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Imager マニア

デジカメ / デジタルビデオカメラ / スマホ用の撮像素子(イメージセンサ/imager/CMOSセンサ)について、マニアな情報や私見を徒然なるままに述べるBlogです(^^;)

Samsung GalaxyS7 カメラ搭載撮像素子は、自社製とソニー製と両方だった ~全画素PDAF、そしてソニーIMX260はCu-Cuボンディング積層!

Readノイズ1e-未満シリーズ(0.5e-未満シリーズ!?)も、あともう一つだけ書いておきたい件があるのですが、連続4回続けましたので流石に一旦間を開けて、
今回は最近では一番気になった撮像素子の件でいこうと思います。
(本当はCP+の内容も、来年以降振り返るために残しておきたいと思っていたり、またここ最近各社から発表されたカメラ群で、まだ取り上げていなくて興味あるものも多数あるのですが・・・)


 しばらく前の発表になりますが、

Samsung GalaxyS7 Edge にソニー製”IMX260”センサが採用され
 そのセンサが全画素PDAF(=位相差AF画素)で、かつ(私が知る限り)量産レベルでは世界初のチップ積層をTSVでは無くCu-Cuボンディングで行っていた


 そして

Samsung GalaxyS7 (Edge) は、サムスンの自社製センサを搭載しているものもあり
 以前のS6同様カメラ搭載センサはソニー製とサムスン製の2種が混在している

という件。
やはりこれが最近では個人的に一番のトピックでしょうか。


↑Samsung GalaxyS7 Edge 搭載 ソニー製IMX260センサ 顕微鏡写真
 写真は①のリンク先のチップワークスblogより
ちなみに、Samsung製センサの方は
S5K2L1 ISOCELL
というネーミングの様で外観はこんな感じ↓の様です。


Samsungの公式発表より

 余談ですが、左の表面(?)の写真を見ると、イメージセンサに対してパッケージが異様に大きくて、センサからのワイヤも異様に長くて”なんじゃこりゃ?かっこワル!”と思う訳ですが、
右側のパッケージ裏側(?)の写真を見ると仕方ないのかと納得で、
パッケージがこのくらいの大きさでないと、センサに必要な端子数分のランドが確保出来ないのですね、きっと
じゃあパッケージ裏のハンダのランドの密度をもっと上げて面積小さくすればいいじゃないか?
と思われる方もいらっしゃるのではと思うのですが、恐らく現在の半田実装技術では安定して量産出来るのが、上の右写真くらいまでが限界ということなのではと予想します。

 また、余談その2ですが、Samsungは(少なくともGalaxyでは)、別のchipworksブログに拠ると、イメージセンサ以外のセンサやIC部品の類も複数社からの調達を徹底しているようです。

 そして、余談その3としては、上のソニーとサムスンのセンサ写真を見比べると、
サムスンの方はワイヤ引き出しパッド配置は変則の4辺配置、
ソニーの方は、長辺の上下2辺配置
 ということは、少なくとも二つのセンサのパッケージは共通のものでは無いということになろうかと思うのですが、(しかし同じスマホに搭載されるということで)
一体どこから共通部品となるのでしょうか?
もしかして、カメラモジュールも寸法とフレキ配線の種類と引き出し方向のみ両社で取り決めて、カメラモジュール自体もお互い異なる会社で組み立てたものをサムスンのスマホ製造工場に納めたりしているのでしょうか?


 双方の搭載センサ回りの簡単なスペックは
◆画素数:12.2M (4032×3024)
◆動画最高解像度:8.3M (3840x2160) = 4K
◆画素ピッチ:1.4um□
 ↑画素ピッチのソースはコチラ (ちなみに前機種S6の画素ピッチは1.12um)
◆カラーフィルタパタン:ベイヤ配列 (←つまりWhiteまたはClear画素は使っていない)
全画素位相差AF画素兼ねる


 また以下はソニーIMX260の方のみになりますが、
◆Die(≒チップ)サイズ:6.69 x 5.55mm ≒ 371mm^2
◆カメラモジュールサイズ:12.1 x 12.1 x 5.4mm

