裏面照射型（BSI）とは
裏面照射型（BSI）とは、シリコンウェーハを反転させ、配線層と反対の面から光を入れるイメージセンサーの構造です。 ソニーセミコンダクタソリューションズは、シリコン基板を裏側から照らす形にすれば、配線やトランジスタを避けて1画素あたりの受光量を増やせるうえ、光の入射角が変わったときの感度低下も抑えられるとしています1。
画素を細かくするほど、配線のすきまが光をさえぎる
Section titled “画素を細かくするほど、配線のすきまが光をさえぎる”イメージセンサーは、シリコンの上に光を電気へ変える受光部（フォトダイオード）を並べ、その上へ信号を運ぶ金属配線を何層も重ねて作ります。従来の表面照射型は、この配線層の側から光を入れます。画素回路の制御と信号の取り出しに使うメタル配線が網の目のように受光部の上を覆い、光はそのすきまを抜けて深いところのフォトダイオードへ届きます2。画素の微細化が進むほどすきまは狭まり、入射光の一部がさえぎられて感度が落ちます。解像度を上げたい要求と、光を集めたい要求が、同じ画素の中で正面からぶつかります。
裏面照射型は、この衝突を層の並べ替えで解きます。受光部と配線を作り込んだセンサウェーハを支持基板へ貼り合わせ、その裏面を薄くしたうえで、薄くなった側にオンチップレンズを載せます。レンズの真下にフォトダイオードが来るため、メタル配線層は光の入射経路の外側へ移ります。
「裏面」は、配線を作った面の反対側
Section titled “「裏面」は、配線を作った面の反対側”カメラの裏側という意味に読めますが、表と裏を分ける基準はシリコンウェーハです。シリコン基板をひっくり返した側、つまり裏面を光の入口にします1。配線を作り込んだ面が表で、その反対の面が裏です。
キヤノンは同じ構造を、受光面が配線層より上側に来る形3と表現しています。光から見て、配線層が受光面の向こう側へ回る位置関係です。
向きを変えるには、貼り合わせと削りが要る
Section titled “向きを変えるには、貼り合わせと削りが要る”まず配線層まで仕上げたシリコンウェーハの上下をひっくり返し、支持基板へ接合します4。次に、裏側から光を取り込めるよう、フォトダイオードの受光面の手前までウェーハを削ります。フォトダイオードまでの光路から配線層が消えるため、入射光の失われる分が少なくなります。
貼り合わせには酸化膜接合が用いられ、外周部に接合の弱い領域を残したまま研削すると、ピーリングなどの不良を招くおそれがあります5。ディスコはその対策としてエッジトリミング工程を勧めています。貼り合わせと薄化は、歩留まりの難所を1つ増やします。
感度はおよそ2倍、代わりにノイズと暗電流の課題を抱えた
Section titled “感度はおよそ2倍、代わりにノイズと暗電流の課題を抱えた”ソニーセミコンダクタソリューションズは、従来の表面照射型と比べたとき、裏面照射型には構造と工程から来るノイズ、暗電流、欠陥画素、混色が画質を落とし、S/N比を下げる課題があったとしています1。同社は、裏面照射型に合わせた独自の受光部構造を考案して感度を上げ、ノイズと暗電流と欠陥画素を減らしたとしています。2009年に商品化した製品では、同社の従来の表面照射型に対して感度がおよそ2倍になり、ノイズも下がったとしています。
積層型は、支持基板を回路チップに替えたもの
Section titled “積層型は、支持基板を回路チップに替えたもの”裏面照射型と積層型は、しばしば同じものとして紹介されます。積層型は、裏面照射型で支持基板が担っていた土台の役を、信号を演算する回路を作り込んだチップへ渡し、画素側と重ねたものです6。裏面照射型がまずあり、その一番下の板の正体を差し替えたものが積層型です。
積層型が生まれたのは、裏面照射型では画素とロジック回路が同一基板上にあるためです。画素数を増やす場合もロジック回路の規模を広げる場合も、チップサイズが大きくなります4。加えて、画素側はノイズとリークを抑えるプロセスを、ロジック回路側は速さと抵抗の低さを求めます。この両立が技術的に難しく、そのトレードオフを解消するために積層型が開発されました。この経緯と裏面照射型の作り方は、ソニーセミコンダクタソリューションズの技術者が2019年と2020年の学会誌に、自社の構造を例に書いたものです。
2枚のチップの間は、TSVなどの貫通電極が信号を渡します。TSVは画素チップのシリコン層を貫くため、画素アレイの外側周辺部へ配置する必要があります2。
よくある質問（FAQ）
Section titled “よくある質問（FAQ）”裏面照射型（BSI）とは何ですか？
シリコンウェーハを反転させ、配線層と反対の面から光を入れるイメージセンサーの構造です。ソニーセミコンダクタソリューションズは、配線やトランジスタを避けて1画素あたりの受光量を増やせるうえ、光の入射角が変わったときの感度低下も抑えられるとしています。
なぜ「裏面」と呼ぶのですか？
表と裏を決めているのがシリコンウェーハだからです。シリコン基板をひっくり返した側、つまり裏面を光の入口にします。配線を作った側が表で、その反対側が裏です。
表面照射型とは何が違いますか？
光の通り道に配線層があるかどうかが違います。表面照射型では配線の網目のすきまを通してシリコンの奥のフォトダイオードまで光を届けるため、画素を細かくするほどすきまが狭まって感度が落ちます。
どうやって作るのですか？
配線層まで仕上げたシリコンウェーハの上下をひっくり返して支持基板へ接合し、フォトダイオードの受光面の手前までウェーハを削ります。仕上げに、薄くなった裏面側へオンチップレンズを作ります。
裏面照射型にすれば画質は必ず上がりますか？
課題も伴います。ソニーセミコンダクタソリューションズは、表面照射型と比べ、構造と工程から来るノイズ、暗電流、欠陥画素、混色が画質を落とし、S/N比を下げる課題があったとしています。同社は裏面照射型に合わせた独自の受光部構造でこれらを改善したとしています。
積層型（積層構造）と同じものですか？
別の段階の技術です。裏面照射型で支持基板が担っていた土台の役を、信号を演算する回路のチップへ渡し、画素側と重ねたものが積層型です。
感度が2倍になると考えてよいですか？
ソニーは、2009年に商品化した製品で、同社の従来の表面照射型に対して感度がおよそ2倍になり、ノイズも下がったとしています。
比較・違いを学ぶ
Section titled “比較・違いを学ぶ”- CMOSイメージセンサとは── 裏面照射型が組み込まれる側のデバイス
- フォトダイオードとは── 光を電気へ変える受光部そのもの
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- 1ソニーセミコンダクタソリューションズ：裏面照射構造sony-semicon.com abc
- 2応用物理学会：応用物理 第89巻第2号 解説「CMOSイメージセンサの現状と将来展望」（2020年掲載）jstage.jst.go.jp ab
- 3キヤノン：共通特長 PowerShot／IXYpersonal.canon.jp ↩
- 4日本表面真空学会：表面と真空 第62巻第11号 研究紹介「積層型CMOSイメージセンサの進化と最新技術」（2019年掲載）jstage.jst.go.jp ab
- 5ディスコ：DISCO TECHNICAL REVIEW エッジトリミングの効果disco.co.jp ↩
- 6ソニーセミコンダクタソリューションズ：積層構造sony-semicon.com ↩