JP2018011031A

JP2018011031A - 撮像素子及び撮像装置

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Publication number: JP2018011031A
Application number: JP2016140826A
Authority: JP
Inventors: 史郎綱井; Shiro Tsunai
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2016-07-15
Filing date: 2016-07-15
Publication date: 2018-01-18

Abstract

【課題】画素信号を処理する信号処理チップからのホットキャリアによる発光の悪影響を抑制する撮像素子及び撮像装置を提供する。【解決手段】撮像素子１００は、入射光を変換して画素信号を出力する複数の画素を含む撮像チップ１１３と、画素信号を処理する信号処理チップ１１１とを備える。撮像チップ１１３と信号処理チップ１１１とは、その間に屈折率が異なる境界面を設けるように積層されており、撮像チップ１１３側の層の屈折率が信号処理チップ１１１側の層の屈折率より低くなるように境界面を構成する。【選択図】図１

Description

本発明は、撮像素子及び撮像装置に関する。

トランジスタからのホットキャリアによる発光の悪影響を抑制する固体撮像装置が知られている（特許文献１参照）。

特許文献１に記載された固体撮像装置は、遮光膜として金属配線層を用いているので、配線層に無駄が生じ、コストが高くなる問題がある。

特開２０１２−１６４８７０号公報

本発明の第１の態様においては、入射光を変換して画素信号を出力する複数の画素を含む撮像部と、前記画素信号を処理する処理部とを備え、前記撮像部と前記処理部とは、その間に屈折率が異なる境界面を設けるように積層されており、前記撮像部側の層の屈折率が前記処理部側の層の屈折率より低くなるように前記境界面を構成する。

本実施形態の裏面照射型の撮像素子の断面図である。第１の実施形態の裏面照射型の撮像素子の断面図である。第１の実施形態の境界面で全反射が生じる条件を示す図である。第２の実施形態の裏面照射型の撮像素子の断面図である。第２の実施形態における光の進行方向の変化を示す図である。第３の実施形態の裏面照射型の撮像素子の断面図である。第４の実施形態の表面照射型の撮像素子の断面図である。第４の実施形態における光の進行方向の変化を示す図である。本実施形態の撮像装置の構成を示すブロック図である。

以下、発明の実施形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、本実施形態の裏面照射型の撮像素子１００の断面図である。撮像素子１００は、入射光に対応した画素信号を出力する撮像チップ１１３と、該画素信号を処理する信号処理チップ１１１と、処理された画素信号を記憶するメモリチップ１１２とを有する。これら撮像チップ１１３、信号処理チップ１１１及びメモリチップ１１２は積層されており、Ｃｕ等の導電性を有するバンプ１０９により互いに電気的に接続される。

なお、図示するように、入射光は主に白抜き矢印で示すＺ軸プラス方向へ向かって入射する。本実施形態においては、撮像チップ１１３において、入射光が入射する側の面を裏面と称する。また、座標軸に示すように、Ｚ軸に直交する紙面右方向をＸ軸プラス方向、Ｚ軸及びＸ軸に直交する紙面手前方向をＹ軸プラス方向とする。

撮像チップ１１３の一例は、裏面照射型のＭＯＳイメージセンサである。ＰＤ層１０６は、配線層１０８の裏面側に配置されている。ＰＤ層１０６は、二次元的に配置された複数のＰＤ（フォトダイオード）１０４、及び、ＰＤ１０４に対応して設けられたトランジスタ１０５を有する。

ＰＤ層１０６における入射光の入射側にはパッシベーション膜１０３を介してカラーフィルタ１０２が設けられる。カラーフィルタ１０２は、互いに異なる波長領域を透過する複数の種類を有しており、ＰＤ１０４のそれぞれに対応して特定の配列を有している。カラーフィルタ１０２、ＰＤ１０４及びトランジスタ１０５の組が一つの画素を形成する。

カラーフィルタ１０２における入射光の入射側には、それぞれの画素に対応して、マイクロレンズ１０１が設けられる。マイクロレンズ１０１は、対応するＰＤ１０４へ入射光を集光する。

配線層１０８は、ＰＤ層１０６からの画素信号を信号処理チップ１１１に伝送する配線１０７を有する。配線１０７は多層でもよく、また、受動素子及び／又は能動素子が設けられてもよい。

配線層１０８の表面には複数のバンプ１０９が配置される。当該複数のバンプ１０９が信号処理チップ１１１の対向する面に設けられた複数のバンプ１０９と位置合わせされて、撮像チップ１１３と信号処理チップ１１１とが加圧等されることにより、位置合わせされたバンプ１０９同士が接合されて、電気的に接続される。

