WO2024057950A1 - 光検出装置、および電子機器 - Google Patents

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WO2024057950A1
WO2024057950A1 PCT/JP2023/031773 JP2023031773W WO2024057950A1 WO 2024057950 A1 WO2024057950 A1 WO 2024057950A1 JP 2023031773 W JP2023031773 W JP 2023031773W WO 2024057950 A1 WO2024057950 A1 WO 2024057950A1
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layer
film
sidewall
metasurface
spacer layer
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PCT/JP2023/031773
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English (en)
French (fr)
Inventor
賢太 長谷川
雄介 守屋
Original Assignee
ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures

Definitions

  • the present technology relates to a photodetection device and an electronic device, and particularly relates to a photodetection device and an electronic device that can improve the reliability of light collection design.
  • a photodetection device having a color separation lens array which is an optical element made up of a plurality of microstructures, has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
  • a color separation lens array that separates incident light by wavelength and focuses the light on a light sensing section for each color is also called a metasurface element.
  • a heat resistance test is generally performed as a reliability test for a photodetector having the above-described structure. As the material expands during this heat resistance test, a misalignment occurs between the optical element layer (metasurface layer) consisting of multiple microstructures and the transparent layer (spacer layer) provided below the metasurface layer. Sometimes. Misalignment between the metasurface layer and the spacer layer may reduce the reliability of the light collection design.
  • the present technology was developed in view of this situation, and is intended to improve the reliability of light condensing design.
  • a photodetection device includes a semiconductor substrate having a photoelectric conversion section, a spacer layer provided on the semiconductor substrate, a metasurface layer provided on the spacer layer, and at least a portion of the spacer layer.
  • the present invention is a photodetecting device including a sidewall protective film provided on a sidewall.
  • An electronic device includes a semiconductor substrate having a photoelectric conversion section, a spacer layer provided on the semiconductor substrate, a metasurface layer provided on the spacer layer, and at least a portion of the spacer layer.
  • the electronic device includes a sidewall protective film provided on a sidewall.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration example of a photodetection device according to an embodiment of the present technology.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the vicinity of an end of the CMOS image sensor according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is an enlarged view of the vicinity of the sidewall protective film of the first embodiment. It is a figure showing the range where the side wall protection film of a 1st embodiment is provided.
  • FIG. 6 is a diagram showing changes in the state of each member during a reliability test for a CMOS image sensor without a sidewall protective film. It is a figure showing other effects of a 1st embodiment. It is a figure which shows the cross-sectional structure of the 1st modification of 1st Embodiment.
  • FIG. 1 is a diagram showing a first manufacturing method of a CMOS image sensor according to a first embodiment.
  • FIG. 1 is a diagram showing a first manufacturing method of a CMOS image sensor according to a first embodiment.
  • FIG. 1 is a diagram showing a first manufacturing method of a CMOS image sensor according to a first embodiment.
  • FIG. 1 is a diagram showing a first manufacturing method of a CMOS image sensor according to a first embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram showing a first manufacturing method of a CMOS image sensor according to a second embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram showing a second manufacturing method of a CMOS image sensor according to a second embodiment.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a configuration example of an imaging device as an electronic device to which the present technology is applied.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of how a CMOS image sensor is used.
  • First embodiment (example when side wall protective film is provided) 2.
  • Second embodiment (example when a light shielding film is provided) 3.
  • Manufacturing method of first embodiment 4.
  • Manufacturing method of second embodiment 5.
  • Example of application to electronic equipment 6.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration example of a photodetection device according to an embodiment of the present technology.
  • a photodetection device is, for example, a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) image sensor 1.
  • CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor
  • the CMOS image sensor 1 includes, for example, a pixel array section 11, a vertical drive section 12, a column processing section 13, a horizontal drive section 14, a system control section 15, a signal processing section 18, and a data storage section 19.
  • the pixel array section 11 is configured by arranging a plurality of pixels having photoelectric conversion sections in an array.
  • the photoelectric conversion unit is a semiconductor region that generates charges depending on the amount of incident light.
  • Each pixel is arranged in the horizontal direction (row direction) and the vertical direction (column direction).
  • the vertical drive section 12 includes, for example, a shift register or an address decoder, and drives each pixel of the pixel array section 11 row by row via a plurality of pixel drive lines 16.
  • the driving method is not limited to a method of driving row by row; for example, there is also a method of driving all pixels simultaneously.
  • Pixel signals output from pixels driven by the vertical drive section 12 are supplied to the column processing section 13 via each of the plurality of vertical signal lines 17.
  • the column processing unit 13 performs noise removal processing, correlated double sampling processing, A/D (Analog/Digital) conversion processing, etc., and generates a digital pixel signal.
  • the column processing section 13 supplies the generated pixel signal to the signal processing section 18.
  • the horizontal drive section 14 includes, for example, a shift register and an address decoder, and selects and drives each circuit of the column processing section 13.
  • the circuit of the column processing section 13 selected by the horizontal driving section 14 supplies the generated pixel signal to the signal processing section 18.
  • the system control unit 15 includes, for example, a timing generator.
  • a timing generator is a circuit that generates various timing signals.
  • the system control unit 15 performs drive control of the vertical drive unit 12, column processing unit 13, and horizontal drive unit 14 based on the timing signal generated by the timing generator.
  • the signal processing unit 18 performs arithmetic processing on each pixel signal supplied from the column processing unit 13.
  • the data storage unit 19 temporarily stores data necessary for the arithmetic processing of the signal processing unit 18.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the vicinity of the end of the CMOS image sensor 1 according to the first embodiment.
  • the left direction in FIG. 2 is the center direction of the CMOS image sensor 1.
  • the CMOS image sensor 1 basically has a structure in which a semiconductor substrate 51, a spacer layer 53, and a metasurface layer 55 are stacked.
  • the semiconductor substrate 51 is, for example, a silicon substrate.
  • the semiconductor substrate 51 has a plurality of photoelectric conversion units (photodiodes). Each pixel is configured by a photoelectric conversion section included in the semiconductor substrate 51.
  • the material of the semiconductor substrate 51 is not limited to silicon, and may be, for example, germanium, a compound semiconductor material, an organic semiconductor material, or the like.
  • the semiconductor substrate 51 has a first surface, which is a surface on which light enters, and a second surface, which is a surface opposite to the first surface.
  • a multilayer wiring layer (not shown) is provided on the lower side of the second surface (downward in the paper).
  • the CMOS image sensor 1 shown in FIG. 2 is a so-called back-illuminated CMOS image sensor.
  • the color filter 52 is provided above the semiconductor substrate 51 (in the upper direction of the paper). A plurality of insulating films may be provided between the semiconductor substrate 51 and the color filter 52.
  • the color filter 52 transmits light in the wavelength band of the corresponding color. The light transmitted through the color filter 52 reaches the photoelectric conversion section provided on the semiconductor substrate 51.
  • the structure shown in FIG. 2 as the color filter 52 shows, from left to right, red, green, and blue color filters.
  • three color filters 52 of red, green, and blue are shown, but the colors are not limited.
  • the metasurface layer 55 has a function equivalent to that of the color filter 52, the color filter 52 does not need to be provided.
  • the spacer layer 53 is provided on top of the semiconductor substrate 51.
  • the material of the spacer layer 53 is, for example, an organic material.
  • the organic material is a transparent resin that transmits incident light.
  • the material of the spacer layer 53 may be different from the material of the metasurface layer 55.
  • an inorganic material may be used instead of an organic material.
  • the inorganic material is preferably a material that transmits incident light, such as silicon oxide or silicon oxynitride.
  • Spacer layer 53 may be configured using both organic and inorganic materials. That is, the spacer layer 53 may be configured using at least one of an organic material and an inorganic material. Spacer layer 53 is configured to planarize the upper portion of semiconductor substrate 51 .
  • the first antireflection film 54 is provided on top of the spacer layer 53.
  • the material of the first antireflection film is, for example, silicon nitride.
  • the first antireflection film 54 is configured to suppress reflection occurring at the interface between the spacer layer 53 and the metasurface layer 55.
  • the first antireflection film 54 also functions as an etching stopper when forming the microstructure 55a of the metasurface layer 55. Further, the first antireflection film 54 may not be provided.
  • the metasurface layer 55 is provided on top of the spacer layer 53 with the first antireflection film 54 in between.
