JP5420656B2 - 裏面トレンチを有する裏面照射型イメージセンサ - Google Patents
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Description
本発明は、ディジタルカメラ等の撮像装置で使用される電子イメージセンサ、特に裏面照射型イメージセンサの形成に使用されるプロセスに関する。
一般的な電子イメージセンサでは、多数の感光性画像構成要素（いわゆる画素）が二次元アレイ状に配列されている。そうしたイメージセンサでカラー画像を得るには、画素上方に相応のＣＦＡ（色フィルタアレイ）を形成すればよい。そのような構成を採るイメージセンサは例えば特許文献１０（名称：高感光イメージセンサ(Image Sensor with Improved Light Sensitivity)，この参照を以て本願に繰り入れることとする）に記載されている。
周知の通り、イメージセンサはＣＭＯＳ（相補型金属−酸化物−半導体）回路を用いて実現することができる。その種のセンサでは、通常、個々の画素がシリコン基板上のシリコンセンサ層にフォトダイオード及び他の回路素子を形成することで形成されている。そのシリコンセンサ層の上方には一層又は複数層の誘電体層が形成されているのが普通である。その誘電体層内には更なる回路素子や相互接続用の多層金属配線を組み込むことができる。一般に、イメージセンサの面のうち誘電体層及びそれに付随する多層金属配線がある側の面は表（おもて）面、シリコン基板がある側の面は裏面と呼ばれている。
表面照射型イメージセンサの場合、被写体空間から来る光はその表面に入射する。シリコン基板はやや厚手である。残念なことに、この種のイメージセンサでは、その表面の誘電体層に付随する多層金属配線等の諸要素が障害となり、フィルファクタや量子効率に悪影響を及ぼすことがある。
裏面照射型イメージセンサの場合、誘電体層が表面にあることによるフィルファクタや量子効率の問題に対処することができる。シリコン基板の厚みを減らすかシリコン基板を除去することとし、被写体空間から来る光をその裏面で受光できるようその構成を工夫すればよいからである。その種の構成では、誘電体層に備わる多層金属配線等の諸要素が入射光に悪影響を及ぼさないため、そのフィルファクタや量子効率はより良好な値となる。
T.Joy et al., "Development of a Production-Ready, Back-Illuminated CMOS Image Sensor with Small Pixels," IEEE IEDM, December 2007, pp.1007-1010
しかしながら、多くの裏面照射型イメージセンサでは、センサを構成するフォトダイオードに係る電荷蓄積領域が裏面からかなり離れたところに位置している。そのため、入射光を浴びたフォトダイオードで発生したキャリアの多くが、他のキャリアとの再結合や隣接フォトダイオード間のクロストークを通じ収集前に失われてしまう、という問題が生じていた。
従って、キャリアが大量に損失となる問題が生じない秀逸な裏面照射型イメージセンサが求められているといえる。本発明の諸実施形態では、キャリアの再結合やクロストークが少なく、その性能が高い裏面照射型イメージセンサを提供する。
ここに、本発明の一実施形態は、それぞれ画素アレイを有する裏面照射型のイメージセンサを、基板及びその上方に形成されたセンサ層を有するイメージセンサウェハを用い、複数個形成するウェハレベルの処理方法であって、センサ層の裏面に裏面トレンチを形成する工程と、その裏面トレンチを介しセンサ層内にドーパントをインプラントすることで裏面トレンチに対応する裏面フィールド分離材インプラント領域を形成する工程と、裏面トレンチを充填する工程と、充填された裏面トレンチの上方に抗反射層を少なくとも一層形成する工程と、イメージセンサウェハを更に処理してイメージセンサを複数個形成する工程と、を有する。
そのイメージセンサウェハとしては、例えば、基板とセンサ層の間に位置するＢＯＸ（埋込酸化物）層を有するＳＯＩ（シリコンオンインシュレータウェハ）や、Ｐ+基板の上方に形成されたＰ-センサ層を有するエピタキシャルウェハを使用する。
裏面トレンチを形成する際には、例えば、センサ層の上方にパッド酸化物層を形成し、その酸化物層の上方にパッド窒化物層を形成し、それら窒化物層及び酸化物層を貫きセンサ層内に延びるよう整列マークを形成した上で、当該窒化物層及び酸化物層をエッチングして裏面トレンチを形成する。裏面トレンチ内にリニア酸化物層を形成することもできる。裏面トレンチを充填する素材としては酸化物、ポリシリコン等を使用することができる。