同様に、信号処理チップ１１１及びメモリチップ１１２の互いに対向する面には、複数のバンプ１０９が配置される。これらのバンプ１０９が互いに位置合わせされて、信号処理チップ１１１とメモリチップ１１２とが加圧等されることにより、位置合わせされたバンプ１０９同士が接合されて、電気的に接続される。

なお、バンプ１０９間の接合には、固相拡散によるＣｕバンプ接合に限らず、はんだ溶融によるマイクロバンプ結合を採用してもよい。また、バンプ１０９は、例えば後述する一つの出力配線に対して一つ程度設ければよい。したがって、バンプ１０９の大きさは、ＰＤ１０４のピッチよりも大きくてもよい。また、画素が配列された画素領域以外の周辺領域において、画素領域に対応するバンプ１０９よりも大きなバンプを併せて設けてもよい。

信号処理チップ１１１は、表裏面にそれぞれ設けられた回路を互いに接続するＴＳＶ（シリコン貫通電極）１１０を有する。ＴＳＶ１１０は、周辺領域に設けられることが好ましい。また、ＴＳＶ１１０は、撮像チップ１１３の周辺領域、メモリチップ１１２にも設けられてよい。

信号処理チップ１１１には、複数のトランジスタ１５１が設けられており、該トランジスタ１５１には、定常的にアクティブ電流が流れ、電界が大きい場所があるため、ホットキャリアが生じることがある。特に、ＡＤ変換回路は、高密度でトランジスタ１５１が配置されているので、電位差が大きい場所が部分的に生じ、ホットキャリアが生じやすい。ホットキャリアが消滅する際、電子のエネルギー準位を遷移させ、光が発生する。このため、本実施形態では、層の境界面の加工によって、信号処理チップ１１１から撮像チップ１１３への光の進行を抑制する。

図２は、第１の実施形態の裏面照射型の撮像素子１００の断面図であって、第１の実施形態の特徴を示す。

第１の実施形態の撮像素子１００には、撮像チップ１１３と信号処理チップ１１１との間に、信号処理チップ１１１と隣接して中間層１２０を設ける。中間層１２０の屈折率（ｎａ）は、信号処理チップ１１１のうち中間層１２０と接する層１１１Ａの屈折率（ｎｂ）より小さくなるように、中間層１２０及び層１１１Ａの材質を選択する。

なお、信号処理チップ１１１のうち、中間層１２０と隣接する所定の厚さの部分に屈折率が大きい材質の層１１１Ａを設けてもよく、信号処理チップ１１１の全体を屈折率が大きい材質で構成してもよい。層１１１Ａは窒化シリコンで構成してもよい。

本実施形態では、信号処理チップ１１１のトランジスタ１５１に発生したホットキャリアが消滅する際に発生した光を、層の境界面での全反射条件を利用して、信号処理チップ１１１から撮像チップ１１３への進行を抑制する。

ここで、図３を参照して、境界面３０１で全反射が生じる条件を説明する。光が物質の境界面を進むとき、一部の光は反射し、一部が通過する。そして、ある条件下では全ての光が反射する。すなわち、屈折率が大きい物質（屈折率がｎ３）から小さい物質（屈折率がｎ２）へ光が進むとき、屈折角が９０°になる入射角（臨界角）があり、入射角が臨界角より大きくなると全ての光が反射する全反射となる。例えば、全反射となる角度θの条件はｓｉｎθ＝ｎ２／ｎ３で表される。一方、入射角が臨界角より小さければ一部の光が境界面を通過する。

図２に戻って具体的に説明すると、信号処理チップ１１１（屈折率がｎｂ）から中間層１２０（屈折率がｎａ）へ入射する光が全反射となる角度αの条件はｓｉｎα＝ｎａ／ｎｂで与えられる。このため、中間層１２０への光の入射角がαより小さければ、信号処理チップ１１１から出射する光は境界面の透過領域１５２を通過し、中間層１２０へ入射する。一方、中間層１２０への光の入射角がαより大きければ、信号処理チップ１１１から中間層１２０へ向かう光は境界面で反射し撮像チップ１１３に至らない。このため、αが小さくなる、すなわち、ｎａが小さくｎｂが大きい材質を選択すると、信号処理チップ１１１から中間層１２０へ光が通過する透過領域１５２が小さくなる。例えば、信号処理チップ１１１の層１１１Ａを窒化珪素（屈折率が２．０）で形成し、中間層１２０を酸化珪素（屈折率が１．４６）で形成するとよい。このとき、全反射条件のαは４６．８°になる。また、信号処理チップ１１１の層１１１Ａを窒化珪素（屈折率が２．０）で形成し、中間層１２０を空気層（屈折率が１．０）で形成してもよい。このとき、全反射条件のαは３０°になる。

