JP2015041780A - ３次元積層構造のイメージセンサ - Google Patents

３次元積層構造のイメージセンサ Download PDF

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Abstract

【課題】 上板のピクセルをイメージピクセルとして実現し、下板のピクセルを位相差ＡＦを実現するためのピクセルとして実現することで、解像度の損失なく位相差ＡＦを実現することができる３次元積層構造のイメージセンサに関するものである。
【解決手段】 ３次元積層構造のイメージセンサによれば、既存の撮像面位相差ＡＦ装置の欠点である解像度低下の問題を解決し、別の位相差ＡＦモジュールがなくても、高解像度を維持しながら、迅速な位相差ＡＦを実現することができる利点がある。
【選択図】 図１

Description

本発明は、イメージセンサに関するものであって、特に、３次元積層構造のイメージセンサにおいて、上板のピクセルをイメージピクセルとして実現し、下板のピクセルを位相差ＡＦを実現するためのピクセルとして実現することで、解像度の損失なく位相差ＡＦを実現することができる３次元積層構造のイメージセンサに関するものである。
最近、いわゆる、電子カメラが広く普及されている。電子カメラは、光学系を通して被写体を撮影すると、半導体撮像素子のイメージセンサ上に像が結ばれ、このような被写体の像は電気信号に変換され、これによって取得された静止画像の画像データを半導体メモリあるいは磁気ディスクのような記録媒体に記録する過程によって動作する。
このような電子カメラの大部分は、被写体の像を自動的にフォーカシングするために撮影条件を制御するオートフォーカス（Ａｕｔｏ Ｆｏｃｕｓ：以下、「ＡＦ」という。）機構を搭載している。従来、このようなオートフォーカシングを達成するための方法のうち、位相差ＡＦと呼ばれる技術が広く使用されている。
位相差ＡＦは、被写体の像からの光を、ＣＣＤラインセンサを備えた位相差検出センサに受光した時の像（ｉｍａｇｅ）間距離（位相差）に基づいてインフォーカス（ｉｎ−ｆｏｃｕｓ）ポイントがフィルム面からどれほど遠く離れているかを直ちに認識可能なことから、１回の駆動でインフォーカスポイントをフィルム面と一致させることができる点で多く使用されてきた。
従来の撮像面位相差ＡＦの構造は、センサのピクセルアレイのうち、特定個数のピクセルを人為的に遮るか、フォトダイオードを移動させて得られる位相情報を得る。
このような撮像面位相差ＡＦの構造は、イメージ実現のための画素機能を有する第１構成要素と、位相差ＡＦ機能を実現する第２構成要素とからなる。この時、第２構成要素は、第１構成要素に特殊処理を施して実現し、多数個の対からなる。
このような構造によって、何ら位相差ＡＦセンサモジュールがなくても、センサ自体だけで位相差ＡＦ機能の実現が可能で、コンパクトなデジタルカメラにおいても迅速な位相差ＡＦを用いることができる。
しかし、センサ面に位相差ＡＦを実現する場合、イメージ実現に用いられるべきピクセルの損失が不可避で、全体的に解像度が低下する。すなわち、従来の撮像面位相差ＡＦの構造の場合、解像度を向上させるには位相差ＡＦを実現することが困難であり、精密な位相差ＡＦを実現するには解像度が低下する問題があった。
本発明が解決しようとする技術的課題は、別の位相差ＡＦモジュールがなくても、解像度の損失なく高解像度を維持しながら、迅速な位相差ＡＦを実現することができる３次元積層構造の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達成するための、本発明にかかる３次元積層構造のイメージセンサは、第１フォトダイオードを含む第１基板と、第２フォトダイオードを含み、前記第１基板の上部に積層されて形成された第２基板とを備え、前記第１フォトダイオードに入射する光の一部を遮断して位相差ＡＦ機能を実現することを特徴とする。
本発明にかかる３次元積層構造のイメージセンサにおいて、前記第１フォトダイオードは、前記第２フォトダイオードより大きさを小さくすることが好ましい。
また、前記第１フォトダイオードの上部に形成されたメタル配線の長さを長くし、前記第１フォトダイオードの一部に光が入射することを遮断できるようにすることが好ましい。
一方、前記第１フォトダイオードの一部に光が入射することを遮断できるように、前記第１基板と前記第２基板との接合面に遮断膜を形成することができる。
この時、前記第１フォトダイオードに光が入射する部分の上部には光導波管を形成し、第１フォトダイオードへの光の伝達がより敏感に行われるようにすることが好ましい。
前記第１フォトダイオードの上部にタルボ効果（Talbot効果）誘導フィルタが備えられたことがより好ましい。
本発明にかかる３次元積層構造のイメージセンサによれば、解像度の損失なく位相差ＡＦを実現することができる効果がある。
また、位相差ＡＦ機能の実現だけでなく、下板構造の変更を通して物体間の距離を測定することができ、３次元立体イメージを撮影することができる利点がある。
本発明にかかる３次元積層構造のイメージセンサの一実施形態を示す図である。 本発明にかかる３次元積層構造のイメージセンサの他の実施形態を示す図である。 本発明にかかる３次元積層構造のイメージセンサのさらに他の実施形態を示す図である。 本発明にかかる３次元積層構造のイメージセンサのさらに他の実施形態を示す図である。 本発明にかかる３次元積層構造のイメージセンサのさらに他の実施形態を示す図である。 本発明にかかる３次元積層構造のイメージセンサのさらに他の実施形態を示す図である。 タルボ効果を説明するための図である。 タルボ効果誘導フィルタを用いて、角度に応じた反応をシミュレーションした結果を示す図である。
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。
本発明は、３次元積層構造のイメージセンサにおいて、上板を通過して入ってきた光が下板のフォトダイオードの人為的な構造物に遮られて生じる互いに異なる位相情報を合わせて位相差ＡＦを実現することを特徴とする。
図１は、本発明にかかる３次元積層構造のイメージセンサの一実施形態を示す図である。
図１を参照すれば、３次元積層構造のイメージセンサは、第１基板１１０と、第２基板１２０とが積層された構造を有し、第１基板１１０は、第１フォトダイオード１１１を含み、第２基板１２０は、第２フォトダイオード１２１を含む。
位相差ＡＦ機能を実現するための第１の実施形態は、図１に示されるように、第１基板１１０に形成された第１フォトダイオード１１１の大きさを、第２基板１２０に形成された第２フォトダイオード１２１より小さく形成することである。
