撮像素子は、カラーフィルタと、金属酸化膜と、遮光膜とを備える。カラーフィルタは、入射光のうち特定の色を透過する。金属酸化膜は、入射光の入射方向に対してカラーフィルタの下方に配置される。遮光膜は画素間を遮光する。遮光膜は、入射光の入射方向に対して金属酸化膜の下方に配置される。【選択図】図１

Description

本技術は、固体撮像素子に関する。詳しくは、裏面照射型の固体撮像素子およびその製造方法に関する。

固体撮像素子（イメージセンサ）の高感度化を目的に、裏面照射型ＣＩＳ（CMOS Image Sensor）が提案されている。このセンサに搭載されるカラーフィルタ（ＣＦ：Color Filter）の形成には、光リソグラフィ技術が用いられている。しかしながら、ｉ線リソグラフィの解像度では微細なカラーフィルタを矩形に形成できないため、微細化が進む画素サイズ０．７ｕｍ平方以下のカラーフィルタ形成が難しい。そのため、より解像度の高いＫｒＦ（クリプトン・フッ素）露光装置でレジストパターニングを行って、ドライ加工することにより、微細画素に対応したカラーフィルタを形成する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００７−０７９１５４号公報

上述の従来技術を裏面照射型イメージセンサーに適用する際、カラーフィルタに含まれる顔料に金属錯体が含まれており、エッチングするガスにはフッ素に代表されるハロゲンガスを添加することが好ましい。しかしながら、このフッ素添加したガスプラズマのドライエッチング方法では、カラーフィルタの下層膜（酸化膜など）が削れてしまい、金属膜が露出し、反応生成物が付着し、画素上のシミとなる原因となる。また、露出しないまでもプラズマに晒された下層酸化膜は吸湿するため、製造時および製造後において、カラーフィルタを変質または劣化させて、シミとなるおそれがある。

本技術はこのような状況に鑑みて生み出されたものであり、カラーフィルタの変質または劣化を防止して、裏面照射型固体撮像素子における画質低下を防止することを目的とする。

本技術は、上述の問題点を解消するためになされたものであり、その第１の側面は、入射光のうち特定の色を透過するカラーフィルタと、上記入射光の入射方向に対して上記カラーフィルタの下方に配置される金属酸化膜と、上記入射光の入射方向に対して上記金属酸化膜の下方に配置されて画素間を遮光する遮光膜とを具備する裏面照射型固体撮像素子である。これにより、金属酸化膜が外部からの吸湿を防止するという作用をもたらす。

また、この第１の側面において、上記金属酸化膜は、上記入射光の入射方向に対して上記カラーフィルタの上方にも配置されてもよい。これにより、カラーフィルタの感度差を金属酸化膜の膜厚により調整するという作用をもたらす。

また、この第１の側面において、上記金属酸化膜は、上記入射光の入射方向に対して上記遮光膜の下方にも配置されてもよい。これにより、下層への水分侵入を防ぐという作用をもたらす。

また、この第１の側面において、上記入射光の入射方向に対して上記遮光膜の下方に配置された上記金属酸化膜のさらに下方に配置される酸化膜をさらに具備してもよい。この場合において、金属酸化膜を入射光の入射方向に対して遮光膜の下方にも配置することにより、この酸化膜の厚みを薄くし、または、省くことも可能になる。

また、この第１の側面において、上記金属酸化膜は、Ａｌ、Ｉｎ、Ａｇ、Ａｕ、Ｚｎ、Ｌｉ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｍｇ、Ｃｄ、Ｃａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｃｅ、Ｙ、Ｈｆ、Ｎｉ、Ｇａ、Ｔｉの少なくとも何れかを成分として含むことが想定される。特に、この金属酸化膜は、酸化アルミニウム膜であることが望ましい。

また、本技術の第２の側面は、画素間を遮光する遮光膜を形成する手順と、上記遮光膜の上方に金属酸化膜を形成する手順と、上記金属酸化膜の上方にカラーフィルタを形成する手順とを具備する裏面照射型固体撮像素子の製造方法である。これにより、吸湿防止膜として機能する金属酸化膜を含む裏面照射型固体撮像素子を製造するという作用をもたらす。