抗反射層は、例えば、センサ層の裏面に抗反射酸化物層を形成し、その酸化物層の上方に抗反射窒化物層を形成することで形成する。抗反射酸化物層の形成と前後して、裏面パッシベーション材インプラント処理を実行することもできる。
本方法では、更に裏面ウェル分離材インプラント処理を実行することもできる。例えば、抗反射層の上方にフォトレジストを堆積させ、そのフォトレジストをパターニングすることで裏面トレンチの上方に開口を形成し、その開口を通じドーパントをインプラントすることで、裏面トレンチに対応する裏面ウェル分離材インプラント領域を形成する。
イメージセンサウェハを更に処理してイメージセンサを複数個形成する工程では、例えば、抗反射層の上方に酸化物層を形成し、その酸化物層の裏面に一時キャリアウェハを取り付け、基板を除去し、画素アレイを構成する感光素子をセンサ層内に形成し、センサ層の表面に表面トレンチを形成し、その表面トレンチに対応する表面フィールド分離材インプラント領域を形成し、表面トレンチを充填し、表面トレンチに対応する表面ウェル分離材インプラント領域を形成し、センサ層の表面に誘電体層を少なくとも一層形成し、その誘電体層の表面にハンドルウェハを取り付け、一時キャリアウェハを除去し、そしてイメージセンサウェハを複数個のイメージセンサに分割する。
また、本発明の他の実施形態は、裏面照射型のイメージセンサであって、画素アレイを構成する感光素子を複数個有するセンサ層と、センサ層の裏面に隣接する酸化物層と、センサ層の表面に隣接する少なくとも一層の誘電体層と、を備え、そのセンサ層が、対をなす感光素子間が分離されるよう当該センサ層の裏面に形成された複数個の裏面トレンチと、その裏面トレンチに対応するよう当該センサ層の内部に形成された裏面フィールド分離材インプラント領域と、を有するものである。
本発明に係る裏面照射型イメージセンサは、ディジタルカメラ等の撮像装置に好適に搭載することができ、またイメージセンサのダイサイズやコストを大きく増加させることなくそうした撮像装置の性能を高めることができる。
以下、上掲のものを含め、本発明の目的、構成及び効果について、別紙図面を参照しつつより詳細に説明する。別紙図面では、可能な限り、同様の構成要素には各図を通じて同一の符号を付してある。また、以下の説明では、ある特定の実施形態に係るディジタルカメラ、裏面照射型イメージセンサ及び裏面照射型イメージセンサ形成方法を例に本発明を説明するが、当該実施形態はあくまで例であり、いかなる意味でも本発明の技術的範囲を限縮するものではない。本件技術分野で習熟を積まれた方々（いわゆる当業者）にはご理解頂けるように、本願記載の実施形態は、他種撮像装置向け、他種イメージセンサ向けに難なく変形することができる。
図１に、本発明の一実施形態に係るディジタルカメラ１０を示す。このカメラ１０は、被写体空間から来る入射光を合焦させるイメージングステージ１２、例えばレンズ、ＮＤ（減光）フィルタ、絞り、シャッタ等の在来部材によって構成されたステージ１２や、この合焦によってその上に生じた像を電気信号に変換するイメージセンサ１４を備えるほか、プロセッサ１６、メモリ１８、ディスプレイ２０、１個又は複数個のＩ／Ｏ（入出力）手段２２等を備えている。
イメージングステージ１２は、図１では別部材として描かれているイメージセンサ１４と一体化させることができる。ディジタルカメラ１０の構成部材を更に１個又は複数個一体化してコンパクトなカメラモジュールを形成することもできる。
イメージセンサ１４は裏面照射型イメージセンサであり、図２〜図１４を参照して後述する要領に従い形成されている。本実施形態ではＣＭＯＳイメージセンサを想定しているが、他種イメージセンサを使用し本発明を実施することも可能である。イメージセンサは、一般に、複数個の画素を行列配置した構成を有する画素アレイ及びそれに付随するサンプリング／読出回路で構成されている。サンプリング／読出回路は画素アレイからのサンプリング及び読出に関わる回路、例えば信号生成回路、信号処理回路、ロー（行）／カラム（列）選択回路等の回路であり、画素アレイから読み出されたアナログ信号を処理するアナログ信号プロセッサ及び処理後のアナログ信号をディジタル形式に変換するアナログディジタルコンバータ等で実現することができる。ディジタルカメラ１０用の回路はこれ以外にも様々な形態で実現することができ、またその形態はいわゆる当業者にとり周知であるので、本願では簡略な説明に留めることにする。サンプリング／読出回路の一部をイメージセンサ外に設けることや、画素アレイと一体に設けること、例えばフォトダイオードを初めとする画素アレイ構成要素と同じ集積回路上に設けることも可能である。
