(57)【要約】【課題】映画館等暗い場所での人の認識方法として、両面でのパターン認識を行うイメージセンサーが求められている。基板下側からの入射光、または基板上側からの入射光と、いずれか片側からの入射を選択して撮像することはできるが、上記した目的のように、両面でのパターン認識を行うことはできないという課題がある。【解決手段】イメージセンサー１００が備えるフォトダイオード２０を透明な基板１上に設けかつ、基板１、ゲート絶縁膜３、層間絶縁層５、有機平坦化層８、陽極９、陰極１２を透光性を備えた物質を用いて形成し、ＴＦＴ１０等の不透明な物質を基板１とフォトダイオード２０との間から外した。そのため、フォトダイオード２０は基板１の下側からの光と、上側からの光を検出することが可能となった。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明基板上に光電変換領域を備えたイメージセンサーであって、
前記光電変換領域の下側および上側は、共に透光性を備えていることを特徴とするイメージセンサー。
【請求項２】
請求項１に記載のイメージセンサーであって、前記光電変換領域の下側および上側には、透光性を備えた電極が配置されていることを特徴とするイメージセンサー。
【請求項３】
請求項１または２に記載のイメージセンサーであって、
前記透明基板の平面視にて、前記光電変換領域と重なる領域に、透光性を備えた薄膜トランジスターと、透光性を備えた配線層の少なくともいずれか片方が形成されていることを特徴とするイメージセンサー。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載のイメージセンサーであって、
前記光電変換領域は、前記透明基板における平面視にて、上下方向における少なくとも片方が、遮光性の領域で囲われていることを特徴とするイメージセンサー。
【請求項５】
請求項４に記載のイメージセンサーであって、
前記遮光性の領域は、金属で構成された電気的配線であることを特徴とするイメージセンサー。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載のイメージセンサーであって、
前記光電変換領域の上側に、前記光電変換領域の下側に位置する、前記透明基板を含む光損失と揃える補正層を備えていることを特徴とするイメージセンサー。
【請求項７】
請求項６に記載のイメージセンサーであって、
前記補正層に、前記透明基板と揃えられた光学特性を備えた光透過板、および充填材を用いたことを特徴とするイメージセンサー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イメージセンサーに関する。
【背景技術】
【０００２】
イメージセンサーを形成する基板として従来結晶シリコンが主に用いられてきたが、近年、基板にガラスを用い、アモルファスシリコン層を光電変換層として用い、この光電変換層との間での電気的な処理に、ポリシリコン等で構成されるＴＦＴ（薄膜トランジスター）を用いるイメージセンサーが精力的に研究されている。
【０００３】
結晶シリコン基板を用いた場合では、直径３０ｃｍ程度の基板径が限度となるが、ガラス基板を用いることで、一辺が３ｍ近い基板を用いることが可能となり、大型のイメージセンサーを得ることが可能となる。また、一枚の基板から得られるイメージセンサーの数が違ってくるため、基板そのものの値段差に加え、取れ数にも差が生じ、コスト面でも優位性を備えている。
【０００４】
ここで、ガラス基板を用いる場合、基板側から光を入射させるイメージセンサーと、基板と反対側から光を入射させるイメージセンサーが公知のものとして知られており、たとえば特許文献１に記載されているように、どちらか片方を選択して受光可能なイメージセンサーの例が知られている。
【０００５】
