JP4965151B2

JP4965151B2 - 固体撮像装置

Info

Publication number: JP4965151B2
Application number: JP2006108304A
Authority: JP
Inventors: 康隆中柴
Original assignee: Renesas Electronics Corp
Current assignee: Renesas Electronics Corp
Priority date: 2006-04-11
Filing date: 2006-04-11
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2026-04-11
Also published as: US7809255B2; US20070237504A1; CN101055885A; JP2007281324A

Description

本発明は、固体撮像装置に関し、特に指紋を撮像する固体撮像装置に関する。

従来の指紋を撮像する固体撮像装置としては、例えば特許文献１〜４に記載されたものがある。これらの文献に記載された固体撮像装置は、撮像時に指が接触する接触面を有しており、その接触面に接触した指の指紋を撮像する。

なお、本発明に関連する先行技術文献としては、特許文献１〜４の他に、特許文献５〜７が挙げられる。
特開２００４−２４６５８６号公報特開２００２−３３４６９号公報特開２０００−２１７８０３号公報特開２００２−７４３４５号公報特開平３−２４４０９２号公報特開平１１−５３５２３号公報特開平１０−２６９３４２号公報

しかしながら、上述の固体撮像装置においては、撮像後の接触面に指紋の跡（残留指紋）が残ってしまう。かかる残留指紋が肉眼でも確認できると、当該固体撮像装置のユーザに対して、自分の指紋データが不正に取得されるのではないかという心理的不安を与えてしまう。また、指が直接接触する接触面が半導体基板の裏面に設けられた固体撮像装置では指に付着した不純物等が半導体基板を拡散し、反対側に形成された受光部やＭＯＳＦＥＴに悪影響を及ぼすことがあった。このことは、固体撮像装置の信頼性低下につながってしまう。

本発明による固体撮像装置は、半導体基板と、上記半導体基板中に設けられた受光部と、を備え、被撮像体が接触する接触面が上記半導体基板の裏面に設けられ、上記接触面は、粗面であり、上記接触面に接触した上記被撮像体を透過した光を上記半導体基板の内部で光電変換し、当該光電変換により発生した電荷を上記受光部で受けて上記被撮像体を撮像することを特徴とする。

この固体撮像装置においては、接触面が粗面である。このため、被撮像体として指を接触面に接触させた後であっても、接触面が平坦な場合に比して、その接触面に残留指紋が残りにくくなる。また、接触面が粗面であれば、そこに残った残留指紋を肉眼で確認することは困難である。これにより、ユーザの心理的不安を軽減することができる。

さらに、機械的研磨による表面凹凸処理等によって接触面を粗面にした場合、接触面に機械的加工歪みが形成され、これにより、金属等を捕獲するＥＧ（イクストリンシックゲッタリング）効果を期待することができる。例えば、指に付着した不純物等が半導体基板を拡散し、反対側に形成された受光部やＭＯＳＦＥＴに悪影響を及ぼすのを抑制することができる。これにより、固体撮像装置の信頼性低下を防ぐことができる。

本発明によれば、ユーザの心理的不安を軽減することが可能な固体撮像装置が実現される。また、機械的研磨による表面凹凸処理等によって接触面を粗面にした場合、指に付着した不純物等が半導体基板を拡散し、反対側に形成された受光部やＭＯＳＦＥＴに悪影響を及ぼすのを抑制することができる。

以下、図面を参照しつつ、本発明による固体撮像装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明による固体撮像装置の一実施形態を示す断面図である。固体撮像装置１は、半導体基板１０および受光部２０を備えている。本実施形態において半導体基板１０は、Ｐ型シリコン基板である。半導体基板１０の裏面（後述する配線層３０と反対側の面）には、接触面Ｓ１が設けられている。固体撮像装置１は、この接触面Ｓ１に接触した被撮像体を透過した光を半導体基板１０の内部で光電変換し、その光電変換により発生した電荷を受光部２０で受けて上記被撮像体を撮像する。

接触面Ｓ１は粗面である。すなわち、接触面Ｓ１は、非光沢処理またはつや消し処理等の凹凸加工処理が施されている。かかる凹凸加工は、機械的研磨による表面凹凸処理等により行うことができる。

半導体基板１０中には、複数の受光部２０が形成されている。具体的には、受光部２０は、半導体基板１０の表面側の表層中に設けられている。本実施形態において受光部２０は、Ｎ型不純物拡散層である。受光部２０は、隣接する半導体基板１０と共にフォトダイオードを構成している。