イメージセンサ１４は、相応のＣＦＡパターンを付設しカラーイメージセンサにすることができる。センサ１４への付設に相応しいＣＦＡパターンとしては、例えば前掲の特許文献１０に記載のものがある。他のＣＦＡパターンを用い本発明を実施すること、例えば特許文献１１（名称：カラーイメージングアレイ(Color Imaging Array)，この参照を以て本願に繰り入れることとする）に記載の在来型ベイヤパターンを用いることもできる。
プロセッサ１６は、タイミング信号等の信号を供給しイメージングステージ１２やイメージセンサ１４の諸構成要素を制御する部材であり、例えばマイクロプロセッサ、ＣＰＵ（中央処理ユニット）、ＡＳＩＣ（用途特化集積回路）、ＤＳＰ（ディジタル信号プロセッサ）等の処理デバイス又はその組合せで実現することができる。
メモリ１８は任意種類のメモリ、例えばＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、フラッシュメモリ、ディスク状メモリ、リムーバブルメモリ等の保存手段やその任意の組合せで実現することができる。
画素アレイからのサンプリング及び読出や、それによって得られた画像データに対する処理は、部分的に又は全て、メモリ１８に格納されているソフトウェアをプロセッサ１６で実行することにより実行することができる。
イメージセンサ１４で得られた画像はプロセッサ１６によってメモリ１８に格納され又はディスプレイ２０の画面上に表示される。そのディスプレイ２０としては、アクティブマトリクス型カラーＬＣＤ（液晶ディスプレイ）を初め様々な種類のディスプレイを使用することができる。その他のＩ／Ｏ手段２２としては、各種オンスクリーン操作子、ボタン等のユーザインタフェースや、ネットワークインタフェースや、メモリカードインタフェース等を設けることができる。
図１に示したタイプのディジタルカメラの詳しい動作については、例えば前掲の特許文献１０を参照されたい。
図１に示したディジタルカメラに対し、いわゆる当業者にとり既知のタイプの構成要素を付加することや、当該既知タイプの構成要素で置換することも、可能であるものと解されたい。本願中で具体的な説明や図示がされていない構成要素は、本件技術分野で既知のものを任意に選択して使用すればよい。先に注記した通り、本発明は広範なタイプのディジタルカメラ乃至撮像装置に適用することができる。同じく先に言及した通り、本願記載の実施形態に備わる機能（の一部）は、撮像装置内の処理部材（群）で実行されるソフトウェアで実現することができる。いわゆる当業者であれば、本願中の記載に基づきそうしたソフトウェアを難なく作成することができる。
ここに、イメージセンサ１４はシリコン基板等の基板上に形成することができる。通常のＣＭＯＳイメージセンサでは、その画素アレイを構成する個々の画素が、フォトダイオード及びその画素における受光強度を計測する回路で構成されている。後者の回路を実現するには、例えば転送ゲート、リセットトランジスタ、セレクトトランジスタ、出力トランジスタ等の素子を周知形態で組み合わせればよい。
しかしながら、従来の裏面照射型イメージセンサでは、前述の通り多大なキャリア損失という問題が生じることがあった。収集前にキャリア再結合が起きることや、隣接フォトダイオード間でクロストークが生じることが原因である。この問題に対処するには、例えば、フォトダイオードが形成されるセンサ層に低ドープエピタキシャル層を設ければよい。そうすると、個々のフォトダイオードに係る空乏域が延伸されキャリア再結合がおきにくくなる。しかしながら、本願出願人が調べたところによれば、こうした策を採ると暗電流が増えて量子効率が低下してしまう。これから図２〜図１４を参照して説明するのは、暗電流の増大や量子効率の低下を伴わずにキャリア損失問題に対処できる策である。ご承知頂きたいが、それらの図に示す断面は、本発明の諸特徴をはっきりと示すため簡略化されているので実寸比に対し忠実な寸法比で描かれているとは限らない。また、本願中で明示していないものを含め、上述した一般的なタイプのイメージセンサで広く用いられているものとしていわゆる当業者が認めている構成要素乃至部材を、これから説明する実施形態に付加することもできる。