一方、指紋と同様に人毎に異なる手の静脈パターンを認証手段として検出する技術が知られている。この手法を用いて、映画館等暗い場所での人の認識方法として、外出した人の静脈パターンと一致する静脈パターンを持つ人（即ち本人）のみに再入場を許可する場合等、両面でのパターン認識を行うデバイスが求められて来ている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−３０６０８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載されたイメージセンサーは、基板下側からの入射光、または基板上側からの入射光と、いずれか片側からの入射を選択して撮像することはできるが、上記した目的のように、両面でのパターン認識を行うことはできない。また、２つのイメージセンサーを張り合わせて両面受光を行わせることは、コストアップにつながるという課題がある。また、消費電力が２倍となるため、エネルギー負荷も大きくなるという課題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり以下の形態または適用例として実現することが可能である。ここで、「上」とは、基板から見て受光部がある方向を指すものとして定義する。「下」とは、上と反対方向を指すものとして定義する。なお、「上」、「下」いずれの場合においても、構成要素同士が直接接触していない場合を含むものとする。
【０００９】
［適用例１］本適用例にかかるイメージセンサーは、透明基板上に光電変換領域を備えたイメージセンサーであって、前記光電変換領域の下側および上側は、共に透光性を備えていることを特徴とする。
【００１０】
これによれば、一つのイメージセンサーにより、両面から受光することが可能となる。たとえば、映画館等暗い場所での人の認識方法として、外出した人の静脈パターンと一致する静脈パターンを持つ人（即ち本人）のみに再入場を許可する場合等、入出場ゲートの両側でパターン認識を行う場合に、一つの装置で対応できるイメージセンサーを提供することが可能となる。
【００１１】
［適用例２］上記適用例にかかるイメージセンサーであって、前記光電変換領域の下側および上側には、透光性を備えた電極が配置されていることを特徴とする。
【００１２】
上記した適用例によれば、電極による光吸収を抑えた状態で、両面から受光することが可能となり、高い感度を持つイメージセンサーを提供することが可能となる。
【００１３】
［適用例３］上記適用例にかかるイメージセンサーであって、前記透明基板の平面視にて、前記光電変換領域と重なる領域に、透光性を備えた薄膜トランジスターと、透光性を備えた配線層の少なくともいずれか片方が形成されていることを特徴とする。
【００１４】
上記した適用例によれば、開口率を向上させることが可能となり、より感度の高いイメージセンサーを提供することが可能となる。
【００１５】
［適用例４］上記適用例にかかるイメージセンサーであって、前記光電変換領域は、前記透明基板における平面視にて、上下方向における少なくとも片方が、遮光性の領域で囲われていることを特徴とする。
【００１６】
上記した適用例によれば、光電変換領域を光学的に互いに分離することが可能となり、光学的クロストークの発生を防止することが可能となる。
【００１７】
［適用例５］上記適用例にかかるイメージセンサーであって、前記遮光性の領域は、金属で構成された電気的配線であることを特徴とする。
【００１８】
上記した適用例によれば、金属は導電性が高いため、光電変換領域で検出された信号を時定数による遅れを抑えて高速処理することが可能となり、時間分解能の高いイメージセンサーを提供することが可能となる。
【００１９】
［適用例６］上記適用例にかかるイメージセンサーであって、前記光電変換領域の上側に、前記光電変換領域の下側に位置する、前記透明基板を含む光損失と揃える補正層を備えていることを特徴とする。
【００２０】
上記した適用例によれば、上側から入射する光と、下側から入射する光の感度を揃えることが可能となる。
【００２１】