 上記までは全てリア(≒メイン)カメラ搭載素子についてですが、  
ちなみに、チップワークスが解析した個体では少なくともフロント(≒サブ)カメラは、
◆Samsung製 S5K4E6XP
 という型番のサムスン自社製センサで、
◆画素ピッチ:1.34um□
◆画素数:5Mpix
◆カラーフィルタパタン:ベイヤ配列
 となっていた様です。

 以下からまたリアカメラの話に戻って、

 ↑細かいところはともかく、この公式HPの写真を見る限り、像面位相差AFに関しては基本的にCanonのDualPixelCMOSAFと同じ(原理)と予想され、
そして、AF用に分割する画素も、”左右二つに分割”というところも同じ様です。
(↑原理的には左右二つに分割だと、横線の様なものにはAF出来ないはず。なので理屈上は4分割するのがAF的には理想ではないかと思います。まあ実際の写真撮影においては、左右2分割でAF的に問題にならないのかもしれませんが)


 そして本題では無いのですが、さりげなく
③Samsungのフラグシップスマホのカメラ画素数スペックが16Mから12Mへ減少し、
 恐らく史上初めてデジカメの世界で画素数の退行現象が起きた

ことも私の中ではトピックです。遂に画素数競争終焉の時を迎え始めたかという意味において。
(ソニーのα7sの様に派生機種やメーカー内のラインナップ展開として画素数の少ないカメラが後から発売される例はもちろん多数あったと思いますが、同一ラインナップのデジカメやスマホにおいては初ではないでしょうか?)

 スマホのトップブランドであるiPhoneは元々画素数控えめでありますし、もう一つのトップブランドであるサムスンのギャラクシーが、iPhoneと同じ1200万画素に降りてきた(?)ことによって、
少なくともスマホカメラ世界では今後1200万画素あたりがボリュームゾーンのスペックになる可能性は十分ありそうに思えます。
(↑もちろん差別化のために多画素化に突き進むメーカーやブランドはあると思いますし、それを否定はしませんが)。


④PDAF(Samsung的な呼称はシンプルに”Dual Pixel AF”)画素で、画素ピッチが1.4um□とかなり小さい件

 上記を何故トピックと個人的に感じているかと言いますと、
”狭画素ピッチな画素を二つに分離するのは難しいだろうな”
(≒通常の特性を劣化させずに分離するのは難しいだろうな)
(or AF性能が保てる様に分離するのはむずかしいだろうな)
 と感じるからです。

昔CanonのEOS 70D発売の折、特許を見ながら書いた
通り、
”PDAF画素とするには、なにがし1画素を二つに分けなければならないはずです。
Canonの場合は、古い特許の記述を信じれば、シリコン半導体内部でフォトダイオードの間をp型n型の接合によって分離していることになっています。
物理的にまたは機械的に分ける訳では無いにせよ、”二つに分離”する訳ですから、そのためにはある一定の分離幅(分離に要する幅)が必要になってくるはずです。

今回のソニーのIMX260や、SamsungのS5K2L1 ISOCELLセンサは、1.4um□の画素ピッチで、それを左右二つに分けるということは、ひとつのフォトダイオードの幅としては単純に0.7um以下しか取れないことになります。
現実的には隣接画素間には後で紹介するチップワークス写真にあるように、DTIと呼ばれる(隣接画素間の混色防止用と思われる)素子分離構造が存在するため、見た目ではそこで0.1um以上はフォトダイオードが削られています。
ですので、PDAF用に同一画素間の何らかの分離の存在も考慮すると、実際のフォトダイオード幅は0.5um前後の幅しかない可能性が高そうです。
その狭い領域に位相差AFするための光線を正しく導き、そして一旦電子に変換された信号は、相方のフォトダイオードと混ざったりするようなことにはならないポテンシャル構造を作らなければならない・・・
(↑混ざってしまっては、撮像画素信号としては問題無くとも、AF信号としては使えなくなってしまうため)

