KR20170078627A - 고체 촬상 장치, 카메라 모듈, 및, 전자 기기 - Google Patents

고체 촬상 장치, 카메라 모듈, 및, 전자 기기 Download PDF

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KR20170078627A
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코스케 하레야마
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소니 주식회사
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Abstract

본 기술은, 고체 촬상 장치의 외관상의 부적합함을 억제할 수 있도록 하는 고체 촬상 장치, 카메라 모듈, 및, 전자 기기에 관한 것이다. 광전 변환 소자를 갖는 복수의 화소가 형성된 반도체 기판과, 반도체 기판의 상방에, 화소에 대응하여 형성되는 온 칩 렌즈를 구비하고, 온 칩 렌즈가 형성된 영역은, 복수의 화소로 이루어지는 촬상 영역에 대해 외측의 영역이 되는 외주 영역으로 확장되어 있는 고체 촬상 장치가 제공된다. 본 기술은, 예를 들면 CMOS 이미지 센서 등의 고체 촬상 장치에 적용할 수 있다.

Description

고체 촬상 장치, 카메라 모듈, 및, 전자 기기{SOLID-STATE IMAGING DEVICE, CAMERA MODULE, AND ELECTRONIC DEVICE}
본 기술은, 고체 촬상 장치, 카메라 모듈, 및, 전자 기기에 관한 것으로, 특히, 외관상의 부적합함을 억제할 수 있도록 한 고체 촬상 장치, 카메라 모듈, 및, 전자 기기에 관한 것이다.
CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서 등의 고체 촬상 장치에서는, 광의 입사면의 상방에 형성된 온 칩 렌즈(OCL : On Chip Lens)에 의해 집광이 행하여지고 있다(예를 들면, 특허 문헌 1 참조).
특허 문헌 1 : 일본국 특개2014-72471호 공보
그런데, 고체 촬상 장치에서, 온 칩 렌즈가 형성된 영역보다도 외측의 평탄한 영역에서는, 열이나 흡습 등에 의한 수지 팽창의 영향을 받아, 수지가 파형화되는(波打つ) 등의 외관상의 부적합함이 발생하는 일이 있다. 그 때문에, 이와 같은 외관상의 부적합함을 억제하고 싶다는 요청이 있다.
본 기술은 이와 같은 상황을 감안하여 이루어진 것으로, 고체 촬상 장치에서, 수지가 파형화되는 등의 외관상의 부적합함을 억제하는 것이다.
본 기술의 제1의 측면의 고체 촬상 장치는, 광전 변환 소자를 갖는 복수의 화소가 형성된 반도체 기판과, 상기 반도체 기판의 상방에, 상기 화소에 대응하여 형성되는 온 칩 렌즈를 구비하고, 상기 온 칩 렌즈가 형성된 영역은, 상기 복수의 화소로 이루어지는 촬상 영역에 대해 외측의 영역이 되는 외주 영역으로 확장되어 있는 고체 촬상 장치이다.
본 기술의 제1의 측면의 고체 촬상 장치에서는, 광전 변환 소자를 갖는 복수의 화소가 형성된 반도체 기판과, 상기 반도체 기판의 상방에, 상기 화소에 대응하여 형성되는 온 칩 렌즈가 마련되어 있다. 또한, 상기 온 칩 렌즈가 형성된 영역은, 상기 복수의 화소로 이루어지는 촬상 영역에 대해 외측의 영역이 되는 외주 영역으로 확장되어 있다.
본 기술의 제2의 측면의 카메라 모듈은, 고체 촬상 장치와, 광학계 렌즈와, 신호 처리 장치를 구비하고, 상기 고체 촬상 장치는, 광전 변환 소자를 갖는 복수의 화소가 형성된 반도체 기판과, 상기 반도체 기판의 상방에, 상기 화소에 대응하여 형성되는 온 칩 렌즈를 가지며, 상기 온 칩 렌즈가 형성된 영역은, 상기 복수의 화소로 이루어지는 촬상 영역에 대해 외측의 영역이 되는 외주 영역으로 확장되어 있는 카메라 모듈이다.
본 기술의 제2의 측면의 카메라 모듈에서는, 고체 촬상 장치와, 광학계 렌즈와, 신호 처리 장치가 마련되어 있다. 또한, 상기 고체 촬상 장치에는, 광전 변환 소자를 갖는 복수의 화소가 형성된 반도체 기판과, 상기 반도체 기판의 상방에, 상기 화소에 대응하여 형성되는 온 칩 렌즈가 마련되고, 상기 온 칩 렌즈가 형성된 영역은, 상기 복수의 화소로 이루어지는 촬상 영역에 대해 외측의 영역이 되는 외주 영역으로 확장되어 있다.
본 기술의 제3의 측면의 전자 기기는, 광전 변환 소자를 갖는 복수의 화소가 형성된 반도체 기판과, 상기 반도체 기판의 상방에, 상기 화소에 대응하여 형성되는 온 칩 렌즈를 가지며, 상기 온 칩 렌즈가 형성된 영역은, 상기 복수의 화소로 이루어지는 촬상 영역에 대해 외측의 영역이 되는 외주 영역으로 확장되어 있는 고체 촬상 장치를 구비하는 전자 기기이다.
본 기술의 제3의 측면의 전자 기기에서는, 광전 변환 소자를 갖는 복수의 화소가 형성된 반도체 기판과, 상기 반도체 기판의 상방에, 상기 화소에 대응하여 형성되는 온 칩 렌즈가 마련되고, 상기 온 칩 렌즈가 형성된 영역은, 상기 복수의 화소로 이루어지는 촬상 영역에 대해 외측의 영역이 되는 외주 영역으로 확장되어 있는 고체 촬상 장치가 마련된다.
본 기술의 제1의 측면 내지 제3의 측면에 의하면, 고체 촬상 장치에서, 수지가 파형화되는 등의 외관상의 부적합함을 억제할 수 있다.
또한, 여기에 기재된 효과는 반드시 한정되는 것이 아니고, 본 개시 중에 기재된 어느 하나의 효과라도 좋다.
도 1은 고체 촬상 장치의 구성례를 도시하는 도면.
도 2는 고체 촬상 장치의 일부분을 확대하여 도시한 단면도.
도 3은 온 칩 렌즈 형성 영역과 플랫 영역의 경계에서 발생하는 파형화(波打ち) 현상을 설명하는 단면도.
