JP2014533888A - 二重感知機能を有する基板積層型イメージセンサ - Google Patents
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Abstract
本発明は、第1基板に第1〜第4フォトダイオードを置き、第2基板に第5フォトダイオードを置いてこれらの基板を積層して結合する時、第1〜第4フォトダイオードと第5フォトダイオードも結合され、1つのピクセルの構成要素としての完全なフォトダイオードとなるようにし、必要によっては、各フォトダイオードで個別に感知された信号を選択的に読み出したり、または合算して読み出すことができるようにする二重感知機能を有する基板積層型イメージセンサに関するものである。このために、本発明は、第1基板に形成された第1〜第4フォトダイオードを形成し、第2基板に第5フォトダイオードを形成して、第1〜第4フォトダイオードと第5フォトダイオードとが互いに電気的に接合し、第1基板と第2基板のピクセルアレイの大きさを異ならせ、第1基板のセンサの解像度と第2基板のセンサの解像度とを異ならせることを特徴とする。
Description
本発明は、基板積層型イメージセンサに関するものであって、特に、互いに異なる基板にイメージセンサピクセルの一部構造をそれぞれ形成した後、これらの基板を3次元に積層して接合することにより、ピクセルを完成する、いわゆる基板積層型イメージセンサに関するものである。より詳細には、第1基板に第1〜第4フォトダイオードを置き、第2基板に第5フォトダイオードを置いてこれらの基板を積層して結合する時、第1〜第4フォトダイオードと第5フォトダイオードも結合され、1つのピクセルの構成要素としての完全なフォトダイオードとなるようにし、必要によっては、各フォトダイオードで個別に感知された信号を選択的に読み出したり、または合算して読み出すことができるようにする二重感知機能を有する基板積層型イメージセンサに関するものである。
基板積層型イメージセンサに対する背景技術は、2つの観点から説明される。1つは半導体集積回路の積層による観点、他の1つの観点はイメージセンサの小型化に関するものである。
以下、半導体集積回路の積層に関する従来技術を説明する。半導体集積回路が持続的に微細化されるにつれ、パッケージング(packaging)技術も小型化に対する要求および実装信頼性を満足させるために持続的に発展してきている。最近では、2個以上の半導体チップまたは、半導体パッケージを垂直に積み上げる3次元(3D)構造の基板積層(stacking)に対する多様な技術が開発されている。
このような基板積層(stacking)を利用した3次元(3D)構造の素子は、基板を積層した後、厚さを減少させるために基板の後面を研磨するグラインディング(grinding)工程(thinning)を経た後、後続の製造工程を行い、ソーイング(sawing)工程を経た後、パッケージング(packaging)化される。
このような基板積層(stacking)を利用して垂直に積み上げた構造のイメージセンサ(image sensor)は、第1基板と第2基板にそれぞれ別の工程を進行させて素子の製作を完了した後、2つの基板を整列し、互いに重ねて電気的、機械的に接合して製作される。
基板を積層する従来技術は多様な部分において非常に多く、本願の出願人によっても多様な技術が試みられている。例えば、基板を接合して積層した後、基板をエッチングする工程を省略して、より経済的に製造できる方法が、本願の出願人によって大韓民国特許出願第2010−0015632号(2010年2月2日)に開示されている。
また、基板を接合する時、各基板上のボンディングパッドの誤整列(mis align)問題を最小化するための技術も、本願の出願人によって大韓民国特許出願第2010−0046400号(2010年5月18日)に開示されている。
さらに、基板を積層する時、接合をより容易にするために各基板上のパッド(pad)をさらに突出させる製造方法も、本願の出願人によって大韓民国特許出願第2010−53959号(2010年6月8日)に開示されている。
一方、背景技術をイメージセンサの小型化という観点からみると、携帯電話のようなモバイル機器の発展に伴い、これに内蔵されるカメラモジュールの高さは低くしなければならず、カメラモジュールに備えられるイメージセンサの解像度を増加させてはじめて、モバイル機器における設計自由度が増加する。この傾向によっても、イメージセンサの画素の大きさが持続的に減少してきた。