  • the metasurface layer 55 has various optical functions. Specifically, there is a color separation function (color splitter) that controls the propagation direction of light for each wavelength band, a function (lens) that focuses light in a specific wavelength band, and a polarization separation function that separates light into a specific polarization direction. There are functions such as a wavelength selection function (filter) that transmits only light in a specific wavelength band. In the present technology, the functions that the metasurface layer 55 has are not limited to the specific functions described above.
  • the metasurface layer 55 having these functions is sometimes called a metasurface layer, an optical functional layer, an optical control layer, a color splitter layer, a color separation layer, a light deflection layer, or the like.
  • the metasurface layer 55 is composed of at least a microstructure 55a and a transparent layer 55b. Fine structures 55a are formed at positions on the transparent layer 55b corresponding to positions of color filters of each color.
  • the first material used as the material of the microstructure 55a has a higher refractive index than the second material used as the material of the transparent layer 55b.
  • the first material is, for example, titanium oxide. More specifically, the first material may be selected from silicon, silicon nitride, silicon carbide, tantalum oxide, niobium oxide, hafnium oxide, indium oxide, tin oxide, siloxane, and the like.
  • the structure of the fine structure 55a is shown as a columnar structure in FIG. 2, it is not limited to a columnar structure.
  • the second material of the transparent layer 55b has a lower refractive index than the first material of the microstructure 55a.
  • the second material may be selected from silicon oxide, silicon nitride, etc., for example.
  • the second antireflection film 56 is provided on top of the metasurface layer 55.
  • the material of the second antireflection film is, for example, silicon nitride.
  • the second antireflection film 56 is configured to suppress reflection that occurs at the interface between the metasurface layer 55 and a layer provided above the metasurface layer 55.
  • the second antireflection film 56 may be configured using a plurality of films.
  • a trench 58 extending from the surface of the CMOS image sensor 1 to the surface of the semiconductor substrate 51 is located near the end of the CMOS image sensor 1 having the above-described layered structure.
  • a sidewall protection film 57 is provided to constitute the inner wall of the trench 58.
  • the sidewall protective film 57 is configured integrally with the metasurface layer 55, for example, so that the end portion of the metasurface layer 55 (transparent layer 55b) extends downward.
  • the sidewall protective film 57 constitutes the inner wall of the trench 58 and is provided on the sidewall of the spacer layer 53 (the sidewall portion 53a in FIG. 3). As will be described later, the sidewall protection film 57 is provided as a film that protects at least the sidewalls of the spacer layer 53.
  • the sidewall protective film 57 has a function of preventing expansion of the spacer layer 53 during a reliability test and a function of preventing moisture from entering the photodetecting device from the outside.
  • the material of the sidewall protective film 57 is, for example, an inorganic material. More specifically, it may be selected from silicon oxide, silicon nitride, etc., for example.
  • the material of the sidewall protective film 57 is any one of the material of the first antireflection film 54, the first material of the microstructure 55a, the second material of the transparent layer 55b, and the material of the second antireflection film 56. It may be the same as Furthermore, the sidewall protection film 57 may be configured using a plurality of films.
  • the pad opening 59 is provided at a position outside the sidewall protection film 57 (to the right in the drawing) as a trench that penetrates from the front surface of the CMOS image sensor 1 to the back surface of the semiconductor substrate 51, for example.
  • a metal electrode (not shown) is provided at the bottom of the pad opening 59.
  • the pad opening 59 is provided with wiring that connects the metal electrode to an external power source or the like.
  • FIG. 3 is an enlarged view of the vicinity of the sidewall protective film 57 in FIG. 2.
  • the sidewall protection film 57 constitutes an inner wall of a trench 58 provided outside a pixel region (effective pixel region) that receives incident light and generates an image signal.
  • the sidewall protective film 57 is formed integrally with the transparent layer 55b, for example, by a manufacturing method described below. As a result, the sidewall protective film 57 is provided so as to constitute the sidewall of the metasurface layer 55.
  • the film thickness T of the sidewall protective film 57 can be 10 nm to 5000 nm.
  • the width W of the trench 58 is 10 nm or more depending on the film thickness T.
  • the width (height) w of the sidewall protective film 57 in the height direction of the CMOS image sensor 1 is higher than the height of the spacer layer 53.
  • FIG. 4 is a diagram showing the range where the sidewall protective film 57 is provided.
  • the left side of FIG. 4 shows the configuration of the CMOS image sensor 1 in plan view, and the right side shows the configuration of a cross section taken along the broken line AA.
  • the sidewall protection film 57 is provided so as to surround the effective pixel area, which is a rectangular area.
  • the effective pixel area which is a rectangular area.
  • a narrow optical black area is formed outside the effective pixel area, and a sidewall protection film 57 is provided around the optical black area.
  • FIG. 5 is a diagram showing changes in the state of each member during a reliability test for a CMOS image sensor in which the sidewall protective film 57 is not provided.
  • Reliability testing is a general term for various tests that are performed, for example, before shipping a product, in order to measure the reliability of the product.
  • Reliability tests include, for example, heat resistance tests and weather resistance tests.
  • FIG. 5A is a diagram showing the state of the CMOS image sensor before the reliability test (at room temperature). As shown by the white arrows, a force that expands in the in-plane direction (left-right direction in the paper) is acting on the metasurface layer 55 made of an inorganic material. On the other hand, the spacer layer 53 made of, for example, an organic material is hard at room temperature. Expansion of the metasurface layer 55 is suppressed by the spacer layer 53, and as a result, the metasurface layer 55 becomes unable to expand.
  • FIG. 5B is a diagram showing the state of the CMOS image sensor during a reliability test (at high temperature).
  • the spacer layer 53 made of an organic material deforms (creeps). Expansion of the metasurface layer 55 cannot be suppressed by the spacer layer 53, and as a result, the metasurface layer 55 is in a state where it can expand in the in-plane direction.
  • FIG. 5C is a diagram showing the state of the CMOS image sensor after the reliability test (at room temperature). Due to expansion during the reliability test, a shift occurs between the metasurface layer 55 and the spacer layer 53. In the example shown in FIG. 5C, the position of the fine structure 55a is shifted to the right from the position before the reliability test. As a result of the position shift of the fine structure 55a, the reliability of the light condensing design of the CMOS image sensor 1 decreases.
  • the sidewall protective film 57 at least on the sidewall of the spacer layer 53, it is possible to prevent the spacer layer 53 from being deformed during the reliability test.
  • the spacer layer 53 By preventing the spacer layer 53 from deforming, it is possible to prevent misalignment between the metasurface layer 55 and the spacer layer 53, and as a result, the reliability of the light collection design of the CMOS image sensor 1 is improved. becomes possible.
  • the spacer layer 53 is made of an organic material.
  • the spacer layer 53 is made of an inorganic material, there is a possibility that misalignment will occur between the metasurface layer 55 and the spacer layer 53 during the reliability test.
  • the spacer layer 53 is made of an inorganic material, it is possible to improve the reliability of the light condensing design of the CMOS image sensor 1.
  • an on-chip lens is provided as an optical element.
  • the on-chip lens is made of an organic material, and the only inorganic material structure is that a film thinner than the metasurface layer 55 is provided between the on-chip lens and the semiconductor substrate. Therefore, in a reliability test targeting a normal CMOS image sensor, the deviation described in FIG. 5 is unlikely to occur.
  • FIG. 6 is a diagram showing other effects of the first embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram showing a cross-sectional structure of a first modification of the first embodiment.
  • the sidewall protective film 57 is provided on the sidewall of the spacer layer 53 and is not provided on the metasurface layer 55.
  • the height of the sidewall protection film 57 is approximately the same as the height of the spacer layer 53.
  • the sidewall protective film 57 is provided at least on the sidewall of the spacer layer 53. It is desirable that the height of the sidewall protective film 57 is greater than or equal to the height of the spacer layer 53.
  • the effects of the first modification are the same as those of the first embodiment.
  • FIG. 8 is a diagram showing a cross-sectional structure of a second modification of the first embodiment.
  • the sidewall protection film 57 is provided so as to fill the trench 58.
  • the trench 58 is filled with the same material as the transparent layer 55b, but the present invention is not limited thereto.
  • Trench 58 may be filled with multiple materials.
  • the effects of the second modification are the same as those of the first embodiment.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of the vicinity of the end of the CMOS image sensor 1 according to the second embodiment.