도 4는 파형화 현상의 구체례를 도시하는 도면.
도 5는 파형화 현상을 회피하기 위한 구조를 도시한 단면도.
도 6은 구조체를 형성하는 주변의 유기물층을 제거한 구조를 도시한 단면도.
도 7은 본 기술을 적용 전의 모드(B)에서의 응력의 해석 결과를 도시하는 사시도.
도 8은 본 기술을 적용 전의 모드(B)에서의 응력의 해석 결과를 도시하는 사시도.
도 9는 본 기술을 적용 후의 모드(B)에서의 응력의 해석 결과를 도시하는 사시도.
도 10은 본 기술을 적용 후의 모드(A)에서의 응력의 해석 결과를 도시하는 사시도.
도 11은 본 기술의 적용 전후에서의 모드(A, B)의 응력과 파형화 현상과의 관계를 도시하는 도면.
도 12는 온 칩 렌즈 형성 영역에서의 모따기(面取り) 구조를 확대하여 도시한 상면도.
도 13은 온 칩 렌즈 형성 영역에서의 모따기 구조를 확대하여 도시한 상면도.
도 14는 타원형의 형상으로 이루어지는 온 칩 렌즈 형성 영역의 구조를 도시한 상면도.
도 15는 소정의 곡률을 갖는 형상으로 이루어지는 온 칩 렌즈 형성 영역의 구조를 도시한 상면도.
도 16은 고체 촬상 장치를 갖는 카메라 모듈의 구성례를 도시하는 도면.
도 17은 고체 촬상 장치를 갖는 전자 기기의 구성례를 도시하는 도면.
도 18은 고체 촬상 장치의 사용례를 도시하는 도면.
이하, 도면을 참조하면서 본 기술의 실시의 형태에 관해 설명한다. 또한, 설명은 이하의 순서로 행하는 것으로 한다.
1. 고체 촬상 장치의 구성
2. 카메라 모듈의 구성
3. 전자 기기의 구성
4. 고체 촬상 장치의 사용례
<1. 고체 촬상 장치의 구성>
(고체 촬상 장치의 구성)
도 1은, 고체 촬상 장치의 구성례를 도시하는 도면이다.
도 1의 고체 촬상 장치(10)는, 예를 들면, CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서 등의 이미지 센서이다. 고체 촬상 장치(10)는, 광학 렌즈계(부도시)를 통하여 피사체로부터의 입사광(상광(像光))을 취입하여, 촬상면상에 결상된 입사광의 광량을 화소 단위로 전기 신호로 변환하여 화소 신호로서 출력한다.
도 1에서, 고체 촬상 장치(10)는, 화소 어레이부(21), 수직 구동 회로(22), 칼럼 신호 처리 회로(23), 수평 구동 회로(24), 출력 회로(25), 제어 회로(26), 및, 입출력 단자(27)를 포함하여 구성된다.
화소 어레이부(21)에는, 단위 화소(31)가 2차원 어레이형상으로 배열된다. 단위 화소(31)는, 광전 변환 소자로서의 포토 다이오드와, 복수의 화소 트랜지스터를 갖고서 구성된다.
수직 구동 회로(22)는, 예를 들면 시프트 레지스터에 의해 구성되고, 소정의 화소 구동 배선(41)을 선택하여, 선택된 화소 구동 배선(41)에 단위 화소(31)를 구동하기 위한 펄스를 공급하고, 행 단위로 단위 화소(31)를 구동한다. 즉, 수직 구동 회로(22)는, 화소 어레이부(21)의 각 단위 화소(31)를 행 단위로 순차적으로 수직 방향으로 선택 주사하고, 각 단위 화소(31)의 포토 다이오드에서 수광량에 응하여 생성된 신호 전하에 의거한 화소 신호를, 수직 신호선(42)을 통하여 칼럼 신호 처리 회로(23)에 공급한다.
칼럼 신호 처리 회로(23)는, 단위 화소(31)의 열마다 배치되어 있고, 1행분의 단위 화소(31)로부터 출력되는 신호를 화소열마다 노이즈 제거 등의 신호 처리를 행한다. 예를 들면, 칼럼 신호 처리 회로(23)는, 화소 고유의 고정 패턴 노이즈를 제거하기 위한 CDS(Correlated Double Sampling : 상관 2중 샘플링) 및 AD(Analog Digital) 변환 등의 신호 처리를 행한다.
수평 구동 회로(24)는, 예를 들면 시프트 레지스터에 의해 구성되고, 수평 주사 펄스를 순차적으로 출력함에 의해, 칼럼 신호 처리 회로(23)의 각각을 순번대로 선택하여, 칼럼 신호 처리 회로(23)의 각각으로부터 화소 신호를 수평 신호선(43)에 출력시킨다.
출력 회로(25)는, 칼럼 신호 처리 회로(23)의 각각으로부터 수평 신호선(43)을 통하여 순차적으로 공급되는 신호에 대해, 신호 처리를 행하여 출력한다. 출력 회로(25)는, 예를 들면, 버퍼링만 하는 경우도 있고, 흑레벨 조정, 열편차 보정, 각종 디지털 신호 처리 등이 행하여지는 경우도 있다.
제어 회로(26)는, 입력 클록 신호와, 동작 모드 등을 지령하는 데이터를 수취하고, 또한, 고체 촬상 장치(10)의 내부 정보 등의 데이터를 출력한다. 즉, 제어 회로(26)는, 수직 동기 신호, 수평 동기 신호, 및, 마스터 클록 신호에 의거하여, 수직 구동 회로(22), 칼럼 신호 처리 회로(23), 및, 수평 구동 회로(24) 등의 동작의 기준이 되는 클록 신호나 제어 신호를 생성한다. 제어 회로(26)는, 생성한 클록 신호나 제어 신호를, 수직 구동 회로(22), 칼럼 신호 처리 회로(23), 및, 수평 구동 회로(24) 등에 출력한다.
입출력 단자(27)는, 외부와 신호의 교환을 행한다.
이상과 같이 구성되는, 도 1의 고체 촬상 장치(10)는, CDS 처리와 AD 변환 처리를 행하는 칼럼 신호 처리 회로(23)가 화소열마다 배치된 칼럼 AD 방식이라고 불리는 CMOS 이미지 센서가 된다.