半導体基板１０中には、ＭＯＳＦＥＴ４０も形成されている。すなわち、固体撮像装置１には、受光部２０等により構成されるＭＯＳイメージセンサ部と、ＭＯＳＦＥＴ４０等により構成されるロジック回路部とが混載されている。ＭＯＳＦＥＴ４０は、ソース・ドレイン領域として機能するＮ型不純物拡散層４２、およびゲート電極４４を含んでいる。

半導体基板１０の表面上には、配線層（絶縁層中に配線が設けられている層）３０が設けられている。この配線層３０中には、配線３２が形成されている。

固体撮像装置１において、接触面Ｓ１の凹凸の配列ピッチの平均値は、指の指紋の凹凸の配列ピッチの平均値よりも小さいことが好ましい。より好ましくは、前者は、後者の１／２以下である。また、接触面Ｓ１の凹凸における凸部の高さの平均値は、指の指紋の凹凸における凸部の高さの平均値よりも小さいことが好ましい。さらに、接触面Ｓ１の凹凸の配列ピッチの平均値は、受光部２０の配列ピッチの平均値よりも小さいことが好ましい。また、受光部２０の配列ピッチの平均値は、指の指紋の凹凸の配列ピッチの平均値よりも小さいことが好ましい。

ここで、受光部２０の配列ピッチは、図１に示すように、隣り合う受光部２０の中心間の間隔ｄ１として定義される。図１に示されている固体撮像装置１においては受光部２０の配列ピッチが一定であるので、この間隔ｄ１がそのまま「受光部２０の配列ピッチの平均値」となる。一方、当該配列ピッチが一定でないときは、それらの平均をとったものが「受光部２０の配列ピッチの平均値」となる。

また、接触面Ｓ１の凹凸の配列ピッチは、図２に示すように、隣り合う凸部間の間隔ｄ２１，ｄ２２，ｄ２３，ｄ２４として定義される。これらの間隔ｄ２１，ｄ２２，ｄ２３，ｄ２４が一定でない場合、それらの平均をとったものが「接触面Ｓ１の凹凸の配列ピッチの平均値」となる。この値は、例えば５０μｍ程度である。また、接触面Ｓ１の凹凸における凸部の高さは、凸部とそれに隣接する凹部との間の高低差ｈ２１，ｈ２２，ｈ２３，ｈ２４，ｈ２５として定義される。これらの高低差ｈ２１，ｈ２２，ｈ２３，ｈ２４，ｈ２５が一定でない場合、それらの平均をとったものが「接触面Ｓ１の凹凸における凸部の高さの平均値」となる。この値は、例えば０．１〜１０μｍ程度である。

指紋についての凹凸の配列ピッチおよび凸部の高さの定義は、接触面Ｓ１についての定義と同様である。なお、指紋の凹凸の配列ピッチは、例えば１ｍｍである。その場合、接触面Ｓ１の凹凸の配列ピッチの平均値が指の指紋の凹凸の配列ピッチの平均値の１／２以下という条件は、接触面Ｓ１の凹凸の配列ピッチの平均値が５００μｍ以下と書き換えることができる。

図３を参照しつつ、固体撮像装置１の動作の一例を説明する。同図においては、接触面Ｓ１に、被撮像体である指９０を接触させている。蛍光灯やＬＥＤ等の光源からの光Ｌ１を指９０に入射させると、その透過光Ｌ２が接触面Ｓ１に入射する。このとき、透過光Ｌ２は、指９０の指紋９２の形状についての情報を含んだものとなる。すると、透過光Ｌ２は、半導体基板１０の内部で光電変換される。その光電変換により発生した信号電荷を受光部２０が受けることにより、指紋９２の像が撮像される。なお、光Ｌ１は、可視光、近赤外光または赤外光の何れであってもよい。

本実施形態の効果を説明する。固体撮像装置１は、裏面入射型である。このため、特許文献３とは異なり、固体撮像装置１の表面側（配線層３０側）に被撮像体を接触させる必要がない。これにより、固体撮像装置１の破損、特性劣化および静電破壊等の発生を抑えることができる。このことは、固体撮像装置１の信頼性の向上に寄与する。例えば、被撮像体が指である場合、帯電した指とは反対側に配線が位置することになるため、指による過大な静電気が半導体基板１０中に設けられた素子（受光部２０やＭＯＳＦＥＴ４０等）に印加されるのを防ぐことができる。

固体撮像装置１においては、接触面Ｓ１が粗面である。このため、被撮像体として指を接触面Ｓ１に接触させた後であっても、接触面Ｓ１が平坦な場合に比して、その接触面Ｓ１に残留指紋が残りにくくなる。また、接触面Ｓ１が粗面であれば、そこに残った残留指紋を肉眼で確認することは困難である。これにより、自分の指紋データが不正に取得されるのではないかというユーザの心理的不安を軽減することができる。さらに、かかる凹凸加工を、機械的研磨による表面凹凸処理等により行った場合、接触面Ｓ１に機械的加工歪みが形成され、これにより、金属等を捕獲するＥＧ効果を期待することができる。例えば、指に付着した金属等が半導体基板１０を拡散し、反対側に形成された受光部２０やＭＯＳＦＥＴ４０に悪影響を及ぼすのを抑制できるという効果がある。