最近では、半導体集積回路技術の発達により、画素の大きさが可視光線の波長帯に近い1.4μm×1.4μm程度の大きさにも製造できるようになった。これにより、従来の前面照射(Front Side Illumination:FSI)方式では、画素上に配置されている金属配線に妨げられて外部から入射した光がフォトダイオードに十分に集光されない現象も目立ってきた。この問題を解決するための方式としては、フォトダイオードを光の入射する方向にできるだけ近く配置する背面照射(Back Side Illumination:BSI)方式のイメージセンサも注目されている。
図1は、このようなBSI方式のイメージセンサを簡略に示したもので、それぞれ赤色、緑色、青色のカラーフィルタ11,21,31,41およびフォトダイオード12,22,32,42からなる4つの単位画素を立体的に示したものである。図2は、これら画素のうち、赤色画素のみを別途に切り離して表したものである。図1〜図3では、イメージセンサピクセルをなす画素のうちのカラーフィルタ部分と半導体基板に形成されたフォトダイオード部分のみを形状化して示したことに留意しなければならない。
しかし、半導体技術の持続的な発達により、BSI方式のイメージセンサにおいても、図2に示しているように、画素の大きさは、深さが3μm〜5μm程度に達するのに対し、幅は1.1μm程度とより小さくなって、単位面積あたりより多くの画素を集積するに至った。この場合、従来は深刻でなかった信号の撹乱現象が新たな問題に浮上する。
この問題を、連続的に配置された2つの画素に対する断面図の図3を参照してより詳細に説明する。
図3において、緑色カラーフィルタ21を介して入射した光は、対応するフォトダイオード22内で光電子を生成する。これら光電子の大部分は、緑色カラーフィルタ21に連結されたフォトダイオード22への空乏領域(depletion region、図3では破線で表示)に正常に捕獲されて有効な電流成分をなす。しかし、一部の光電子は隣接する画素のフォトダイオード12に移るが、この量は、フォトダイオード12,22の幅が狭くなるほど増加する。これは、緑色カラーフィルタ21に連結されたフォトダイオード22にとっては信号の損失となり、赤色カラーフィルタ11に連結されたフォトダイオード12にとっては不要な信号、すなわち、カラーノイズとなる。これをクロストーク(cross−talk)現象ともいう。結局、深さが3μm〜5μm程度に達するのに対し、幅は1.1μm程度と狭い画素では、クロストーク現象が深刻になり、BSI方式の利点がそれ以上現れない問題が発生する。
仮に、画素の大きさ(間隔)が1.1μm程度の状況で、クロストーク現象を減少させるために基板の厚さを従来よりも半分以下の厚さ(例えば、4umの基板の厚さ−−>2umの基板の厚さ)に低くすると、今度は入射した光が十分にシリコンフォトダイオードによって吸収されず、フォトダイオードを透過する割合が高くなる。すなわち、量子効率(QE、Quantum Efficiency)は低下し、電気信号の大きさがより小さくなる問題が発生する。ここで、量子効率(QE)とは、入射する光、すなわち、入射する光量子(photon)とそれによって生成/捕獲される電荷の割合をいうもので、イメージセンサによって光信号がどれだけ効果的に電気信号に変換されたかが分かる指数(index)のことをいう。
また、従来の背面照射型イメージセンサにおいて、厚さを薄くしてクロストークを減少させようとすれば、青色光(Blue)はほぼ大部分が第1基板のフォトダイオードによって吸収されるが、緑色光(Green)は部分的に吸収される。赤色光(Red)も部分的に吸収されるが、緑色光よりも少なく吸収されるという事実がよく知られている。さらに、赤外線はこれらよりも少なく吸収される傾向がある。
光の吸収とは、結局、光量子が電荷に変換されたことを意味するので、量子効率(QE、Quantum Efficiency)は、青色光>緑色光>赤色光>赤外線の大きさの順に低下する問題があった。また、吸収されていない光成分は、フォトダイオード以外の部分で吸収されたり、金属配線にぶつかって散乱したり、積層された基板に深く透過してやがては量子効率とは無関係になるため、光の無駄使いが生じる問題があった。
本発明が解決しようとする技術的課題は、より高い量子効率を有しながらも、クロストークを生じさせないようにする二重感知機能を有する基板積層型イメージセンサを提供することである。
本発明の他の目的は、第1基板に第1〜第4フォトダイオードを置き、第2基板に第5フォトダイオードを置いてこれらの基板を結合する時、第1基板のピクセルアレイと第2基板のピクセルアレイとが任意に不一致となるようにし、センサの鮮明度または解像度を向上させるようにする二重感知機能を有する基板積層型イメージセンサを提供することである。
本発明のさらに他の目的は、第1基板に形成される単位ピクセルの大きさと、第2基板に形成される単位ピクセルの大きさとを互いに異ならせ、センサの鮮明度または解像度を向上させるようにする二重感知機能を有する基板積層型イメージセンサを提供することである。