0.5umというと、ひと昔前の半導体プロセスのミニマムメタル配線幅という様なオーダー。そんな狭い領域で2~3umの深さのあるフォトダイオードを(DTIを使わずに!恐らく不純物の濃度プロファイルの調節で)分離するというのは、かなり難しいことなのではないでしょうか。
むしろここまでイメージセンサプロセスが発達している今となっては、PDAFフォトダイオード間もDTIで分離してしまった方が技術的には簡単に思えますが、
それを行っていないということは、DTI分離を行ってしまうと、ただでさえ小さな画素領域の不感帯領域(?)が増えて感度低下等の問題が発生してしまうのでしょうか。

また、上記③において、”画素数競争が止まった”的なことを書きましたが、穿った見方をすれば、
”本当は16M画素数のまま(≒画素ピッチ1.12um□のまま)Dual Pixel AF化したかったが、1.12um□の画素ピッチのフォトダイオードをAF性能を持たせながら二つに分割することが技術的に困難であったため、仕方なく画素数を減らして画素ピッチを大きくした(≒画素数を1200万画素に落とした)”
という風に捉えることも出来るかもしれません。
(”画素ピッチを1.4um□にして画素数も16Mを維持する”という選択肢もあり得ますが、恐らく有効画素領域が大きくなると、レンズの光学系の厚みが増し、GalaxyS7の筐体厚みの中に納まりきらなくなり、この選択肢は最初から無かったのではと予想します。←コストの問題も加えて不利になると思われますので尚のこと・・・)
 上記が真実の場合は、特にプロセス技術の進歩と共に、再びGalaxyのカメラ画素数が16M→20Mと増えていくトレンドに戻るかもしれませんねf(^^;)
まあそうだとしても、この一時期とはいえ、Samsungは
”画素数よりもAFスピード向上の方がエンドユーザーに訴求する”
と考えた結果なので、商品の競争軸が画素数以外の方に移ったと捉えれば、画素数競争が止まったと言っても語弊は無いかもしれません(^^)


 で、相変わらず最も言いたかったこと(≒最も興味を惹かれたポイント)を最後に持ってきてしまう悪い癖なのですが(^^;)、冒頭①の積層チップ同士の積層が恐らく量産レベルで世界初のCu-Cuダイレクトボンディングな件。

↑チップ周辺部の断面図 チップワークスblogより


↑画素領域部のチップ断面図 チップワークスblogより

 このIMX260はソニーお得意の(?)積層型センサな訳ですが、
 みなさん、冒頭の上面顕微鏡写真に今までのソニーの積層型センサと異なる部分があったことにお気づきでしょうか?

 今までのソニーの積層型センサは(恐らくSamsungもOmniVisionも)、TSV(Through Silicon Via)と呼ばれる技術によって、上部のセンサ基板を貫く穴が開けられてそこに金属が埋め込まれることにより下部のISP基板と電気的導通が(必要な箇所で)図られていました。

今回のIMX260の上の写真の断面での上下基板の接合部(私が追記した赤←部ですが)には、どちらかの基板に穴が開いたりしていません。
そうなんです。上下基板のCu(銅)配線が直接くっついているのです!
 これは量産レベルにおいては恐らく世界で初めて採用された製品になるのではないでしょうか。

これはチップワークスblogにも驚きのコメントが載っており、
以前幣blogでも、ソニーがZiptronixという会社から、DBI(Direct Bond Interconnects)という技術のライセンスを受けたということを紹介しましたが、そのDBI技術を用いたものだろうという風に書かれています。

私個人的にも、TSVによるロジックICやメモリ同士のウェハ積層がほとんど普及していない最中、(まだ特定の会社だけとは言え)イメージセンサ使用プロセスでは更に先を行くウェハ積層においてCu-Cuの直接接合技術(?)が用いられるというのは、凄いことだなと思います。

 まあGalaxyS7で写真を撮るエンドユーザーにとっては「だから?」という話で、
特にこの技術が用いられたからと言って、撮れる写真が綺麗になったりする訳では無いのですがf(^^;)

