JP2016149515A - 非平面光インタフェースを備えた裏面照明式イメージセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】追加の光学素子を何ら必要とすることなく収差を低減したイメージセンサ及び該イメージセンサを製造する方法を提供すること。【解決手段】イメージセンサは、前面及び裏面を有する基板と、前面に隣接して形成された複数の光検出器と、前面において光検出器に電気接続する複数の接触パッドと、裏面の一部に配置された複数の光操作構成要素とを備える。光検出器は、光操作構成要素及び裏面を通って入射する光に応答して電気信号を発生するように構成される。裏面の一部は非平面形状を有する。【選択図】図３Ｄ

Description

本発明はイメージセンサに関し、特に裏面照明式（ＢＳＩ）イメージセンサに関する。

カメラモジュールに使用される小型イメージセンサ素子は公知である。イメージセンサ表面に集光するために１つ又はそれ以上のレンズが使用される。また、レンズは、ズームイン、ズームアウト、ピント調整、広角化、及び他の多くの光学的効果といった機能のためにも使用することができる。しかしながら、レンズは、様々な光学収差を生じさせる可能性がある。具体的には、１つの光学収差は、ペッツバールの像面湾曲であり、ここでは、光軸に垂直な平板物体は、平らなイメージセンサ上に集束させることができない。１つ又はそれ以上の像面湾曲補正要素をレンズスタックに導入して光学系の像面湾曲を相殺することを必要とする場合がある。

図１は、焦点平面補正光学系が全く無い従来のイメージセンサシステム１を示す。イメージセンサシステム１は、イメージセンサ３の上に焦点を合わせるレンズ２を含む。レンズ２の焦点面４は、実際には完全に平らではなく僅かに湾曲しているので、システム１の中心における光は適切にイメージセンサ３の上に焦点を結ぶが、レンズの中心軸から離れた光は、イメージセンサ３の若干上側に焦点を結ぶ。この収差は、イメージセンサが捕らえるイメージの品質を劣化させる。

この種の収差を補正する１つの解決策は、焦点面４が平らでイメージセンサ３の平面に位置付けられるように、１つ又はそれ以上の像面湾曲補正要素をレンズスタックに追加することである。湾曲補正要素の一例は、図２に示すようなフィールドフラットナーレンズ５である。しかしながら、湾曲補正要素を用いると、光学系が複雑になり、光学系の高さが高くなり、追加の破損点が持ち込まれ（例えば、収差補正要素は正しく位置合わせされない可能性があり、平らでない平面となる）、付加的な歪曲が持ち込まれる場合があり、輝度が低下する可能性があり、他の弊害につながる場合がある。

他の解決策は、イメージセンサを湾曲した焦点面に上手く適合するように構成することであり、レンズスタックの光学要素の数を減すことができる。例えば、米国特許第６，５５６，３４９号には、イメージセンサ上に透明基材を用いることが開示されており、透明基材は、各光検出器の上に異なるサイズ又は高さのマイクロレンズを備えている。米国特許第６，４８６，９１７号及び米国特許第７，９２３，７９３号には、イメージセンサを曲げて凹状面に接合することが開示されている。しかしながら、これらの解決策は、相互干渉、構造体の高さ、熱応力許容誤差の低下、特別な製作工具の必要性、３次元集積回路（３Ｄ ＩＣ）性能の低下等の他の問題を持ち込む。

米国特許第６，５５６，３４９号明細書 米国特許第６，４８６，９１７号明細書 米国特許第７，９２３，７９３号明細書

前述の問題点及びニーズは、以下のイメージセンサによって解決される。つまり、イメージセンサは、前面及び裏面を有する基板と、前面に隣接して形成された複数の光検出器と、前面において光検出器に電気接続する複数の接触パッドと、裏面の一部に配置された複数の光操作構成要素とを備える。光検出器は、光操作構成要素及び裏面を通って入射する光に応答して電気信号を発生するように構成される。裏面の一部は非平面形状を有する。

本発明の他の目的及び特徴は、明細書、特許請求の範囲、及び図面を検討することで明らかになるはずである。

従来のイメージセンサの垂直断面図である。 フィールドフラットナーレンズを備えた従来のイメージセンサの垂直断面図である。 本発明のイメージセンサを作るための工程段階を示す垂直断面図である。 本発明のイメージセンサを作るための工程段階を示す垂直断面図である。 本発明のイメージセンサを作るための工程段階を示す垂直断面図である。 本発明のイメージセンサを作るための工程段階を示す垂直断面図である。 本発明のイメージセンサを作るための工程段階を示す垂直断面図である。 イメージセンサのマイクロレンズによる集光を示す垂直断面図である。 イメージセンサの別の実施形態を示す垂直断面図である。 イメージセンサの別の実施形態を示す垂直断面図である。 イメージセンサの別の実施形態を示す垂直断面図である。 イメージセンサの別の実施形態を示す垂直断面図である。