また、この第２の側面において、上記カラーフィルタは、少なくとも一部がドライエッチングにより形成されてもよく、また、少なくとも一部が光リソグラフィにより形成されてもよい。また、全てのカラーフィルタがドライエッチングにより形成されてもよい。これにより、金属酸化膜がドライエッチングのストッパーとなり、カラーフィルタの劣化を抑制するという作用をもたらす。

本技術の第１の実施の形態における固体撮像素子の断面図の一例を示す図である。 本技術の第１の実施の形態における固体撮像素子の製造方法の一例を示す第１の工程図である。 本技術の第１の実施の形態における固体撮像素子の製造方法の一例を示す第２の工程図である。 本技術の第１の実施の形態における固体撮像素子の製造方法の一例を示す第３の工程図である。 本技術の第１の実施の形態における固体撮像素子の製造方法の一例を示す第４の工程図である。 本技術の第２の実施の形態における固体撮像素子の製造方法の一例を示す工程図である。 本技術の第３の実施の形態における固体撮像素子の断面図の一例を示す図である。 本技術の第３の実施の形態における固体撮像素子の製造方法の一例を示す第１の工程図である。 本技術の第３の実施の形態における固体撮像素子の製造方法の一例を示す第２の工程図である。 本技術の第４の実施の形態における固体撮像素子の断面図の一例を示す図である。 本技術の第５の実施の形態における固体撮像素子の断面図の一例を示す図である。

以下、本技術を実施するための形態（以下、実施の形態と称する）について説明する。説明は以下の順序により行う。
１．第１の実施の形態（カラーフィルタの下に吸湿防止膜を設けた例）
２．第２の実施の形態（カラーフィルタの特定の色のみをドライエッチングにより形成した例）
３．第３の実施の形態（カラーフィルタの特定の色の上に吸湿防止膜を追加成膜した例）
４．第４の実施の形態（酸化層の上に別の吸湿防止膜を設けた例）
５．第５の実施の形態（吸湿防止膜の下の酸化層を省いた例）

＜１．第１の実施の形態＞
［固体撮像素子の構造］
図１は、本技術の第１の実施の形態における固体撮像素子の断面図の一例を示す図である。

この第１の実施の形態の固体撮像素子は、フォトダイオード１１０と、反射防止膜１２０と、酸化層１３０と、遮光膜１５０と、酸化層１６０と、吸湿防止膜１７０と、カラーフィルタ１８０と、オンチップレンズ１９０とを備える。

フォトダイオード１１０は、入射光を電気信号に変換する光電変換回路である。この第１の実施の形態および以下の各実施の形態における固体撮像素子は、裏面照射型の固体撮像素子である。すなわち、同図において、フォトダイオード１１０の上側が入射光方向である。

反射防止膜１２０は、フォトダイオード１１０の上層に形成され、フォトダイオード１１０表面における入射光の反射を防止するための膜である。酸化層１３０は、反射防止膜１２０の上層に形成される酸化層である。

遮光膜１５０は、画素間を遮光する膜である。この遮光膜１５０は、金属を材料とする遮光膜であり、後述するようにフォトレジストおよびドライエッチングの工程を経て形成される。酸化層１６０は、遮光膜１５０が形成された酸化層１３０の上層に形成される酸化層である。

吸湿防止膜１７０は、酸化層１６０の上層に形成される金属酸化膜である。この吸湿防止膜１７０の材料としては、例えば、Ａｌ、Ｉｎ、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、Ｚｎ、リチウム（Ｌｉ）、スズ（Ｓｎ）、アンチモン（Ｓｂ）、Ｍｇ、カドミウム（Ｃｄ）、Ｃａ、Ｋ、ルビジウム（Ｒｂ）、セシウム（Ｃｓ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、バリウム（Ｂａ）、セリウム（Ｃｅ）、イットリウム（Ｙ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ニッケル（Ｎｉ）、ガリウム（Ｇａ）、Ｔｉ含有膜が挙げられる。ただし、屈折率および吸湿防止の観点から、酸化アルミニウム膜が好適である。なお、吸湿防止膜１７０は、特許請求の範囲に記載の金属酸化膜の一例である。