また、第１の実施形態では、中間層１２０を厚くし、信号処理チップ１１１と撮像チップ１１３との距離を離すとよい。また、中間層１２０に光の吸収が大きい材料を使用するとよい。これによって、信号処理チップ１１１内で発生した光を減衰させ、撮像チップ１１３のＰＤ１０４に到達する光の量を低減できる。

なお、中間層１２０の屈折率（ｎａ）、層１１１Ａの屈折率（ｎｂ）、層１１１Ｂの屈折率（ｎｃ）の関係は、ｎａ＜ｎｂかつｎｃ＜ｎｂであることが望ましい。

以上に説明したように、第１の実施形態では、信号処理チップ１１１と中間層１２０との境界面で全反射を生じる領域を大きくし、信号処理チップ１１１から中間層１２０へ入射する光の量を抑制できる。

図４は、第２の実施形態の裏面照射型の撮像素子１００の断面図である。

第２の実施形態において、前述した実施形態と同じ構成には同じ符号を付し、それらの説明は省略する。また、図１に示す裏面照射型の撮像素子１００の基本構成は、第２の実施形態でも同じである。

第２の実施形態では、信号処理チップ１１１の撮像チップ１１３側の面に深さ方向の断面が円弧状の凹部１５３を設け、透過領域１５２を小さくする。凹部１５３によって信号処理チップ１１１と撮像チップ１１３との境界面が信号処理チップ１１１側に凹んでいるので、トランジスタ１５１から凹部１５３へ入社する光は、当該境界面への入射角が大きくなる。このため、全反射する範囲が広がり、透過領域１５２が小さくなる。

凹部１５３は、トランジスタ１５１の近傍（すなわち、トランジスタ１５１から発せられる光が短距離で到達する場所）に設けるとよい。凹部１５３とトランジスタ１５１とは１対１で設けても、１対多で設けてもよい。すなわち、一つの凹部１５３の下に複数のトランジスタ１５１を設けてもよい。

凹部１５３は、等方性エッチングで信号処理チップ１１１の表面を凹ませて形成できる。

ここで、図５を参照して、凹部による光の進行方向の変化を説明する。平坦な境界面３０１に入射角θ１で入射した光は、境界面３０１上に設けられた凹部３０２の曲面に当たって反射し、水平に近い方向に進行する。そして、反対面３０３に到達したときの入射角はθ２となる。図から分かるように、θ２はθ１より大きい。このため、物質内を進行する光は、２回目の反射において全反射しやすくなり、当該物質の外部へ到達しにくくなる。

図４に戻って具体的に説明すると、第２の実施形態の撮像素子１００には、撮像チップ１１３と信号処理チップ１１１との間に、信号処理チップ１１１と隣接して中間層１２０を設けられている。すなわち、中間層１２０が信号処理チップ１１１の凹部１５３に陥入する。中間層１２０の屈折率（ｎａ）は、信号処理チップ１１１のうち中間層１２０と接する層の屈折率（ｎｂ）より小さくなるように、中間層１２０の材質を選択する。例えば、第１の実施形態で前述したように、中間層１２０を空気層（屈折率が１．０）、層１１１Ａをシリコン層（屈折率が３．４）や窒化珪素（屈折率が２．０）で形成するとよい。また、例えば、中間層１２０を窒化珪素（屈折率が２．０）、層１１１Ａをシリコン層（屈折率が３．４）で形成するとよい。

なお、信号処理チップ１１１のうち、中間層１２０と隣接する所定の厚さの部分に屈折率ｎｂが大きい材質の層１１１Ａを設けてもよい。

以上に説明したように、第２の実施形態では、信号処理チップ１１１の撮像チップ１１３側の表面に円弧状の凹部１５３を設けたので、信号処理チップ１１１と撮像チップ１１３との境界面を光が通過する透過領域１５２を小さくでき、信号処理チップ１１１から撮像チップ１１３へ入射する光の量を低減できる。

また、２回目の反射においては入射角が大きくなるので、信号処理チップ１１１から光が出射し難くなり、信号処理チップ１１１から撮像チップ１１３へ入射する光の量を低減できる。

図６は、第３の実施形態の裏面照射型の撮像素子１００の断面図である。

第３の実施形態において、前述した実施形態と同じ構成には同じ符号を付し、それらの説明は省略する。また、図１に示す裏面照射型の撮像素子１００の基本構成は、第３の実施形態でも同じである。