  • components corresponding to those in FIG. 2 are designated by the same reference numerals, and their descriptions will be omitted as appropriate.
  • a light shielding film 61 is provided in the trench 58 of the CMOS image sensor 1 according to the second embodiment.
  • the light shielding film 61 includes, for example, a first portion 61a and a second portion 61b.
  • the first portion 61a is provided to cover the sidewall protection film 57.
  • the wall surface formed by the sidewall protection film 57 is provided adjacent to the wall surface formed by the first portion 61a.
  • the first portion 61a is provided so as to fill the trench 58 in FIG.
  • the second portion 61b is provided on top of the metasurface layer 55.
  • the second portion 61b is provided so as to cover up to the top of the optical black area without covering the top of the effective pixel area.
  • the material of the light shielding film 61 is, for example, a metal material. More specifically, the material of the light shielding film 61 is selected from single metals such as tungsten (W), aluminum (Al), and copper (Cu), and alloy materials. Further, the material of the light shielding film 61 may be, for example, an organic material such as a black resist.
  • FIG. 10 is a diagram showing the effects of the second embodiment.
  • a in Figure 10 is a diagram showing the path of external light relative to a CMOS image sensor that does not have a light-shielding film 61.
  • a spacer layer 53 with a thickness of about several microns is provided in a CMOS image sensor that has a metasurface layer 55.
  • the sensor is more susceptible to the effects of light (external light) that enters obliquely from the outside. If the light-shielding film 61 is not provided, the external light is reflected by the surface of the semiconductor substrate 51 and enters the metasurface layer 55, as shown by the thick solid arrow. The external light is bent in an unintended direction by the metasurface layer 55, causing flare.
  • FIG. 10B is a diagram showing the path of external light to the CMOS image sensor 1 of the second embodiment.
  • incident external light is absorbed by the light shielding film 61 as shown by the thick solid line arrow.
  • the thick solid line arrow As a result, it is possible to prevent external light from being bent in an unintended direction in the metasurface layer 55, thereby making it possible to suppress the occurrence of flare.
  • the light-shielding film 61 is made up of a first portion 61a and a second portion 61b, but the structure of the light-shielding film 61 is not limited to the illustrated structure.
  • the second portion 61b of the light shielding film 61 may be provided in the configuration shown in FIG.
  • only the first portion 61a may be provided without providing the second portion 61b.
  • another film (not shown) may be provided between the first portion 61a and the second portion 61b.
  • the color filter 52 is formed on the semiconductor substrate 51.
  • a light shielding wall made of, for example, a dielectric material is formed between each color filter 52.
  • a light shielding film 101 constituting an optical black area is formed outside the effective pixel area.
  • a spacer layer 53 is formed on the semiconductor substrate 51.
  • the spacer layer 53 can be formed by various physical or chemical film formation techniques.
  • the film formation method includes a PVD (Physical Vapor Deposition) method, a CVD (Chemical Vapor Deposition) method, and an ALD (Atomic Layer Deposition) method.
  • a trench 58 for forming a sidewall protection film 57 and a pad opening 59 are formed.
  • anisotropic dry etching is used to form the trench 58 and the pad opening 59.
  • the first antireflection film 54 and the transparent layer 55b of the metasurface layer 55 are formed.
  • the first antireflection film 54 and the transparent layer 55b can be formed by the above-mentioned physical or chemical film forming method.
  • not only a film made of the same material as the transparent layer 55b but also the first antireflection film 54 is formed inside the trench 58.
  • the sidewall protective film 57 is made of two materials: the first antireflection film 54 and the same material as the transparent layer 55b. In this way, it is possible to configure the sidewall protection film 57 with a plurality of films.
  • at least one of the first antireflection film 54 and the transparent layer 55b is formed as a sidewall protection film 57 so as to constitute the sidewall of the spacer layer 53.
  • a hard mask 102 is formed on the transparent layer 55b.
  • the hard mask 102 is formed, for example, to have a stacked structure of silicon oxide and amorphous silicon.
  • a resist mask 103 having a predetermined planar layout pattern is formed.
  • a known photolithography technique is used to form the resist mask 103.
  • the planar layout pattern of the resist mask 103 defines the pattern of the fine structures 55a of the metasurface layer 55.
  • step S7 of FIG. 13 dry etching of the transparent layer 55b is performed.
  • dry etching is performed under selective etching conditions.
  • the first antireflection film 54 also functions as an etching stopper film. After etching, resist mask 103 is removed.
  • a microstructure 55a of the metasurface layer 55 is formed.
  • the fine structure 55a is formed by filling the pattern formed in step S7 with titanium oxide or the like using, for example, an ALD method. After forming the microstructure 55a, the film formed on the top of the transparent layer 55b and on the surface of the sidewall protective film 57 is removed.
  • a second antireflection film 56 is formed.
  • the second antireflection film 56 can be formed by the various film forming techniques described above.
  • the second antireflection film 56 may also be formed inside the trench 58.
  • the second antireflection film 56 constitutes the sidewall of the spacer layer 53 as a sidewall protection film 57 together with a film made of the same material as the first antireflection film 54 and the transparent layer 55b.
  • FIGS. 14 to 16 A second manufacturing method for the CMOS image sensor 1 according to the first embodiment will be described using FIGS. 14 to 16.
  • the steps S1 and S2 in FIG. 14 correspond to the steps S1 and S2 in the first manufacturing method (FIG. 11), so their description will be omitted.
  • the first antireflection film 54 and the transparent layer 55b of the metasurface layer 55 are formed.
  • the first antireflection film 54 and the transparent layer 55b can be formed by the above-mentioned physical or chemical film forming method.
  • a hard mask 102 is formed on the transparent layer 55b.
  • step S5 of FIG. 15 a resist mask 103 having a predetermined planar layout pattern is formed.
  • step S6 of FIG. 15 dry etching of the transparent layer 55b is performed.
  • a trench 58 for forming a sidewall protection film 57 and a pad opening 59 are formed.
  • anisotropic dry etching is used to form the trench 58 and the pad opening 59.
  • Resist mask 103 is removed after dry etching.
  • step S8 of FIG. 16 a microstructure 55a of the metasurface layer 55 is formed.
  • the pattern formed in step S7 is filled with titanium oxide or the like using, for example, an ALD method. Further, a titanium oxide film is also formed on the transparent layer 55b.
  • the second antireflection film 56 may be formed after the step S8.
  • the second antireflection film 56 may be formed to constitute the sidewall protection film 57 together with the titanium oxide film.
  • the second manufacturing method differs from the first manufacturing method in that the sidewall protective film 57 is formed using the second material that forms the microstructure 55a.
  • Manufacturing method of second embodiment >> -First manufacturing method
  • the first manufacturing method of the CMOS image sensor 1 according to the second embodiment will be described using FIG. 17.
  • the steps S1 to S8 of the first manufacturing method of the second embodiment are the same as the steps S1 to S8 of the second manufacturing method of the first embodiment, so the explanation will be omitted.
  • the first portion 61a of the light shielding film 61 is formed to fill the trench 58, as shown as the step S9 in FIG.
  • the light shielding film 61 can be formed by the various film forming techniques described above.
  • a second antireflection film 56 is formed on the metasurface layer 55 and the first portion 61a of the light shielding film 61.
  • the second antireflection film 56 can be formed by the various film forming techniques described above.
  • the second portion 61b of the light shielding film 61 may be formed on the first portion 61a via the second antireflection film 56 after the step S10.
  • FIG. 18 A second manufacturing method of the CMOS image sensor 1 according to the second embodiment will be described using FIG. 18.
  • the steps S1 to S8 of the second manufacturing method of the second embodiment are the same as the steps S1 to S8 of the second manufacturing method of the first embodiment, so the explanation will be omitted.
  • a second antireflection film 56 is formed on the metasurface layer 55.
  • the second antireflection film 56 can be formed by the various film forming techniques described above.
  • the second antireflection film 56 may be formed as a sidewall protective film 57 so as to constitute the sidewalls of the spacer layer 53 and the metasurface layer 55.
  • the first portion 61a of the light shielding film 61 is formed to fill the trench 58.
  • the light shielding film 61 can be formed by the various film forming techniques described above.
  • the second portion 61b of the light shielding film 61 may be formed on the first portion 61a after the step S10.