光Ｌ１（図３参照）として近赤外光または赤外光を用いた場合、可視光を用いた場合よりも、接触面Ｓ１から深い位置まで透過光Ｌ２を到達させることができる。それにより、透過光Ｌ２が光電変換されて生じた信号電荷が、受光部２０に達し易くなる。

また、接触面Ｓ１の凹凸の配列ピッチの平均値が指の指紋の凹凸の配列ピッチの平均値よりも小さい場合、接触面Ｓ１に残った残留指紋を肉眼で確認することが一層困難となる。特に、接触面Ｓ１の凹凸の配列ピッチの平均値が指の指紋の凹凸の配列ピッチの平均値の１／２以下である場合、接触面Ｓ１に残った残留指紋を肉眼で確認することがより一層困難となる。接触面Ｓ１の凹凸の配列ピッチの平均値が５００μｍ以下である場合も同様である。

接触面Ｓ１の凹凸における凸部の高さの平均値が指の指紋の凹凸における凸部の高さの平均値よりも小さい場合、撮像時に、指と接触面Ｓ１との間に隙間が生じにくくなる。それにより、良好な撮像を妨げることなく、上述の効果、すなわち残留指紋を肉眼で確認しにくくするという効果を得ることができる。

接触面Ｓ１の凹凸の配列ピッチの平均値が受光部２０の配列ピッチの平均値よりも小さい場合、接触面Ｓ１に残った残留指紋を肉眼で確認することが一層困難となる。また、受光部２０の配列ピッチの平均値が指の指紋の凹凸の配列ピッチの平均値よりも小さい場合、充分に高い解像力で指紋画像を得ることができる。

これに対して、特許文献１〜４に記載の固体撮像装置においては、接触面が平坦化（光沢処理）されているため、その接触面に残った残留指紋を肉眼でも容易に確認することができる。このことは、接触面に指を接触させていないのにも関わらず指紋データが取得される恐れがあるという心理的不安をユーザに与えてしまう。

ところで、特許文献１の固体撮像装置は、不正目的として使用される残留指紋に対して高い防御性を保つべく、残留指紋であるか否かを指紋画像の移動量に基づいて判断する機能を有している。しかしながら、かかる機能を持たせた場合、固体撮像装置の構成が複雑になるとともに、高価になるという欠点がある。

また、特許文献４には、内部光源から接触面に対して光を照射し、その反射光に基づいて指紋画像を取得する全反射方式の固体撮像装置が開示されている。しかしながら、全反射方式の固体撮像装置には、過飽和になる、およびハレーションが起こる等の問題がある。一方、固体撮像装置１によれば、被撮像体を透過した光を用いるため、かかる問題の発生を防ぐことができる。

また、特許文献５には、全反射方式の固体撮像装置の改善として、接触面に凹凸が形成された散乱方式の固体撮像装置が開示されている。この固体撮像装置は、被撮像体を透過した光を検出する固体撮像装置１とは異なり、上記接触面で散乱した光を検出するものである。このため、同文献の固体撮像装置においては、凹凸が形成された散乱面を有する透明体、レンズ、入力装置はそれぞれ別に設けられている。そのため、製造工程数が増大し、装置が高価かつ大きくなってしまうという問題がある。

また、特許文献６にも、接触面に凹凸が形成された固体撮像装置が開示されている。この固体撮像装置も、被撮像体を透過した光を検出する固体撮像装置１とは異なり、上記接触面で散乱した光を検出するものである。このため、同文献の固体撮像装置においては、凹凸が形成された散乱面を有する凹凸検出光学素子は、アクリル樹脂やガラス等からなる透明層の上面側に複数の断面半円形状の凸条部（隆起部）が、２次元フォトセンサ１２上に設けられている。また、断面半円形状の凸条部は、同じ形状が、規則正しく並んで形成されている。そのため、製造工程数が増大し、製造工程精度が必要になり、装置が高価になってしまうという問題がある。

特許文献７にも、散乱方式の固体撮像装置が開示されている。ところが、同文献の固体撮像装置においては、凹凸が形成された散乱面とは別に、指が接触する接触面が設けられている。そして、その接触面は平坦な面であるため、残留指紋が残り易くなってしまう。そのうえ、同固体撮像装置においては、上記散乱面と接触面との間に、気体または流動体からなる中間層が設けられている。そのため、製造工程数が増大し、装置が高価になってしまうという問題もある。

