(57)【要約】【課題】空間解像度の低下を防止すると共に、迷光の影響を除去した裏面入射型撮像センサを提供する。【解決手段】単結晶シリコン基板１１の表面側において光電変換部１２を駆動する駆動回路や光電変換部からの信号を処理する電気回路１３を開口２０から水平方向に所定距離Ｄだけ離して配置する。これにより迷光の影響を除去する。また、半導体基板は高い屈折率を有するため本質的に空間解像度の低下は少なく、基板を薄膜化すれば更に良い。【選択図】　　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の表面側に光電変換部及び電気回路が形成され、前記半導体基板の裏面側には開口部が形成され、前記半導体基板の裏面側に形成された開口部から光線を入射し、前記半導体基板の表面側に形成された光電変換部で入射した光線を検出する裏面入射型撮像センサにおいて、前記電気回路を前記開口部から水平方向に所定距離だけ離して配置したことを特徴とする裏面入射型撮像センサ。
【請求項２】
前記半導体基板は、単結晶シリコン基板である事を特徴とする請求項１に記載の裏面入射型撮像センサ。
【請求項３】
前記半導体基板は、前記光電変換部を構成する半導体集積回路が形成された後、基板厚みが減じられている事を特徴とする請求項１、２に記載の裏面入射型撮像センサ。
【請求項４】
前記光線は、赤外光である事を特徴とする請求項１〜３に記載の裏面入射型撮像センサ。
【請求項５】
前記赤外光は、波長範囲が９７５〜１１５０ｎｍである事を特徴とする請求項４に記載の裏面入射型撮像センサ。
【請求項６】
前記光線は、Ｘ線である事を特徴とする請求項１〜３に記載の裏面入射型撮像センサ。
【請求項７】
前記光電変換部は、ホトダイオードから成ることを特徴とする請求項１〜６に記載の裏面入射型撮像センサ。
【請求項８】
前記電気回路は、前記光電変換部を駆動するための駆動回路、或いは前記光電変換部からの信号を処理する信号処理回路である事を特徴とする請求項１〜７に記載の裏面入射型撮像センサ。
【請求項９】
前記所定距離は、前記半導体基板の厚さの０．３０３倍以上である事を特徴とする請求項１〜８に記載の裏面入射型撮像センサ。
【請求項１０】
前記所定距離は、５０μｍ以上である事を特徴とする請求項１〜８に記載の裏面入射型撮像センサ。
【請求項１１】
前記半導体基板の表面側における電気回路と開口部間のオフセット部分にダミー画素が形成されていることを特徴とする請求項１〜１０に記載の裏面入射型撮像センサ。
【請求項１２】
前記半導体基板の表面側における電気回路と開口部間のオフセット部分に電荷吸上拡散層が形成されていることを特徴とする請求項１〜１０に記載の裏面入射型撮像センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板の裏面から光を入射して画像を検出する裏面入射型撮像センサ、特に、指紋センサ等として好適な裏面入射型撮像センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の裏面入射型撮像センサには、例えば、ＣＣＤ型撮像センサが有るが、このようなＣＣＤ型撮像センサは単結晶シリコン基板上の表面側に形成され、前記基板の裏面側から赤外光を入射して赤外光の画像の検出を行う。
【０００３】
赤外光の撮像センサの応用例としては、近年、バイオメトリクス認証で有力な指紋センサ等が挙げられ、これは、例えば、特開２００２−３３４６９に開示されている。また、撮像センサの可視光以外の用途には、例えば、光光変換素子を搭載したＸ線センサ等が有る。このセンサは、例えば、人体の透過画像を得る目的で使用されている。
【０００４】
更に、裏面入射型センサの遮光構造には、例えば、特開平２−２６８８号公報に記載されているように溝やアパーチャを設ける方法、或いは特開平５−２０６４３２号公報に記載されているように吸収帯を設ける方法等がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の裏面入射型撮像センサには、以下に示すような問題点があった。