  • Example of application to electronic equipment is not limited to application to solid-state imaging devices.
  • this technology applies to imaging devices such as digital still cameras and video cameras, mobile terminal devices with an imaging function, and copiers that use a solid-state imaging device in the image reading section. It is applicable to all electronic devices that use imaging devices.
  • the solid-state imaging device may be formed as a single chip, or may be a module having an imaging function in which an imaging section and a signal processing section or an optical system are packaged together.
  • FIG. 19 is a block diagram showing a configuration example of an imaging device as an electronic device to which the present technology is applied.
  • the imaging device 501 in FIG. 19 includes a lens group 511, a solid-state imaging device (imaging device) 512 in which the configuration of the CMOS image sensor 1 in FIG. Be prepared.
  • the imaging device 501 also includes a frame memory 514, a display section 515, a recording section 516, an operation section 517, and a power supply section 518.
  • DSP circuit 513, frame memory 514, display section 515, recording section 516, operation section 517, and power supply section 518 are interconnected via bus line 519.
  • the lens group 511 takes in incident light (image light) from a subject and forms an image on the imaging surface of the solid-state imaging device 512.
  • the solid-state imaging device 512 converts the amount of incident light imaged onto the imaging surface by the lens group 511 into an electric signal for each pixel, and outputs the electric signal as a pixel signal.
  • the display unit 515 is configured with a thin display such as an LCD (Liquid Crystal Display) or an organic EL (Electro Luminescence) display, and displays moving images or still images captured by the solid-state imaging device 512.
  • the recording unit 516 records a moving image or a still image captured by the solid-state imaging device 512 on a recording medium such as a hard disk or a semiconductor memory.
  • FIG. 20 is a diagram showing an example of how the above-described CMOS image sensor 1 is used.
  • CMOS image sensor 1 can be used in various cases for sensing light such as visible light, infrared light, ultraviolet light, and X-rays, as described below.
  • ⁇ Digital cameras, mobile devices with camera functions, and other devices that take images for viewing purposes Devices used for transportation, such as in-vehicle sensors that take pictures of the rear, surroundings, and interior of the car, surveillance cameras that monitor moving vehicles and roads, and distance sensors that measure the distance between vehicles, etc.
  • Devices used for transportation such as in-vehicle sensors that take pictures of the rear, surroundings, and interior of the car, surveillance cameras that monitor moving vehicles and roads, and distance sensors that measure the distance between vehicles, etc.
  • User gestures Devices used in home appliances such as TVs, refrigerators, and air conditioners to take pictures and operate devices according to the gestures.
  • - Endoscopes devices that perform blood vessel imaging by receiving infrared light, etc.
  • Devices used for medical and healthcare purposes - Devices used for security, such as surveillance cameras for crime prevention and cameras for person authentication - Skin measurement devices that take pictures of the skin, and devices that take pictures of the scalp - Devices used for beauty purposes, such as microscopes for skin care.
  • - Devices used for sports such as action cameras and wearable cameras.
  • - Cameras, etc. used to monitor the condition of fields and crops. , equipment used for agricultural purposes
  • a photodetecting device comprising: a sidewall protective film provided at least on a sidewall of the spacer layer.
  • the sidewall protective film is configured by a sidewall portion of the metasurface layer extending downward.
  • the photodetecting device according to any one of (1) to (4), further comprising a light shielding film that covers the sidewall protective film.
  • the light detection device (6)