［適用例７］上記適用例にかかるイメージセンサーであって、前記補正層に、前記透明基板と揃えられた光学特性を備えた光透過板、および充填材を用いたことを特徴とする。
【００２２】
上記した適用例によれば、下側から入射する光と同等の損失を、上側から入射する光に与えることが可能となり、広い波長域で上側から入射する光と、下側から入射する光の感度を揃えることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】イメージセンサーの配線構造を示す模式図であり、（ａ）は全体構成、（ｂ）はフォトセンサーの拡大図。
【図２】フォトセンサーの概略構成を示す拡大断面図。
【図３】表面側にも基板を貼り付けたイメージセンサーの断面図。
【図４】フォトダイオードとＴＦＴを重ねて形成した状態を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明を具体化した各実施形態を図面に基づいて説明する。以下の実施形態において、透光性とは、光の透過率が高い状態であり、概ね７０％以上の透過率を有するものと定義する。なお、光の透過率が６０％以上であれば、以下の実施形態が適用可能となり、両面からの受光が可能となるため、この場合に対しても透光性を備える状態として扱うことが可能である。また８０％以上であれば光損失を抑えられ、高い感度を有するイメージセンサーを提供することが可能となるため、この場合に対しても透光性を備える状態として扱うことが可能である。
【００２５】
また、遮光性とは、光の透過率が低い状態であり、概ね４０％以下の透過率を有するものと定義する。また、光とは基本的には４５０ｎｍ〜７５０ｎｍの波長域にある電磁波として定義する。また、用途に応じ、Ｘ線や、電子ビーム、紫外線、赤外線を光として扱うこととする。電子ビームは、非常に波長の短い電磁波として捉えるものとする。なお、以下の説明で参照する図においては、各層や各部材を図面上で認識可能な程度の大きさとするため、各層や各部材毎に縮尺を異ならしめてある。また、対応する部分には同一の符号を付している。
【００２６】
（第１の実施形態：イメージセンサーの構成）
以下、イメージセンサーの構成について説明する。図１は本実施形態のイメージセンサーの配線構造を示す模式図であり、（ａ）は全体構成、（ｂ）はフォトセンサーの拡大図である。図１（ａ）に示すように、本実施形態のイメージセンサー１００は、素子領域Ａに互いに交差する方向に延びる走査線３ａとデータ線６ａとが設けられている。走査線３ａは、走査線駆動回路１０２に接続され、データ線６ａは、データ線駆動回路１０１に接続されている。フォトセンサー５０は、走査線３ａとデータ線６ａとの交点付近に対応して形成され、素子領域Ａにマトリックス状に配列されている。
【００２７】
また、図１（ｂ）に示すように、走査線３ａと並列に定電位線３ｂが設けられ、データ線６ａと並列に定電位線１２ａが設けられている。走査線３ａや定電位線３ｂ、データ線６ａ、定電位線１２ａは電気抵抗を低減すべく厚い金属を用いて形成されており、ブラックマトリックスを形成している。定電位線３ｂは、走査線駆動回路１０２に接続され、定電位線１２ａは、データ線駆動回路１０１に接続されている。それぞれのフォトセンサー５０において、定電位線１２ａと定電位線３ｂとの間には、フォトダイオード２０と、保持容量３０とが直列に電気的に接続されて設けられている。ここで、保持容量３０は透光性の物質により構成されていることが好ましく、この場合にはフォトダイオード２０の下側にも保持容量３０を配置することが可能となる。また、走査線３ａにゲートが接続されたＴＦＴ（薄膜トランジスター）１０が形成されており、このＴＦＴ１０のソース１０Ｓは、データ線６ａに接続され、ドレイン１０Ｄは、フォトダイオード２０と保持容量３０との接続点に電気的に接続されている。本実施形態では、ＴＦＴ１０と、フォトダイオード２０と、保持容量３０とよりフォトセンサー（光電変換素子）５０が構成されている。
【００２８】