第３の実施形態では、信号処理チップ１１１と撮像チップ１１３との間に光吸収層１５４を設け、信号処理チップ１１１から撮像チップ１１３へ入射する光の量を低減する。光吸収層１５４は、赤外線の透過率が低い樹脂材料を用いるとよい。

図６に示した例では、撮像チップ１１３と信号処理チップ１１１との間に中間層１２０を設け、該中間層１２０の両側に光吸収層１５４を設けたが、該中間層１２０の片側に光吸収層１５４を設けてもよい。また、中間層１２０を設けず、信号処理チップ１１１と撮像チップ１１３との間に光吸収層１５４を設けてもよい。

以上に説明したように、第３の実施形態では、信号処理チップ１１１と撮像チップ１１３との間に光吸収層１５４を設けたので、信号処理チップ１１１から撮像チップ１１３へ入射する光の量を低減できる。

次に、表面照射型のＣＭＯＳセンサの実施形態を説明する。

図７は、第４の実施形態の表面照射型の撮像素子２００の断面図である。

第４の実施形態では、信号処理チップ２１１において、撮像チップ２１３の反対側の面に凹凸２５５を設け、トランジスタ２５１から出射された光を、図において左方向への進行を抑制し、左方に配置されたＰＤ２０４に到達する光の量を低減する。

すなわち、図７において、凹凸２５５は、右側の境界面２５５Ａが緩傾斜で左側の境界面２５５Ｂが急傾斜となる凹が連続して構成される。また、ＰＤ２０４は、図７において右側（緩斜面側）に設けられる。また、信号処理チップ２１１のトランジスタ２５１は、図７において左側（急斜面側）に設けられる。

換言すると、凹凸２５５は、鋸歯状に形成されており、フレネルレンズの表面のような形状に形成される。凹凸２５５は筋状に設けられるが、直線状に形成されても、曲線状に形成されてもよい。

凹凸２５５は、信号処理チップ１１１の表面を所望の凹凸形状に研磨して部分的に薄くすることによって形成できる。

ここで、図８を参照して、凹凸による光の進行方向の変化を説明する。凹凸の傾斜面３０４に入射角θ１で入射した光は反射し、物質内を進行する。そして、反対側の面に到達したときの入射角はθ２となる。図から分かるように、θ２はθ１より小さい。このため、物質内を進行する光は、２回目の反射において当該物質の外部へ出射し易くなり、３回目以後の反射を抑制できる。

図７に戻って具体的に説明すると、トランジスタ２５１から信号処理チップ２１１内を撮像チップ２１３に向かう光は、信号処理チップ２１１の凹凸２５５の緩斜面２５５Ａで反射し、進行方向が変わる。このとき、凹凸２５５の左右の傾斜の違いによって、信号処理チップ２１１内をＰＤ２０４の方向に向かう光の進行方向は、境界面を通過しやすい方向（すなわち、図中で垂直に近い方向）になる。一方、信号処理チップ２１１内をＰＤ２０４と逆方向に向かう光の進行方向は、全反射しやすい方向（すなわち、図中で水平に近い方向）になる。すなわち、信号処理チップ２１１内をＰＤ２０４の方向に向かう光の信号処理チップ２１１の境界面における入射角は小さくなり、被写体側に光を通過しやすくなる。このため、トランジスタ２５１からＰＤ１０４へ入射する光の量を低減できる。

第４の実施形態において、信号処理チップ１１１の凹凸２５５を設けた面側（層２１１Ｂ）の屈折率ｎｃより、中間層２２０の屈折率ｎｄを小さくするとよい。このように、境界面において、信号処理チップ１１１と中間層２２０との屈折率を変えることによって、トランジスタ１５１から出射した光がメモリチップ１１２側に通過しやすくなり、撮像チップ１１３側に到達しにくくなる。

凹凸２５５には、さらに光吸収層（図示省略）を設けてもよい。

以上に説明したように、第４の実施形態では、撮像チップ１１３の反対側の面に凹凸２５５を設け、該凹凸２５５は一方の面が緩傾斜２５５Ａで他方の面が急傾斜２５５Ｂとなる凹部が連続して構成されているので、トランジスタ１５１から出射した光の進行方向を制御して、特定の方向（ＰＤ１０４の方向）に到達する光の量を低減できる。例えば、ＰＤ１０４が配置された領域と、信号処理チップ１１１のトランジスタ１５１が配置された周辺領域とが重ならないように、撮像素子１００が形成されている場合、ＰＤ１０４が配置された側を緩傾斜２５５Ａに形成した凹部が連続して設けられることによって、当該フォトダイオードが配置されている方向に光を進行させないことができる。表面照射型のＣＭＯＳセンサでは、中央部にフォトダイオード、周辺部に信号処理回路が設けられているので、信号処理回路が配置されている領域からフォトダイオードが配置されている方向に進行する光を抑制できる。