上記の技術的課題を解決するための、本発明に係る二重感知機能を有する基板積層型イメージセンサにおいては、第1基板に形成された第1〜第4ピクセルと、第2基板に形成され、前記第1〜第4ピクセルとは大きさが異なる第5ピクセルとを備え、前記第1〜第4ピクセルと前記第5ピクセルとが互いに電気的に接合され、前記第1〜第4ピクセルを合わせたピッチと、前記第5ピクセルのピッチとが互いに同じ大きさであり、第1基板のセンサの解像度と第2基板のセンサの解像度とを異ならせることを特徴とする。
また、本発明は、第1基板に形成された第1ピクセルと、第2基板に形成され、前記第1ピクセルと大きさが同じ第2ピクセルとを備え、前記第1基板と前記第2基板とを互いに接合して合わせる時、前記第1ピクセルと前記第2ピクセルとを互いにずらして配置し、第1基板のセンサの解像度と第2基板のセンサの解像度とを異ならせることを特徴とする。
さらに、本発明は、第1基板に形成された第1〜第4フォトダイオードおよび第1パッドと、第2基板に形成された第5フォトダイオードおよび第2パッドとを備え、前記第1〜第4フォトダイオードと前記第5フォトダイオードとが、前記第1パッドおよび前記第2パッドの接触によって互いに電気的に連結されることを特徴とする。
また、本発明は、第1基板に形成された第1〜第4フォトダイオードおよび第1〜第4伝達トランジスタと、第2基板に形成された第5フォトダイオードおよび第5伝達トランジスタとを備え、前記第1〜第4フォトダイオードと前記第5フォトダイオードとが電気的に接触し、前記第1〜第4伝達トランジスタと前記第5伝達トランジスタとが互いに電気的に接触していることを特徴とする。
さらに、本発明は、RGBまたはRGB+IRと外部光学系(レンズ)の色収差を利用して、前記第2基板のRGB焦点と前記第1基板のRGまたはRG+IR焦点の資料を通した映像の色別、各上下層の物理的な距離に応じた色別映像の周波数成分の分析を通した映像内の被写体の相対的な距離を調べ、3次元映像の復元が可能な基礎資料として活用されるようにすることを特徴とする。
本発明に係る二重感知機能を有する基板積層型イメージセンサは、第1基板の第1フォトダイオードによって青色光の大部分、緑色光の一部、および赤色光の一部が吸収され、第2基板の第2フォトダイオードによっては青色光の極めて一部、緑色光の残りの一部、赤色光の残りの一部、および赤外線が再び吸収されて量子効率がより増大し、入射する光の無駄遣いが最小化されるという効果がある。
また、このような構造の付加的な発明の効果は、上部基板と下部基板の2つのフォトダイオードが外部光学系(外部レンズ)を基準として、物理的に異なる距離に位置するのに応じて外部レンズの有する各3色(緑色、青色、赤色)の収差と、上部基板の3色それぞれの撮像された映像の周波数成分の分析と、下部基板の3色それぞれの撮像された映像周波数の分析を通して最終的に映像に撮像される被写体の相対的な距離を測定することにより、3次元映像を復元可能な基礎映像資料を作ることにより、従来の3次元映像を生成させるステレオカメラとは全く異なる方式で3次元映像を生成させるのに活用できるという利点がある。
以下、本発明の具体的な実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。
図4は、本発明に係る二重感知機能を有する基板積層型イメージセンサの構造を示す簡略回路図であって、図4に示されているように、第1基板には、第1〜第4フォトダイオード211〜214と、第1〜第4伝達トランジスタ215〜218と、第1パッド260と、リセットトランジスタ230と、追跡トランジスタ240と、選択トランジスタ250とが備えられている。第2基板には、第5フォトダイオード221と、第5伝達トランジスタ222と、第2パッド270とが備えられている。
第1〜第5伝達トランジスタ215〜218,222、リセットトランジスタ230、追跡トランジスタ240、選択トランジスタ250などは、フォトダイオードによって変換された電気信号がピクセル出力として出るようにする役割を果たすため、これらを通称してアクセストランジスタ(Access Transistors)と呼ぶこととする。
第1基板に形成された素子と第2基板に形成された素子は、よく知られている半導体製造工程でそれぞれ製造された後に、2つの基板のうちの1つの基板を裏返した後に接合される。この時、第1パッド260および第2パッド270は、互いにずれないように正確に整列されなければならない。