図２は、本実施形態のイメージセンサー１００が備えるフォトセンサー５０の概略構成を示す拡大断面図である。図２では、本実施形態の構成を解りやすくするため、保持容量３０を省略して表している。
【００２９】
図２に示すように、フォトセンサー５０は、平板状の基板１を備えている。基板１上には図１（ａ）、（ｂ）に示すように複数のフォトセンサー５０がマトリックス状に配列されたイメージセンサー１００が形成されている。基板１はたとえばガラスにより形成されている。ここで、このイメージセンサー１００が主に一次元情報を処理に用いられる場合、線状にフォトセンサー５０を配列しても良い。
【００３０】
基板１上には、たとえば、多結晶シリコンを用いた半導体層２が形成されている。半導体層２としては、アモルファスシリコン層を堆積した後、エキシマレーザーによる結晶化手法を用いて形成することが可能となる。また、半導体層２として、またアモルファスシリコン層をそのまま、あるいは水素化して用いることも好適である。
【００３１】
そして、半導体層２を覆うようにゲート絶縁膜３が形成されている。ゲート絶縁膜３は、たとえばＳｉＯ2（シリコン酸化物）等の絶縁材料によって形成されている。ゲート絶縁膜３は、半導体層２を熱酸化した後、ＳｉＯ2等の絶縁層を堆積して形成することが好適である。ゲート絶縁膜３上には、半導体層２のチャネル領域２ｃに対向してゲート電極４が形成されている。ゲート電極４は、図１に示す走査線３ａに電気的に接続されている。ゲート電極４は、たとえばＡｌ（アルミニウム）や、ポリシリコン等の導電性を有する金属材料（ポリシリコン中の不純物濃度は高く設定されており、金属的伝導特性を示す）により形成されている。
【００３２】
ゲート絶縁膜３上には、ゲート電極４およびゲート絶縁膜３を覆って、層間絶縁層５が形成されている。層間絶縁層５は、たとえば、ゲート絶縁膜３と同様の絶縁材料により形成されている。層間絶縁層５上には、たとえば、ゲート電極４と同様の金属材料により、ソース電極６およびドレイン電極７が形成されている。
【００３３】
ソース電極６は、層間絶縁層５およびゲート絶縁膜３を貫通し、半導体層２のソース領域２ｓに到達するコンタクトホール５ｓを介してソース領域２ｓに接続されている。また、ソース電極６は、図１に示すデータ線６ａと電気的に接続されている。
【００３４】
ドレイン電極７は、層間絶縁層５およびゲート絶縁膜３を貫通し、半導体層２のドレイン領域２ｄに到達するコンタクトホール５ｄを介してドレイン領域２ｄに接続されている。また、ドレイン電極７は、図１に示す保持容量３０に電気的に接続されている。
【００３５】
本実施形態では、これら半導体層２、ゲート絶縁膜３、ソース電極６、およびドレイン電極７によりＴＦＴ１０が構成されている。
【００３６】
層間絶縁層５上には、ソース電極６、ドレイン電極７、および層間絶縁層５を覆うように絶縁層２５と有機平坦化層８とが形成されている。有機平坦化層８は、基板１上に形成されたＴＦＴ１０等による凹凸形状を埋めて表面が平坦に形成されている。有機平坦化層８は、たとえば、アクリル樹脂やエポキシ樹脂等の絶縁性樹脂材料により形成されている。
【００３７】
有機平坦化層８上には、たとえばインジウム錫酸化物（ＩＴＯ）等の透光性に優れた導電性材料により、陽極９が形成されている。透光性に優れた導電性材料で陽極９を形成することで光吸収を抑えた状態で、基板１側から受光することが可能となり、高い感度を持つイメージセンサーを提供することが可能となる。陽極９は、有機平坦化層８を貫通するコンタクトホール１３を介してドレイン電極７に接続されている。陽極９上には、ＰＩＮ型のフォトダイオード２０が形成されている。
【００３８】
光電変換領域としてのフォトダイオード２０は、陽極９側に形成されたＰ層２１と、Ｐ層２１上に積層されたＩ層２２と、Ｉ層２２上に積層されたＮ層２３とにより形成されている。Ｐ層２１、Ｉ層２２、およびＮ層２３は、それぞれアモルファスシリコンにより形成されている。Ｐ層２１にはホウ素（Ｂ）等の不純物が、Ｎ層２３にはリン（Ｐ）等の不純物がそれぞれドープされている。