図２〜図１４に、それぞれ画素アレイを有する裏面照射型イメージセンサが複数個形成されるようイメージセンサウェハを処理する方法の概要を示す。それらのうち図２〜図８では、諸処理工程が適用されるイメージセンサウェハとしてＳＯＩウェハ２００及びエピタキシャルウェハ２１０の二例を示してあるが、図８に示す処理工程が済むとどちらのウェハもほぼ同じ構造になるため、図９〜図１４では、残りの処理が適用されるイメージセンサウェハを一例しか示していない。また、これからＳＯＩウェハ２００やエピタキシャルウェハ２１０を例に説明するが、本発明はその他の種類のウェハにも適用できるので了解されたい。
まず、図２に示したのは、イメージセンサウェハ２００及び２１０のうち概ねイメージセンサ１個に相当する部分であり、画素アレイエリア及びその周辺エリアが含まれている。周辺エリアとは、接続パッドエリア及びそれに付随するエリア等、そのイメージセンサの他の構成部分及びそれに付随する部分のことである。
これらイメージセンサウェハ２００及び２１０には表面及び裏面がある。図２では、ウェハ２００及び２１０がその裏面を上にして描かれている。完成品のイメージセンサウェハを示す図１４でも、画素アレイを構成するフォトダイオード等の感光素子に入射する際に被写体空間からの光が通る面、即ち裏面が上側に描かれている。本願では、これらの語「表面」及び「裏面」を、イメージセンサウェハ及びそのウェハから作成されるイメージセンサの特定面を指定する語としてだけでなく、それらイメージセンサウェハ乃至イメージセンサを構成する諸層の特定面を指定する語としても用いている。
更に、本願では、イメージセンサウェハ乃至イメージセンサを構成する層に関し「上」及び「上方」なる語を広義に使用しているので、介在する層等、他のイメージセンサ構成要素乃至部材等が幾つか挟まっている構成を排除する意味に捉えないで頂きたい。即ち、本願中の記載のうち、何かの層の上又は上方に別の層がある、との記載には、それらの層間に他の層が一層又は複数層が挟まっていてもよいという趣旨が含まれている。
また、図２に示すイメージセンサウェハのうち、ＳＯＩウェハ２００は、シリコン基板２０２、その基板２０２の上に形成されたＢＯＸ層２０４、並びにそのＢＯＸ層２０４の上に形成されたシリコンセンサ層２０６を備えている。エピタキシャルウェハ２１０は、Ｐ+基板２１２、並びにその基板２１２の上に形成されたＰ-センサ層２１４を備えている。前述の通り、イメージセンサウェハを構成するこれらの諸層には表面及び裏面が備わっている。例えばセンサ層２０６には表面２０６Ｆ及び裏面２０６Ｂが備わっている。
これらのイメージセンサウェハ２００及び２１０に対しては、図２〜図８を参照し説明する諸工程を図示の如く同様に適用することができるので、以下の説明では専らＳＯＩウェハ２００を例にしている。また、ＳＯＩウェハ構成要素の参照符号にプライム記号即ち「’」を付したものを、それに対応するエピタキシャルウェハ構成要素の参照符号として使用している。例えばＳＯＩウェハ構成要素２００に対応するのはエピタキシャルウェハ構成要素２２０’である。
それらの工程のうち図２に示す工程では、ＳＯＩウェハ２００を構成するセンサ層２０６の上方にパッド酸化物層２２０が形成され、その層２２０の上方にパッド窒化物層２２２が形成されている。後述の通り、これらの層２２０及び２２２のうちイメージセンサの画素アレイエリア内にある部分は後工程で除去されるが、残りの部分はイメージセンサの周辺エリアに属するボンドパッド構造の形成要素として使用される。
図３に示す工程では、パターニングによって整列マーク３００が形成されている。その形成には、例えば、フォトレジスタを堆積させてそれを露光、現像及びエッチングするリソグラフィ技術を使用することができる。マーク３００をパターニングで形成する際の目標パターンは、一般に、イメージセンサウェハの処理に使用されるリソグラフィ装置の種類によって左右される。また、この例のマーク３００は、パッド酸化物層２２０、パッド窒化物層２２２及びセンサ層２０６を貫通しその下にあるＢＯＸ層２０４の表面に達するよう、即ちセンサ層２０６の全厚を貫くよう形成されている。これは、マーク３００を表面側構成要素・裏面側構成要素間の位置合わせ手段として使用するためである。こうしたマーク３００は、画素アレイを構成するフォトダイオード等の感光素子に対し、それに対応するＣＦＡ構成要素及びそれに付随するマイクロレンズを位置合わせするのに使用することができる。
整列マーク３００の素材としてはポリシリコンを使用することができる。そうしたポリシリコン製整列マークを裏面照射型イメージセンサ内に好適に形成可能な手法としては、例えば別の米国特許出願（Ｋｏｄａｋ社整理番号第９４８７０号）に記載の手法がある。無論、マーク３００の形成にはそれ以外にも様々な手法を使用することができる。