（１）撮像センサの形成に用いる半導体基板が一般には透明ではない。
（２）基板の厚さが有限なため、表面入射型撮像センサに比べると空間解像度が低下する。
（３）（２）と同様の理由により迷光の影響を受ける。
【０００６】
なお、上記（１）の問題点に関しては、従来例として前述のＣＣＤ型撮像装置が公知であり、従来の裏面入射型センサのＣＣＤ型撮像装置では赤外光しか使用されていない。
【０００７】
本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたもので、その目的は、空間解像度を向上できると共に、迷光の影響も除去することが可能な裏面入射型撮像センサを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の裏面入射型撮像センサは、上記目的を達成するため、半導体基板の表面側に光電変換部及び電気回路が形成され、前記半導体基板の裏面側には開口部が形成され、前記半導体基板の裏面側に形成された開口部から光線を入射し、前記半導体基板の表面側に形成された光電変換部で入射した光線を検出する裏面入射型撮像センサにおいて、前記電気回路を前記開口部から水平方向に所定距離だけ離して配置したことを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。まず、本発明においては、上記（１）の問題を生じる波長の光は避けて、裏面入射型撮像センサを実現する。単結晶シリコン基板において透明な波長の光とは、赤外光と放射線であるＸ線である。赤外光は遠赤外光の場合には、基板は事実上透明であり、近赤外光の場合でもある程度の透過率を有する。
【００１０】
図５は実際の厚さ１００μｍの単結晶シリコン基板上に形成されたＣＭＯＳセンサ式裏面入射型センサの分光出力特性の例を示す。図５から明らかなように単結晶シリコン基板のバンドギャップエネルギー値（約１．１ｅＶ）に赤外光の波長が近づくにつれて赤外光の基板に対する透過率は向上する。
【００１１】
一方、それに反して赤外光の検出は行われなくなるため、センサの感度は低下する。その結果、図５に示すように特定の波長帯９７５〜１１５０ｎｍに対してフラットな出力特性が得られる。従って、単結晶シリコン基板製の撮像センサにおいてはこの領域で使用するのが望ましい。
【００１２】
また、放射線であるＸ線に対しても単結晶シリコン基板は事実上透明である。但し、放射線であるＸ線は他の放射線と同様に基板内に結晶欠陥を生じさせ、撮像センサの電気特性を悪化させる。そのため、撮像センサをＸ線検出用センサとして用いる場合には、公知のように光光変換素子以外に放射線遮蔽用の鉛ガラス等の高比重高密度物質を併用するのが通例である。
【００１３】
通常、このように光光変換素子や放射線遮蔽用物質を搭載する場合には、複雑な電気回路が搭載されるため、界面が平坦でなく敏感な基板表面側よりも、複雑な電気回路が搭載されていない、平坦で鈍感な基板裏面側が優れている場合が多い。この観点から、Ｘ線の検出に裏面入射型撮像センサを積極的に用いる事も可能である。
【００１４】
また、上記（２）の問題点に対しては半導体基板が有する高い屈折率と基板の薄膜化によって対処する。
【００１５】
図６は半導体基板に任意の角度θ１で入射する光線の光学特性を説明する図である。図中２１１は空気、２１２は半導体基板（単結晶シリコン基板）である。単結晶シリコン基板の可視光付近の屈折率は、３．４４８程度である（理科年表参照）。基板に雰囲気である空気側（屈折率１．０）から近赤外光が入射した場合には、基板に入射する角度θ２は、
ｓｉｎθ２＝ｓｉｎθ１／３．４４８
で表される。
【００１６】
従って、ｓｉｎθ２は最大でも０．２９０以下であり、
θ２＝ｓｉｎ−１（０．２９０）＝１６．８５９°
から、シリコン中に入った光は頂角±１６．８５９度の円錐内に全て収まるようになる。
【００１７】
例えば、赤外線センサの応用例である指紋センサにおいては、約８００ｄｐｉ程度の空間解像度が必要である。これを満足する裏面入射型撮像センサを作製するには、通常は７００μｍ以上ある基板厚さを、公知のバックグラインドやバックラップ、エッチング等で薄膜化することで行う。
