JP2006128371A - 固体撮像素子及びその測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】固体撮像素子の各層に形成された画素の形状と各層間の位置ずれ量を正確に測定することができ、光学特性との関係を明らかにすることのできる固体撮像素子を提供すること、また、そのための各層の画素の形状及び各層間の位置ずれ量の測定方法を提供すること。
【解決手段】多層の積層構造を有する固体撮像素子１０の各層には、有効画素領域部１１の周縁の画素部２０に隣接した重ね合わせマーク１４を有効画素領域部外に形成し、各層を形成する毎に重ね合わせマーク１４及びその近傍の表面形状を測定することによって、各層の画素構成要素の形状と層間の位置ずれ量のデータを得ることができるようにし、対応する画素２０の光学特性を計測することにより、光学特性と各層の画素構成要素の形状及び層間の位置ずれ量との関係を非破壊で把握することができるようにした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、固体撮像素子及びその測定方法に関し、特に積層構造を有する固体撮像素子において、各層の画素部の形状と位置ずれ量を正確に測定することができ、その光学特性との関係を明らかにすることを可能とする固体撮像素子、及びそのための固体撮像素子の測定方法に関するものである。

固体撮像素子は画素数の増加と画素サイズの微細化が進み、結果として感度の低下と色特性の低下を招き、ＳＮ比の悪化と画質の劣化が生じている。この問題を解決するため、フォトダイオードの上部にオンチップマイクロレンズを形成し、フォトダイオードへの集光率を高める構造が用いられている。

このオンチップマイクロレンズは、その形状と位置によってフォトダイオードへの集光率が大きく変化する。また、フォトダイオードの上層のマイクロレンズも含めた各画素の構成要素の相対位置関係も重要で、フォトダイオードの最適特性を得るため意図的にわずかな位置ずれを設定する場合もある。

このように、固体撮像素子の各層における画素部の構成要素の形状や位置ずれ量が固体撮像素子の光学特性とどのように関連しているかを把握することは、固体撮像素子の製造上重要である。

このため、固体撮像素子の画素部をＦＩＢ（Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ：収束イオンビーム）で複数の断面にスライスし、複数のＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：走査型電子顕微鏡）によって複数のＳＥＭ画像を作成して３次元的な形状を得る方法が行われている。

また、撮像領域外に下地パターンを、その上部に検査用のマイクロレンズを形成し、この検査用マイクロレンズを介して下地パターンを顕微鏡で観察することによりマイクロレンズの形状不良を判別する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

また、有効画素領域外のダミー画素領域に、画素センサーの光学的な特性に影響を及ぼす複数のレイヤー間で、一部の画素のパターンを本来の設計値に対して段階的にずらして配置した誤差測定用画素領域を設け、誤差測定用画素領域の各画素センサーの出力から光学的特性とパターンずれとの関係を求める方法が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
特開平１１−３０７７５０号公報 特開２００３−２１８３３４号公報

しかし、前述のＦＩＢでスライスした断面のＳＥＭ画像から画素構成要素の３次元形状を得る方法では、破壊検査でしか行うことができず、製品の評価に用いることができない、また評価に時間がかかる、という問題があった。

また、前述の特許文献１に記載された方法では、マイクロレンズの形状不良判別には使用できるが、位置ずれ量の影響を知ることができず、また、複数のレイヤーにおける画素構成要素の形状や位置ずれの影響が判明せず、真に光学的に優れた固体撮像素子の構造を知ることができないという問題があった。

更に、前述の特許文献２に記載された方法では、パターンずれによる光学的特性への影響は判明するとしても、各層に形成された画素構成要素の形状の要因が光学的特性にどのように影響しているかを把握することができない、という問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、多層に積層された構造を有する固体撮像素子において、各層に形成された画素の構成要素の形状と各層間の位置ずれ量をインプロセスで正確に測定することができ、光学特性との関係を明らかにすることのできる固体撮像素子を提供すること、また、そのための各層の画素の構成要素の形状及び各層間の位置ずれ量の測定方法を提供することを目的とする。