図４に示す工程では、センサ層２０６の裏面２０６Ｂに裏面トレンチ４００が形成され、更にそのトレンチ４００を介しセンサ層２０６内に下向き矢印に沿いドーパントをインプラントすることで裏面フィールド分離材インプラント領域４０２が形成されている。この例のトレンチ４００はパッド酸化物層２２０及びパッド窒化物層２２２を貫くようエッチングで形成されており、その深さは０．１〜０．５μｍ程度と浅め、その幅は０．１〜０．２μｍ程度である。但し、トレンチ４００の幅は、フォトダイオードのサイズによって大きく左右されるため実施形態毎に様々に変わってくる。光応答がよくなるので幅を狭くすることが望まれることが多い。
これら、裏面トレンチ４００及びそれに対応するフィールド分離材インプラント領域４０２には、画素アレイを構成する個々の画素の裏面を誘電的に分離する機能がある。そのため、図１４に示す完成品ではキャリア再結合及びクロストークが少なくなる。
裏面トレンチ４００の配置は、そのイメージセンサの画素アレイエリアを上方から見て描いた平面図上で格子に見えるような配置にするとよい。即ち、個々のフォトダイオードが格子の枡内に収まり、トレンチ４００でほぼ四方を囲まれるような配置にするとよい。
裏面トレンチ４００内にリニア酸化物層、例えば５０〜１５０オングストローム程度の厚みを有するリニア酸化物層を形成してもよい（１オングストローム＝１０-10ｍ）。フィールド分離材インプラント処理はリニア酸化物層形成の前後いずれで行ってもよい。
フィールド分離材インプラント処理では、ドーパントとして、その画素アレイがＰＭＯＳ（ｐ型金属−酸化物−半導体）回路ベースのものなら砒素、燐等のｎ型ドーパントを使用し、ＮＭＯＳ（ｎ型金属−酸化物−半導体）回路ベースのものなら硼素、インジウム等のｐ型ドーパントを使用する。フィールド分離材インプラント処理に相応しい濃度範囲は、通常、約５×１０12〜５×１０13原子／ｃｍ3である。
図５に示す工程では、裏面トレンチ４００が素材５００で充填、平坦化され、更にパッド酸化物層２００及びパッド窒化物層２２２が除去されている。充填材５００としては酸化物、ポリシリコン等を使用することができる。ドープドポリシリコンを使用すれば、画素間で青色光を吸収してクロストークを更に抑えることができる。但し、ドープドポリシリコンを充填材５００として使用すると、青色光についての量子効率が低下する。
図６に示す工程では、センサ層２０６及び充填済裏面トレンチ４００の上方に抗反射層が形成されている。具体的には、センサ層２０６の裏面上に抗反射酸化物層６００が形成され、その層６００の上方に抗反射窒化物層６０２が形成されている。この例では酸化物層６００が約５０オングストローム、窒化物層６０２が約５００オングストロームの厚みを有しているが、これとは違う厚みにすることもできる。これらの層６００及び６０２には量子効率を高める作用がある。
図６に示す工程では、更に、抗反射酸化物層６００の形成と連携し下向き矢印で示す裏面パッシベーション材インプラント処理が実行されている。この処理を層６００の形成前又は形成後に実行しパッシベーション材インプラント領域６０４を形成することで、センサ層２０６の裏面状態を安定化させることができる。
この図の裏面パッシベーション材インプラント処理でも、図４を参照して説明したフィールド分離材インプラント処理と同じく、画素アレイがＰＭＯＳならばｎ型ドーパントを使用し、ＮＭＯＳならばｐ型ドーパントを使用する。パッシベーション材インプラント処理に相応しい濃度範囲も、フィールド分離材インプラント処理でのそれと同じく約５×１０12〜５×１０13原子／ｃｍ3である。
図７に示す工程では、裏面ウェル分離材インプラント処理が実行されている。この処理は必須なものではないが、これを実行すると、センサ層２０６内に隣接して形成されるフォトダイオード間の水平方向分離度が高まる。この例の場合、ウェル分離材インプラント処理は、抗反射窒化物層６０２の上方にフォトレジスト７００を堆積させ、それをパターニングすることで個々の裏面トレンチ４００の上方に開口７０２を発生させ、その開口７０２を介し下向き矢印の如くドーパントをインプラントすることによって実行されている。この処理によって、個々のトレンチ４００に対応する裏面ウェル分離材インプラント領域７０４が形成されることとなる。領域７０４の形成を表面からではなく裏面から行っているため、形成される領域７０４を細くて性能を高めることができる。