(고체 촬상 장치의 상세 구조)
다음에, 도 1의 고체 촬상 장치(10)의 상세 구조에 관해 설명한다. 도 2는, 고체 촬상 장치(10)의 일부분을 확대하여 도시한 단면도이다.
도 2에서, 고체 촬상 장치(10)는, 반도체 기판(101)과, 그 상방에 형성된 집광층(102)으로 구성된다. 반도체 기판(101)에서, 실리콘 기판(111) 내에는, PN 접합에 의해 형성된 포토 다이오드(112)가, 단위 화소(31)마다 형성되어 있다.
또한, 도시는 생략되어 있는데, 실리콘 기판(111)에는, 전송 트랜지스터 등의 복수의 화소 트랜지스터나 메모리부 등도 형성되어 있다. 또한, 집광층(102)에 형성된 개구부에는, 패드 전극(113)이 형성되어 있고, 와이어를 통하여 외부 전극과 접속된다.
또한, 반도체 기판(101)의 상방(상면)에는, 집광층(102)으로서, 실리콘산화질화(SiON)막 등으로 이루어지는 무기막(121)과, 그 평탄화막(122)을 통하여, 컬러 필터(123)나 반사 방지막(125)이 형성되어 있다. 또한, 컬러 필터(123)와 반사 방지막(125)과의 사이에는, 렌즈 수지막(124)이 형성되어 있다. 이와 같이, 컬러 필터(123)상에 적층된 렌즈 수지막(124)이나 반사 방지막(125) 등에 의해, 단위 화소(31)에 대응한 온 칩 렌즈가 형성되게 된다.
(파형화(波打ち) 현상의 발생 원인과 그 회피 방법)
상술한 바와 같이, 고체 촬상 장치에서, 온 칩 렌즈가 형성된 영역(이하, 「온 칩 렌즈 형성 영역(AO)」이라고 한다)보다도 외측의 평탄한 영역(이하, 「플랫 영역(AF)」이라고 한다)에서는, 열이나 흡습(吸濕) 등에 의한 수지 팽창의 영향을 받아서, 수지가 파형화되는 등의 현상(이하, 「파형화 현상」이라고 한다)이 생기는 일이 있다. 이런 종류의 파형화 현상이 발생하면, 수지가 파형화되어 버려, 고체 촬상 장치의 외관상의 부적합함이 생기게 된다.
예를 들면, 도 3에는, 고체 촬상 장치(10)에서, 온 칩 렌즈 형성 영역(AO)과 플랫 영역(AF)과의 경계의 단면도를 도시하고 있다. 또한, 도 3에서는, 반도체 기판(101)의 상방(상면)에 형성된 집광층(102)만이 도시되어 있다.
도 3에서, 온 칩 렌즈 형성 영역(AO)은, 복수의 단위 화소(31)로 이루어지는 영역(이하, 「촬상 영역(AI)」이라고 한다)에 형성되고, 플랫 영역(AF)은, 촬상 영역AI)에 대한 외측의 영역(이하, 「외주 영역(AP)」이라고 한다)에 형성되어 있다.
여기서, 도 3에서, 온 칩 렌즈 형성 영역(AO)과 플랫 영역(AF)과의 경계에서는, 도면 중의 화살표로 표시한 응력(S)이 집중하여 걸림으로써, 그 응력 집중점의 주변의 플랫 영역(AF)에서, 파형화 현상이 발생하는 것이, 본 기술의 발명자에 의한 상세한 시뮬레이션의 결과에 의해 발견되었다.
도 4에는, 온 칩 렌즈 형성 영역(AO)과 플랫 영역(AF)과의 경계에서 발생한 파형화 현상을 도시하고 있다. 도 4에서, 원(C)으로 둘러싸인 영역에서는, 응력 집중에 의해 파형화 현상이 발생하고 있다. 즉, 파형화 현상은, 온 칩 렌즈 형성 영역(AO)의 내측의 영역에서는 발생하지 않고, 온 칩 렌즈 형성 영역(AO)과 플랫 영역(AF)과의 경계에서만 발생하고 있게 된다. 구체적으로는, 온 칩 렌즈 형성 영역(AO)과 플랫 영역(AF)과의 경계에는, 슬릿 영역(AS)이 형성되어 있는데, 이 슬릿 영역(AS)의 에지에서, 응력 집중이 일어남으로써, 플랫 영역(AF)에서 파형화 현상이 발생하게 된다.
이와 같이, 파형화 현상은, 온 칩 렌즈 형성 영역(AO)과 플랫 영역(AF)과의 경계에서의 응력 집중에 기인하여 발생하기 때문에, 이 응력 집중이 일어나지 않도록 하면, 파형화 현상의 발생을 억제할 수 있다. 구체적으로는, 도 5에 도시하는 바와 같이, 온 칩 렌즈 형성 영역(AO)을, 그 구조상 가능한 한, 외주 영역(AP)측으로 확장하여(도 5에서는 에칭의 단(端)까지 확장하여), 응력 집중이 일어나지 않도록 하면 좋다.
도 5에서, 온 칩 렌즈 형성 영역(AO)은, 촬상 영역(AI)과 외주 영역(AP)에 형성되어 있다. 즉, 도 5의 단면 구조에서는, 도 3의 단면 구조에 비하여, 5개였던 온 칩 렌즈가, 외주 영역(AP)측으로 2개 증가하여 7개가 되고, 온 칩 렌즈 형성 영역(AO)이 확장되는 한편, 플랫 영역(AF)은 소멸하여 있다.
그리고, 온 칩 렌즈 형성 영역(AO)이 확장됨으로써, 온 칩 렌즈 형성 영역(AO)과 플랫 영역(AF)과의 경계(슬릿 영역(AS)의 에지)에서의 응력 집중이 회피되고, 결과로서 파형화 현상을 억제할 수 있다.
또한, 도 3 및 도 5의 단면 구조에서는, 도 2의 단면 구조에 비하여, 패드 전극(113)의 개구부의 주변에서, 반사 방지막(125) 등의 유기물층이 제거되어 있다. 이에 의해, 예를 들면, CSP(Chip Size Package)나 웨이퍼 레벨 CSP(WCSP : Wafer level Chip Size Package) 등에서, 센서면에 리브 등의 구조체(151)(도 6)를 배치하는 경우에, 당해 유기물층이 제거된 영역에, 구조체(151)(도 6)를 배치할 수 있다. 특히, 칩의 최표층에 반사 방지막(125)이 형성되어 있는 경우에, 이와 같은 구조를 채용할 수 있다.