本発明は前記目的を達成するために、多層の積層構造を有する固体撮像素子であって、 前記多層のうちの少なくとも２層には、有効画素領域部外に配置され有効画素領域部の周縁の画素部に隣接した重ね合わせマークが形成されたことを特徴としている。

本発明によれば、各層を形成する毎に、重ね合わせマーク及びその近傍の表面形状を測定することによって、各層の画素構成要素の形状と層間の位置ずれ量のデータを得ることができる。このため、対応する画素の光学特性を計測することにより、光学特性と各層の画素構成要素の形状及び層間の位置ずれ量との関係を非破壊で把握することができる。

また、重ね合わせマークが有効画素領域部の周縁の画素部に隣接して形成されているので、重ね合わせマークと測定画素部とを同一測定範囲内で測定することができ、重ね合わせマークに対する測定画素部の特定が容易である。また、重ね合わせマークが有効画素領域部外に配置されているので、有効画素数を減少させることがない。

また本発明は、上層に形成された前記重ね合わせマークは、下層に形成された重ね合わせマークの上に直接形成されるとともに、下層に形成された重ね合わせマークよりもわずかに小さなサイズで形成される。

これによれば、各層の重ね合わせマークを上方にピラミッド状に多層に積み重ねて形成することができるので、各層の下層にたいする位置ずれ量を容易に算出することができる。

更に本発明は、前記重ね合わせマークが各層に複数個形成される。これによれば、重ね合わせマークが各層に複数個形成されているので、層間ずれ量を正確に測定することができる。また、有効画素領域部内の任意の画素部の形状と位置ずれを推定することができる。

また、本発明は前記目的を達成するために、積層構造を有する固体撮像素子の構造データと光学特性との関連を求めるための固体撮像素子の測定方法において、所定の層に各画素部のパターンを形成するとともに、有効画素領域部の周縁の画素部に隣接した重ね合わせマークを有効画素領域部外に形成する工程と、前記重ね合わせマークの位置及びその近傍の有効画素領域部の表面形状を測定する工程と、前記所定の層よりも上層に各画素部のパターンを形成するとともに、該上層の有効画素領域部の周縁の画素部に隣接した重ね合わせマークを有効画素領域部外に形成する工程と、前記上層の重ね合わせマークの位置及びその近傍の有効画素領域部の表面形状を測定する工程と、前記表面形状を測定した有効画素領域部の画素部の光学特性を計測する工程とを有し、前記各工程によって各層の画素部の形状データ、層間の位置ずれデータ、及び対応する画素部の光学特性データを求め、前記固体撮像素子の構造データと光学特性との関連を求めることを特徴としている。

本発明の固体撮像素子の測定方法によれば、所定の複数層に画素部のパターンを形成するとともに、有効画素領域部の周縁の画素部に隣接した重ね合わせマークを形成し、各層毎に重ね合わせマークの位置及びその近傍の有効画素領域部の表面形状を測定するので、各層の画素部の形状データ、層間の位置ずれデータを非破壊で求めることができ、対応する画素部の光学特性を計測することにより、固体撮像素子の構造データと光学特性との整合を求めることができる。

また本発明は、前記重ね合わせマークの位置の測定と前記重ね合わせマークの近傍の有効画素領域部の表面形状の測定とを、同一の測定機で測定する。これによれば、重ね合わせマークの位置の測定と重ね合わせマークの近傍の有効画素領域部の表面形状の測定とを同一の測定機で同時に測定し、測定画素部の位置関係を容易に特定することができる。

以上説明したように本発明の固体撮像素子及びその測定方法によれば、固体撮像素子の各層に形成された画素部の構成要素の形状と各層間の位置ずれ量を非破壊で正確に測定することができ、光学特性との関係を明らかにすることができる。またその情報を設計、シミュレーションにフィードバックすることで、固体撮像素子の感度や色特性を効率的に向上させることができる。