ウェル分離材インプラント処理で使用されるインプラントも、前述した他のインプラント処理で使用されるものと同様に、画素アレイがＰＭＯＳならばｎ型ドーパント、ＮＭＯＳならばｐ型ドーパントである。ウェル分離材インプラント処理に相応しい濃度範囲は約５×１０11〜５×１０13原子／ｃｍ3である。
図８に示す工程では、フォトレジスト７００の残存部分が剥がされ、抗反射窒化物層６０２の上方に酸化物層８００が堆積されている。酸化物層８００は約０．１〜０．５μｍ厚まで成長させるとよい。酸化物層８００の裏面には、一時キャリアウェハの接合に備えてＣＭＰ（化学機械研磨）処理を施すのが望ましい。
図９に示す工程では、酸化物層８００の裏面に一時キャリアウェハ９００が接合され、更に基板２０２及びＢＯＸ層２０４が除去されている。イメージセンサウェハから基板を除去する手段としては、グラインディング、ポリッシング、エッチング又はその任意の組合せを使用すればよい。そのイメージセンサウェハがＳＯＩウェハ２００であるなら、まず基板２０２をＢＯＸ層２０４から分離させた上でＢＯＸ層２０４を除去する。エピタキシャルウェハ２１０であるなら、整列マーク３００’に達した時点で終了するよう基板除去プロセスを設計しておく。前述の通り、ＳＯＩウェハ２００から得られる構造とエピタキシャルウェハ２１０から得られる構造がこの段階でほぼ同一のものとなるので、残りの工程については一種類のイメージセンサウェハ構造を例に説明する。センサ層は２０６及び２１４のいずれでもよいが、例示の都合上図９ではＰ-センサ層２１４を用いている。
裏面一時キャリアウェハ９００としては、例えば、いわゆるハンドルウェハの一種を使用する。このウェハ９００は、エポキシ等の接着剤を用いイメージセンサウェハに固着させるとよい。
また、図中の一時キャリアウェハはＰ-ウェハであるが、これは一例であり、他のドーピング型のウェハを用いることもできる。センサ層へのドーピングも図示例とは別の型にすることもできる。例えば、図９に示すセンサ層にはＰ-ドーピングが施されているが、別の型のドーピング例えばＮ-ドーピングが施されるよう処理手順を変形することは難しくない。いわゆる当業者には自明な通り、図２〜図１４に示した断面に付記されているその他のドーピング型も同様であり、その実施形態次第で別の型になる。
図１０に示す工程では、後工程に備えイメージセンサウェハが上下反転されている。
図１１に示す後工程では、画素アレイを構成する感光素子１１００がセンサ層２０６又は２１４内に形成され、その層２０６又は２１４の表面に表面トレンチ１１０２が形成され、そのトレンチ１１０２に対応する表面フィールド分離材インプラント領域が形成され、トレンチ１１０２が充填され、そのトレンチ１１０２に対応する表面ウェル分離材インプラント領域１１０４が形成され、そして層２０６又は２１４の表面に誘電体層１１０６が形成されている。前掲の通り、この例では、画素アレイを構成する感光素子としてフォトダイオードが形成されている。
表面トレンチ１１０２及びそれに付随するインプラント領域は、裏面トレンチ４００及びそれに付随するインプラント領域の形成に関し説明した手法と同様の手法で形成することができる。
また、この例における誘電体層１１０６は複数の誘電体層からなる層とすることができる。例えば、多層化されている金属配線間を絶縁するＩＭＤ（金属間誘電体）やＩＬＤ（層間誘電体）の層である。イメージセンサの諸構成要素、例えば接続線、ゲート等の回路要素を層１１０６内に形成することもできる。その方法は従来からある方法でよい。即ち、図１１には層１１０６が１個しか示されていないが、介在する一層又は複数層で分離されたかたち等で複数の誘電体層を設ける形態での実施も可能である。層１１０６の表面にある金属導体１１０８はイメージセンサウェハの最終金属層に属している。
図１２に示す工程では、誘電体層１１０６及び金属導体１１０８の上方に酸化物層１２００が堆積され、更にその面がＣＭＰ処理によって平坦化されている。
図１３に示す工程では、最終金属層の上方にある酸化物層１２００に表面ハンドルウェハ１３００が固着され、更に裏面一時キャリアウェハ９００が除去されている。ウェハ１３００の固着には、例えば酸化物間低温接合法を使用する。
図１４に示す工程では、後工程に備えイメージセンサウェハが上下反転されている。その後工程では、表面ハンドルウェハ１３００が基板、即ち構造的支持手段として機能する。実行される後工程としては、例えば、個々の画素アレイに対応するよう酸化物層８００の裏面にＣＦＡを形成する工程がある。一般に、イメージセンサウェハを構成する個々の画素アレイに対応するＣＦＡは、センサ層を構成する個々の感光素子１１００の上方に配された色フィルタ素子によって構成されている。ＣＦＡを構成する個々の色フィルタ素子の上方にマイクロレンズを形成することもできる。ＣＦＡ及びそれに付随するマイクロレンズは、図示しないが、従来から周知の形態に従い配列すればよい。