カラーフィルタ１８０は、入射光のうち特定の色を透過する光学フィルタである。この第１の実施の形態および以下の各実施の形態において、カラーフィルタ１８０は、ベイヤー配列により各色のフィルタが配置される。なお、遮光領域においては、このカラーフィルタ１８０は配置されずに、遮光膜が形成される。

オンチップレンズ（ＯＣＬ：On-Chip Lens）１９０は、カラーフィルタ１８０の上層に形成されるマイクロレンズである。このオンチップレンズ１９０は、画素毎に１つのレンズが対応するように形成される。

［固体撮像素子の製造方法］
図２乃至図５は、本技術の第１の実施の形態における固体撮像素子の製造方法の一例を示す工程図である。

同図におけるａに示すように、フォトダイオード１１０が形成された基板に、反射防止膜１２０および酸化層１３０が形成される。

次に、同図におけるｂに示すように、フォトレジストおよびドライエッチングにより遮光膜１５０が形成される。

次に、同図におけるｃに示すように、遮光膜１５０が形成された酸化層１３０の上層に酸化層１６０が形成される。そして、その上層に吸湿防止膜１７０が成膜される。

次に、同図におけるｄに示すように、１色目のカラーフィルタ１８０を塗布し、リソグラフィでフォトレジスト２１０のパターニングを行い、１色目のカラーフィルタ１８０をドライエッチングする。その後、同図におけるｅに示すように、フォトレジスト２１０を剥離する。

次に、同図におけるｆに示すように、２色目のカラーフィルタ１８０を塗布してフォトレジスト２２０のパターニングを行い、ドライエッチングする。その後、同図におけるｇに示すように、フォトレジスト２２０を剥離する。

次に、同図におけるｈに示すように、３色目のカラーフィルタ１８０を塗布する。その後、再度フォトレジスト２３０でパターニングし、画素周辺部のカラーフィルタ１８０をエッチングで除去する。これにより、同図におけるｉに示すように、ベイヤー配列のカラーフィルタ１８０が配置される。

次に、同図におけるｊに示すように、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）または塗布により、オンチップレンズ１９０の有機または無機の材料を成膜する。そして、その上にフォトレジスト２４０を形成し、エッチバックでオンチップレンズ１９０を形成する。これにより、同図におけるｋに示すように、吸湿防止膜１７０を備える固体撮像素子が形成される。

このように、本技術の第１の実施の形態によれば、酸化層１６０の全面に吸湿防止膜１７０を備えることにより、外部からの吸湿を防止して、カラーフィルタ１８０や酸化層１６０への水分侵入を防ぐことができ、画質低下を防止することができる。また、カラーフィルタ１８０を形成する際にドライエッチングを利用することにより、光リソグラフィに必要な感光材の使用を省くことができるため、カラーフィルタ１８０の薄膜化および低背化を実現し、感度を向上させることができる。また、吸湿防止膜１７０は、エッチングストッパとして機能するため、酸化層１６０とカラーフィルタ１８０の接触を避けることができる。なお、プラズマエッチングを行う場合であっても、その放射光を吸湿防止膜１７０が吸収することにより、フォトダイオード１１０と酸化層１３０の界面準位を高レベルに維持することができ、暗電流や白点の増大を防ぐことができる。

＜２．第２の実施の形態＞
上述の第１の実施の形態では、カラーフィルタ１８０の全色についてドライエッチングを行っていたが、一部の色についてのみドライエッチングを行うようにしてもよい。この第２の実施の形態では、特定の色のみドライエッチングを行い、他の色は光リソグラフィにより形成する例について説明する。なお、固体撮像素子の構造自体は上述の第１の実施の形態と同様であるため、詳細な説明は省略する。

［固体撮像素子の製造方法］
図６は、本技術の第２の実施の形態における固体撮像素子の製造方法の一例を示す工程図である。

１色目のカラーフィルタ１８０がドライエッチングにより形成されるまでは、上述の第１の実施の形態と同様である。この第２の実施の形態では、同図におけるｆに示すように、２色目のカラーフィルタ１８０を塗布して露光を行った後、同図におけるｇに示すように、現像して不要部分の除去を行う。

