CN1497731A - 背面入射型摄像传感器 - Google Patents

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Abstract

提供一种在防止空间解像度下降的同时，除去杂散光影响的背面入射型摄像传感器。在单晶硅衬底11的表面一侧中，配置驱动光电变换部12的驱动电路或处理来自光电变换部的信号的电路13，从水平方向只偏离开口20规定的距离D。由此除去杂散光的影响。另外，半导体衬底因为具有高的折射率，所以本质上空间解像度下降少，如果薄膜化衬底则更好。

Description

背面入射型摄像传感器
技术领域
本发明涉及从半导体衬底的背面入射光并检测图像的背面入射型摄像传感器，特别涉及作为指纹传感器等适宜的背面入射型摄像传感器。
背景技术
在以往的背面入射型摄像传感器中，例如有CCD型摄像传感器，但这种CCD型摄像传感器被形成在单晶硅衬底上的表面一侧，从上述衬底背面一侧入射红外线进行红外线的图像检测。
作为红外线摄像传感器的应用例子，可以列举在生物统计学认证中有力的指纹传感器等，这种传感器例如揭示在日本公开专利的特开2002-33469号公报中。另外，在摄像传感器的可见光以外的用途中，例如有安装有光·光变换元件的X射线传感器等。使用该传感器的目的例如是得到人体的透过图像。
进而，在背面入射型传感器的遮光构造中，例如，有如日本公开专利的特开平2-2688号公报中所述那样设置沟或孔隙的方法，或者如日本公开专利的特开平5-206432号公报所述那样设置吸收带的方法等。
但是，以往的背面入射型摄像传感器存在以下所示的问题。
(1)在摄像传感器的形成中使用的半导体衬底一般是不透明的。
(2)因为衬底的厚度受到限制，所以与表面入射型摄像传感器相比空间解像度下降。
(3)因和(2)同样的原因，受杂散光的影响。
进而，关于上述(1)的问题，作为以往例，上述CCD型摄像装置是公知的，在以往的背面入射型传感器的CCD型摄像装置中只能使用红外线。
发明内容
本发明就是鉴于上述以往的问题而提出的，其目的在于提供一种在可以提高空间解像度的同时，还可以除去杂散光的影响的背面入射型摄像传感器。
本发明的背面入射型摄像传感器，为了实现上述目的，在半导体衬底的表面一侧上形成光电变换部以及电路，在上述半导体衬底的背面一侧上形成开口部，从被形成在上述半导体衬底的背面一侧上的开口部入射光线，用被形成在上述半导体衬底的表面一侧上的光电变换部检测入射的光线，其中，上述电路和上述开口部在水平方向上相距规定的距离。
附图说明
图1是展示本发明的背面入射型摄像传感器的实施方式1的断面图。
图2是展示本发明的实施方式2的断面图。
图3是展示本发明的实施方式3的图。
图4是展示本发明的实施方式4的图。
图5是展示背面入射型摄像传感器的分光输出特性例子的图。
图6是说明空气-半导体界面的光学特性的图。
具体实施方式
以下，参照附图详细说明本发明的实施方式。首先，在本发明中，避开产生以往的背面入射型摄像传感器具有的上述(1)问题的波长的光，实现背面入射型摄像传感器。
在单晶硅衬底中所谓光学性透过的波长的光，是红外线和作为放射线的X射线。红外线在是远红外线的情况下，衬底基本上是光学透明的，在近红外线的情况下也具有某种程度的透过率。
图5展示被形成在实际厚度100μm的单晶硅衬底上的CMOS传感器式背面入射型传感器的分光输出特性的例子。从图5明示的那样，随着红外线的波长接近单晶硅衬底的带隙能量值(约1.1eV)，红外线对衬底的透过率上升。
另一方面，相反因为不能进行红外线的检测，所以传感器的灵敏度下降。其结果，如图5所示对于特定波长带975～1150nm可以得到平坦的输出特性。因而，在单晶硅衬底制的摄像传感器中希望在该区域中使用。