色フィルタ素子及びそれに付随するマイクロレンズを整列マーク３００を基準に整列させることで、センサ層を構成するフォトダイオードと、ＣＦＡを構成する色フィルタ素子とを、対応するもの同士正確に整列させることができる。
以上の工程が済んだイメージセンサウェハはダイシングされる。このダイシングにより、ディジタルカメラ１０のイメージセンサ１４として使用可能な裏面照射型イメージセンサが複数個得られる。ウェハのダイシング処理については後に図１５を参照してより詳細に説明する。この例ではダイシング前に表面ハンドルウェハ１３００を除去せず、ダイシング処理で互いに別体となる個々のイメージセンサ上にウェハ１３００の対応する部分を残存させ、その部分を恒久的なハンドルウェハとして機能させるようにしている。
また、表面ハンドルウェハ１３００に代え第２一時キャリアウェハを使用する形態も採りうる。この形態では、まず、一時キャリアウェハ（第１一時キャリアウェハ）９００を固着させる際と同じくエポキシ等の接着剤を用いて第２一時キャリアウェハを固着させる。第２一時キャリアウェハを固着させたら、個々の透明カバーが対応するＣＦＡに重なるよう、複数個の透明カバーからなる透明カバーシートをイメージセンサウェハの裏面に固着させる。そして、第２一時キャリアウェハを除去する。こうして各ＣＦＡの上方に配置される透明カバーは、そのＣＦＡの中央開口として機能すると共に、エポキシにより酸化物層８００の裏面に固定された周辺支持材としても機能する。更に、ガラス等の透明素材で形成されているこの透明カバーシートは、固着時には１枚のシートであるが、ウェハからイメージセンサがダイシングされる際にイメージセンサ毎に分割される。こうした一時キャリアウェハ及び透明カバーシートの使用方法については別の米国特許出願（Ｋｏｄａｋ社整理番号第９４８７２号）に記載がある。但し、それらの部材及びそれに関する処理が本発明の必須構成要件ではないことも了解されたい。
本発明の実施に当たり実施しうる処理としては、ほかに、ＲＤＬ（再配線層）導体の形成、パッシベーション層の形成、接続用金属電極の形成等がある。
以上、図２〜図１４を参照して説明した処理はイメージセンサウェハに対し適用されるウェハレベルの処理である。図１５にその平面構成を示すイメージセンサウェハ１５００には、図２〜図１４に示したウェハレベル処理を経て複数個のイメージセンサ１５０２が形成されている。ダイシングライン１５０４に沿いウェハ１５００をダイシングすると、それらが個別のセンサ１５０２へと分割される。それにより得られる個々のセンサ１５０２は、図１に示したディジタルカメラ１０にてイメージセンサ１４として使用できるものである。
以上説明したように、本実施形態に係る処理方法によれば、より秀逸な裏面照射型イメージセンサを形成することができる。即ち、図２〜図１４を参照して説明した処理によって新たな裏面構造を形成し、その構造例えば浅い裏面トレンチを利用し裏面フィールド分離材、パッシベーション材及びウェル分離材のインプラントを実行しているため、キャリア再結合や隣接フォトダイオード間クロストークを大きく減らすことができる。これにより、イメージセンサのダイサイズやコストを大きく増すことなく、入射光検知能が高い秀逸な裏面照射型イメージセンサを得ることができる。
また、特定の実施形態を例にして本発明を詳細に説明したが、別紙特許請求の範囲で定義されている本発明の技術的範囲内で変形や改良を施すことも可能であるので、その点をご理解頂きたい。例えば、本発明を別の種類のイメージセンサ及びディジタル撮像装置に適用することや、別種の素材、ウェハ、層、処理工程等を使用することも可能である。従って、上掲の実施形態との関連で示した層厚、ドーパント濃度等の処理パラメタ値とは異なる処理パラメタ値で本発明を実施することもできる。これらを含め本発明の別の実施形態がどのような構成になるかはいわゆる当業者であれば容易に理解することができよう。