本発明は、追加の光学素子を何ら必要とすることなく収差を低減したイメージセンサ及び該イメージセンサの製造方法である。図３Ａ−３Ｅは、イメージセンサを作るステップを示す。

図３Ａは、従来のイメージセンサウエハである出発構造を示す。１つのイメージセンサ１０だけが示されているが、複数のイメージセンサ１０が同時に単一のウエハ上に形成され、その後、ウエハは、各々がイメージセンサ１０を含む個々のセンサチップに分離されることを理解されたい。イメージセンサ１０は、それぞれ反対側の前面１４及び裏面１６を有する基板（例えば、シリコン）１２を含む。複数の光検出器１８（例えば、光ダイオード）は、前面１４に隣接して形成され、裏面１６を通じて受け取った光に応答して電気信号を発生するようになっている。電気回路２０は、光検出器を作動させるために、及び／又は光検出器１８からの電気信号を前面１４に形成された外部伝導用ボンディングパッド２２に供給するために、光検出器１８に隣接して形成される。光検出器１８は二次元アレイに配列され、好ましくは、必須ではないが、検出器１８は様々な横寸法サイズを有する。全ての光検出器サイズの変動はランダム又は疑似ランダムとすることができる。図３Ａに示すように、アレイ中心での光検出器１８は、アレイ周辺での又はその近傍の検出器１８よりも小さな横寸法を有する。図３Ａに示す形式のイメージセンサ１０は従来から公知であり、光検出器が基板１２の前面１４ではなく裏面１６を通って入射する光を検出して測定するように構成されるので、一般に裏面照明式（ＢＳＩ）センサと呼ばれている。

ハンドラ基板２４は、基板１２の前面１４に取り付けられる。ハンドラ２４は、セラミックス又は結晶材料とすることができる。ハンドラ基板２４は、随意的にトランジスタ、回路層、及び相互接続部といった追加の構成要素を含むことができる。これらの随意的な特徴部は、イメージセンサウエハを取り付ける前に又はその後に、恒久的なハンドラ内に形成することができる。基板１２の厚さは、裏面１６に施される機械的研削、化学機械的研磨（ＣＭＰ）、ウェットエッチング、大気下流プラズマ（ＡＤＰ）、ドライ化学エッチング（ＤＣＥ）、若しくは、前述のプロセス又は何らかの他の適切なシリコン薄肉化技術の組み合わせを用いて薄くすることができる。また、ハンドラ基板は、必要であればこの方法で薄肉化することができる。結果として得られた構造体を図３Ｂに示す。

次に、裏面１６は、表面１６の湾曲した凹部１６ａを形成するために選択的にエッチングされ、凹部１６ａはその後に取り付けられるレンズスタックの光学設計に適合する光インタフェースとして機能することになる。レンズスタック光学設計（以下に説明する）は、このインタフェースの最適形状を決定することになる。湾曲表面部１６ａは、フォトレジストの堆積、フォトレジストのパターン形成、その後の露出シリコンのエッチングによって形成することができる。パターン形成及びエッチングプロセスを複数回繰り返して、表面部１６ａの所望の形状を得ることができる。結果として得られた構造体を図３Ｃに示す。

カラーフィルタ２６及び／又は反射防止層、量子ドット等の他の光学的強化層は、光検出器１８の結像領域の上の裏面部１６ａ上に置くことができる。その後、マイクロレンズは、リソグラフィー及びエッチングといった一般的な製造技術を用いてカラーフィルタ２６上に形成される。これらの構成要素は総称して光操作構成要素と呼ぶことができる。結果として得られた構造体を図３Ｄに示す。