そして、同図におけるｈに示すように、３色目のカラーフィルタ１８０を塗布して露光を行って、現像する。このようにして３色のカラーフィルタ１８０が形成された後の工程は、上述の第１の実施の形態と同様である。

このように、本技術の第２の実施の形態によれば、カラーフィルタ１８０の特定の色のみドライエッチングを行い、他の色は光リソグラフィにより形成することができる。すなわち、色毎にドライエッチングと光リソグラフィを使い分けることが可能である。

＜３．第３の実施の形態＞
［固体撮像素子の構造］
図７は、本技術の第３の実施の形態における固体撮像素子の断面図の一例を示す図である。

この第３の実施の形態における固体撮像素子は、カラーフィルタ１８０の特定の色の上に吸湿防止膜を追加成膜したものである。これにより、色毎の感度差を吸湿防止膜１７０の膜厚により補正することができる。

［固体撮像素子の製造方法］
図８および図９は、本技術の第３の実施の形態における固体撮像素子の製造方法の一例を示す工程図である。

１色目のカラーフィルタ１８０がドライエッチングにより形成されるまでは、上述の第１の実施の形態と同様である。この第３の実施の形態では、同図におけるｆに示すように、１色目のカラーフィルタ１８０の上から吸湿防止膜１７１を追加成膜する。

そして、同図におけるｇに示すように、２色目のカラーフィルタ１８０を塗布してフォトレジスト２５０のパターニングを行い、ドライエッチングする。

その後、同図におけるｈに示すように、フォトレジスト２５０を剥離する。そして、同図におけるｉに示すように、同様に３色目のカラーフィルタ１８０を塗布してフォトレジストのパターニングを行い、ドライエッチングする。このようにして３色のカラーフィルタ１８０が形成された後の工程は、上述の第１の実施の形態と同様である。

このように、本技術の第３の実施の形態によれば、色毎にフォトダイオード１１０との距離を調節できるため、カラーフィルタ１８０の色毎に生じる感度差を吸湿防止膜１７０の膜厚により調整することができる。

＜４．第４の実施の形態＞
［固体撮像素子の構造］
図１０は、本技術の第４の実施の形態における固体撮像素子の断面図の一例を示す図である。

この第４の実施の形態における固体撮像素子は、酸化層１３０の上に吸湿防止膜１４０を備える。これにより、プラズマエッチングに晒された酸化層１３０を完全に吸湿防止膜１４０で覆うことができる。

このように、本技術の第４の実施の形態によれば、酸化層１３０の上に吸湿防止膜１４０を設けることにより、下層にあるトランジスタへの水分侵入を防ぎ、さらに信頼性の高い動作を実現することができる。

＜５．第５の実施の形態＞
［固体撮像素子の構造］
図１１は、本技術の第５の実施の形態における固体撮像素子の断面図の一例を示す図である。

この第５の実施の形態における固体撮像素子は、上述の第４の実施の形態において、酸化層１３０を省いた構造を備える。これにより、集光に有利な低背構造を実現でき、混色が少ない固体撮像素子を実現することができる。このように酸化層１３０を省くことは、吸湿防止膜１４０を設けたことにより可能になったものである。なお、酸化層１３０を完全に省くだけでなく、薄くするようにしてもよい。

このように、本技術の第５の実施の形態によれば、吸湿防止膜１４０を設けたことにより、酸化層１３０を省き、または、薄くすることができ、これにより、低背化、高開口化、および、混色抑制を実現することができる。

なお、上述の実施の形態は本技術を具現化するための一例を示したものであり、実施の形態における事項と、特許請求の範囲における発明特定事項とはそれぞれ対応関係を有する。同様に、特許請求の範囲における発明特定事項と、これと同一名称を付した本技術の実施の形態における事項とはそれぞれ対応関係を有する。ただし、本技術は実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において実施の形態に種々の変形を施すことにより具現化することができる。