第１フォトダイオード１１１の大きさを第２フォトダイオード１２１より小さく形成する場合には、第１フォトダイオード１１１に入射する光が減少し、これによって発生する互いに異なる位相情報を合わせて位相差ＡＦ機能を実現する。
図１を参照すれば、第２基板１２０の上部には、カラーフィルタ（Ｃｏｌｏｒ Ｆｉｌｔｅｒ：Ｃ／Ｆ）と、マイクロレンズ（Ｍｉｃｒｏ Ｌｅｎｓｅ：Ｍ／Ｌ）とが形成されていることが分かる。このようなカラーフィルタおよびマイクロレンズは、イメージセンサの一般的な技術であるので、詳細な説明は省略する。
図２は、本発明にかかる３次元積層構造のイメージセンサの他の実施形態を示す図である。
図２を参照すれば、本発明にかかる３次元積層構造のイメージセンサは、第１基板１１０と、第２基板１２０とが積層された構造を有し、第１基板１１０は、第１フォトダイオード１１１を含み、第２基板１２０は、第２フォトダイオード１２１を含む。
この時、上板の第２基板１２０は、イメージ実現のために用いられ、下板の第１基板１１０は、位相差ＡＦ機能を実現するために用いられる。
図２には、位相差ＡＦ機能を実現するための他の実施形態として、下板の第１基板１１０のイメージセンサ内部のメタル配線１１２を長くし、第１フォトダイオード１１１に入射する光を人為的に遮断する効果を実現したことが示されている。この時、メタル配線１１２は、第１基板１１０内のどの位置のものを用いても構わない。
図３および図４は、本発明にかかる３次元積層構造のイメージセンサのさらに他の実施形態を示す図である。
図３を参照すれば、本発明にかかる３次元積層構造のイメージセンサは、イメージ実現のために用いられる第２基板１２０と、位相差ＡＦ機能を実現するために用いられる第１基板１１０とが積層された構造を有する。
第１基板１１０は、第１フォトダイオード１１１を含み、第２基板１２０は、第２フォトダイオード１２１を含む。
図３を参照すれば、位相差ＡＦ機能を実現するために、第１基板１１０と第２基板１２０との接合面１３０には、第１フォトダイオード１１１に光が入射することを部分的に遮断できるように、遮断膜１４０が形成されていることが分かる。
遮断膜１４０の材質は、入射する光を吸収する機能を果たし、ブラック物質（ｂｌａｃｋ ｍａｔｅｒｉａｌ）のほか、多様な材質で形成されてよい。
一方、図４に示されるように、遮断膜１４０が形成されていない部分には、第１フォトダイオード１１１への光の伝達がより敏感に行われるように、光導波管１５０を備えることが好ましい。
図５は、本発明にかかる３次元積層構造のイメージセンサのさらに他の実施形態を示す図である。
図５を参照すれば、第１フォトダイオード１１１の大きさが第２フォトダイオード１２１より小さく形成されており、第１フォトダイオード１１１への光の伝達がより敏感に行われるように、第１フォトダイオード１１１の上部に光導波管１５０が形成されていることが分かる。
図６は、本発明にかかる３次元積層構造のイメージセンサのさらに他の実施形態を示す図である。
図６を参照すれば、位相差ＡＦ機能を実現するために、第１基板１１０内の第１フォトダイオード１１１の上部に、タルボ効果を誘導するタルボ効果誘導フィルタ１６０が形成されていることが分かる。
タルボ効果誘導フィルタ１６０のパターンは、位相差ＡＦ機能を実現可能な範囲内で多様に変形実施できる。
図７は、タルボ効果を説明するための図であり、図８は、タルボ効果誘導フィルタを用いて、角度に応じた反応をシミュレーションした結果を示す図である。
タルボ効果とは、平面波によって交差する時、格子面を通って回折格子の像が繰り返される現象をいう。 図７は、タルボ効果誘導フィルタ１６０の実施形態を示すもので、タルボ効果誘導フィルタ１６０は、第１プレート１６１と、第２プレート１６２とからなり、第１プレート１６１と第１フォトダイオード１１１との間の距離ＺＴは、第１プレート１６１と第２プレート１６２との間の距離ＺＴ／２の２倍となるように実現することができる。
この時、第１プレート１６１は、上部に形成され、ピッチ（ｐｉｔｃｈ）がｄの複数のスリットを含む。第２プレート１６２は、センサ部、すなわち、本発明の第１フォトダイオード１１１側に形成され、ピッチ（ｐｉｔｃｈ）がｄの複数のスリットを含む。図７では、第１プレート１６１および第２プレート１６２のピッチ（ｐｉｔｃｈ）が同一のものとして示されているが、互いに異なる長さに形成できることは当然である。
この時、第１プレート１６１および第２プレート１６２を通過した光の波長は、第１プレート１６１と第１フォトダイオード１１１との間の距離ＺＴおよびスリットのピッチｄによって決定される。
本発明は、一定の角度θで第１プレート１６１に入射して第１プレート１６１のスリットを通過した光が、回折現象によって第２プレート１６２のスリットを通過する現象であるタルボ効果を利用するものであるが、開かれているスリットでない部分に回折される光は、第２プレート１６２を通過することができず、結局遮断されてしまう。
スリットのピッチ（ｐｉｔｃｈ）をｄ、入射する光の波長（ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ）をλとする時、タルボ効果が発生する距離ＺＴは、下記の式（１）で表されてよい。
ＺＴ＝２ｄ２／λ 式（１）
図８は、タルボ効果誘導フィルタ１６０をセンサに結合し、蛍光物質の発光波長および励起波長を角度に応じて検出したシミュレーション結果を示すもので、励起波長の６３３ｎｍでは、０〜３゜において低い透過率を示すのに対し、発光波長の６４８ｎｍでは、同じ角度において励起波長に対比して１０倍近い透過率を示すことが分かる。
このような結果を利用して最適な入射角度θを設定することにより、第１フォトダイオードに入射する光を調節することができる。
以上のように、本発明にかかる３次元積層構造のイメージセンサによれば、既存の撮像面位相差ＡＦ装置の欠点である解像度低下の問題を解決し、別の位相差ＡＦモジュールがなくても、高解像度を維持しながら、迅速な位相差ＡＦを実現することができる利点がある。
また、本発明にかかる３次元積層構造のイメージセンサによれば、必要によって、スマートフォンで位相差ＡＦ機能を実現し、迅速な撮影を可能にすることもできる。
一方、本発明にかかる３次元積層構造のイメージセンサは、単に位相差ＡＦ機能の実現に限らず、物体間の距離測定や３次元イメージ撮影などに多様に応用可能である利点がある。
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自明である。
１１０ 第１基板
１１１ 第１フォトダイオード
１２０ 第２基板
１２１ 第２フォトダイオード
１１２、１２２ メタル配線
１３０ 接合面
１４０ 遮断膜
１５０ 光導波管
１６０ タルボ効果誘導フィルタ