次に、レンズ組立体３０は基板１２に取り付けられ、レンズ組立体３０は１つ又はそれ以上のレンズ３４が収容されたハウジング３２を含んでいる。単数又は複数のレンズ３４は、入射光３６を下方の小さな曲率の焦点面であり、マイクロレンズ２８／フィルタ２６、及び／又は基板の裏面部１６ａの湾曲した位置決めに適合した位置に集束させる。裏面部１６ａの湾曲した凹形状は、何らかのフィールドフラットナーレンズの必要性をなくすと共に、イメージセンサ上に追加の光学素子を必要とすることなく歪曲及び他の光学収差を除外する。更に、光検出器１８と裏面１６との間の基板１２の一部は、光検出器に対してアレイの周辺部で厚く、これらの検出器に関する量子吸収が改善される。この構成によって、イメージセンサ１０をレンズ３４に近づけることができる。光検出器１８、カラーフィルタ２６、及びマイクロレンズ２８の横方向サイズをセンサ中心からの距離の関数で（随意的に）変えることで、ズームイン及びズームアウト性能、量子効率、及び多くの他のイメージング処理を改善することができる。

図４は、各マイクロレンズ２８がどのように裏面部１６ａを通じて、基板１２の材料を通じて、それぞれの光検出器１８上に入射光を集束させるかを示す。図５は別の実施形態を示し、光検出器１８上の基板１２には垂直方向に延びる遮光材料層３８が形成されており、光検出器１８の真上に光井（ｌｉｇｈｔ ｗｅｌｌ）をもたらすようになっている。特定のマイクロレンズ２８を通って入射する何らかの光に関して遮光材料３８は入射光を反射するので、光はそのマイクロレンズ２８に対応する光検出器１８に到達する（つまり、各光検出器の間のクロストークを防止する）。

図６は他の実施形態を示し、裏面１６の湾曲部１６ｂが凹形状ではなく凸形状である。凸形状によって広角視野が可能になる。さらに、本実施形態のインタフェース構造は、レンズ設計を単純化する。

図７は他の実施形態を示し、裏面１６は、湾曲形状ではなく表面１６の残りの部分に対して凹型の段部１６ｃを含む。表面１６の残りの部分に対する段部１６ｃの深さは、おおよそ単数又は複数のレンズの焦点面の曲率を辿る。追加的に又は代替的に、表面１６の残りの部分に対する段部１６ｃの深さは、光検出器１８の横方向サイズと相関することができる（つまり、光検出器と基板１２の裏面１６との間の距離は、光検出器の様々な横方向サイズに応じて変わる）。例えば、図７に示すように、光検出器の横方向サイズが大きくなるほど、光検出器は裏面１６から更に離間する（つまり、大きな横方向サイズを有する光検出器に関しては、光検出器上にはより多くの基板材料が存在するので、光はより多くの材料を横切る必要がある）。凹型段部１６ｃは、従来公知のフォトリソグラフィーエッチング技術を用いて裏面１６に形成することができる。段部構造は、周辺に配置された大きな画素とセンサの中心に配置された（凹型段部に配置された）小さな画素との間のクロストークの防止を助長することになる。更に、この構成により、図８に示すように、取り付けられたマイクロレンズの高さを同じ大きさだけ凹型にすることなく、又は全く凹型にすることなく、センサの周辺部で高い光感受性を得るための薄いカラーフィルタ、及びセンサ中心の厚いカラーフィルタが可能になる。

本発明は、前述の例示的な実施形態に限定されず、特許請求の範囲の範疇にある何らかの全ての変形物を包含することを理解されたい。例えば、本明細書の本発明への言及は、特許請求の範囲又は特許請求の範囲の用語を限定するものではなく、むしろ１つ又はそれ以上の特許請求の範囲で保護できる１つ又はそれ以上の特徴部について単に言及するものである。前述の材料、プロセス、及び数値の例は例示的であり、特許請求の範囲を限定すると見なすべきではない。更に、特許請求の範囲及び明細書から明らかなように、全ての方法ステップは、図示又は特許請求の範囲に記載された通りの順番で実行される必要はなく、メージセンサ組立体を適切に構成できる任意の順番で実行される。単一の材料層は、当該材料又は類似材料の複数の層で形成でき、その逆も同様である。最後に、裏面１６は湾曲凹形状、湾曲凸形状、又は階段状で示されているが、裏面１６は、２つ又はそれ以上のこれらを組み合わせたもの、又はセンサに焦点を合わせる光学系に適合する他の任意の適切な非平面形状を含むことができる。