なお、本明細書に記載された効果はあくまで例示であって、限定されるものではなく、また、他の効果があってもよい。

なお、本技術は以下のような構成もとることができる。
（１）入射光のうち特定の色を透過するカラーフィルタと、
前記入射光の入射方向に対して前記カラーフィルタの下方に配置される金属酸化膜と、
前記入射光の入射方向に対して前記金属酸化膜の下方に配置されて画素間を遮光する遮光膜と
を具備する裏面照射型固体撮像素子。
（２）前記金属酸化膜は、前記入射光の入射方向に対して前記カラーフィルタの上方にも配置される
前記（１）に記載の裏面照射型固体撮像素子。
（３）前記金属酸化膜は、前記入射光の入射方向に対して前記遮光膜の下方にも配置される
前記（１）に記載の裏面照射型固体撮像素子。
（４）前記入射光の入射方向に対して前記遮光膜の下方に配置された前記金属酸化膜のさらに下方に配置される酸化膜をさらに具備する
前記（３）に記載の裏面照射型固体撮像素子。
（５）前記金属酸化膜は、Ａｌ、Ｉｎ、Ａｇ、Ａｕ、Ｚｎ、Ｌｉ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｍｇ、Ｃｄ、Ｃａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｃｅ、Ｙ、Ｈｆ、Ｎｉ、Ｇａ、Ｔｉの少なくとも何れかを成分として含む
前記（１）から（４）のいずれかに記載の裏面照射型固体撮像素子。
（６）前記金属酸化膜は、酸化アルミニウム膜である
前記（１）から（５）のいずれかに記載の裏面照射型固体撮像素子。
（７）画素間を遮光する遮光膜を形成する手順と、
前記遮光膜の上方に金属酸化膜を形成する手順と、
前記金属酸化膜の上方にカラーフィルタを形成する手順と
を具備する裏面照射型固体撮像素子の製造方法。
（８）前記カラーフィルタは、少なくとも一部がドライエッチングにより形成される
前記（７）に記載の裏面照射型固体撮像素子の製造方法。
（９）前記カラーフィルタは、少なくとも一部が光リソグラフィにより形成される
前記（７）に記載の裏面照射型固体撮像素子の製造方法。

１１０ フォトダイオード
１２０ 反射防止膜
１３０ 酸化層
１４０ 吸湿防止膜
１５０ 遮光膜
１６０ 酸化層
１７０、１７１ 吸湿防止膜
１８０ カラーフィルタ
１９０ オンチップレンズ
２１０、２２０、２３０、２４０、２５０ フォトレジスト

Claims (9)

1. 入射光のうち特定の色を透過するカラーフィルタと、
   前記入射光の入射方向に対して前記カラーフィルタの下方に配置される金属酸化膜と、
   前記入射光の入射方向に対して前記金属酸化膜の下方に配置されて画素間を遮光する遮光膜と
   を具備する裏面照射型固体撮像素子。
2. 前記金属酸化膜は、前記入射光の入射方向に対して前記カラーフィルタの上方にも配置される
   請求項１記載の裏面照射型固体撮像素子。
3. 前記金属酸化膜は、前記入射光の入射方向に対して前記遮光膜の下方にも配置される
   請求項１記載の裏面照射型固体撮像素子。
4. 前記入射光の入射方向に対して前記遮光膜の下方に配置された前記金属酸化膜のさらに下方に配置される酸化膜をさらに具備する
   請求項３記載の裏面照射型固体撮像素子。
5. 前記金属酸化膜は、Ａｌ、Ｉｎ、Ａｇ、Ａｕ、Ｚｎ、Ｌｉ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｍｇ、Ｃｄ、Ｃａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｃｅ、Ｙ、Ｈｆ、Ｎｉ、Ｇａ、Ｔｉの少なくとも何れかを成分として含む
   請求項１記載の裏面照射型固体撮像素子。
6. 前記金属酸化膜は、酸化アルミニウム膜である
   請求項５記載の裏面照射型固体撮像素子。
7. 画素間を遮光する遮光膜を形成する手順と、
   前記遮光膜の上方に金属酸化膜を形成する手順と、
   前記金属酸化膜の上方にカラーフィルタを形成する手順と
   を具備する裏面照射型固体撮像素子の製造方法。
8. 前記カラーフィルタは、少なくとも一部がドライエッチングにより形成される
   請求項７記載の裏面照射型固体撮像素子の製造方法。
9. 前記カラーフィルタは、少なくとも一部が光リソグラフィにより形成される
   請求項７記載の裏面照射型固体撮像素子の製造方法。

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