  • the light shielding film has a first portion provided to cover the sidewall protection film and a second portion provided above the metasurface layer.
  • the light detection device (5) or (6), wherein the light shielding film is made of a metal or a black resist material.
  • the metasurface layer includes a microstructure made of at least a first material and a transparent layer made of at least a second material.
  • the spacer layer is made of an inorganic material or an organic material.
  • the first antireflection film and the second antireflection film include silicon nitride.

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Abstract

本技術は、集光設計の信頼性を向上させることができるようにする光検出装置、および電子機器に関する。 本技術の一側面の光検出装置は、光電変換部を有する半導体基板と、半導体基板上に設けられたスペーサ層と、スペーサ層上に設けられたメタサーフェス層と、少なくともスペーサ層の側壁に設けられた側壁保護膜とを備える。本技術は、メタサーフェス層を備えたイメージセンサに適用することができる。

Description

光検出装置、および電子機器
　本技術は、光検出装置、および電子機器に関し、特に、集光設計の信頼性を向上させることができるようにした光検出装置、および電子機器に関する。
　近年、複数の微細構造体からなる光学素子である色分離レンズアレイを有する光検出装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。入射光を波長別に分離し、各色の光感知部に集光させる色分離レンズアレイはメタサーフェス素子とも呼ばれる。
特開２０２１―０６９１１９号公報
　上述した構造を有する光検出装置の信頼性試験として耐熱試験が一般的に行われる。この耐熱試験において材料が膨張することによって、複数の微細構造体からなる光学素子の層（メタサーフェス層）と、メタサーフェス層の下部に設けられる透明層（スペーサ層）との間でずれが生じることがある。メタサーフェス層とスペーサ層との間でずれが生じることにより、集光設計の信頼性が低下するおそれがある。
　本技術はこのような状況に鑑みてなされたものであり、集光設計の信頼性を向上させることができるようにするものである。
　本技術の一側面の光検出装置は、光電変換部を有する半導体基板と、前記半導体基板上に設けられたスペーサ層と、前記スペーサ層上に設けられたメタサーフェス層と、少なくとも前記スペーサ層の側壁に設けられた側壁保護膜とを備える光検出装置である。
　本技術の他の側面の電子機器は、光電変換部を有する半導体基板と、前記半導体基板上に設けられたスペーサ層と、前記スペーサ層上に設けられたメタサーフェス層と、少なくとも前記スペーサ層の側壁に設けられた側壁保護膜とを備える電子機器である。
本技術の一実施形態に係る光検出装置の構成例を示すブロック図である。 第１実施形態によるCMOSイメージセンサの端部近傍の断面図である。 第１実施形態の側壁保護膜の近傍の拡大図である。 第１実施形態の側壁保護膜が設けられる範囲を示す図である。 側壁保護膜が設けられていないCMOSイメージセンサを対象とした信頼性試験時の各部材の状態の変化を示す図である。 第１実施形態の他の効果を示す図である。 第１実施形態の第１変形例の断面構造を示す図である。 第１実施形態の第２変形例の断面構造を示す図である。 第２実施形態に係るCMOSイメージセンサの端部近傍の断面図である。 第２実施形態の効果を示す図である。 第１実施形態に係るCMOSイメージセンサの第１製造方法を示す図である。 第１実施形態に係るCMOSイメージセンサの第１製造方法を示す図である。 第１実施形態に係るCMOSイメージセンサの第１製造方法を示す図である。 第１実施形態に係るCMOSイメージセンサの第２製造方法を示す図である。 第１実施形態に係るCMOSイメージセンサの第２製造方法を示す図である。 第１実施形態に係るCMOSイメージセンサの第２製造方法を示す図である。 第２実施形態に係るCMOSイメージセンサの第１製造方法を示す図である。 第２実施形態に係るCMOSイメージセンサの第２製造方法を示す図である。 本技術を適用した電子機器としての、撮像装置の構成例を示すブロック図である。 CMOSイメージセンサの使用例を示す図である。
　以下、本技術を実施するための形態について説明する。説明は以下の順序で行う。
　１．第１実施形態（側壁保護膜を設けた場合の例）
　２．第２実施形態（遮光膜を設けた場合の例）
　３．第１実施形態の製造方法
　４．第２実施形態の製造方法
　５．電子機器への適用例
　６．光検出装置の使用例
　７．その他
＜＜１．第１実施形態（側壁保護膜を設けた場合の例）＞＞
＜光検出装置の全体構成＞
　図１は、本技術の一実施形態に係る光検出装置の構成例を示すブロック図である。
　本技術の一実施形態に係る光検出装置は、例えばCMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサ１である。
　CMOSイメージセンサ１は、例えば、画素アレイ部１１、垂直駆動部１２、カラム処理部１３、水平駆動部１４、システム制御部１５、信号処理部１８、およびデータ格納部１９を備えている。
　画素アレイ部１１は、光電変換部を有する複数の画素がアレイ状に配列されることによって構成される。光電変換部は、入射光の光量に応じて電荷を生成する半導体領域である。各画素は、横方向（行方向）及び縦方向（列方向）に配列される。
　垂直駆動部１２は、例えば、シフトレジスタやアドレスデコーダなどからなり、画素アレイ部１１の各画素を複数の画素駆動線１６を介して行単位で駆動する。駆動方法は、行単位で駆動する方法に限定されることは無く、例えば、全画素を同時に駆動する方法もある。
　垂直駆動部１２によって駆動された画素から出力された画素信号は、複数の垂直信号線１７の各々を介してカラム処理部１３に供給される。カラム処理部１３は、ノイズ除去の処理、相関二重サンプリングの処理、A/D（Analog/Digital）変換の処理などを行い、デジタルの画素信号を生成する。カラム処理部１３は、生成した画素信号を信号処理部１８に供給する。
　水平駆動部１４は、例えば、シフトレジスタやアドレスデコーダなどからなり、カラム処理部１３の各回路を選択し、駆動する。水平駆動部１４によって選択されたカラム処理部１３の回路は、生成した画素信号を信号処理部１８に供給する。
　システム制御部１５は、例えば、タイミングジェネレータ等からなる。タイミングジェネレータは、各種のタイミング信号を生成する回路である。システム制御部１５は、タイミングジェネレータで生成されたタイミング信号に基づいて、垂直駆動部１２、カラム処理部１３、および水平駆動部１４の駆動制御を行う。
　信号処理部１８は、カラム処理部１３から供給された各画素信号に対して演算処理を行う。
　データ格納部１９は、信号処理部１８の演算処理に必要なデータを一時的に格納する。
＜光検出装置の構造＞
　図２は、第１実施形態によるCMOSイメージセンサ１の端部近傍の断面図である。図２の左方向がCMOSイメージセンサ１の中心方向となる。
CMOSイメージセンサ１は、基本的に、半導体基板５１と、スペーサ層５３と、メタサーフェス層５５とが積層された構成を有している。
　半導体基板５１は、例えば、シリコン基板である。半導体基板５１は複数の光電変換部（フォトダイオード）を有する。半導体基板５１が有する光電変換部により各画素が構成される。半導体基板５１の材料は、シリコンに限定されず、例えば、ゲルマニウム、化合物半導体材料、有機半導体材料などであってもよい。
　半導体基板５１は、光が入射する側の面である第１面と、第１面とは反対側の面である第２面を有する。図示しない多層配線層が、第２面の下側（紙面下方向）に設けられる。図２に示すCMOSイメージセンサ１は、いわゆる裏面照射型のCMOSイメージセンサである。
　カラーフィルタ５２は、半導体基板５１の上部（紙面上方向）に設けられる。半導体基板５１とカラーフィルタ５２との間に、複数の絶縁膜が設けられていてもよい。カラーフィルタ５２は、対応する色の波長帯域の光を透過する。カラーフィルタ５２を透過した光が、半導体基板５１に設けられた光電変換部に到達する。
　カラーフィルタ５２として図２に示す構造は、左から順に、赤、緑、青のカラーフィルタを示す。図２の例においては、赤、緑、および青の３色のカラーフィルタ５２を図示しているが、色は限定されない。また、メタサーフェス層５５がカラーフィルタ５２と同等の機能を有する場合、カラーフィルタ５２は設けなくてもよい。
　スペーサ層５３は、半導体基板５１の上部に設けられる。スペーサ層５３の材料は、例えば、有機材料である。有機材料は、入射する光を透過する透明樹脂である。スペーサ層５３の材料は、メタサーフェス層５５の材料と異なっていても良い。