【００１８】
また、例えば、厚さ１００μｍまで薄膜化したシリコン基板の裏面上に指紋の代わりとなる解像度パターンを配置し、入射角±９０度を有する拡散光で照射すると、解像度パターンを透過した光は基板の表面側では角度±１６．８５９度に相当する距離、即ち、
ｄ＝ｔ×ｔａｎ（１６．８５９°）＝ｔ×０．３０３
ｄ＝±３０．３μｍの距離まで広がってしまう。ｔは基板厚さである。
【００１９】
しかし、８００ｄｐｉの画素配置とは３１．７５μｍピッチのそれであることから、±３０．３μｍの距離まで広がった散乱光は、最大でも隣接する画素までしか到達していない事が分かる。以上の理由により、基板を薄膜化することで８００ｄｐｉという高い空間解像度を有する指紋検出センサを実現できることがわかる。
【００２０】
更に、指を照射する照明用のＬＥＤやＸ線を光光変換する素子は、元々出射する光の指向性が高いために、上述の拡散光の場合と比べると取得する画像がより鮮明化する。
【００２１】
次に、上記（３）の迷光の問題に対しては、高い半導体基板の屈折率と基板の薄膜化と、適当な遮光構造と適当な電気的分離構造を設ける事で対処する。例えば、指紋センサにおいて指の照明を外光で行う場合には、高い輝度を持つ太陽光の直接入射等が問題となる。
【００２２】
直射日光は１０５（ｌｍ／ｍ２）程度の照度を有するが、それを指紋センサの撮像条件限界、薄暮の１０（ｌｍ／ｍ２）の照度と比べると、驚く事に１０４もの開きが有る。指紋センサにおいてはこの１０４にも達する撮像範囲、ダイナミックレンジを満足、保証しなければならない。
【００２３】
直射日光が受光部である光電変換部以外に入射した場合には、その高い強度の光が撮像センサを形成する電気回路に誤動作を生じさせる恐れが有る。従って、裏面からその強い光が入射する範囲に電気回路を配置する事は危険である。
【００２４】
入射領域を決定する裏面側に設ける開口は、例えば、赤外線を遮蔽する部材をパターニング、除去して形成する。入射した光は大略基板厚さの０．３０３倍広がるため、例えば、厚さ１００μｍの半導体基板においては光電変換部を駆動する駆動回路や光電変換部からの信号を処理する信号処理回路等を開口から水平方向に、約３０．３μｍ以上ずらして配置する。
【００２５】
裏面入射型センサは表面入射型センサとは異なり、ホトダイオードの直前、即ち、半導体基板中に遮光膜を形成する事は困難である事から、半導体基板の裏面上で電気回路を開口部から水平方向に所定距離オフセットさせるという構造が必要となる。
【００２６】
このオフセット部分には、（１）ダミー画素を並べる、（２）発生した光電荷を吸い上げる積極的な構造を設ける等の電気的分離構造を設けるのが望ましい。本構成により、高照度な直射日光下においても安定した指紋検出が可能となる。また、Ｘ線センサにおいても光光変換素子からの変換光の入射が存在するため、上述したような構造は必要となる。
【００２７】
（第１の実施形態）
図１は本発明による裏面入射型撮像センサの第１の実施形態を示す断面図である。第１の実施形態では指紋検出に用いる裏面入射型撮像センサを示す。図中１１は通常の半導体プロセスにより撮像センサが形成された後に、バックグラインド法により薄膜化された厚さ１００μｍ、大きさ２ｃｍ角の単結晶シリコン基板である。
【００２８】
単結晶シリコン基板１１の表面側には撮像センサの光電変換部１２とそれを駆動する回路等のその他の電気回路１３が形成されている。電気回路１３としては前述のように光電変換部１２を駆動する駆動回路や光電変換部１２からの信号を処理する信号処理回路等である。
【００２９】
また、多結晶シリコン基板１１の裏面側には、厚さ２ｍｍの樹脂製の近赤外光を遮蔽するための遮光膜１４が形成されている。この遮光膜１４はパターニングされており、図示するように遮光膜１４には光線を入射するための大きさ１ｃｍ角の開口２０が形成されている。
【００３０】