另外，即使对于作为放射线的X射线，单晶硅衬底事实上也是透明的。但是，作为放射线的X射线和其他的放射线一样使衬底内产生结晶缺陷，使摄像传感器的电气特性恶化。因此，当把摄像传感器作为X射线检测用传感器使用的情况下，如公知的那样，通常是在光光变换元件以外并用放射性屏蔽用的铅玻璃等高比重高密度物质。
通常，当这样安装光·光变换元件和放射线屏蔽用物质的情况下，因为安装复杂的电路，所以与界面不平坦敏感的衬底表面一侧相比，还是未安装复杂的电路、平坦不敏感的衬底背面一侧优异的情况多。从这一观点出发，还可以积极地在X射线的检测中使用背面入射型摄像传感器。
另外，对于以往的背面入射型摄像传感器具有的上述(2)的问题点，通过半导体衬底具有的高折射率和衬底的薄膜化来应对。
图6是说明以任意角度θ1入射到半导体衬底上的光线的光学特性图。图中211是空气，212是半导体衬底(单晶硅衬底)。单晶硅衬底的可见光附近的折射率是3.448。当向衬底从作为氛围气体的空气一侧(折射率1.0)入射近红外线的情况下，入射到衬底上的角度θ2用下式表示。
sinθ2＝sinθ1/3.448
因而，sinθ2即使最大也在0.290以下，
θ2＝sin-1(0.290)＝16.859°
从上式可知，入射到硅中的光被全部收纳在顶角±16.859度的圆锥内。
例如，在作为红外线传感器的应用例子的指纹传感器中，需要约800dpi左右的空间解像度。为了制作满足这一要求的背面入射型摄像传感器，通常对700μm以上的衬底厚度用公知的背抛光和背研磨、蚀刻等进行薄膜化。
另外，例如，如果在薄膜化至厚度100μm的硅衬底背面上配置代替指纹的解像度图案，用具有入射角+90度的散射光照射，则透过解像度图案的光扩散到在衬底表面一侧中相当于角度±16.859度的距离，即，
d＝t×tan(16.859°)＝t×0.303
d＝±30.3μm的距离。t是衬底厚度。
但是，所谓800dpi像素配置因为是31.75μm间距的配置，所以可知扩散到±30.3μm距离的散射光，最大只能到达相邻的像素。根据以上原因可知，通过薄膜化衬底可以实现具有800dpi这样高的空间解像度的指纹检测传感器。
进而，光·光变换照射手指的照明用LED和X射线的元件，由于可固有地射出高指向性的光，因此与上述散射光的情况相比取得的图像更鲜明。
以下，对于以往的背面入射型摄像传感器具有的上述(3)的杂散光的问题，通过半导体衬底的高折射率和衬底的薄膜化，和设置适当的遮光构造和适当的电气分离构造来应对。
例如，当在指纹传感器中用外光进行手指照明的情况下，具有高亮度的太阳光的直接入射等成为问题。
直射日光具有105(1m/平方米)左右的照度，把它和指纹传感器的摄像条件界限、黄昏为10(1m/平方米)的照度相比，具有104的差距。
在指纹传感器中必须满足、确保达到该104的摄像范围、动态范围。
当直射日光入射到作为受光部的光电变换部以外的情况下，该高强度的光有可能在形成摄像传感器的电气电路中产生误动作。因而，把电路配置在从背面入射强光的范围上是危险的。
设置在确定入射区域的背面一侧上的开口，例如，通过构图并除去屏蔽红外线的部件形成。入射的光因为大致扩展为衬底厚度的0.303倍，所以例如，在厚度100μm的半导体衬底中从开口向水平方向偏离约30.3μm以上配置驱动光电变换部的驱动电路和处理来自光电变换部之信号的信号处理电路等。
背面入射型传感器和表面入射型传感器不同，因为在光电二极管之前，即在半导体衬底中形成遮光膜困难，所以需要在半导体衬底的背面上使电路从开口部向水平方向偏离规定距离这种构造。
在该偏移部分上，例如希望设置(1)伪像素阵列，(2)吸收所产生的光电荷的有源构造等的电气分离构造。根据本构成，即使在高照度的直射日光下也可以进行稳定的指纹检测。另外，因为即使在X射线传感器中也存在来自光·光变换元件的变换光的入射，所以需要上述那样的构造。
(实施方式1)
图1是展示本发明的背面入射型摄像传感器的实施方式1的断面图。在实施方式1中展示在指纹检测中使用的背面入射型摄像传感器。图中11是在由通常的半导体加工形成摄像传感器后，由背抛光法薄膜化的厚度100μm，大小2cm见方的单晶硅衬底。