本発明の主な特徴は、第1基板に第1〜第4フォトダイオード211〜214が形成され、第2基板に第5フォトダイオード221がそれぞれ形成された後、これらの基板を接合した時にはじめて、第1〜第4フォトダイオード211〜214と第5フォトダイオード221とが電気的に接触することである。
第1〜第4伝達トランジスタ215〜218と第5伝達トランジスタ222も、第1および第2基板が整列されて接合される時、電気的に接触する。
ここで、「トランジスタを合わせる」とは、2つのトランジスタのゲートノードとドレインノードとが互いに短絡(short)することを意味する。もちろん当然ながら、各トランジスタのゲートノード信号であるTXは共通に印加されることを意味する。
そうして合わせることによって、電流駆動能力も、各トランジスタの幅/長さの比(W/L ratio)だけ加えられて増加する。さらに当然ながら、回路設計者は、合わせることによって駆動能力が増加するという事実を予め念頭に置いて、各トランジスタの幅/長さの比(W/L ratio)を予め設定する。
また、第1〜第4伝達トランジスタ215〜218および第5伝達トランジスタ222は、必要によって選択的に制御できるように、ゲートノード信号TXもそれぞれ分離されて独立に制御されてもよい。
図5〜図7は、本発明の一実施形態であって、互いに大きさが異なる単位ピクセルを有する第1基板のピクセルアレイ配列と第2基板のピクセルアレイ配列とを互いに重ねたことを示したものである。
図5は、第1基板のピクセルアレイおよびカラーフィルタを示したもので、便宜上、カラーフィルタは別途に表してはいない。
図6は、第2基板のピクセルアレイを示したもので、第1基板の単位ピクセルとは互いに大きさが異なることをよく表している。
図7は、図5の第1基板と図6の第2基板とを互いに重ねたものである。
図8は、本発明の断面を例示したもので、図8を追加的に参照すれば、イメージセンサに入射する光は、ほとんど第1基板の背面から入射してマイクロレンズによって集光され、第2バッファ層を経てカラーフィルタによってそれぞれ選別され、第1バッファ層、P型不純物領域などを経て第1〜第4フォトダイオード212であるP−N接合領域に到達する。ここで、説明の便宜上、1つのフォトダイオードのみを表したことに留意しなければならない。マイクロレンズ、第2バッファ層、カラーフィルタ、第1バッファ層、P型不純物領域などの順序は通常のものであり、本発明の主な特徴ではないので、具体的な説明は省略する。
この時、選別された光が青色光(B)の場合には大部分が、緑色光(G)の場合には一部が、赤色光(R)の場合にもその一部が、第1〜第4フォトダイオード212で吸収されて光電荷に変換される。
第1〜第4フォトダイオード211〜214で吸収されずに残った光は、図示しない金属配線などによって一部散乱するが、引き続き透過されて第2基板の第5フォトダイオード211まで十分に到達する。そうして残った青色光(B)の極めて一部、残った緑色光(G)の一部、および残った赤色光(R)の一部が、さらに第5フォトダイオード221によって再び光電荷に変換される。
すなわち、光の感知が二重に行われるのである。特に、赤外線の場合には、その高い透過性により、第1〜第4フォトダイオード212よりも第5フォトダイオード22によって変換される光電荷が多いこともある。
図9は、本発明の他の実施形態であって、第1基板のピクセルアレイと第2基板のピクセルアレイとを意図的に互いに不一致に接合して製作した本発明の例示図(右側)と、そうでない例示図(左側)とを互いに比較したものである。
第1および第2基板が図8の左図のような場合、上板が青色光(B)に該当する画素の下板の画素は光をほとんど受けなくなる。
その理由は、青色光(B)は上側ですべて吸収されるからである。
相対的に、緑色光(G)はより多い値を下板で得ることができ、赤色光(R)は緑色光(G)よりも多い値を下板で得るため、不均一なデータ値をそれぞれ得るようになる。
一方、第1および第2基板が図8の右図のような場合、第2基板にあるすべての画素の状況が同等になるので、第2基板の画素データをY値としても使用可能になることから、解像度をより高くする基礎値を作ることができる。
青色光(B)、緑色光(G)、赤色光(R)をそれぞれ分離するカラーフィルタも、当然ながらそれぞれ個別に存在する。
本発明の他の特徴は、RGBまたはRGB+IRと外部光学系(レンズ)の色収差を利用して、前記第2基板のRGB焦点と前記第1基板のRGまたはRG+IR焦点の資料を通した映像の色別、各上下層の物理的な距離に応じた色別映像の周波数成分の分析を通した映像内の被写体の相対的な距離を調べ、3次元映像を復元する基礎資料として活用することができることにある。