以下添付図面に従って、本発明に係る固体撮像素子及びその測定方法の好ましい実施の形態について詳説する。尚、各図において同一部材には同一の番号または記号を付している。

図１は固体撮像素子の平面図である。固体撮像素子１０は、有効画素領域部１１、有効画素領域部１１を取り囲むように配置された無効画素領域部１２、無効画素領域部１２を取り囲むように配置された遮光領域（ＯＢ；Ｏｐｔｉｃａｌ Ｂｌａｃｋ）部１３、及び無効画素領域部１２内或いは無効画素領域部１２とＯＢ部との両方の領域にまたがって形成された複数の重ね合わせマーク１４、１４、…とを有している。

有効画素領域部１１は、その内部の各画素部の出力を固体撮像素子１０の出力として使用する部分で、無効画素領域部１２はその内部の各画素部の出力を固体撮像素子１０の出力として使用しない部分である。また、ＯＢ部は後出のフォトダイオードＰＤへの開口部が閉じており、フォトダイオードＰＤの出力がほとんど発生しない部分である。

このような固体撮像素子１０がウェーハ上に多数形成され、その製造工程ではウェーハ状のまま各工程が実施され、最終的には個々の固体撮像素子１０のチップに分割される。

図２は、図１におけるＡ部の拡大図である。図２に示すように、有効画素領域部１１及び無効画素領域部１２には多数の画素部２０、２０、…が形成されている。画素部２０、２０、…は後出のカラーフィルタ２６によってＲ、Ｇ、Ｂ夫々の画素に隣接配置されている。また、重ね合わせマーク１４は有効画素領域部１１の周縁の画素部２０に隣接して、無効画素領域部１２内に形成されている。

図２におけるＱは、後出する画素部２０の構成要素の形状と層間位置ずれの測定、及び画素部２０の光学特性の計測を行う範囲を表わしたもので、この範囲Ｑは重ね合わせマーク１４と複数の画素部２０とを同時に測定できる範囲をカバーしている。

範囲Ｑの大きさは概略２０μｍ角〜５０μｍ角程度である。画素部２０のサイズは１μｍ〜３μｍ程度で、重ね合わせマーク１４は１辺が１μｍ〜５０μｍ以下の矩形で下層から上層にゆくに従って小さくなっている。

図３は、図２におけるＢ部及びＣ部の拡大図で、図３（ａ）はＢ部の画素部２０の断面図、図３（ｂ）はＣ部の重ね合わせマーク１４の断面図である。

画素部２０は、図３（ａ）に示すように、シリコン基板Ｓｉ、シリコン基板Ｓｉに形成された受光素子であるフォトダイオードＰＤ、励起電圧を外部に転送する転送電極２１、開口部２２Ａを有する遮光膜２２、層間絶縁膜２３、層間絶縁膜２３の上部に形成されたインナーレンズ２４、インナーレンズ２４の上部に平坦化層２５を介して設けられたカラーフィルタ２６、カラーフィルタ２６の上部に平坦化層２７を介して設けられたマイクロレンズ２８とで構成されている。

画素部２０はこのように構成されているため、外部から入射する光がマイクロレンズ２８及びインナーレンズ２４によって集光されてフォトダイオードＰＤに照射され、有効開口率が上がるようになっている。

重ね合わせマーク１４は、図３（ｂ）に示すように、遮光膜用重ね合わせマーク１４Ａ、層間絶縁膜用重ね合わせマーク１４Ｂ、インナーレンズ用重ね合わせマーク１４Ｃ、カラーフィルタ用重ね合わせマーク１４Ｄ、及びマイクロレンズ用重ね合わせマーク１４Ｅに分かれ、各層に対応して設けられている。本発明ではこれらを総称して重ね合わせマーク１４と呼ぶことにする。