　スペーサ層５３の材料として、有機材料ではなく、無機材料が用いられるようにしてもよい。無機材料は、入射する光を透過する材料が好ましく、例えば、酸化シリコンや酸窒化シリコンである。スペーサ層５３は、有機材料と無機材料との両方を用いて構成されていてもよい。すなわち、スペーサ層５３は、有機材料と無機材料のうち少なくともいずれかを用いて構成されていてもよい。スペーサ層５３は、半導体基板５１の上部を平坦化するように構成される。
　第１反射防止膜５４は、スペーサ層５３の上部に設けられる。第１反射防止膜の材料は、例えば、窒化シリコンである。第１反射防止膜５４は、スペーサ層５３とメタサーフェス層５５との間の界面で生じる反射を抑制するように構成される。さらに、第１反射防止膜５４は、メタサーフェス層５５の微細構造体５５ａを形成する際のエッチングストッパとしても機能する。また、第１反射防止膜５４が、設けられないようにしてもよい。
　メタサーフェス層５５は、第１反射防止膜５４を挟んで、スペーサ層５３の上部に設けられる。メタサーフェス層５５は、種々の光学的な機能を有している。具体的には、波長帯域ごとに光の伝搬方向を制御する色分離機能（カラースプリッタ）、特定の波長帯域の光を集光する機能（レンズ）、特定の偏光方向に光を分離する偏光分離機能、特定の波長帯域の光のみを透過する波長選別機能（フィルタ）などがある。本技術においては、メタサーフェス層５５が有する機能は、上述した機能のうちの特定の機能に限定されない。これらの機能を有するメタサーフェス層５５は、メタ表面層、光学機能層、光学制御層、カラースプリッタ層、色分離層、光偏向層、などと呼ばれることもある。
　メタサーフェス層５５は、少なくとも微細構造体５５ａと透明層５５ｂから構成される。各色のカラーフィルタの位置に対応する透明層５５ｂの位置に微細構造体５５ａが形成される。
　微細構造体５５ａの材料として用いられる第１材料は、透明層５５ｂの材料として用いられる第２材料よりも屈折率が高い。第１材料は、例えば、酸化チタンである。より具体的には、第１材料は、シリコン、窒化シリコン、炭化シリコン、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化ハフニウム、酸化インジウム、酸化スズ、及びシロキサンなどから選択されてもよい。図２において、微細構造体５５ａの構造が、柱状構造（ピラー構造）で示されているが、柱状構造に限定されない。
　透明層５５ｂの第２材料は、微細構造体５５ａの第１材料よりも屈折率が低い。第２材料は、例えば、酸化シリコンや窒化シリコンなどから選択されてもよい。
　第２反射防止膜５６は、メタサーフェス層５５の上部に設けられる。第２反射防止膜の材料は、例えば、窒化シリコンである。第２反射防止膜５６は、メタサーフェス層５５とメタサーフェス層５５の上部に設けられる層との間の界面で生じる反射を抑制するように構成される。第２反射防止膜５６は、複数の膜を用いて構成されてもよい。
　図２に示すように、以上のような層構造を有するCMOSイメージセンサ１の端部寄りの位置には、CMOSイメージセンサ１の表面から、半導体基板５１の表面に到達するトレンチ（溝）５８が形成され、トレンチ５８の内壁を構成するように側壁保護膜５７が設けられる。側壁保護膜５７は、例えば、メタサーフェス層５５（透明層５５ｂ）の端部が下方向に延びるようにして、メタサーフェス層５５と一体的に構成される。
　側壁保護膜５７は、トレンチ５８の内壁を構成するとともに、スペーサ層５３の側壁（図３の側壁部５３ａ）に設けられる。後述するように、側壁保護膜５７は、少なくともスペーサ層５３の側壁を保護する膜として設けられる。側壁保護膜５７は、信頼性試験におけるスペーサ層５３の膨張を防止する機能や、外部から光検出装置への水分の侵入を防止する機能を有する。
　側壁保護膜５７の材料は、例えば、無機材料である。より具体的には、例えば、酸化シリコン、窒化シリコンなどから選択されてもよい。側壁保護膜５７の材料は、第１反射防止膜５４の材料、微細構造体５５ａの第１材料、透明層５５ｂの第２材料、および第２反射防止膜５６の材料のうちのいずれかの材料と同じでもよい。また、側壁保護膜５７は、複数の膜を用いて構成されてもよい。
　パッド開口５９は、側壁保護膜５７より外側（紙面右方向）の位置に、例えばCMOSイメージセンサ１の表面から半導体基板５１の裏面まで貫通するトレンチ（溝）として設けられる。パッド開口５９の底部には、図示されない金属電極が設けられる。パッド開口５９には、金属電極と外部電源などとを接続する配線が設けられる。
　図３は、図２の側壁保護膜５７の近傍の拡大図である。
　側壁保護膜５７は、入射する光を受光して画像信号を生成する画素領域（有効画素領域）の外側に設けられるトレンチ５８の内壁を構成する。側壁保護膜５７は、後述する製造方法によって、例えば、透明層５５ｂと一体として形成される。その結果、側壁保護膜５７は、メタサーフェス層５５の側壁を構成するように設けられる。
　側壁保護膜５７の膜厚Ｔは、１０ｎｍ～５０００ｎｍとすることができる。トレンチ５８の幅Ｗは、膜厚Ｔに応じて、１０ｎｍ以上の幅となる。CMOSイメージセンサ１の高さ方向の側壁保護膜５７の幅（高さ）ｗは、スペーサ層５３の高さよりも高い。
　図４は、側壁保護膜５７が設けられる範囲を示す図である。図４の左側は、平面視におけるCMOSイメージセンサ１の構成を示し、右側は破線Ａ―Ａの箇所の断面の構成を示す。
　図４の左側に示すように、側壁保護膜５７は、矩形の領域である有効画素領域の周囲を取り囲むように設けられている。図４の例においては、有効画素領域の外側に細幅のオプティカルブラック領域が形成され、その周囲に側壁保護膜５７が設けられている。このような構成とすることで、スペーサ層５３が変形することをより効果的に抑制することができる。
＜側壁保護膜の効果＞
　図５は、側壁保護膜５７が設けられていないCMOSイメージセンサを対象とした信頼性試験時の各部材の状態の変化を示す図である。
　図５において、本技術の一実施形態に係るCMOSイメージセンサ１の上述した構成と対応する構成には同じ符号を付してある。信頼性試験とは、製品の信頼性を測定するために、例えば製品出荷前に行われる種々の試験全般の総称である。信頼性試験には、例えば、耐熱試験や耐候性試験などがある。
　図５のＡは、信頼性試験前（室温時）のCMOSイメージセンサの状態を示す図である。白抜き矢印で示すように、無機材料からなるメタサーフェス層５５には、面内方向（紙面左右方向）に膨張する力が働いている。一方で、例えば有機材料からなるスペーサ層５３は、室温時は硬い。メタサーフェス層５５の膨張がスペーサ層５３によって抑えられ、その結果、メタサーフェス層５５は、膨張できない状態となる。
　図５のＢは、信頼性試験時（高温時）のCMOSイメージセンサの状態を示す図である。高温時は、有機材料からなるスペーサ層５３が変形（クリープ）する。メタサーフェス層５５の膨張をスペーサ層５３によって抑えることができず、その結果、メタサーフェス層５５は面内方向に膨張できる状態となる。
　図５のＣは、信頼性試験後（室温時）のCMOSイメージセンサの状態を示す図である。信頼性試験時の膨張によって、メタサーフェス層５５とスペーサ層５３との間でずれが生じる。図５のＣの例においては、微細構造体５５ａの位置が、信頼性試験前の位置から右方向にずれた位置になっている。微細構造体５５ａの位置がずれる結果、CMOSイメージセンサ１の集光設計の信頼性が低下する。
　第１実施形態によれば、側壁保護膜５７を少なくともスペーサ層５３の側壁に設けることで、信頼性試験時にスペーサ層５３が変形することを防ぐことができる。スペーサ層５３の変形を防ぐことにより、メタサーフェス層５５とスペーサ層５３との間でずれが生じることを防ぐことができ、その結果、CMOSイメージセンサ１の集光設計の信頼性を向上させることが可能となる。
　図５においては、スペーサ層５３が有機材料からなる場合を説明した。一方で、スペーサ層５３が無機材料からなる場合にも、信頼性試験時にメタサーフェス層５５とスペーサ層５３との間でずれが生じる可能性がある。第１実施形態によれば、スペーサ層５３が無機材料からなる場合においても、CMOSイメージセンサ１の集光設計の信頼性を向上させることが可能となる。
　メタサーフェス層５５を有していない通常のCMOSイメージセンサの場合、光学素子としてオンチップレンズが設けられる。オンチップレンズは有機材料からなり、無機材料の構成としては、メタサーフェス層５５と比較して薄い膜がオンチップレンズと半導体基板との間に設けられているだけである。そのため、通常のCMOSイメージセンサを対象とした信頼性試験においては、図５で説明したずれは生じにくい。
　一方で、厚い無機材料からなるメタサーフェス層５５を有するCMOSイメージセンサを信頼性試験の対象とした場合には、図５で説明したずれが生じやすい。側壁保護膜５７をスペーサ層５３とメタサーフェス層５５との側壁を構成するように設けることで、そのようなずれが生じるのを防ぐことが可能となる。
　図６は、第１実施形態の他の効果を示す図である。
　図６の太線矢印で示すように、側壁保護膜５７がスペーサ層５３の側壁に設けられることにより、スペーサ層５３の側壁からCMOSイメージセンサ１に水分が侵入することを防ぐことができる。これによっても、CMOSイメージセンサ１の信頼性を向上させることが可能となる。
＜第１実施形態の変形例＞
・第１変形例
　図７は、第１実施形態の第１変形例の断面構造を示す図である。
　図７の例においては、側壁保護膜５７は、スペーサ層５３の側壁に設けられ、メタサーフェス層５５の部分には設けられていない。側壁保護膜５７の高さは、スペーサ層５３の高さと略同じ高さになる。