도 6에서는, 유기물층이 제거된 영역에 배치된 구조체(151)에 의해, 유리(152)가 고정되어 있다. 또한, 패드 전극(113)은, 와이어(153)를 통하여 외부 전극과 접속되어 있다.
(시뮬레이션의 상세한 내용)
다음에, 도 7 내지 도 11을 참조하여, 상술한 시뮬레이션의 상세한 내용에 관해 설명한다.
또한, 파형화 현상은, 온 칩 렌즈 형성 영역(AO)과 플랫 영역(AF)과의 경계(슬릿 영역(AS)의 에지)에서의 응력 집중에 기인하여 발생하는 것은 앞서 말하였지만, 본 기술의 발명자에 의해, 플랫 영역(AF)에서의 배선 패턴의 영향을 받는 영역에서도 파형화 현상이 발생하는 것이 확인되어 있다. 여기서는, 설명의 편의상, 이 배선 패턴의 영향을 받는 영역에서의 시뮬레이션을, 「모드(A)」라고 칭하고, 상술한 온 칩 렌즈 형성 영역(AO)과 플랫 영역(AF)과의 경계에서의 시뮬레이션을, 「모드(B)」라고 칭하여 설명하기로 한다.
(본 기술의 적용 전의 모드(B)의 해석 결과)
도 7과, 도 8은, 본 기술을 적용 전(前)의 모드(B)에서의 응력의 해석 결과를 도시하는 사시도이다.
도 7에서는, 온 칩 렌즈 형성 영역(AO)의 확장은 행하여져 있지 않고, 외주 영역(AP)에는, 플랫 영역(AF)이 형성되어 있다. 또한, 도 7에서, 도면 중의 좌측의 축은 응력의 값을 나타내고 있고, 각 영역에서는, 그 응력의 값의 범위가, 농담의 변화로 표시되어 있다. 즉, 온 칩 렌즈 형성 영역(AO)과 플랫 영역(AF)과의 경계(슬릿 영역(AS)의 에지)에서, 테두리(F1) 내의 영역에서는, 응력 집중이 일어나고 있게 된다.
또한, 도 8에서, 온 칩 렌즈 형성 영역(AO)과 플랫 영역(AF)과의 경계(슬릿 영역(AS)의 에지)에서의 테두리(F2) 내의 영역에서는, 도 7의 테두리(F1) 내의 영역과 마찬가지로, 응력 집중이 일어나 있고, 파형화 현상이 발생하고 있다. 한편, 도 8에서, 온 칩 렌즈 형성 영역(AO)상의 테두리(F3) 내의 영역에서는, 최대로 951㎫의 응력이 걸려 있지만, 파형화 현상은 발생하지 않는다.
즉, 도 8에서, 테두리(F3) 내의 영역쪽이, 테두리(F2) 내의 영역보다도 응력의 최대치가 큼에도 불구하고, 테두리(F3) 내의 영역에서는, 응력에 기인한 파형화 현상은 발생하고 있지 않다. 이것은, 온 칩 렌즈 형성 영역(AO)상의 테두리(F3) 내의 영역에서의 응력에 기인한 파형화 현상이 발생하지 않았던 것이기 때문에, 온 칩 렌즈 형성 영역(AO)상의 영역으로서, 테두리(F3) 내의 영역에서의 응력의 최대치(951㎫)보다도, 작은 응력이 걸려 있는 영역이라면, 그 영역에서의 응력에 기인한 파형화 현상은 발생하지 않는다는 결론(가설)을 유도할 수 있다. 이하, 이 가설에 의거한 시뮬레이션의 결과에 관해 기술한다.
(본 기술의 적용 후의 모드(B)의 해석 결과)
도 9는, 본 기술을 적용 후의 모드(B)에서의 응력의 해석 결과를 도시하는 사시도이다.
도 9에서, 온 칩 렌즈 형성 영역(AO)상의 테두리(F4) 내의 영역에서는, 최대로 940㎫의 응력이 걸려 있지만, 도 8의 테두리(F3) 내의 영역에서의 응력의 최대치(951㎫)보다도 작기 때문에, 파형화 현상은 발생하지 않는 것이 확인되었다. 또한, 도 9에서, 외주 영역(AP)까지 확장된 온 칩 렌즈 형성 영역(AO)(온 칩 렌즈 확장 영역)상의 테두리(F5) 내의 영역에서는, 최대로 816㎫의 응력이 걸려 있지만, 도 8의 테두리(F3) 내의 영역에서의 응력의 최대치(951㎫)보다도 작기 때문에, 파형화 현상은 발생하지 않는 것이 확인되었다.
(본 기술의 적용 후의 모드(A)의 해석 결과)
도 10은, 본 기술을 적용 후의 모드(A)에서의 응력의 해석 결과를 도시하는 사시도이다.
도 10에서, 온 칩 렌즈 형성 영역(AO)상의 테두리(F6) 내에서, 배선 패턴(171)의 영향을 받는 영역에서는, 최대로 236㎫의 응력이 걸려 있지만, 도 8의 테두리(F3) 내의 영역에서의 응력의 최대치(951㎫)보다도 작기 때문에, 파형화 현상은 발생하지 않는 것이 확인되었다.
(본 기술의 적용 전후의 응력과 파형화 현상과의 관계)
도 11은, 상술한 본 기술의 적용 전후에서의 모드(A, B)의 응력과 파형화 현상과의 관계를 도시하는 도면이다. 도 11에서, 종축은, 응력의 값(단위 : ㎫)을 나타내고 있다. 또한, 횡축은, 본 기술의 적용 전후에서의 모드(A, B)에서의, 응력의 해석 대상으로 된 촬상 영역(AI) 또는 외주 영역(AP)상의 영역을 나타내고 있다. 즉, 촬상 영역(AI)에는, 온 칩 렌즈 형성 영역(AO)이 형성되어 있는데, 외주 영역(AP)에서는, 본 기술의 적용 전이라면 플랫 영역(AF)이 형성되고, 본 기술의 적용 후이라면 온 칩 렌즈 형성 영역(AO)이 형성되게 된다.