メーカーとしては、TSVというプロセスは高価というかお金が掛かるプロセス工程らしいので、それをなるべく省きたいという思惑からこの様なウェハ積層の方向に向かっているのだと思います。
それに素人的に考えても、ウェハ同士を電気的接点を持って接合させたかったらこういう接続の仕方をするのが自然で、
TSVの様にtop側基板を丸々貫通させる穴を開けてそこにメタルを埋め込むというのは、何か無理があるというか”スマートじゃないな”と感じます(^^;)


 話が前後しますが、写真のCu-Cuボンディングの諸元(?)について
◆Viaサイズ(←ここでは穴の大きさでは無く6角形の接続している部分):3um
◆Viaピッチ:14um @チップ周辺部 (上の写真)
       6um @画素領域部 (下の写真)
◆センサ(Top基板)プロセス:5Metal (Cu)
 ISP(Bottom基板)プロセス:7Metal (6Cu + 1Al)

一抹不思議なのは、下の画素部の断面の写真の方のボンディング。
何も上下のウェハ間で(電気的に意味のありそうな)接続がされていません。
ただ、上下の銅の部分がくっついているだけです。
これはあれでしょうか。
恐らく上下のウェハをくっつける前に、接続面をCMPと言って機械的に研磨して平坦にする工程が入ると思うのですが、
その平坦性を出すのに、ある程度銅と層間絶縁膜部分の面積の割合が周辺部と揃っていないと、研磨時の削れ方が均等にいかずに結果平坦に出来ないという様な問題を防ぐための(電気的には何の意味も無い)ダミーでしょうか。


 しかし最後にもう一つ別件で気になること。
実はNHK技研もかなり似た思想の研究を続けていて、
それは接続したいCu配線の上に一度金電極を蒸着してから表面を活性化させて貼り合わせるというもの
金電極をわざわざ蒸着させる理由は、銅配線がむき出しだと自然酸化膜がつくことになるので、それを一度除去するプロセス工程が必要になるから・・・という説明員の方の回答だったと記憶しています。
 上記技術、以前も書きました
が、今回ソニーが金電極を用いなくてもCu配線のままで直接ウェハを積層(接続)する技術を量産レベルで確立してしまいましたので、
NHKの方の金を蒸着するプロセスの方は工程数が相対的に多そうですし(金を使って材料費も掛かりそうですし)、恐らく日の目を見る技術では無くなってしまったのかなと・・・
(↑あくまでプロセス技術だけの話です。NHKのウェハを何枚も貼り合わせて、画素内にADまで積んでしまおう という思想は応援し続けたいと思います^^;)



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トレンチはタングステンで埋められている?

ソニーのセンサー製造技術は進歩を続けていますね。ライバルを突き放してトップを維持するためでしょうが、開発担当者の感じるプレッシャーは相当なものと思います。

ソニーのDTI構造BSIセンサーですが、トレンチはタングステンで埋めているようです。えがみさんのblog”エンジニアの嗜み”で紹介された反射防止膜の特許申請で、適用されるセンサーの構造説明に記載されていました。該当部分を以下に引用します。
【0062】
画素間遮光部51は、例えば、遮光性を備えた金属(例えば、タングステンなど)を、半導体基板21に掘り込まれたトレンチに埋め込むことにより形成される。このように、画素間遮光部51を設けることにより、隣接する画素18からの光の混入を確実に防止することができ、混色の発生を回避することができる。

出来ないことを書くとは思えません…。

Re:トレンチはタングステンで埋められている?