電気回路１３と開口２０の水平方向の距離Ｄは、本実施形態では５０μｍである。遮光膜１４の上には、指紋を検出するための指１５が配置され、指１５と基板１１との間には所々にエアーギャップ１６が存在する。
【００３１】
また、１７は近赤外光を含んだ外光であり、本実施形態では指１５の照明にはこの外光を利用する。指１５から発せられた光１８はエアーギャップ１６と基板１１の界面で屈折して基板内方へ入射する。入射した光１９は前述のように頂角１６．８５９度の円錐内に存在するため、遮光膜１４に設けられた開口２０から水平方向（横方向）には１００×ｔａｎ（１６．８５９°）＝３０．３μｍしか進むことはない。この距離は距離Ｄと比べると小さいため、入射光が電気回路１３に入射する事はなく、従って誤動作を生じる事もない。
【００３２】
なお、本発明で用いる半導体基板１１としては、単結晶シリコン基板である必要はなく、例えば、Ｓｉ−Ｇｅ基板或いはその他の多結晶基板で有っても良い。更に、基板１１の厚さは画像を検出できる範囲で任意であり、基板１１の薄膜化は基板１１を撮像センサに分割するダイシング工程の前でも後でも良い。
【００３３】
また、基板１１の厚さが薄く機械的強度に欠ける場合には、基板１１の表面側或いは裏面側に任意の機械的強度を増すための材料を貼り付けても良い。更に、遮光膜１４の材質は金属等の薄膜でも良く、膜厚も任意である。エアーギャップ１６の存在は必ずしも構成要件では無い。
【００３４】
ここで、指の屈折率は最多構成物質である水に近いため、２以下である。従って、雰囲気である空気（エアー）と比べると多少界面から出射する光の角度は大きくなるが、それでも基板１１の厚さに比べてべら棒な値となる事はない。必要であるならば、距離Ｄの値に多少のマージンを持たせる事によりこの問題に対処する事ができる。
【００３５】
（第２の実施形態）
図２は本発明の第２の実施形態を示す断面図である、本実施形態では、Ｘ線像を検出するための裏面入射型撮像センサを示す。図中２１はエッチング法で形成された厚さ５０μｍ、大きさ４ｃｍ角の単結晶シリコン基板である。シリコン基板２１の表面側には光電変換部２２とその他の電気回路２３が、裏面側には厚さ１μｍの金属製の遮光膜２４が形成されており、遮光膜２４の中央には大きさ３ｃｍ角の開口３５が形成されている。電気回路２３は光電変換部を駆動する駆動回路或いは光電変換部からの信号を処理する信号処理回路である。
【００３６】
電気回路２３と開口３５との水平方向の距離Ｄは、本実施形態では５０μｍである。シリコン基板２１は接着剤２６によって後述する基板と裏面側で貼り合わされている。なお、ここでいう基板とは、厚さ３ｍｍの鉛ガラス３０上にＸ線を赤外光に変える光光変換素子である厚さ１ｍｍの蛍光体２５が塗布されたものである。
【００３７】
この基板に入射したＸ線２７は、蛍光体２５で波長１μｍの近赤外光２８に変換される。変換された近赤外光２８は放射線遮蔽膜である鉛ガラス３０を透過し、開口３５から基板２１に入射する。接着剤２６と基板２１のシリコン界面で屈折した光２９は光電変換部２２に入射する。この場合、本実施形態においても前述の理由により、近赤外光２９が電気回路２３に入射する事はない。
【００３８】
ここで、基板２１と鉛ガラス３０との接着方法としては、通常の接着剤を塗布する方法以外に、例えば、陽極接合法を用いても良い。その場合には、金属遮光膜の材質を適当なそれに変更する必要がある。また、光光変換素子は近赤外光に変換するそれではなく、遠赤外光に変換するそれでも良い。更に、空間解像度が必要な場合には、鉛ガラスの代わりに公知の例えばＦＯＰ（ファイバーオプティカルプレート）を用いても良い。
【００３９】
（第３の実施形態）
図３は本発明の第３の実施形態を示す図である。なお、図３は本実施形態の裏面入射型撮像センサの光電変換部とその周辺のレイアウトパターンを示す。その他の構成は図１と同様である。図中３１は光電変換部を形成する大きさ３０μｍ角の単位画素であり、光電変換部には画素３１が縦３００行、横３００列形成されている。３４は光電変換部に入射する光線を規定する開口パターンであり、これは図１の開口の端部に相当する。
【００４０】