도 11에서, 본 기술의 적용 전의 모드(B)에서의 촬상 영역(AI)(도 8의 테두리(F3) 내의 영역)에서는, 최대로 951㎫의 응력이 걸려 있지만, 파형화 현상은 발생하지 않는다. 따라서 온 칩 렌즈 형성 영역(AO)상의 영역에서, 951㎫인 응력보다도, 작은 응력이 걸려 있는 영역이라면, 파형화 현상은 발생하지 않는다는 가설을 유도할 수 있다.
또한, 도 11에서, 본 기술을 적용 후의 모드(B)에서의 촬상 영역(AI)(도 9의 테두리(F4) 내의 영역)에서는, 최대로 940㎫의 응력이 걸려 있지만, 파형화 불발생의 영역(도 8의 테두리(F3) 내의 영역)에서의 응력의 최대치(951㎫)보다도 작기 때문에, 파형화 현상은 발생하지 않는 것이 확인되었다. 한편, 본 기술을 적용 후의 모드(B)에서의 외주 영역(AP)(도 9의 테두리(F5) 내의 영역)에서는, 최대로 816㎫의 응력이 걸려 있지만, 파형화 불발생의 영역(도 8의 테두리(F3) 내의 영역)에서의 응력의 최대치(951㎫)보다도 작기 때문에, 파형화 현상은 발생하지 않는 것이 확인되었다.
또한, 도 11에서, 본 기술을 적용 후의 모드(A)에서의 외주 영역(AP)(도 10의 테두리(F6) 내의 영역)에서는, 최대로 236㎫의 응력이 걸려 있지만, 파형화 불발생의 영역(도 8의 테두리(F3) 내의 영역)에서의 응력의 최대치(951㎫)보다도 작기 때문에, 파형화 현상은 발생하지 않는 것이 확인되었다.
이상의 시뮬레이션에 의해, 온 칩 렌즈 형성 영역(AO)과 플랫 영역(AF)과의 경계(슬릿 영역(AS)의 에지)에서 응력 집중이 일어남으로써, 파형화 현상이 발생하는 것과, 온 칩 렌즈 형성 영역(AO)을 확장함으로써, 온 칩 렌즈 형성 영역(AO)과 플랫 영역(AF)과의 경계(슬릿 영역(AS)의 에지)에서의 응력 집중이 회피되고, 결과로서 파형화 현상을 억제할 수 있음이 확인되었다.
(온 칩 렌즈 형성 영역(AO)의 변형례)
상술한 설명에서는, 온 칩 렌즈 형성 영역(AO)을, 그 구조상 가능한 한 외주 영역(AP)으로 확장함으로써, 응력 집중이 일어나지 않도록 하였지만, 파형화 현상의 원인인 응력 집중이 일어나지 않는다면, 상술한 형태 이외의 다른 형태를 채용하도록 하여도 좋다. 즉, 온 칩 렌즈 형성 영역(AO)과 플랫 영역(AF)과의 경계(슬릿 영역(AS)의 에지)에서, 파형화 현상의 원인인 응력 집중만 일어나지 않으면 좋기 때문에, 온 칩 렌즈 형성 영역(AO)은, 다양한 형태를 채용할 수 있다.
(모따기(面取り)된 형상)
예를 들면, 도 12의 A에서는, 온 칩 렌즈 형성 영역(AO)에서의, 8×8의 온 칩 렌즈로 이루어지는 단부(端部)의 영역(예를 들면, 사각형의 영역의 좌상각(左上角))을 확대하여 나타내고 있다. 여기서, 도 12의 B에 도시하는 바와 같이, 온 칩 렌즈 형성 영역(AO)에서의 단부의 영역(이하, 「단부 영역(AE)」이라고 한다)에서, 좌상각의 부근의 온 칩 렌즈(이 예에서는, 10개의 온 칩 렌즈)를 경사 방향으로 제거하여, 모따기를 행하도록 한다.
또한, 도 12의 B에서는, 온 칩 렌즈 형성 영역(AO)(사각형의 영역)의 4모퉁이(隅) 중의 1모퉁이(좌상각(左上角))를 예시하고 있지만, 나머지 모퉁이(좌하각, 우상각, 및, 우하각)에 대해서도, 마찬가지로 경사 방향으로 온 칩 렌즈를 제거하여 모따기가 행하여지도록 한다.
이에 의해, 사각형의 형상으로 이루어지는 온 칩 렌즈 형성 영역(AO)에서는, 그 4모퉁이가 모따기되게 된다. 즉, 온 칩 렌즈 형성 영역(AO)을 사각형의 형상으로 한 경우, 그 단부에 응력이 집중하여 버려, 파형화 현상이 발생할 가능성이 있지만, 모따기를 행함으로써, 응력의 집중을 완화하여, 파형화 현상의 발생을 억제할 수 있다.
또한, 도 12의 B(도 13의 A)의 온 칩 렌즈 형성 영역(AO)의 단부 영역(AE)을, 온 칩 렌즈 단위로 보면, 사각형 구조로 되어 있기 때문에, 이것을 피하기 위해서는, 모따기된 단부 영역(AE)에, 단위 화소(31)에 대응하여 형성되는 온 칩 렌즈보다도 사이즈(지름(徑))가 작은 온 칩 렌즈를 더욱 마련하여, 보다 미세한 사각형 구조가 되도록 하면 좋다.
예를 들면, 도 13의 B에서, 온 칩 렌즈 형성 영역(AO)의 단부 영역(AE)에는, 온 칩 렌즈를 4분할한 크기로 이루어지는 복수의 4분할 온 칩 렌즈가, 경사 방향으로 제거된 온 칩 렌즈의 위치에 맞추어서 배치되어 있다. 여기서는, 3개의 4분할 온 칩 렌즈를 1조(祖)로하여, 4조의 4분할 온 칩 렌즈를, 역L자형으로 배치함으로써, 보다 매끈하게 모따기되게 된다.