>hi-lowさん

最近コメントスルーしてしまっていて申し訳ありませんでした。
blogを書くことで力尽きてしまって、コメントを書くエネルギーが枯渇してしまっていましたf(^^;)
ご容赦ください。

>開発担当者の感じるプレッシャーは相当なものと思います。
私もそうだろうと予想します。
私自身がその様な立場になりたく無いものですf(^^;)
(↑やりがいはあるのでしょうが、私プレッシャーに弱いので精神的に長くは持たず参りそうです^^;)


>えがみさんのblog”エンジニアの嗜み”で紹介された反射防止膜の特許申請で、適用されるセンサーの構造説明に記載されていました。該当部分を以下に引用します。

毎回興味深い情報ありがとうございます。

>ソニーのDTI構造BSIセンサーですが、トレンチはタングステンで埋めているようです。
>出来ないことを書くとは思えません…。

そうですよね。この書き方は一つだけ例を挙げてるということで、その唯一の例を自社と異なる構造を例に挙げるというのは普通しなさそうですよね。

(穿った見方をあえてすると、自社の構造をバレないように隠して、他社に難易度の高い、しかしその割に効果は同じか劣る方法を開示しているという可能性もあるかもしれませんが・・・しかしこの解析が頻繁に行われる昨今そんなことにどれくらい意味があるのかと考えると、むしろバレることは積極的に特許に開示しておいた方が自社技術防衛には良さそうですよね・・・)

しかし、タングステンですか。どうやって埋めてるんですかね?
普通タングステンはスパッタで飛ばして堆積(?)させるのだと思うのですが、あの高アスペクト比の穴にきちんと埋まるものなのか・・・
専門家に聞いてみたいところです。

  • imagerマニア
  • 2016/04/02(Sat.)

無題

スマートフォンのイメージセンサーサイズについて興味のある者です。
常々スマートフォンにおいて、1000万画素を超えた画素数競争は無意味だと感じていました。だって、設定FULLで撮らないじゃないですか。スマートフォンでカメラを使う用途でそんな馬鹿でかい画像ファイルなんて扱いづらくてしょうがありませんから、皆さん設定をわざわざ落として3Mとかで撮っています。画素数ばかり上げてもノイズ乗りますし、全く無用の長物です。
画素ピッチが大きくなる流れが続いて欲しいです。スマートフォンのスペックに画素ピッチをどのメーカーも併記するようになればいいなと思います。(新興国用に5Mpixelのピッチ2.5umあたりでいい感じのイメージセンサーが普及しないかなと妄想)

Re:無題

>lotさん

初めまして。imagerマニアです。

 私も(?)基本は大画素ピッチ信仰派(?)です・・・とスタンスを明確にさせて頂いてからの話なのですが、

>だって、設定FULLで撮らないじゃないですか。スマートフォンでカメラを使う用途でそんな馬鹿でかい画像ファイルなんて扱いづらくてしょうがありませんから、皆さん設定をわざわざ落として3Mとかで撮っています。

↑皆さんそうなのでしょうか?

ちなみに私は(ポリシィを持っている訳ではありませんが、)スマホを買った時のデフォルト設定(←恐らく最高画素数設定)のままにしています。

記録画素数を落とすとS/Nが良くなるとかのメリットが出れば考えるのですが、恐らく多くの機種でそんなことも無いのかな?と思っているのと、
きょうびの通信環境及び記録メディアの容量と価格であれば、個人的には最大画素数の画像容量でもハンドリングに不便を感じないから
 であれば、”最高画素数設定で撮るデメリットは無いか”という考え方です。

 私は周囲の方に聞いたことが無いので、好奇心で機会が合った時に私の周囲でもリサーチしてみます(^^)

>画素ピッチが大きくなる流れが続いて欲しいです。スマートフォンのスペックに画素ピッチをどのメーカーも併記するようになればいいなと思います。

 今現在世界で発売されているスマホに載っているカメラで、最小画素ピッチセンサは0.9um□くらいでしょうか。
恐らく可視光波長の問題があるので、一旦ここらで画素ピッチの縮小は止まるのではないでしょうか。
実際学会等の情報を仕入れても、1年以上前に0.7um□というのをソニーとsamsungだったかで見たことあった気がしますが、1年以上経ってもその様なセンサが量産されて民生機に採用されたという話を聞かないので。

 個人的には今後は高SNを求めてある一定の画素ピッチで踏み止まる機種と、やはり画素数スペックを売りにする機種とで
”二極化”とまではいかないまでも、スマホは分かれるんじゃないかな?
という風に思っています。

  • imagerマニア
  • 2016/05/22(Sun.)

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