夫々の重ね合わせマーク１４は、下層の重ね合わせマーク１４に対してわずかに小さい寸法で形成され、上方にピラミッド状に積層されている。また、各層の各画素部２０からその層の重ね合わせマーク１４の中心までの距離は、各層間で同一距離に設計されている。また、夫々の重ね合わせマーク１４は対応する各層の形成時に同時に形成される。

次に、図４のフローチャート及び図５、図６を用いて本発明の実施の形態に係る固体撮像素子１０の測定方法について説明する。この測定は、各層における画素部２０の構成要素の形状と層間ずれ量の測定、及び画素部２０の光学特性の計測である。

先ず、固体撮像素子１０の下地構造を形成してゆき、フォトダイオードＰＤの開口形状まで形成する。即ち、シリコン基板Ｓｉ上にフォトダイオードＰＤ、転送電極２１、遮光膜２２、遮光膜用重ね合わせマーク１４Ａ、及び遮光膜２２の開口部２２Ａを形成するまでの工程を実施する。

この際、遮光膜用重ね合わせマーク１４Ａを有効画素領域部１１の周囲に複数形成し、夫々の遮光膜用重ね合わせマーク１４Ａを有効画素部２０の近傍で、製品の特性に影響を与えない無効画素領域部１２ないしはＯＢ部１３に形成する（ステップＳ１１）。

次に、前述の工程まで施された固体撮像素子１０が形成されたウェーハをＡＦＭ（原子間力顕微鏡；Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）にセットし、ＡＦＭに付属したアライメント手段（マーク認識手段）によって測定したい固体撮像素子１０の遮光膜用重ね合わせマーク１４Ａを認識する（ステップＳ１２）。

次いでＡＦＭにより、遮光膜用重ね合わせマーク１４Ａ及びその周辺（図２の範囲Ｑ）の表面形状を同時に測定する。測定は図２の範囲Ｑの全面に渡ってスキャンされる。図５はこの測定部分を示したもので、図５（ａ）は有効画素部２０の断面図で、図５（ｂ）は遮光膜用重ね合わせマーク１４Ａ部の断面図である。ＡＦＭの走査範囲は、画素部２０や重ね合わせマーク１４に対して十分大きいため、画素部２０と重ね合わせマーク１４の表面形状データを同時に取り込むことができる。

図５（ａ）に示すように、ＡＦＭのカンチレバー５２に取り付けられた短針５１で遮光膜２２表面をスキャンすると、短針５１の原子と遮光膜２２Ａ表面の原子との原子間力によりカンチレバー５２が撓み、この撓み量をレーザーで検出して表面の凹凸が検出され、遮光膜２２の表面形状が開口部２２Ａも含めて測定される。遮光膜用重ね合わせマーク１４Ａの形状も同様にして測定する（ステップＳ１３）。次いで測定した表面形状データをコンピュータ内のメモリに記憶させる（ステップＳ１４）。

次に、上層の成膜を行い、画素部構成要素とその層の重ね合わせマーク１４を形成する。例えば図６（ａ）に示すように層間絶縁膜２３、及び図６（ｂ）に示す層間絶縁膜用重ね合わせマーク１４Ｂを形成する（ステップＳ１５）。

次いでその層の画素部構成要素（例えば層間絶縁膜２３）とその層の重ね合わせマーク１４（例えば層間絶縁膜用重ね合わせマーク１４Ｂ）の形状測定を行うか否かを判断する（ステップＳ１６）。

ステップＳ１６で測定を行わない（Ｎо）と判断した場合は、ステップＳ１５に戻って更に上層の成膜を行う。また、ステップＳ１６で測定を行う（Ｙｅｓ）と判断した場合は、ウェーハをＡＦＭにセットし、ＡＦＭに付属したアライメント手段によってその層の重ね合わせマーク１４を認識する（ステップＳ１７）。