　このように、側壁保護膜５７は、少なくともスペーサ層５３の側壁に設けられる。側壁保護膜５７の高さは、スペーサ層５３の高さ以上であることが望ましい。第１変形例が有する効果は、第１実施形態が有する効果と同じである。
・第２変形例
　図８は、第１実施形態の第２変形例の断面構造を示す図である。
　図８の例においては、側壁保護膜５７は、トレンチ５８を充填するように設けられている。図８の例においては、透明層５５ｂの材料と同じ１つの材料でトレンチ５８が充填されているが、これに限定されない。トレンチ５８は、複数の材料で充填されていてもよい。また、側壁保護膜５７で充填されたトレンチ５８の内部に、空隙（エアーギャップ）があってもよい。第２変形例が有する効果は、第１実施形態が有する効果と同じである。
＜＜２．第２実施形態（遮光膜を設けた場合の例）＞＞
　図９は、第２実施形態に係るCMOSイメージセンサ１の端部近傍の断面図である。図９において、図２の構成と対応する構成には同じ符号を付してあり、その説明は適宜省略する。
　第２実施形態に係るCMOSイメージセンサ１のトレンチ５８には、遮光膜６１が設けられる。遮光膜６１は、例えば、第１部分６１ａと第２部分６１ｂとからなる。第１部分６１ａは、側壁保護膜５７を覆うように設けられる。別の表現をすると、側壁保護膜５７によって構成される壁面は、第１部分６１ａによって構成される壁面と隣接して設けられる。より具体的には、図２のトレンチ５８を充填するようにして第１部分６１ａ設けられる。第２部分６１ｂは、メタサーフェス層５５の上部に設けられる。例えば、有効画素領域の上部を覆わずに、オプティカルブラック領域の上部までを覆うように第２部分６１ｂが設けられる。
　遮光膜６１の材料は、例えば、金属材料である。遮光膜６１の材料は、より具体的にはタングステン（W）、アルミニウム（Al）、銅（Cu）などの単体金属や、合金材料から選択される。また、遮光膜６１の材料は、例えば、黒色レジストなどの有機材料であってもよい。
　図１０は、第２実施形態の効果を示す図である。
　図１０のＡは、遮光膜６１が設けられていないCMOSイメージセンサに対する外光の経路を示す図である。メタサーフェス層５５を有するCMOSイメージセンサにおいては、数μｍ程度の厚みのスペーサ層５３が設けられる。その結果、外部から斜めに入射する光（外光）の影響を受けやすくなる。遮光膜６１が設けられていない場合、太線の実線矢印で示すように、外光は、半導体基板５１の表面などで反射してメタサーフェス層５５に入射する。外光は、メタサーフェス層５５によって意図しない方向に曲げられることで、フレアを発生させる。
　図１０のＢは、第２実施形態のCMOSイメージセンサ１に対する外光の経路を示す図である。第２実施形態によれば、太線の実線矢印で示すように入射する外光は遮光膜６１において吸収される。その結果、メタサーフェス層５５において外光が意図しない方向に曲げられることを防ぐことができ、これにより、フレアの発生を抑制することが可能となる。
　図９および図１０においては、遮光膜６１が第１部分６１ａと第２部分６１ｂとからなるものとしたが、遮光膜６１の構成は、図示された構成に限定されない。例えば、図８の構成に対して、遮光膜６１の第２部分６１ｂが設けられていてもよい。また、第２部分６１ｂを設けず、第１部分６１ａのみを設けてもよい。さらに、第１部分６１ａと第２部分６１ｂとの間は、図示しない他の膜が設けられていてもよい。
＜＜３．第１実施形態の製造方法＞＞
・第１製造方法
　第１実施形態に係るCMOSイメージセンサ１の第１製造方法について、図１１乃至図１３を用いて説明する。
　まず、図１１のステップＳ１の工程として示すように、半導体基板５１の上部にカラーフィルタ５２が形成される。ステップＳ１の工程において、各カラーフィルタ５２の間には、例えば、誘電体などで構成される遮光壁が形成される。また、有効画素領域の外側には、光学的黒（オプティカルブラック）領域を構成する遮光膜１０１が形成される。
　次に、図１１のステップＳ２の工程として示すように、半導体基板５１の上部に、スペーサ層５３が形成される。スペーサ層５３は、種々の物理的または化学的な成膜手法によって形成することができる。成膜手法は、具体的には、PVD（Physical Vapor Deposition）法、CVD（Chemical Vapor Deposition）法、ALD（Atomic Layer Deposition）法などである。
　次に、図１１のステップＳ３の工程として示すように、側壁保護膜５７を形成するためのトレンチ５８、およびパッド開口５９が形成される。トレンチ５８、およびパッド開口５９の形成には、例えば異方性ドライエッチングが用いられる。
　次に、図１２のステップＳ４の工程として示すように、第１反射防止膜５４、およびメタサーフェス層５５の透明層５５ｂが形成される。第１反射防止膜５４、および透明層５５ｂは、上述の物理的または化学的な成膜手法によって形成することができる。図１２の例においては、透明層５５ｂと同じ材料の膜だけではなく、第１反射防止膜５４がトレンチ５８の内側に形成されている。側壁保護膜５７の材料は、第１反射防止膜５４の材料と、透明層５５ｂの材料と同じ材料との２つの材料となる。このように、複数の膜によって側壁保護膜５７が構成されるようにすることが可能である。ステップＳ４の工程において、第１反射防止膜５４と透明層５５ｂのうちの少なくともどちらか一方は、側壁保護膜５７として、スペーサ層５３の側壁を構成するように形成される。
　次に、図１２のステップＳ５の工程として示すように、ハードマスク１０２が透明層５５ｂ上に形成される。ハードマスク１０２は、例えば、酸化シリコンとアモルファスシリコンを積層した構成となるように形成される。
　次に、図１２のステップＳ６の工程として示すように、所定の平面レイアウトパターンのレジストマスク１０３が形成される。レジストマスク１０３の形成には、既知のフォトリソグラフィ技術が用いられる。レジストマスク１０３の平面レイアウトパターンは、メタサーフェス層５５の微細構造体５５ａのパターンを規定する。
　次に、図１３のステップＳ７の工程として示すように、透明層５５ｂのドライエッチングが行われる。この工程において、ドライエッチングは、選択性を有するエッチング条件で行われる。第１反射防止膜５４は、エッチングストッパ膜としても機能する。エッチング後は、レジストマスク１０３が除去される。
　次に、図１３のステップＳ８の工程として示すように、メタサーフェス層５５の微細構造体５５ａが形成される。微細構造体５５ａの形成は、例えば、ALD法などを使用して、ステップＳ７の工程で形成したパターンを酸化チタンなどで充填するようにして行われる。微細構造体５５ａの形成後、透明層５５ｂの上部や、側壁保護膜５７の表面に形成された膜は除去される。
　次に、図１３のステップＳ９の工程として示すように、第２反射防止膜５６が形成される。第２反射防止膜５６は、上述した種々の成膜手法によって形成することができる。ステップＳ９の工程において、第２反射防止膜５６がトレンチ５８の内側にも形成されるようにしてもよい。この場合、第２反射防止膜５６は、第１反射防止膜５４、透明層５５ｂと同じ材料の膜とともに、側壁保護膜５７として、スペーサ層５３の側壁を構成することになる。
・第２製造方法
　第１実施形態に係るCMOSイメージセンサ１の第２製造方法について、図１４乃至図１６を用いて説明する。図１４のステップＳ１とステップＳ２の工程は、第１製造方法のステップＳ１とステップＳ２の工程（図１１）と対応しているため、説明を省略する。
　ステップＳ２の工程後、図１４のステップＳ３の工程として示すように、第１反射防止膜５４、およびメタサーフェス層５５の透明層５５ｂが形成される。第１反射防止膜５４、および透明層５５ｂは、上述の物理的または化学的な成膜手法によって形成することができる。
　次に、図１５のステップＳ４の工程として示すように、ハードマスク１０２が透明層５５ｂ上に形成される。
　次に、図１５のステップＳ５の工程として示すように、所定の平面レイアウトパターンのレジストマスク１０３が形成される。
　次に、図１５のステップＳ６の工程として示すように、透明層５５ｂのドライエッチングが行われる。
　次に、図１６のステップＳ７の工程として示すように、側壁保護膜５７を形成するためのトレンチ５８、およびパッド開口５９が形成される。トレンチ５８、およびパッド開口５９の形成には、例えば異方性ドライエッチングを用いられる。レジストマスク１０３は、ドライエッチング後に除去される。
　次に、図１６のステップＳ８の工程として示すように、メタサーフェス層５５の微細構造体５５ａが形成される。例えばALD法などを使用して、ステップＳ７の工程で形成されたパターンが酸化チタンなどで充填される。また、透明層５５ｂの上部にも、酸化チタンの膜が形成される。
　図示はしないが、ステップＳ８の工程後、第２反射防止膜５６が形成されてもよい。酸化チタンの膜とともに側壁保護膜５７を構成するように第２反射防止膜５６が形成されてもよい。
　第２製造方法は、微細構造体５５ａを構成する第２材料によって側壁保護膜５７を構成する点が、第１製造方法と異なる。
＜＜４．第２実施形態の製造方法＞＞
・第１製造方法
　第２実施形態に係るCMOSイメージセンサ１の第１製造方法について、図１７を用いて説明する。第２実施形態の第１製造方法のステップＳ１乃至Ｓ８の工程は、第１実施形態の第２製造方法のステップＳ１乃至Ｓ８の工程までは同じであるため、説明を省略する。
　ステップＳ８の工程後、図１７のステップＳ９の工程として示すように、遮光膜６１の第１部分６１ａが、トレンチ５８を充填するように形成される。遮光膜６１は、上述した種々の成膜手法によって形成することができる。