【００３９】
また、フォトダイオード２０は、遮光性を有するＴＦＴ１０や、遮光性の領域として、たとえばブラックマトリックスを形成する領域以外では、フォトダイオード２０と基板１との間に遮光性を有するものを配置せぬようにすることが好適であり、フォトダイオード２０の上側から入る光と、下側から入る光とで、フォトダイオード２０での光電変換能のバランスを向上させることができる。ここで、後述するように、光損失を揃える補正層をフォトダイオード２０上に配置する場合には、ＴＦＴ１０の一部分が重なった場合でも損質分を補正できるため、若干重なっていても差し支えない。
【００４０】
有機平坦化層８上には、フォトダイオード２０の周囲を覆うように素子分離層１１が形成されている。素子分離層１１は、たとえば、有機平坦化層８と同様に絶縁性の樹脂材料等により形成されている。
【００４１】
フォトダイオード２０のＮ層２３上には、たとえば、ＩＴＯ等の透光性に優れた導電性材料により陰極１２が形成されている。透光性に優れた導電性材料で陰極１２を形成することで光吸収を抑えた状態で、陰極１２側から受光することが可能となり、高い感度を持つイメージセンサーを提供することが可能となる。陰極１２は、図１に示す素子領域Ａの複数のフォトセンサー５０にわたって一面に形成され、定電位線１２ａと電気的に接続されている。
【００４２】
次に、本実施形態の作用について説明する。図１（ｂ）に示すように、イメージセンサー１００の定電位線１２ａ、定電位線３ｂによってフォトセンサー５０のフォトダイオード２０に逆バイアスを印加した状態で、図２に示す陰極１２側からフォトダイオード２０に光が入射すると、フォトダイオード２０に光電流が流れ、それに応じた電荷が保持容量３０に蓄積される。また、図２に示す陽極９側からフォトダイオード２０に光が入射された場合でも同様に、フォトダイオード２０に光電流が流れ、それに応じた電荷が保持容量３０に蓄積される。
【００４３】
また、複数の走査線３ａの各々によって複数のフォトセンサー５０の各々が備えるＴＦＴ１０をオンさせることで、データ線６ａには、フォトセンサー５０の各々が備える保持容量３０に蓄積された電荷に対応する信号が順次出力される。したがって、素子領域Ａにおいて各々のフォトセンサー５０が陰極１２側や陽極９側から受光した光の強度を検出することができる。
【００４４】
（第２の実施形態：両面を基板で覆ったイメージセンサー）
以下、表面側にも補正板として基板を貼り付けたイメージセンサーを、第２の実施形態として説明する。図３は、表面側にも基板を貼り付けたイメージセンサーの断面図である。構成については第１の実施形態と同様であるため、説明を省略する。図３に示すように、フォトセンサー５０の上に、有機平坦化層８と同じ材質で同じ厚さに調整した充填材（補正層）としての有機補正層８ａと、基板１と同じ材質で同じ厚さを備える光透過板（補正層）としての無機補正板１ａとを備えている。これ以外の構成については、第１の実施形態と同様であるため、説明を省略する。
【００４５】
この構成を用いることで、光損失が大きい厚い層を抜けてくる際に発生する損失が、基板１の裏側からの光と、無機補正板１ａ側からの光に対して揃えられることから、光電変換能のバランスが向上する。また、同じ材料で同じ厚さに揃えることで、透過率の波長依存性、温度特性を含めて揃えることが可能となり、より対称性が高いイメージセンサー１００を提供することが可能となる。
【００４６】
なお、有機補正層８ａと無機補正板１ａを用いることに代えて、光減衰率が有機補正層８ａと無機補正板１ａとの和に概ね揃えられた補正層としての樹脂層を用いても良い。この場合、無機補正板１ａを重ねる必要がなくなるため、より薄いイメージセンサー１００を提供することが可能となる。また、フォトセンサー５０と基板１との間に、たとえばＴＦＴ１０の一部等、遮光性を備えるものが挟まる場合、この減衰量を加味して補正層を形成することも好適である。
【００４７】