また、３２はダミー画素であり、各２行、２列形成されている。１行、１列目のダミー画素３２の中心には開口パターン３４が通過している。更に、２行、２列目のダミー画素３２の外方には、光電変換部を駆動するための駆動回路或いは光電変換部からの信号を処理するための信号処理回路等の電気回路１３が形成されている。電気回路１３と開口パターン３４との水平距離Ｄは、１．５画素分の４５μｍである。
【００４１】
本実施形態の撮像センサが形成されている基板の厚さは５０μｍであり、開口パターン３４からの近赤外光の入射は１５．１５μｍの範囲に限られるため、電気回路１３に屈折した赤外光が直接入射する事はない。また、先の特開平５−２０６４３２号公報に開示されている、表面構造での反射光に対しても充分マージンの取れた値となっている。
【００４２】
また、ダミー画素の構造は通常の画素のそれと同一であり、単に画素からの光信号を出力情報として使用しないだけである。従って、光入射によってダミー画素３２中に光電荷が生じても、周囲に悪影響を及ぼす事なく電荷を吸い上げる事が可能である。それにより、電気回路１３は光が入射する画素３１から電気的に分離され、誤動作から保護されることになる。
【００４３】
（第４の実施形態）
図４は本発明の第４の実施形態を示す図である。図４は本実施形態の裏面入射型撮像センサの光電変換部周辺のレイアウトパターンを示す。その他の構成は図１と同様である。図中４１は大きさ３０μｍ角の単位画素、４４は開口パターン、１３は光電変換部周辺の光電変換部を駆動する駆動回路或いは光電変換部からの信号を処理する信号処理回路等の電気回路である。開口パターン４４は図１の開口の端部に相当する。電気回路１３と開口パターン４４との水平方向の距離Ｄは５０μｍである。
【００４４】
また、４２は撮像センサが形成された厚さ１００μｍのｐ型半導体基板とオーミックコンタクトをとるための太さ１０μｍのｐ＋拡散層である。拡散層４２は撮像センサの最低電位であるＧＮＤ電位に固定されている。
【００４５】
本実施形態では、光電変換部で発生した光キャリアである電子正孔対のうち正孔は拡散層４２から吸い上げられ、電気回路１３に到達する事はない。また、電子はその高いポテンシャルバリア（ＧＮＤ電位）のために近づく事はできず、同様にして電気回路１３に到達する事はない。これにより、電気回路１３は同様に光入射より保護される。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、半導体基板を透過する特定の波長領域において空間解像度が低下することなく、迷光の影響の少ない良好な画像を得ることが可能な裏面入射型撮像センサを実現する事ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による裏面入射型撮像センサの第１の実施形態を示す断面図である。
【図２】本発明の第２の実施形態を示す断面図である。
【図３】本発明の第３の実施形態を示す図である。
【図４】本発明の第４の実施形態を示す図である。
【図５】裏面入射型撮像センサの分光出力特性の例を示す図である。
【図６】空気−半導体界面の光学特性を説明する図である。
【符号の説明】
１１、２１　単結晶シリコン基板
１２、２２　光電変換部
１３、２３　電気回路
１４、２４　遮光膜
１５　指
１６　エアーギャップ
１７　外光
１８、１９　光線
２０、３５　開口
２５　蛍光体
２６　接着剤
２７　Ｘ線
２８、２９　近赤外光
３０　鉛ガラス
３１、４１　単位画素
３２　ダミー画素
３４、４４　開口パターン
４２　拡散層
２１１　空気
２１２　半導体基板
【図１】
2004134514.tif 000003
【図２】
2004134514.tif 000004
【図３】
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【図４】
2004134514.tif 000006
【図５】
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【図６】
2004134514.tif 000008