次いで、その層の画素部構成要素と重ね合わせマーク１４をＡＦＭによって形状測定し（ステップＳ１８）、測定された表面形状データをコンピュータ内のメモリに記憶させる（ステップＳ１９）。

次に、最上層の画素部構成要素と重ね合わせマーク１４の測定が終了したか否か判断し（ステップＳ２０）、測定が終了していない（Ｎо）場合はステップＳ１５に戻り、この処理を最上層の測定が終了するまで繰り返す。

この処理と平行して、下層の重ね合わせマーク１４とその上層の重ね合わせマーク１４のデータとから層間の重ね合わせのずれ量（上層と下層との位置ずれ量）をコンピュータで演算し、メモリに記憶させる。重ね合わせマーク１４は、例えば図２、図３（ｂ）に示すような、Ｂｏｘ−ｉｎ−Ｂｏｘの形状をしているので、段差部のエッジを検出することで層間の位置ずれ量を測定することができる（ステップＳ２１）。

また、ステップＳ２０で最上層の測定が終了している（Ｙｅｓ）と判断した場合は、次に表面形状を測定した範囲Ｑ内の有効画素部２０の光学特性を計測する。この光学特性の検出は一定の照明系を有したプローバとテスタとで構成されるプローブテスト装置で行われる。

先ず、重ね合わせマーク１４の位置から光学特性を計測する画素部２０を認識する。プローブテスト装置では任意の位置の画素部の電荷を得ることができるので、重ね合わせマーク１４の位置が固体撮像素子１０上のどの画素部上に位置しているかが分れば、先に形状と位置ずれを測定した画素部２０がどの画素部２０であるかが判明し、その光学特性を計測することができる。

ところで、重ね合わせマーク１４の下に形成されているフォトダイオードＰＤは重ね合わせマーク１４によって遮光されているので、無効画素領域部１２内で感度が著しく低下している画素部２０の位置が重ね合わせマーク１４の位置となり、重ね合わせマーク１４の位置を正確に特定することができる。このため、プローブテスト装置で無効画素領域部１２内の感度の低い画素部２０を検出し、重ね合わせマーク１４の位置を認識し、そこから光学特性を計測する画素部２０を認識する（ステップＳ２２）。

次いで、プローブテスト装置で先に認識した計測すべき画素部２０、２０、…の光学特性を計測し、コンピュータのメモリにデータを蓄積する（ステップＳ２３）。

次に、このようにして得られた複数の画素部２０、２０、…に対して、同一画素部２０における光学特性と各層の構成要素の形状と位置ずれ量との関係をコンピュータで解析し、効率向上のための整合を図る（ステップＳ２４）。以上が本発明の実施の形態に係る固体撮像素子の測定方法である。

なお、複数の画素部２０、２０、…はカラーフィルタ２６によってＲ、Ｇ、Ｂの３種に分配されているので、少なくともＲ、Ｇ、Ｂの３個の画素部２０、２０、２０について測定をする必要がある。

以上説明したように、本発明の固体撮像素子及びその測定方法によれば、固体撮像素子１０を構成する各画素部２０の内部構造の形成状態と光学特性との関係を製品を破壊することなく正確に把握することができるため、その情報を設計及び製造工程にフィードバックすることで、固体撮像素子１０の感度や色特性を効率的に向上させることができる。

また、複数の有効画素部２０、２０、…の形状情報から、チップ内の任意の画素部の形状と位置ばらつきを類推することが可能となる。

更に、これらのデータを蓄積していくことで、複数層の構造を測定している最中に光学特性が最終的にどの程度になるかを類推することが可能となるため、製造プロセスの途中で製品が良品であるか不良品であるかを判断する歩留まり予測システムを構築することができる。

なお、前述の実施の形態では、重ね合わせマーク１４を矩形としたが、本発明はこれに限らず、位置が認識できる形状なら矩形以外の種々の形状を用いることができる。また、重ね合わせマーク１４を中間層を除く全ての層毎に設けたが、例えば遮光膜層及びマイクロレンズ層のみ等、所定の層のみに形成してもよい。