Claims (9)

  1. 第１フォトダイオードを含む第１基板と、
    第２フォトダイオードを含み、前記第１基板の上部に積層されて形成された第２基板とを備え、
    前記第１フォトダイオードに入射する光の一部を遮断して位相差ＡＦ機能を実現することを特徴とする、３次元積層構造のイメージセンサ。
  2. 前記第１フォトダイオードは、前記第２フォトダイオードより大きさが小さいことを特徴とする、請求項１に記載の３次元積層構造のイメージセンサ。
  3. 前記第１フォトダイオードの一部に光が入射することを遮断できるように、前記第１フォトダイオードの上部にメタル配線が形成されたことを特徴とする、請求項１に記載の３次元積層構造のイメージセンサ。
  4. 前記第１フォトダイオードの一部に光が入射することを遮断できるように、前記第１基板と前記第２基板との接合面に遮断膜が形成されたことを特徴とする、請求項１または２に記載の３次元積層構造のイメージセンサ。
  5. 前記遮断膜は、ブラック物質（ｂｌａｃｋ ｍａｔｅｒｉａｌ）からなることを特徴とする、請求項４に記載の３次元積層構造のイメージセンサ。
  6. 前記第１フォトダイオードに光が入射する部分の上部には光導波管が形成されたことを特徴とする、請求項１または２に記載の３次元積層構造のイメージセンサ。
  7. 前記第１フォトダイオードに光が入射する部分の上部には光導波管が形成されたことを特徴とする、請求項４に記載の３次元積層構造のイメージセンサ。
  8. 前記第１フォトダイオードの上部にタルボ効果誘導フィルタが形成されたことを特徴とする、請求項１に記載の３次元積層構造のイメージセンサ。
  9. 物体間の距離測定または３次元イメージ撮影が可能であることを特徴とする、請求項１に記載の３次元積層構造のイメージセンサ。
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