또한, 마찬가지로 하여, 4분할 온 칩 렌즈를 더욱 4분할한 16분할 온 칩 렌즈를, 3개를 1조로 하여 역L자형으로 배치함으로서, 더욱 매끈하게 모따기되게 된다. 즉, 온 칩 렌즈의 4분할을 반복하여, 순차적으로, 3개를 일조로 하여 역L자형으로, 단부 영역(AE)에 배치하여 감으로써, 보다 완전한 모따기에 근접하게 된다. 또한, 여기서도, 온 칩 렌즈 형성 영역(AO)의 4모퉁이 중의 1모퉁이(좌상각)를 예시하였지만, 나머지 3모퉁이(좌하각, 우상각, 및, 우하각)에 대해서도 마찬가지로 모따기가 행하여지게 된다.
(원형 또는 타원형의 형상)
또한, 확장 후의 온 칩 렌즈 형성 영역(AO)은, 촬상 영역(AI)과 같은 사각형의 형상뿐만 아니라, 임의의 형상으로 할 수 있다.
예를 들면, 도 14의 A에서, 확장 후의 온 칩 렌즈 형성 영역(AO)은, 모따기된 사각형의 형상으로 구성되어 있지만, 도 14의 B에 도시하는 바와 같이, 확장 후의 온 칩 렌즈 형성 영역(AO)을, 타원의 형상으로 할 수 있다. 또한, 도시는 하지 않지만, 확장 후의 온 칩 렌즈 형성 영역(AO)은, 촬상 영역(AI)과 겹쳐지는 영역이 확보되어 있으면, 원형 등의 다른 형상으로 할 수도 있다. 즉, 응력의 집중을 억제하는 관점에서 보면, 원형 또는 그것에 가까운 형상이 이상적이지만, 원형 또는 그것에 가까운 형상으로 하면, 그만큼 외주 영역(AP)이 증가하는 것으로 되기 때문에, 그들을 고려하여 최적의 형상으로 하면 좋다.
(소정의 곡률을 갖는 형상)
또한, 예를 들면, 도 15의 B에 도시하는 바와 같이, 온 칩 렌즈 형성 영역(AO)의 4모퉁이의 확장 영역(온 칩 렌즈 확장 영역)을, 소정의 곡률을 갖는 형상으로 하도록 하여도 좋다. 즉, 이 경우, 온 칩 렌즈 확장 영역은, 말하자면 귀(耳) 구조로서 형성되게 된다. 도 15의 B에 도시한 소정의 곡률을 갖는 형상을 채용함으로써, 예를 들면 콜릿 접촉 영역을 확보할 수 있다는 메리트가 있다.
(만곡 이미지 센서)
고체 촬상 장치(10)로서는, 광 입사측의 면(촬상 영역(AI))이 요곡면(凹曲面)을 갖는 곡면 형상의 이미지 센서(만곡 이미지 센서)를 채용할 수 있다. 특히, 고체 촬상 장치(10)로서 만곡 이미지 센서를 이용한 경우에는, 촬상 영역(AI)의 중앙측에 보다 큰 압력이 가하여지게 되기 때문에, 파형화 현상의 발생이 보다 현저해지는 것이 상정되지만, 본 기술을 적용하여, 온 칩 렌즈 형성 영역(AO)을 확장함으로써, 온 칩 렌즈 형성 영역(AO)과 플랫 영역(AF)과의 경계에서의 응력 집중이 회피되고, 파형화 현상을 억제할 수 있다.
<2. 카메라 모듈의 구성>
본 기술은, 고체 촬상 장치에의 적용에 한정되는 것이 아니다. 즉, 본 기술은, 고체 촬상 장치 외에 광학 렌즈계 등을 갖는 카메라 모듈, 디지털 스틸 카메라나 비디오 카메라 등의 촬상 장치, 촬상 기능을 갖는 휴대 단말 장치(예를 들면 스마트 폰이나 태블릿형 단말), 또는 화상 판독부에 고체 촬상 장치를 이용하는 복사기 등, 고체 촬상 장치를 갖는 전자 기기 전반에 대해 적용 가능하다.
도 16은, 고체 촬상 장치를 갖는 카메라 모듈의 구성례를 도시하는 도면이다.
도 16에서, 카메라 모듈(200)은, 광학 렌즈계(211), 고체 촬상 장치(212), 입출력부(213), DSP(Digital Signal Processor) 회로(214), 및, CPU(215)를 하나로 조립하여, 모듈을 구성하고 있다.
고체 촬상 장치(212)는, 도 1의 고체 촬상 장치(10)에 대응하고 있고, 그 구조로서, 예를 들면, 도 5의 단면 구조가 채용되고 있다. 즉, 고체 촬상 장치(212)에서는, 온 칩 렌즈 형성 영역(AO)이 그 구조상 가능한 한 확장되어 있다. 고체 촬상 장치(212)는, 광학 렌즈계(211)를 통하여 피사체로부터의 입사광(상광)을 취입하여, 촬상면상에 결상된 입사광의 광량을 화소 단위로 전기 신호로 변환하여 화소 신호로서 출력한다.
입출력부(213)는, 외부와의 입출력의 인터페이스로서의 기능을 갖는다. DSP 회로(214)는, 고체 촬상 장치(212)로부터 공급되는 신호를 처리하는 카메라 신호 처리 회로이다. CPU(215)는, 광학 렌즈계(211)의 제어나, 입출력부(213)와의 사이에서 데이터의 교환 등을 행한다.
또한, 카메라 모듈(201)로서는, 예를 들면, 광학 렌즈계(211), 고체 촬상 장치(212), 및, 입출력부(213)만으로 모듈이 구성되도록 하여도 좋다. 이 경우, 고체 촬상 장치(212)로부터의 화소 신호가 입출력부(213)를 통하여 출력된다. 또한, 카메라 모듈(202)로서는, 광학 렌즈계(211), 고체 촬상 장치(212), 입출력부(213), 및, DSP 회로(214)에 의해 모듈이 구성되도록 하여도 좋다. 이 경우, 고체 촬상 장치(212)로부터의 화소 신호는, DSP 회로(214)에 의해 처리되어, 입출력부(213)를 통하여 출력된다.
카메라 모듈(200, 201, 202)은, 이상과 같이 구성된다. 카메라 모듈(200, 201, 202)에서는, 파형화 현상의 원인인 응력 집중을 회피하기 위한 구조를 갖는 고체 촬상 장치(212)가 마련되어 있기 때문에, 고체 촬상 장치(212)에서, 수지가 파형화되는 등의 외관상의 부적합함을 억제할 수 있다.
<3. 전자 기기의 구성>
도 17은, 고체 촬상 장치를 갖는 전자 기기의 구성례를 도시하는 블록도이다.