また、前述の実施の形態では、各層の画素部２０の形状と層間位置ずれとを同一の測定装置（ＡＦＭ）を用いて測定したが、層間位置ずれ量を得るための重ね合わせマーク１４の測定は重ね合わせ測定器のような光学的手法を用いても測定することが可能である。

しかし、光学的手法に起因するエッジ部の検出誤差を考慮するとともに、画素部２０の形状測定と同時に測定できることの効率等を勘案すると、光学的手法よりもＳＰＭ（走査型プローブ顕微鏡；Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）を用いるのが好適である。

また、ＳＰＭの中でも絶縁材料を測定する必要があることからＳＴＭ（走査型トンネル顕微鏡；Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）よりもＡＦＭを用いるのが好適である。

また、本発明はＡＦＭに限るものではないが、ウェーハ状で取り扱ってウェーハ内全面に渡って測定できるように、半導体分野における平坦化プロセスであるＣＭＰ（化学機械研磨；Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）プロセス後のウェーハの平面度、段差計測等に用いられるワイドエリアＡＦＭが好適である。また、ウェーハのオートローダ付のワイドエリアＡＦＭであれば複数枚のウェーハを全自動で処理できるので更に好適である。

本発明の実施の形態に係る固体撮像素子を表わす平面図 図１におけるＡ部の詳細図 画素部及び重ね合わせマーク部を表わす断面図 本発明の実施の形態に係る固体撮像素子の測定方法を表わすフローチャート 遮光膜部及び遮光膜用重ね合わせマークを表わす断面図 層間絶縁膜及び層間絶縁膜用重ね合わせマークを表わす断面図

符号の説明

１０…固体撮像装置、１１…有効画素領域部、１２…無効画素領域部、１３…遮光領域（ＯＢ）部、１４…重ね合わせマーク、２０…画素部、ＰＤ…フォトダイオード、Ｓｉ…シリコン基板、Ｑ…範囲

Claims (5)

1. 多層の積層構造を有する固体撮像素子であって、
   前記多層のうちの少なくとも２層には、有効画素領域部外に配置され有効画素領域部の周縁の画素部に隣接した重ね合わせマークが形成されたことを特徴とする固体撮像素子。
2. 上層に形成された前記重ね合わせマークは、下層に形成された重ね合わせマークの上に直接形成されるとともに、下層に形成された重ね合わせマークよりもわずかに小さなサイズで形成されたことを特徴とする、請求項１に記載の固体撮像素子。
3. 前記重ね合わせマークが各層に複数個形成されたことを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の固体撮像素子。
4. 積層構造を有する固体撮像素子の構造データと光学特性との関連を求めるための固体撮像素子の測定方法において、
   所定の層に各画素部のパターンを形成するとともに、有効画素領域部の周縁の画素部に隣接した重ね合わせマークを有効画素領域部外に形成する工程と、
   前記重ね合わせマークの位置及びその近傍の有効画素領域部の表面形状を測定する工程と、
   前記所定の層よりも上層に各画素部のパターンを形成するとともに、該上層の有効画素領域部の周縁の画素部に隣接した重ね合わせマークを有効画素領域部外に形成する工程と、
   前記上層の重ね合わせマークの位置及びその近傍の有効画素領域部の表面形状を測定する工程と、
   前記表面形状を測定した有効画素領域部の画素部の光学特性を計測する工程とを有し、 前記各工程によって各層の画素部の形状データ、層間の位置ずれデータ、及び対応する画素部の光学特性データを求め、前記固体撮像素子の構造データと光学特性との関連を求めることを特徴とする固体撮像素子の測定方法。
5. 前記重ね合わせマークの位置の測定と前記重ね合わせマークの近傍の有効画素領域部の表面形状の測定とを、同一の測定機で測定することを特徴とする、請求項４に記載の固体撮像素子の測定方法。

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