（変形例）
以下、上記したイメージセンサーの構成にかかる変形例について説明する。上記したイメージセンサー１００の構成においては、陽極９や、陰極１２にＩＴＯを用いた例について説明したが、これは同じく透光性を備えるインジウム亜鉛酸化物（ＩＺＯ）や、マグネシウム−銀合金（ＭｇＡｇ）、アルミ合金（５０ｎｍ程度以下の厚さを持つ）等の透光性導電体を用いても良い。
【００４８】
また、ＴＦＴ１０を構成する物質としては、ポリシリコンに代えて、アモルファスシリコン、単結晶シリコン（ＳＯＩ技術を用いることが好ましい）等のシリコン系半導体や、シリコンにゲルマニウムを添加した半導体、化合物半導体等を用いても良い。また、酸化物半導体等、透光性を備える物質を用いても良い。透明な酸化物半導体の例としては、たとえばＩｎＧａＺｎＯ4（インジウム：ガリウム：亜鉛：酸素）や、ＳｒＴｉＯ3（チタン酸ストロンチウム）をあげることができる。このような物質を用いてＴＦＴ１０を形成した場合、以下に示すようにフォトダイオード２０とＴＦＴ１０を重ねて形成することが可能となる。図４は、フォトダイオードとＴＦＴを重ねて形成した状態を示す断面図である。そのため、開口率が上がり、より高い感度を持つイメージセンサー１００を提供することが可能となる。また、ペンタセン等の有機物を使っても同様の効果を得ることができる。また、この場合、ソース電極６やドレイン電極７も透光性を有する材質を用いることが好適となり、ソース電極６やドレイン電極７による光量低下を抑制することが可能となる。
【００４９】
また、走査線３ａや定電位線３ｂ、データ線６ａ、定電位線１２ａをブラックマトリックスとして用いた例について触れているが、これは、透光性導電体を用いても良い。この場合開口率が上がり、より高い感度を持つイメージセンサー１００を提供することが可能となる。また、透光性のＴＦＴ１０と、透光性導電体と、を共に用いても良く、この場合、さらに開口率が上がり、高い感度を持つイメージセンサー１００を提供することが可能となる。ここで、ゲート電極４の材質を変えた場合、ＴＦＴ１０の閾値等の特性が変わり、設計上不利になる場合がある。この場合には、たとえば従来用いていた材料を用いて透光性を備える範囲の厚さでゲート電極層を作り、その上に透光性を有する導電体層を形成し、パターニングすることでゲート電極４を形成しても良い。なお、この製造方法は一例を示すものであり、透光性を備える範囲で規定される層厚を有する物質上に、透光性を有する導電体層を備えた電極構造を有していれば良い。
【００５０】
また、走査線３ａや定電位線３ｂ、データ線６ａ、定電位線１２ａをブラックマトリックスとして用いた例について触れているが、このブラックマトリックスに加え、フォトダイオード２０を挟む位置に基板１での平面視にて重なるように別のブラックマトリックスを形成しても良く、この場合基板１の表側からの光と、基板１の裏面からの光に対して光電変換能のバランスが向上し、対称性が高いイメージセンサー１００を提供することが可能となる。
【符号の説明】
【００５１】
Ａ…素子領域、１…基板、１ａ…無機補正板、２…半導体層、２ｃ…チャネル領域、２ｄ…ドレイン領域、２ｓ…ソース領域、３…ゲート絶縁膜、３ａ…走査線、３ｂ…定電位線、４…ゲート電極、５…層間絶縁層、５ｄ…コンタクトホール、５ｓ…コンタクトホール、６…ソース電極、６ａ…データ線、７…ドレイン電極、８…有機平坦化層、８ａ…有機補正層、９…陽極、１０…ＴＦＴ、１１…素子分離層、１２…陰極、１２ａ…定電位線、１３…コンタクトホール、２０…フォトダイオード、２１…Ｐ層、２２…Ｉ層、２３…Ｎ層、２５…絶縁層、３０…保持容量、５０…フォトセンサー、１００…イメージセンサー、１０１…データ線駆動回路、１０２…走査線駆動回路。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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