周知のように、色収差(Chromatic Aberration)とは、波長に応じた屈折率の差によって生じる収差である。長い波長の光であるほど、レンズを通過した後に、他の光よりも焦点がレンズから遠い方に結ばれるために生じる現象で、光学機器に使用するレンズを作る時には、これを補正するために複数のレンズを結合して使用している。
色収差は、通常、コントラストの強い写真で見つかり、一般的に焦点(focusing)がよく合わない部分であるほどより鮮明に見える。
以上、本発明に関する技術思想を添付図面と共に述べたが、これは、本発明の好ましい実施形態を例示的に説明したものであって本発明を限定するものではない。また、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者であれば、誰でも本発明の技術的思想の範疇を離脱しない範囲内で多様な変形および模倣が可能であることは明らかな事実である。
図8は、本発明の断面を例示したもので、図8を追加的に参照すれば、イメージセンサに入射する光は、ほとんど第1基板の背面から入射してマイクロレンズによって集光され、第2バッファ層を経てカラーフィルタによってそれぞれ選別され、第1バッファ層、P型不純物領域などを経て第1〜第4フォトダイオード211〜214であるP−N接合領域に到達する。ここで、説明の便宜上、1つのフォトダイオードのみを表したことに留意しなければならない。マイクロレンズ、第2バッファ層、カラーフィルタ、第1バッファ層、P型不純物領域などの順序は通常のものであり、本発明の主な特徴ではないので、具体的な説明は省略する。
この時、選別された光が青色光(B)の場合には大部分が、緑色光(G)の場合には一部が、赤色光(R)の場合にもその一部が、第1〜第4フォトダイオード211〜214で吸収されて光電荷に変換される。
すなわち、光の感知が二重に行われるのである。特に、赤外線の場合には、その高い透過性により、第1〜第4フォトダイオード211〜214よりも第5フォトダイオード221によって変換される光電荷が多いこともある。
第1および第2基板が図9の左図のような場合、上板が青色光(B)に該当する画素の下板の画素は光をほとんど受けなくなる。
一方、第1および第2基板が図9の右図のような場合、第2基板にあるすべての画素の状況が同等になるので、第2基板の画素データをY値としても使用可能になることから、解像度をより高くする基礎値を作ることができる。
Claims (6)
- 第1基板に形成された第1〜第4ピクセルと、
第2基板に形成され、前記第1〜第4ピクセルとは大きさが異なる第5ピクセルと、を備え、
前記第1〜第4ピクセルと前記第5ピクセルとが互いに電気的に接合され、前記第1〜第4ピクセルを合わせたピッチと、前記第5ピクセルのピッチとが互いに同じ大きさであることを特徴とする、二重感知機能を有する基板積層型イメージセンサ。 - 第1基板に形成された第1ピクセルと、
第2基板に形成され、前記第1ピクセルと大きさが同じ第2ピクセルと、を備え、
前記第1基板と前記第2基板とを互いに接合して合わせる時、前記第1ピクセルと前記第2ピクセルとを互いにずらして配置することを特徴とする、二重感知機能を有する基板積層型イメージセンサ。 - 前記第1〜第4ピクセルと前記第5ピクセルとの接合によって、前記第1基板のセンサの解像度と前記第2基板のセンサの解像度とを異ならせることを特徴とする、請求項1に記載の二重感知機能を有する基板積層型イメージセンサ。
- 第1基板に形成された第1〜第4フォトダイオードおよび第1パッドと、
第2基板に形成された第5フォトダイオードおよび第2パッドと、を備え、
前記第1〜第4フォトダイオードと前記第5フォトダイオードとが、前記第1パッドおよび前記第2パッドの接触によって互いに電気的に連結されることを特徴とする、二重感知機能を有する基板積層型イメージセンサ。 - 第1基板に形成された第1〜第4フォトダイオードおよび第1〜第4伝達トランジスタと、
第2基板に形成された第5フォトダイオードおよび第5伝達トランジスタと、を備え、
前記第1〜第4フォトダイオードと前記第5フォトダイオードとが互いに電気的に接触し、前記第1〜第4伝達トランジスタと前記第5伝達トランジスタとが互いに電気的に接触していることを特徴とする、二重感知機能を有する基板積層型イメージセンサ。 - RGBまたはRGB+IRと外部光学系(レンズ)の色収差を利用して、前記第2基板のRGB焦点と前記第1基板のRGまたはRG+IR焦点の資料を通した映像の色別、各上下層の物理的な距離に応じた色別映像の周波数成分の分析を通した映像内の被写体の相対的な距離を調べ、3次元映像の復元が可能な基礎資料として活用されるようにすることを特徴とする、請求項1または2に記載の二重感知機能を有する基板積層型イメージセンサ。
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