１０ ディジタルカメラ、１２ イメージングステージ、１４ 裏面照射型イメージセンサ、１６ プロセッサ、１８ メモリ、２０ ディスプレイ、２２ Ｉ／Ｏ（入出力）手段、２００ ＳＯＩ（シリコンオンインシュレータ）ウェハ、２０２ シリコン基板、２０４ ＢＯＸ（埋込酸化物）層、２０６ シリコンセンサ層、２０６Ｂ センサ層裏面、２０６Ｆ センサ層表面、２１０ エピタキシャルウェハ、２１２ Ｐ+基板、２１４ Ｐ-センサ層、２２０ パッド酸化物層、２２２ パッド窒化物層、３００ 整列マーク、４００ 裏面トレンチ、４０２ フィールド分離材インプラント領域、５００ トレンチ充填材、６００ 抗反射酸化物層、６０２ 抗反射窒化物層、６０４ 裏面パッシベーション材インプラント領域、７００ フォトレジスト、７０２ 開口、７０４ 裏面ウェル分離材インプラント領域、８００ 裏面酸化物層、９００ 裏面一時キャリアウェハ、１１００ 感光素子、１１０２ 表面トレンチ、１１０４ 表面ウェル分離材インプラント領域、１１０６ 誘電体層、１１０８ 最終金属層内導体、１２００ 酸化物層、１３００ 表面ハンドルウェハ、１５００ イメージセンサウェハ、１５０２ イメージセンサ、１５０４ ダイシングライン。
Claims (9)
- それぞれ画素アレイを有する裏面照射型のイメージセンサを、基板及びその上方に形成されたセンサ層を有するイメージセンサウェハを用い、複数個形成するウェハレベルの処理方法であって、
センサ層の裏面に裏面トレンチを形成する工程と、
その裏面トレンチを介しセンサ層内にドーパントをインプラントすることで裏面トレンチに対応する裏面フィールド分離材インプラント領域を形成する工程と、
裏面トレンチを充填する工程と、
充填された裏面トレンチの上方に抗反射層を少なくとも一層形成する工程と、
裏面に一時キャリアウェハを取り付け、前記基板を除去する工程と、
前記基板を除去した後、イメージセンサウェハを更に処理して画素アレイを含むイメージセンサを複数個形成する工程と、
を有し、
前記イメージセンサウェハを更に処理して画素アレイを含むイメージセンサを複数個形成する工程が、
センサ層の表面に画素アレイの感光素子を形成する工程と、
センサ層の表面に表面トレンチを形成する工程と、
表面トレンチに対応する表面フィールド分離材インプラント領域を形成する工程と、
表面トレンチを充填する工程と、
表面トレンチに対応する表面ウェル分離材インプラント領域を形成する工程と、
センサ層の表面に誘電体層を少なくとも一層形成する工程と、
誘電体層の表面にハンドルウェハを取り付ける工程と、
ハンドルウェハを取り付けた後に、一時キャリアウェハを除去する工程と、
イメージセンサウェハを複数個のイメージセンサへと分割する工程と、
を有する処理方法。 - 請求項１記載の処理方法であって、
センサ層の上方に酸化物層を形成する工程と、
その酸化物層の上方に窒化物層を形成する工程と、
それら窒化物層及び酸化物層を貫きセンサ層内に延びるよう整列マークを形成する工程と、
を有する処理方法。 - 請求項２記載の処理方法であって、
センサ層の裏面に裏面トレンチを形成する工程が、上記窒化物層及び酸化物層をエッチングして裏面トレンチを形成する工程を含む処理方法。 - 請求項１記載の処理方法であって、
裏面トレンチを充填する前に、裏面トレンチ内にリニア酸化物層を形成する工程を有する処理方法。 - 請求項１記載の処理方法であって、
センサ層の裏面にあり充填されている裏面トレンチの上方に抗反射層を少なくとも一層形成する工程が、
そのセンサ層の裏面に抗反射酸化物層を形成する工程と、
その抗反射酸化物層の上方に抗反射窒化物層を形成する工程と、
を含む処理方法。 - 請求項１記載の処理方法であって、
充填された裏面トレンチの上方に抗反射層を少なくとも一層形成する前に、センサ層にドーパントをインプラントして裏面パッシベーション材インプラント領域を形成する工程を有する処理方法。 - 請求項１記載の処理方法であって、
充填された裏面トレンチの上方に抗反射層を少なくとも一層形成した後に、センサ層にドーパントをインプラントして裏面パッシベーション材インプラント領域を形成する工程を有する処理方法。 - 請求項１記載の処理方法であって、
抗反射層の上方にフォトレジストを堆積させる工程と、
そのフォトレジストをパターニングすることで裏面トレンチの上方に開口を形成する工程と、
その開口を通じドーパントをインプラントすることで裏面トレンチに対応する裏面ウェル分離材インプラント領域を形成する工程と、
を有する処理方法。 - 請求項１記載の処理方法であって、
イメージセンサウェハを更に処理して画素アレイを含むイメージセンサを複数個形成する工程が、
イメージセンサの中に画素アレイを形成する前に、上記抗反射層の上方に酸化物層を形成する工程
を有する処理方法。
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