도 17의 전자 기기(300)는, 예를 들면, 디지털 스틸 카메라나 비디오 카메라 등의 촬상 장치나, 스마트 폰이나 태블릿형 단말 등의 휴대 단말 장치 등의 전자 기기이다.
도 17에서, 전자 기기(300)는, 고체 촬상 장치(301), DSP 회로(302), 프레임 메모리(303), 표시부(304), 기록부(305), 조작부(306), 및, 전원부(307)로 구성된다. 또한, 전자 기기(300)에서, DSP 회로(302), 프레임 메모리(303), 표시부(304), 기록부(305), 조작부(306), 및, 전원부(307)는, 버스 라인(308)을 통하여 상호 접속되어 있다.
고체 촬상 장치(301)는, 도 1의 고체 촬상 장치(10)에 대응하고 있고, 그 구조로서, 예를 들면, 도 5의 단면 구조가 채용되고 있다. 즉, 고체 촬상 장치(301)에서는, 온 칩 렌즈 형성 영역(AO)이 그 구조상 가능한 한 확장되어 있다. 고체 촬상 장치(301)는, 광학 렌즈계(부도시)를 통하여 피사체로부터의 입사광(상광)을 취입하여, 촬상면상에 결상된 입사광의 광량을 화소 단위로 전기 신호로 변환하여 화소 신호로서 출력한다.
DSP 회로(302)는, 고체 촬상 장치(301)로부터 공급되는 신호를 처리하는 카메라 신호 처리 회로이다. DSP 회로(302)는, 고체 촬상 장치(301)로부터의 신호를 처리하여 얻어지는 화상 데이터를 출력한다. 프레임 메모리(303)는, DSP 회로(302)에 의해 처리된 화상 데이터를, 프레임 단위로 일시적으로 유지한다.
표시부(304)는, 예를 들면, 액정 패널이나 유기 EL(Electro Luminescence) 패널 등의 패널형 표시 장치로 이루어지고, 고체 촬상 장치(301)로 촬상된 동화 또는 정지화를 표시한다. 기록부(305)는, 고체 촬상 장치(301)로 촬상된 동화 또는 정지화의 화상 데이터를, 반도체 메모리나 하드 디스크 등의 기록 매체에 기록한다.
조작부(306)는, 유저에 의한 조작에 따라, 전자 기기(300)가 갖는 각종의 기능에 관한 조작 지령을 출력한다. 전원부(307)는, DSP 회로(302), 프레임 메모리(303), 표시부(304), 기록부(305), 및, 조작부(306)의 동작 전원이 되는 각종의 전원을, 이들 공급 대상에 대해 적절히 공급한다.
전자 기기(300)는, 이상과 같이 구성된다. 전자 기기(300)에서는, 파형화 현상의 원인인 응력 집중을 회피하기 위한 구조를 갖는 고체 촬상 장치(301)가 마련되어 있기 때문에, 고체 촬상 장치(301)에서, 수지가 파형화되는 등의 외관상의 부적합함을 억제할 수 있다.
<4. 고체 촬상 장치의 사용례>
도 18은, 이미지 센서로서의 고체 촬상 장치(10)의 사용례를 도시하는 도면이다.
상술한 고체 촬상 장치(10)는, 예를 들면, 이하와 같이, 가시광이나, 적외광, 자외광, X선 등의 광을 센싱하는 다양한 케이스에서 사용할 수 있다. 즉, 도 18에 도시하는 바와 같이, 상술한, 감상용으로 제공되는 화상을 촬영하는 감상(鑑賞)의 분야뿐만 아니라, 예를 들면, 교통의 분야, 가전의 분야, 의료·헬스케어의 분야, 시큐리티의 분야, 미용의 분야, 스포츠의 분야, 또는, 농업의 분야 등에서 사용되는 장치라도, 고체 촬상 장치(10)를 사용할 수 있다.
구체적으로는, 상술한 바와 같이, 감상의 분야에서, 예를 들면, 디지털 카메라나 스마트 폰, 카메라 기능부의 휴대 전화기 등의, 감상용으로 제공되는 화상을 촬영하기 위한 장치(예를 들면 도 17의 전자 기기(300))로, 고체 촬상 장치(10)를 사용할 수 있다.
교통의 분야에서, 예를 들면, 자동 정지 등의 안전운전이나, 운전자 상태의 인식 등을 위해, 자동차의 전방이나 후방, 주위, 차내 등을 촬영하는 차량탑재용 센서, 주행 차량이나 도로를 감시하는 감시 카메라, 차량 사이 등의 측거(測距)를 행하는 측거 센서 등의, 교통용으로 제공되는 장치로서, 고체 촬상 장치(10)를 사용할 수 있다.
가전의 분야에서, 예를 들면, 유저의 제스처를 촬영하여, 그 제스처에 따른 기기 조작을 행하기 위해, 텔레비전 수상기나 냉장고, 에어 컨디셔너 등의 가전에 제공되는 장치로서, 고체 촬상 장치(10)를 사용할 수 있다. 또한, 의료·헬스케어의 분야에서, 예를 들면, 내시경이나, 적외광의 수광에 의한 혈관 촬영을 행하는 장치 등의, 의료나 헬스케어용으로 제공되는 장치로서, 고체 촬상 장치(10)를 사용할 수 있다.
시큐리티의 분야에서, 예를 들면, 방범 용도의 감시 카메라나, 인물 인증 용도의 카메라 등의, 시큐리티용으로 제공되는 장치로서, 고체 촬상 장치(10)를 사용할 수 있다. 또한, 미용의 분야에서, 예를 들면, 피부를 촬영하는 피부 측정기나, 두피를 촬영하는 마이크로 스코프 등의, 미용용으로 제공되는 장치로서, 고체 촬상 장치(10)를 사용할 수 있다.
스포츠의 분야에서, 예를 들면, 스포츠 용도 등 용의 액션 카메라나 웨어러블 카메라 등의, 스포츠용으로 제공되는 장치로서, 고체 촬상 장치(10)를 사용할 수 있다. 또한, 농업의 분야에서, 예를 들면, 밭이나 작물의 상태를 감시하기 위한 카메라 등의, 농업용으로 제공되는 장치로서, 고체 촬상 장치(10)를 사용할 수 있다.