在单晶硅衬底11的表面一侧上形成摄像传感器的光电变换部12和驱动它的电路等其他的电路13。作为电路13如上所述是驱动光电变换部12的驱动电路和处理来自光电变换部12之信号的信号处理电路等。
另外，在单晶硅衬底11的背面一侧上，形成厚度2mm的用于屏蔽近红外线的树脂制的遮光膜14。该遮光膜14被构图为如图所示形成用于向遮光膜14入射光线的大小1cm见方的开口20。
电气电路13和开口20的水平方向的距离D，在本实施方式中是50μm。在遮光膜14上，配置用于检测指纹的手指15，在手指15和衬底11之间存在主要由指纹形成的空隙16。
另外，17是包含近红外线的外光，在本实施方式中在手指15的照明中利用该外光。来自手指15的光18在空隙16和衬底11的界面上折射并入射到衬底内部。入射的光19如上所述因为存在于顶角16.859度的圆锥内，所以从被设置在遮光膜14上的开口20只在水平方向(横方向)上前进100×tan(16.859°)＝30.3μm。因为该距离和距离D相比小，所以入射光不会入射到电路13，因而不会产生误动作。
进而，作为在本发明中使用的半导体衬底11，不必须是单晶硅衬底，例如，也可以是Si-Ge衬底或者其他的多晶衬底。进而，衬底11的厚度在可以检测图像的范围中是任意的，衬底11的薄膜化在把衬底11分割为摄像传感器的切割工序前和后都可以。
另外，当衬底11的厚度薄机械强度欠缺的情况下，可以在衬底11的表面一侧或者背面一侧上粘贴用于增加机械强度的任意材料。进而，遮光膜14的材料也可以是金属等的薄膜，膜厚度是任意的。空隙16的存在不一定是构成要件。
在此，手指的折射率，最接近作为比例最高的构成物质的水，是2以下。因而，如果和作为氛围气体的空气相比，则从一些界面射出的光的角度增大，但如果和衬底11的厚度相比则影响小。
如果必要，也可以通过使距离D的值中具有一些余量应对该问题。
(实施方式2)
图2是展示本发明的实施方式2的断面图，在本实施方式中，展示用于检测X射线图像的背面入射型摄像传感器。图中21是用蚀刻形成的厚度50μm，大小4cm见方的单晶硅衬底。在硅衬底21的表面一侧上形成光电变换部22和其驱动电路23，在背面一侧上形成厚度1μm的金属制的遮光膜24，在遮光膜24的中央上形成大小3cm见方的开口35。电路23是驱动光电变换部的驱动电路或者处理来自光电变换部之信号的信号处理电路。
电路23和开口35的水平方向的距离D，在本实施方式中是50μm。硅衬底21的背面一侧用粘接剂26粘合在衬底30上。进而，衬底30是厚度3mm的铅玻璃，在其上涂抹作为把X射线变换为红外线的光·光变换元件的厚度1mm的荧光体25。
入射到该衬底上的X射线27，用荧光体25变换为波长1μm的近红外线28。变换后的近红外线28透过作为放射线屏蔽膜的铅玻璃30，从开口35入射到衬底21。在粘接剂26和衬底21的硅界面上折射的光29入射到光电变换部22。这种情况下，即使在本实施方式中也是因上述的原因，近红外线29不会入射到电路23中。
在此，作为衬底21和铅玻璃30的粘接方法，除了涂抹通常的粘接剂的方法以外，例如，可以使用阳极粘接法。这种情况下，需要把金属遮光膜的材质变更为适当的材质。另外，光·光变换元件不仅变换为近红外线，还可以变换为远红外线。进而，当需要空间解像度的情况下，代替铅玻璃还可以使用公知的例如FOP(光学纤维板)。
(实施方式3)
图3是展示本发明的实施方式3的图。进而，图3展示本实施方式的背面入射型摄像传感器的光电变换部和其周边的设计图案。其他的构成和图1一样。图中31是形成光电变换部的大小30μm见方的单位像素，在光电变换部上形成纵300行，横300列的像素31，但在本图中省略，只记述纵3行，横3行。34是规定入射到光电变换部上的光线的开口图案，相当于使图1开口20的端部位置在垂直方向上降到光电变换部以下的部分。