本発明による固体撮像装置は、上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態においてはＮチャネルＭＯＳＦＥＴ（図１のＭＯＳＦＥＴ４０）が設けられた例を示したが、さらにＰチャネルＭＯＳＦＥＴが設けられていてもよい。また、Ｐ型の半導体基板およびＮ型の受光部を例示したが、Ｎ型の半導体基板およびＰ型の受光部であってもよい。さらに、本発明は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）型の固体撮像装置に適用してもよい。

また、上記実施形態においては半導体基板１０の裏面に接触面Ｓ１が設けられた例を示したが、図４に示すように、半導体基板１０の裏面上に保護膜５０が設けられ、その保護膜５０に接触面Ｓ１が設けられていてもよい。同図においては、半導体基板１０の裏面が粗面となっており、それによりその上に形成された保護膜５０の表面も粗面となっている。このように保護膜５０を設けることにより、指に付着した不純物等が半導体基板１０を拡散し、反対側に形成された受光部２０やＭＯＳＦＥＴ４０に悪影響を及ぼすのを一層効果的に抑制することができる。保護膜５０としては、ＳｉＯ膜、ＳｉＮ膜またはＳｉＯＮ膜等を用いることができる。保護膜５０の厚さは、例えば０．３μｍ程度である。保護膜５０の厚さが０．３μｍ程度と入射光の波長に比べて薄い場合、撮像への影響を非常に小さく抑えることができる。

本発明による固体撮像装置の一実施形態を示す断面図である。接触面の凹凸の配列ピッチについて説明するための断面図である。図１の固体撮像装置の動作の一例を説明するための断面図である。実施形態の一変形例に係る固体撮像装置を示す断面図である。

符号の説明

１固体撮像装置
１０半導体基板
２０受光部
３０配線層
３２配線
４０ＭＯＳＦＥＴ
４２Ｎ型不純物拡散層
４４ゲート電極
５０保護膜
９０指
９２指紋
Ｌ１光源からの光
Ｌ２透過光
Ｓ１接触面
ｄ１受光部の配列ピッチ
ｄ２１接触面の凹凸の配列ピッチ
ｄ２２接触面の凹凸の配列ピッチ
ｄ２３接触面の凹凸の配列ピッチ
ｄ２４接触面の凹凸の配列ピッチ
ｈ２１接触面の凹凸の凸部の高さ
ｈ２２接触面の凹凸の凸部の高さ
ｈ２３接触面の凹凸の凸部の高さ
ｈ２４接触面の凹凸の凸部の高さ
ｈ２５接触面の凹凸の凸部の高さ

Claims

半導体基板と、
前記半導体基板中に設けられた複数の受光部と、を備え、
被撮像体である指が接触する接触面が前記半導体基板の裏面に設けられ、
前記接触面は、凹凸が形成された粗面であり、
前記接触面の前記凹凸の配列ピッチの平均値は、前記指の指紋の凹凸の配列ピッチの平均値よりも小さく、かつ、前記受光部の配列ピッチの平均値よりも小さく、
前記接触面に接触した前記被撮像体を透過した光を前記半導体基板の内部で光電変換し、当該光電変換により発生した電荷を前記受光部で受けて前記被撮像体を撮像することを特徴とする固体撮像装置。
請求項１に記載の固体撮像装置において、
前記接触面の前記凹凸の配列ピッチの平均値は、前記指の指紋の凹凸の配列ピッチの平均値の１／２以下である固体撮像装置。
請求項１または２に記載の固体撮像装置において、
前記接触面の前記凹凸の配列ピッチの平均値は、５００μｍ以下である固体撮像装置。
請求項１乃至３いずれかに記載の固体撮像装置において、
前記接触面の前記凹凸における凸部の高さの平均値は、前記指の指紋の凹凸における凸部の高さの平均値よりも小さい固体撮像装置。
請求項１乃至４いずれかに記載の固体撮像装置において、
前記受光部の配列ピッチの平均値は、前記指の指紋の凹凸の配列ピッチの平均値よりも小さい固体撮像装置。
請求項１乃至５いずれかに記載の固体撮像装置において、
前記半導体基板の前記裏面上に設けられた保護膜を備え、
前記半導体基板の前記裏面と前記保護膜の表面とは、粗面であり、
前記接触面は、前記保護膜の前記表面に設けられている固体撮像装置。
請求項６に記載の固体撮像装置において、
前記保護膜は、ＳｉＯ膜、ＳｉＮ膜、ＳｉＯＮ膜のいずれか１つを含む固体撮像装置。