또한, 본 기술의 실시의 형태는, 상술한 실시의 형태로 한정되는 것이 아니고, 본 기술의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 여러가지의 변경이 가능하다. 예를 들면, 상술한 복수의 실시의 형태의 전부 또는 일부를 조합시킨 형태를 채용할 수 있다.
또한, 본 기술은, 이하와 같은 구성을 취할 수 있다.
(1)
광전 변환 소자를 갖는 복수의 화소가 형성된 반도체 기판과,
상기 반도체 기판의 상방에, 상기 화소에 대응하여 형성되는 온 칩 렌즈를
구비하고,
상기 온 칩 렌즈가 형성된 영역은, 상기 복수의 화소로 이루어지는 촬상 영역에 대해 외측의 영역이 되는 외주 영역으로 확장되어 있는 고체 촬상 장치.
(2)
상기 온 칩 렌즈가 형성된 영역은, 상기 고체 촬상 장치의 구조상 가능한 한 상기 외주 영역으로 확장되어 있는 (1)에 기재된 고체 촬상 장치.
(3)
상기 온 칩 렌즈가 형성된 영역은, 그 단부가 모따기된 형상으로 이루어지는 (1) 또는 (2)에 기재된 고체 촬상 장치.
(4)
상기 온 칩 렌즈가 형성된 영역에서의 단부가 모따기된 영역에는, 상기 화소에 대응하여 형성되는 온 칩 렌즈보다도 사이즈가 작은 온 칩 렌즈가 형성되는 (3)에 기재된 고체 촬상 장치.
(5)
상기 온 칩 렌즈가 형성된 영역은, 임의의 형상으로 이루어지는 (1) 또는 (2)에 기재된 고체 촬상 장치.
(6)
상기 온 칩 렌즈가 형성된 영역은, 원형 또는 타원형의 형상으로 이루어지는 (5)에 기재된 고체 촬상 장치.
(7)
상기 온 칩 렌즈가 형성된 영역은, 소정의 곡률을 갖는 형상으로 이루어지는 (5)에 기재된 고체 촬상 장치.
(8)
고체 촬상 장치와, 광학계 렌즈와, 신호 처리 장치를 구비하고,
상기 고체 촬상 장치는,
광전 변환 소자를 갖는 복수의 화소가 형성된 반도체 기판과,
상기 반도체 기판의 상방에, 상기 화소에 대응하여 형성되는 온 칩 렌즈를
가지며,
상기 온 칩 렌즈가 형성된 영역은, 상기 복수의 화소로 이루어지는 촬상 영역에 대해 외측의 영역이 되는 외주 영역으로 확장되어 있는 카메라 모듈.
(9)
광전 변환 소자를 갖는 복수의 화소가 형성된 반도체 기판과,
상기 반도체 기판의 상방에, 상기 화소에 대응하여 형성되는 온 칩 렌즈를
가지며,
상기 온 칩 렌즈가 형성된 영역은, 상기 복수의 화소로 이루어지는 촬상 영역에 대해 외측의 영역이 되는 외주 영역으로 확장되어 있는 고체 촬상 장치를 구비하는 전자 기기.
10 : 고체 촬상 장치
21 : 화소 어레이부
31 : 단위 화소
101 : 반도체 기판
102 : 집광층
111 : 실리콘 기판
112 : 포토 다이오드
113 : 패드 전극
121 : 무기막
122 : 평탄화막
123 : 컬러 필터
124 : 렌즈 수지막
125 : 반사 방지막
151 : 구조체
152 : 유리
200, 201, 202 : 카메라 모듈
212 : 고체 촬상 장치
300 : 전자 기기
301 : 고체 촬상 장치

Claims (9)

  1. 광전 변환 소자를 갖는 복수의 화소가 형성된 반도체 기판과,
    상기 반도체 기판의 상방에, 상기 화소에 대응하여 형성되는 온 칩 렌즈를
    구비하고,
    상기 온 칩 렌즈가 형성된 영역은, 상기 복수의 화소로 이루어지는 촬상 영역에 대해 외측의 영역이 되는 외주 영역으로 확장되어 있는 것을 특징을 하는 고체 촬상 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 온 칩 렌즈가 형성된 영역은, 상기 고체 촬상 장치의 구조상 가능한 한 상기 외주 영역으로 확장되어 있는 것을 특징을 하는 고체 촬상 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 온 칩 렌즈가 형성된 영역은, 그 단부가 모따기된 형상으로 되는 것을 특징을 하는 고체 촬상 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 온 칩 렌즈가 형성된 영역에서의 단부가 모따기된 영역에는, 상기 화소에 대응하여 형성되는 온 칩 렌즈보다도 사이즈가 작은 온 칩 렌즈가 형성되는 것을 특징을 하는 고체 촬상 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 온 칩 렌즈가 형성된 영역은, 임의의 형상으로 이루어지는 것을 특징을 하는 고체 촬상 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 온 칩 렌즈가 형성된 영역은, 원형 또는 타원형의 형상으로 이루어지는 것을 특징을 하는 고체 촬상 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 온 칩 렌즈가 형성된 영역은, 소정의 곡률을 갖는 형상으로 이루어지는 것을 특징을 하는 고체 촬상 장치.
  8. 고체 촬상 장치와, 광학계 렌즈와, 신호 처리 장치를 구비하고,
    상기 고체 촬상 장치는,
    광전 변환 소자를 갖는 복수의 화소가 형성된 반도체 기판과,
    상기 반도체 기판의 상방에, 상기 화소에 대응하여 형성되는 온 칩 렌즈를
    가지며,
    상기 온 칩 렌즈가 형성된 영역은, 상기 복수의 화소로 이루어지는 촬상 영역에 대해 외측의 영역이 되는 외주 영역으로 확장되어 있는 것을 특징을 하는 카메라 모듈.
  9. 광전 변환 소자를 갖는 복수의 화소가 형성된 반도체 기판과,
    상기 반도체 기판의 상방에, 상기 화소에 대응하여 형성되는 온 칩 렌즈를
    가지며,
    상기 온 칩 렌즈가 형성된 영역은, 상기 복수의 화소로 이루어지는 촬상 영역에 대해 외측의 영역이 되는 외주 영역으로 확장되어 있는 고체 촬상 장치를 구비하는 것을 특징을 하는 전자 기기.
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