表面照射型・裏面照射型・積層型イメージセンサの違い：構造・感度・速度を比較
CMOSイメージセンサは、光をどちらの面から入れるか、回路をどこに置くかで3つの構造に分けられます。表面照射型(FSI)は、配線層のある表面から光を入れるため、光の一部が配線にさえぎられます。裏面照射型(BSI)は、ウエハを裏返して数 µmまで薄くし、配線のない裏面から光を入れるので、小さな画素でも感度を確保できます。積層型は、BSIの画素のチップを、読み出しや画像処理の回路を持つロジックのチップと貼り合わせた構造で、チップを小さくし、読み出しを速くできます。
| 項目 | 表面照射型(FSI) | 裏面照射型(BSI) | 積層型 |
|---|---|---|---|
| 光の入る側 | 配線層のある表面側。マイクロレンズ、カラーフィルタ、何層もの配線の間を通ってフォトダイオードに届く | 配線層の反対側(裏面)。配線を通らずにフォトダイオードに届く | 裏面。画素のチップはBSIの構造 |
| 基本の構造 | 1枚のシリコン基板に、画素と周辺回路をつくる | 表面の工程のあと、支持ウエハに貼り合わせ、元の基板を数 µmまで薄くする | 画素のウエハと、読み出し・AD変換・画像処理を行うロジックのウエハを貼り合わせる。支持ウエハの代わりにロジックのウエハを使う |
| 開口率と感度 | 配線が光の一部をさえぎり、画素が小さいほど感度が下がりやすい | 画素面積のほぼ全体で光を受けられ、感度が高い | BSIと同等 |
| 斜めに入る光 | 光が通る層が厚く、斜めの光が失われやすい | 光路が短く、斜めの光に強い | BSIと同等 |
| 配線の自由度 | 配線を光路から外す必要があり、層数や配置に制約がある | 光学的な制約がなく、配線層を増やせる | 回路の多くをロジックのチップに移せる |
| 周辺回路の置き場所 | 画素アレイの周りに、画素と同じプロセスでつくる | 画素アレイの周りに、画素と同じプロセスでつくる | 画素の下のロジックのチップに置き、ロジックに適した微細なプロセスでつくれる。メモリのチップを加えた3層の例もある |
| チップ面積 | 周辺回路の分だけ、画素領域より大きい | 周辺回路の分だけ、画素領域より大きい | 回路が画素の下に入るので、小さくできる |
| 読み出しの速さと機能 | 標準的 | 標準的 | 回路を増やしやすく、高速読み出し、高いフレームレート、HDRなどの処理を載せやすい |
| 製造の難しさ | 最も簡単で安い | 貼り合わせ、薄化、裏面の表面処理(パッシベーション)が必要 | BSIの工程に加え、ウエハどうしの接合と電気的な接続(TSVやCu-Cuのハイブリッドボンディング)が必要で、最も複雑 |
| 主な課題 | 画素の微細化に限界がある | 裏面の欠陥による暗電流、薄いシリコンでの隣の画素へのクロストーク(DTIで抑える)、赤や近赤外の感度の低下 | BSIの課題に加え、接合の歩留まりや、ロジックの発熱が暗電流やノイズに与える影響 |
| 主な用途 | 画素の大きい産業用や低コストのセンサ | スマートフォンやデジタルカメラなど、小さな画素で感度が必要なセンサ | 高性能なスマートフォン、高速撮影のカメラ、車載など、速度と小型化が必要なセンサ |
数値は代表的な目安で、世代や製品によって異なります。