另外，32是伪像素，形成各2行、2列。在第1行，第1列的伪图像32的中心上通过开口图案34。进而，在第2行、第2列的伪像素32以外，形成用于驱动光电变换部的驱动电路或者用于处理来自光电变换部之信号的信号处理电路等的电路13。电路13和开口图案34的水平距离D是1.5个像素大小的45μm。
形成本实施方式的摄像传感器的衬底厚度是50μm，来自开口图案34的近红外线的入射因为仅限于15.15μm的范围中，所以在电路13上，折射后的红外线不会直接入射。另外，即使对于揭示于前面的日本公开专利的特开平5-206432号公报上的，在表面构造上的反射光，也是可以取得充分余量的值。
另外，伪像素的构造和通常的像素构造相同，只是把来自像素的光信号作为输出信息使用。因而，即使因为光入射在伪像素32中产生光电荷，也不会对周围有不良影响地吸收电荷。由此，电路13从光入射的像素31电气分离，避免发生误动作。
(实施方式4)
图4展示本发明的实施方式4的图。图4展示本实施方式的背面入射型摄像传感器的光电变换部周边的设计图案。其他的构成和图1相同。图中41是大小30μm见方的单位像素，44是开口图案，13是驱动光电变换部周围的光电变换部的驱动电路或者处理来自光电变换部之信号的信号处理电路等的电路。在光电变换部上形成纵300行、横300列的像素41，但在本图中省略，只记载纵2行、横2行。开口图案44相当于使图1的开口20的端部位置在垂直方向上下降到光电变换部以下的部分。电路13和开口图案44的水平方向的距离D是50μm。
另外，42是用于和形成有摄像传感器的厚度100μm的p型半导体衬底取得电阻接触的粗细10μm的p+扩散层。扩散层42被固定在作为摄像传感器的最低电位的GND电位。
在本实施方式中，在作为在光电变换部中产生的光载流子的电子空穴对中，空穴被从扩散层42吸引，不会达到电路13。另外，电子因为其高的电势垒(GND电位)而不能接近，同样不会达到电路13。由此，电路13同样避免了光的入射。
如上所述如果采用本发明，则在透过半导体衬底的特定波长区域中空间解像度不会下降，可以实现可以得到杂散光影响少的良好图像的背面入射型摄像传感器。

Claims (12)

1.一种背面入射型摄像传感器，在半导体衬底的表面一侧上形成有光电变换部和电路，在上述半导体衬底的背面一侧上形成有开口部，从形成在上述半导体衬底的背面一侧上的开口部入射光线，用形成于上述半导体衬底的表面一侧上的光电变换部检测入射的光线，其中，上述电路配置为在水平方向上只离开上述开口部规定距离。
2.权利要求1所述的背面入射型摄像元件，其特征在于：上述半导体衬底是单晶硅衬底。
3.权利要求1所述的背面入射型摄像元件，其特征在于：在形成构成上述光电变换部的半导体集成电路后，减薄上述半导体衬底的厚度。
4.权利要求1所述的背面入射型摄像元件，其特征在于：上述光线是红外线。
5.权利要求4所述的背面入射型摄像元件，其特征在于：上述红外线的波长范围是975～1150nm。
6.权利要求1所述的背面入射型摄像元件，其特征在于：上述光线是X射线。
7.权利要求1所述的背面入射型摄像元件，其特征在于：上述光电变换部由光电二极管构成。
8.权利要求1所述的背面入射型摄像元件，其特征在于：上述电路是用于驱动上述光电变换部的驱动电路或者处理来自上述光电变换部之信号的信号处理电路。
9.权利要求1所述的背面入射型摄像元件，其特征在于：上述规定距离是上述半导体衬底厚度的0.303倍以上。
10.权利要求1所述的背面入射型摄像元件，其特征在于：上述规定距离是50μm以上。
11.权利要求1所述的背面入射型摄像元件，其特征在于：上述半导体衬底表面一侧的电路和开口部之间的偏移部分中形成有伪像素。
12.权利要求1所述的背面入射型摄像元件，其特征在于：上述半导体衬底表面一侧的电路和开口部之间的偏移部分中形成有电荷吸收用扩散层。
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