なお、図示を省略するが、第４の実施形態を裏面照射型の撮像素子に適用してもよい。すなわち、裏面照射型撮像素子１００の信号処理チップ１１１の撮像チップ１１３と反対側の面に凹凸２５５を設けることによって、信号処理チップ１１１内の光の進行方向を制御できる。そして、特定の方向においては、信号処理チップ１１１内で発生した光を信号処理チップ１１１外へ導出して、撮像チップ１１３へ到達する光の量を抑制できる。

このとき、第１のから第３の任意の実施形態と第４の実施形態の凹凸２５５を組み合わせることができる。

次に、前述した撮像素子を用いた撮像装置の実施形態を説明する。

図９は、本実施形態の撮像装置５００の構成を示すブロック図である。

撮像装置５００は、撮影光学系としての撮影レンズ５２０を有し、撮影レンズ５２０は、光軸ＯＡに沿って入射する被写体光束を撮像素子１００へ導く。撮影レンズ５２０は、撮像装置５００に対して着脱できる交換式レンズでもよい。撮像装置５００は、撮像素子１００、システム制御部５０１、駆動部５０２、測光部５０３、ワークメモリ５０４、記録部５０５、及び表示部５０６を主に備える。

撮影レンズ５２０は、複数の光学レンズ群から構成され、被写体光束を焦点面近傍に結像させる。駆動部５０２は、システム制御部５０１からの指示に従って撮像素子１００のタイミング制御、領域制御等の制御を実行し、撮像素子１００から画素信号を出力させる機能を有する制御回路である。駆動部５０２は、撮像素子１００と組み合わされて撮像ユニットを形成する。駆動部５０２を形成する制御回路は、チップ化されて、撮像素子１００に積層されてもよい。

撮像素子１００は、画素信号をシステム制御部５０１の画像処理部５１１へ転送する。画像処理部５１１は、ワークメモリ５０４をワークスペースとして種々の画像処理を施し、画像データを生成する。例えば、ＪＰＥＧファイル形式の画像データを生成する場合は、ホワイトバランス処理、ガンマ処理等を施した後に圧縮処理を実行する。生成された画像データは、記録部５０５に記録され、表示部５０６に表示される。

測光部５０３は、画像データを生成する一連の撮影シーケンスに先立ち、シーンの輝度分布を検出する。測光部５０３は、例えば１００万画素程度のＡＥセンサを含んでもよい。システム制御部５０１の演算部５１２は、測光部５０３の出力を受けてシーンの領域ごとの輝度を算出する。演算部５１２は、算出した輝度分布に従ってシャッタ速度、絞り値、ＩＳＯ感度を決定する。なお、前記ＡＥセンサに用いられる画素を撮像素子１００内に設けてもよく、この場合には当該撮像素子１００と別の測光部５０３を設けなくてもよい。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることも可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１００、２００撮像素子、１０１マイクロレンズ、１０２カラーフィルタ、１０３パッシベーション膜、１０５トランジスタ、１０６ＰＤ層、１０７配線、１０８配線層、１０９バンプ、１１１、２１１信号処理チップ、１１２メモリチップ、１１３、２１３撮像チップ、１２０、２２０中間層、１５１、２５１トランジスタ、１５２透過領域、１５３凹部、１５４光吸収層、２５５凹凸

Claims

入射光を変換して画素信号を出力する複数の画素を含む撮像部と、
前記画素信号を処理する処理部とを備え、
前記撮像部と前記処理部とは、その間に屈折率が異なる境界面を設けるように積層されており、
前記撮像部側の層の屈折率が前記処理部側の層の屈折率より低くなるように前記境界面を構成する撮像素子。
前記処理部側に突出し、断面が円弧状の凹部を前記境界面に有する請求項１に記載の撮像素子。
前記撮像部において画素が配置された第１領域と、前記処理部において前記画素信号を処理するトランジスタが配置された第２領域とが重ならないように、前記撮像部と前記処理部とが積層されており、
曲線又は直線の筋状の凹部を前記境界面に有し、
前記凹部は、前記第１領域側が緩傾斜で他の側が急傾斜に形成され、連続して複数設けられる請求項１に記載の撮像素子。
請求項１から請求項３のいずれか一つに記載の撮像素子を用いた撮像装置。