　次に、図１７のステップＳ１０の工程として示すように、第２反射防止膜５６が、メタサーフェス層５５と、遮光膜６１の第１部分６１ａとの上部に形成される。第２反射防止膜５６は、上述した種々の成膜手法によって形成することができる。
　図示はしないが、ステップＳ１０の工程後に、遮光膜６１の第２部分６１ｂは、第２反射防止膜５６を介して、第１部分６１ａの上部に形成されてもよい。
・第２の製造方法
　第２実施形態に係るCMOSイメージセンサ１の第２の製造方法について、図１８を用いて説明する。第２実施形態の第２製造方法のステップＳ１乃至Ｓ８の工程は、第１実施形態の第２製造方法のステップＳ１乃至Ｓ８の工程までは同じであるため、説明を省略する。
　図１８のステップＳ９の工程として示すように、第２反射防止膜５６が、メタサーフェス層５５の上部に形成される。第２反射防止膜５６は、上述した種々の成膜手法によって形成することができる。第２反射防止膜５６は、側壁保護膜５７として、スペーサ層５３とメタサーフェス層５５の側壁を構成するように形成されてもよい。
　図１８のステップＳ１０の工程として示すように、遮光膜６１の第１部分６１ａは、トレンチ５８を充填するように形成される。遮光膜６１は、上述した種々の成膜手法によって形成することができる。
　図示はしないが、ステップＳ１０の工程後に、遮光膜６１の第２部分６１ｂが、第１部分６１ａの上部に形成されてもよい。
＜＜５．電子機器への適用例＞＞
　なお、本技術は、固体撮像装置への適用に限られるものではない。すなわち、本技術はデジタルスチルカメラやビデオカメラ等の撮像装置や、撮像機能を有する携帯端末装置や、画像読取部に固体撮像装置を用いる複写機など、画像取込部（光電変換部）に固体撮像装置を用いる電子機器全般に対して適用可能である。固体撮像装置は、ワンチップとして形成された形態であってもよいし、撮像部と信号処理部または光学系とがまとめてパッケージングされた撮像機能を有するモジュール状の形態であってもよい。
　図１９は、本技術を適用した電子機器としての、撮像装置の構成例を示すブロック図である。
　図１９の撮像装置５０１は、レンズ群５１１、図１のCMOSイメージセンサ１の構成が採用される固体撮像装置（撮像デバイス）５１２、およびカメラ信号処理回路であるDSP（Digital Signal Processor）回路５１３を備える。
　また、撮像装置５０１は、フレームメモリ５１４、表示部５１５、記録部５１６、操作部５１７、および電源部５１８も備える。DSP回路５１３、フレームメモリ５１４、表示部５１５、記録部５１６、操作部５１７、および電源部５１８は、バスライン５１９を介して相互に接続されている。
　レンズ群５１１は、被写体からの入射光（像光）を取り込んで固体撮像装置５１２の撮像面上に結像する。固体撮像装置５１２は、レンズ群５１１によって撮像面上に結像された入射光の光量を画素単位で電気信号に変換して画素信号として出力する。
　表示部５１５は、例えばLCD（Liquid Crystal Display）や有機EL（Electro Luminescence）ディスプレイ等の薄型ディスプレイで構成され、固体撮像装置５１２で撮像された動画または静止画を表示する。記録部５１６は、固体撮像装置５１２で撮像された動画または静止画を、ハードディスクや半導体メモリ等の記録媒体に記録する。
＜＜６．光検出装置の使用例＞＞
　図２０は、上述のCMOSイメージセンサ１の使用例を示す図である。
　上述のCMOSイメージセンサ１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
＜＜７．その他＞＞
＜構成の組み合わせ例＞
　本技術は、以下のような構成をとることもできる。
（１）
　光電変換部を有する半導体基板と、
　前記半導体基板上に設けられたスペーサ層と、
　前記スペーサ層上に設けられたメタサーフェス層と、
　少なくとも前記スペーサ層の側壁に設けられた側壁保護膜と
　を備える光検出装置。
（２）
　前記側壁保護膜は、さらに、前記メタサーフェス層の側壁を構成する
　前記（１）に記載の光検出装置。
（３）
　前記側壁保護膜は、前記メタサーフェス層の側壁部分が下方に延びることによって構成される
　前記（２）に記載の光検出装置。
（４）
　前記側壁保護膜の膜厚は、１０ｎｍから５０００ｎｍである
　前記（１）乃至（３）のうちのいずれかに記載の光検出装置。
（５）
　前記側壁保護膜を覆う遮光膜をさらに備える
　前記（１）乃至（４）のうちのいずれかに記載の光検出装置。
（６）
　前記遮光膜は、前記側壁保護膜を覆うように設けられる第１部分と、前記メタサーフェス層の上部に設けられる第２部分とを有する
　前記（５）に記載の光検出装置。
（７）
　前記遮光膜の材料は、金属、または黒色レジスト材料である
　前記（５）または（６）に記載の光検出装置。
（８）
　前記メタサーフェス層は、少なくとも第１材料からなる微細構造体と、少なくとも第２材料からなる透明層とを有する
　前記（１）乃至（７）のうちのいずれかに記載の光検出装置。
（９）
　前記側壁保護膜の材料は、前記メタサーフェス層の材料と同じ材料である
　前記（８）に記載の光検出装置。
（１０）
　前記側壁保護膜の材料は、無機材料である
　前記（１）乃至（９）のうちのいずれかに記載の光検出装置。
（１１）
　前記スペーサ層の材料は、無機材料、または有機材料である
　前記（１）乃至（１０）のうちのいずれかに記載の光検出装置。
（１２）
　前記スペーサ層の材料は、前記メタサーフェス層の材料と異なる材料である
　前記（１）乃至（１１）のうちのいずれかに記載の光検出装置。
（１３）
　前記メタサーフェス層と前記スペーサ層との間に、第１反射防止膜をさらに備える
　前記（１）乃至（１２）のうちのいずれかに記載の光検出装置。
（１４）
　前記メタサーフェス層の上部に、第２反射防止膜をさらに備える
　前記（１３）に記載の光検出装置。
（１５）
　前記側壁保護膜は、前記第１反射防止膜の層、または前記第２反射防止膜の層を含む
　前記（１４）に記載の光検出装置。
（１６）
　前記第１反射防止膜と前記第２反射防止膜の材料は、窒化シリコンを含む
　前記（１４）または（１５）に記載の光検出装置。
（１７）
　光電変換部を有する基板と、
　前記基板上に設けられたスペーサ層と、
　前記スペーサ層上に設けられたメタサーフェス層と、
　少なくとも前記スペーサ層の側壁に設けられた側壁保護膜と
　を有する光検出装置を備える電子機器。
　５１　半導体基板,　５２　カラーフィルタ,　５３　スペーサ層,　５３ａ　側壁部,　５４　第１反射防止膜,　５５　メタサーフェス層,　５５ａ　微細構造体,　５５ｂ　透明層,　５６　第２反射防止膜,　５７　側壁保護膜,　５８　トレンチ,　５９　パッド開口,　６１　遮光膜,　６１ａ　第１部分,　６１ｂ　第２部分,　１０１　遮光膜,　１０２　ハードマスク,　１０３　レジストマスク

Claims (17)

  1. 　光電変換部を有する半導体基板と、
    　前記半導体基板上に設けられたスペーサ層と、
    　前記スペーサ層上に設けられたメタサーフェス層と、
    　少なくとも前記スペーサ層の側壁に設けられた側壁保護膜と
    　を備える光検出装置。
  2. 　前記側壁保護膜は、前記メタサーフェス層の側壁を構成する
    　請求項１に記載の光検出装置。
  3. 　前記側壁保護膜は、前記メタサーフェス層の側壁部分が下方に延びることによって構成される
    　請求項２に記載の光検出装置。
  4. 　前記側壁保護膜の膜厚は、１０ｎｍから５０００ｎｍである
    　請求項１に記載の光検出装置。
  5. 　前記側壁保護膜を覆う遮光膜をさらに備える
    　請求項１に記載の光検出装置。
  6. 　前記遮光膜は、前記側壁保護膜を覆うように設けられる第１部分と、前記メタサーフェス層の上部に設けられる第２部分とを有する
    　請求項５に記載の光検出装置。
  7. 　前記遮光膜の材料は、金属、または黒色レジスト材料である
    　請求項５に記載の光検出装置。
  8. 　前記メタサーフェス層は、少なくとも第１材料からなる微細構造体と、少なくとも第２材料からなる透明層とを有する
    　請求項１に記載の光検出装置。
  9. 　前記側壁保護膜の材料は、前記メタサーフェス層の材料と同じ材料である
    　請求項８に記載の光検出装置。
  10. 　前記側壁保護膜の材料は、無機材料である
    　請求項９に記載の光検出装置。
  11. 　前記スペーサ層の材料は、無機材料、または有機材料である
    　請求項１に記載の光検出装置。
  12. 　前記スペーサ層の材料は、前記メタサーフェス層の材料と異なる材料である
    　請求項１に記載の光検出装置。
  13. 　前記メタサーフェス層と前記スペーサ層との間に、第１反射防止膜をさらに備える
    　請求項１に記載の光検出装置。
  14. 　前記メタサーフェス層の上部に、第２反射防止膜をさらに備える
    　請求項１３に記載の光検出装置。
  15. 　前記側壁保護膜は、前記第１反射防止膜の層、または前記第２反射防止膜の層を含む
    　請求項１４に記載の光検出装置。
  16. 　前記第１反射防止膜と前記第２反射防止膜の材料は、窒化シリコンを含む
    　請求項１４に記載の光検出装置。
  17. 　光電変換部を有する基板と、
    　前記基板上に設けられたスペーサ層と、
    　前記スペーサ層上に設けられたメタサーフェス層と、
    　少なくとも前記スペーサ層の側壁に設けられた側壁保護膜と
    　を有する光検出装置を備える電子機器。
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