本明細書で用いる場合、用語「の上に（ｏｖｅｒ）」及び「上に（ｏｎ）」は、「直接的に」（その間に設けられた中間の材料、要素、又は空間が無い）及び「間接的に」（その間に設けられた中間の材料、要素、又は空間がある）の両方を含むことに留意されたい。同様に、用語「隣接する」は、「直接隣接する」（その間に設けられた中間の材料、要素、又は空間が無い）及び「間接的に隣接する」（その間に設けられた中間の材料、要素、又は空間がある）を含み、「取り付ける」は、「直接取り付ける」（その間に設けられた中間の材料、要素、又は空間が無い）及び「間接的に取り付ける」（その間に設けられた中間の材料、要素、又は空間がある）を含み、「電気接続する」は、「直接電気接続する」（その間に各要素を接続する中間の材料又は要素が無い）及び「間接的に電気接続する」（その間に各要素を接続する中間の材料又は要素がある）を含む。例えば、要素を「基板の上に」形成することは、その間に中間の材料／要素が無い状態で基板の上に直接形成すること、並びに要素をその間に１つ又はそれ以上の中間の材料／要素がある状態で基板の上に間接的に形成することを含むことができる。

１０ イメージセンサ
１２ 基板
１４ 前面
１６ 裏面
１６ａ 凹部
１８ 光検出器
２０ 電気回路
２２ ボンディングパッド
２４ ハンドラ基板
２６ カラーフィルタ
２８ マイクロレンズ

Claims (17)

1. 前面及び裏面を有する基板と、
   前記前面に隣接して形成された複数の光検出器と、
   前記前面において前記光検出器に電気接続する複数の接触パッドと、
   前記裏面の一部に配置された複数の光操作構成要素と、
   を備えるイメージセンサであって、
   前記光検出器は、前記光操作構成要素及び前記裏面を通って入射する光に応答して電気信号を発生するように構成され、
   前記裏面の一部は非平面形状を有する、イメージセンサ。
2. 前記前面に隣接し、前記複数の光検出器と前記複数の接触パッドとの間に電気接続された電気回路を更に備える、請求項１に記載のイメージセンサ。
3. 前記前面に取り付けられた第２の基板を更に備える、請求項１に記載のイメージセンサ。
4. 前記光操作構成要素は、カラーフィルタを備える、請求項１に記載のイメージセンサ。
5. 前記光操作構成要素は、マイクロレンズを備える、請求項１に記載のイメージセンサ。
6. 前記光操作構成要素は、
   前記裏面の一部に直接取り付けられたカラーフィルタと、
   前記カラーフィルタ上に直接取り付けられたマイクロレンズと、
   を備える、請求項１に記載のイメージセンサ。
7. 前記裏面に取り付けられたハウジングと、
   前記ハウジング内で前記複数の光操作構成要素に焦点を合わせるように位置決めされた１つ又はそれ以上のレンズと、
   を含むレンズ組立体を更に備える、請求項１に記載のイメージセンサ。
8. 前記１つ又はそれ以上のレンズは、前記複数の光操作構成要素、又は前記裏面の一部に位置決めされた湾曲焦点面を有する、請求項７に記載のイメージセンサ。
9. 前記裏面の一部の前記非平面形状は、湾曲した凹形状である、請求項８に記載のイメージセンサ。
10. 前記湾曲焦点面の形状及び前記裏面の一部の前記湾曲凹形状は同じである、請求項９に記載のイメージセンサ。
11. 前記裏面の一部の前記非平面形状は、湾曲した凸形状である、請求項１に記載のイメージセンサ。
12. 前記裏面の一部の前記非平面形状は、前記裏面に形成された１つ又はそれ以上の凹型段部を備える、請求項１に記載のイメージセンサ。
13. 各々が前記裏面から前記光検出器の１つに延び、前記裏面からの入射光を反射によって前記１つの光検出器に案内するように構成された複数の遮光材料層を更に備える、請求項１に記載のイメージセンサ。
14. 前記複数の光検出器の第１の部分が第１の横方向サイズを有し、
    前記複数の光検出器の第２の部分が第２の横方向サイズを有し、
    前記第１の横方向サイズが前記第２の横方向サイズよりも小さい、請求項１に記載のイメージセンサ。
15. 前記裏面の一部の前記非平面形状は、前記裏面に形成された凹型段部を有し、前記複数の光検出器の第１の部分は、前記凹型段部に配置されている、請求項１４に記載のイメージセンサ。
16. 前記複数の光検出器の第１の部分は、前記複数の光検出器の第２の部分よりも前記裏面の近くに配置されている、請求項１５に記載のイメージセンサ。
17. 前記光操作構成要素は、各々が第１の垂直方向長さを有し、前記複数の光検出器の第１の部分の１つの上に配置された第１の複数のカラーフィルタと、各々が第２の垂直方向長さを有し、前記複数の光検出器の１つの上に配置された第２の複数のカラーフィルタとを備え、
    前記第１の垂直方向長さが前記第２の垂直方向長さよりも長い、請求項１５に記載のイメージセンサ。

Images