JP3574368B2

JP3574368B2 - 赤外線固体撮像素子

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Publication number: JP3574368B2
Application number: JP37086499A
Authority: JP
Inventors: 雅章木股; 智広石川; 和彦堤; 久敏秦
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1997-01-27
Filing date: 1999-12-27
Publication date: 2004-10-06
Anticipated expiration: 2017-01-27
Also published as: JP2000146686A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は熱型光検出器を用いた２次元赤外線固体撮像素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
熱型光検出器とは、赤外線が照射されると、赤外線を吸収して温度が上昇し、かつ温度変化を検出するものである。図２１は、温度で抵抗値が変化するボロメータ薄膜を用いた従来の熱型光検出器を用いた２次元固体撮像素子の一個の画素の構造を示す斜視説明図である。図で、９０１はたとえばシリコンなどの半導体からなるシリコン基板であり、９１０は、シリコン基板から空間を隔てて設けられた赤外線検出器部（以下、単に検出器部ともいう）であり、９１１は赤外線検出器部上に形成されたボロメータ薄膜であり、９２１および９２２は、赤外線検出器部９１０をシリコン基板から浮かせて持ち上げるための支持脚であり、９３１および９３２は、ボロメータ薄膜に電流を流すための金属配線であり、９４０は、金属配線９３１および９３２とボロメータ薄膜９１１を通して流れる電流のＯＮ、ＯＦＦを行なうスイッチ・トランジスタであり、９５０は金属配線９３２に接続された信号線であり、９６０は、スイッチ・トランジスタのＯＮ、ＯＦＦを制御するための制御クロック線であり、９７０は、検出器部と光学的共振構造をつくり検出器部９１０での赤外線の吸収を増大させるための金属反射膜である。
【０００３】
図２２は、図２１に示した構造の従来の２次元固体撮像素子の電流経路に沿った断面構造を示す断面説明図であり、図２２において、図２１に示した要素と同じ要素には同じ符号を付し（以下の図においても同様）てあり、９８０は絶縁膜であり、９９０は空洞部であり、９３０および９３３は絶縁膜であり、９２６および９２７はコンタクト部であり、本発明に直接関係のないスイッチ・トランジスタ、信号線、制御クロック線などは省略されている。前述したように検出器部９１０の上にはボロメータ薄膜が形成されており、ボロメータ薄膜には金属配線９３１および９３２が接続され、コンタクト部９２６および９２７を通してシリコン基板上に形成された（図示されていないが）信号読み出し回路と接続している。このボロメータ薄膜９１１と金属配線９３１および９３２は、シリコン酸化膜またはシリコン窒化膜などからなる絶縁膜９３０および９３３によって覆われており、この絶縁膜９３０および９３３が検出器部９１０と支持脚９２１および９２２の機械的構造を形づくっている。絶縁膜９８０はシリコン基板９０１上に形成された信号読み出し回路と金属配線９３１および９３２を絶縁するための絶縁膜であり、この絶縁膜９８０の上の金属反射膜９７０の上に空洞部９９０を介して検出器部９１０が配置されている。金属反射膜９７０の表面には別の絶縁膜が形成される場合もある。
【０００４】
つぎにこの熱型光検出器を用いた２次元赤外線固体撮像素子の動作について説明する。赤外線は検出器部９１０が存在する側から入射し、検出器部９１０で吸収される。入射した赤外線は、金属反射膜９７０の存在により金属反射膜９７０の位置が節となるような定在波ができるので、検出器部と金属酸化反射膜の間隔をうまく設定することによって検出器部９１０における吸収を増大させることができる。検出器部９１０で吸収された赤外線のエネルギーは熱に変換され、検出器部９１０の温度を上昇させる。温度上昇は入射する赤外線の量に依存（入射する赤外線の量は撮像対象物の温度と放射率に依存）する。温度上昇の量はボロメータ薄膜の抵抗値の変化を測定することで知ることができるので、撮像対象物が放射している赤外線の量をボロメータの抵抗値の変化から知ることができる。
【０００５】
ボロメータ薄膜の抵抗温度係数が同じであれば、検出器部の温度上昇が大きいほど同じ量の赤外線入射で得られる抵抗変化が大きくなり、感度が高くなるが、温度上昇を高くするためには検出器部９１０からシリコン基板９０１に逃げる熱をできるだけ小さくすることが効果的であり、このために支持脚９２１および９２２は熱抵抗をできるだけ大きくするように設計される。また、撮像素子のフレーム時間に比べ検出器部９１０の温度時定数が短くなるように検出器部９１０の熱容量を小さくすることも重要である。
【０００６】
赤外線は画素内に全体に入射するが、検出器部９１０の温度上昇に寄与するのは検出器部９１０の部分に入射したものだけ（若干は検出器部９１０に近い支持脚に入射した赤外線も有効ではあるが）であり、それ以外の領域に入射した赤外線は無効となってしまう。このため、感度を高くするには開口率（画素面積に対する検出器部の面積の割合）を大きくすることも有効であることは容易に理解できる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
図２１および図２２に示す従来の構造では、検出器部９１０は少なくとも支持脚９２１および９２２およびこの支持脚とシリコン基板上に形成された読み出し回路を接続するコンタクト部分を除いた領域に形成しなくてはならないため、開口率はこの支持脚とコンタクト部分、およびこれらの部分と検出器部９１０との間隔余裕の設計にしたがった制約を受けており、高感度化を阻害していた。
【０００８】
さらに、この問題は画素が小さくなるほど顕著になり、感度を維持したまま小さな画素を用いて高解像度化してゆくことを難しくしていた。
【０００９】
本発明は前述のような問題点を解消するためになされたものであり、信号読み出し回路と同一基板上に熱型光検出器を形成する２次元赤外線固体撮像素子において、断熱構造を形成する支持脚や金属配線、コンタクト部などの設計に依存せず高い開口率を達成できる画素の構造を有し、高感度化された２次元赤外線固体撮像素子を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかわる熱型光検出器を用いた２次元赤外線固体撮像素子は、赤外線を吸収して検出器部を温度上昇させる赤外線吸収部と、ボロメータ薄膜を形成して温度上昇を検出する温度検出部とを別構造として形成するものである。
【００１１】
本発明にかかわる熱型光検出器を用いた２次元赤外線固体撮像素子は、赤外線吸収部と温度検出部とを別々の構造として形成するので、赤外線吸収部と温度検出部の設計を独立して行なうことができ、実効的に開口率を決める赤外線吸収部の面積を大きくすることができ、高感度化に有効である。
【００１２】
本発明にかかわる２次元赤外線固体撮像素子は、熱型光検出器と、入射赤外線による前記熱型光検出器の特性変化を検出する手段とが集積されてなる温度検出機構が、半導体基板上に各画素ごとに２次元に配列された２次元赤外線固体撮像素子であって、
前記各画素ごとに、前記半導体基板への熱の流出を制御する熱抵抗の大きい材料からなる支持脚によって支えられておりかつ温度検出素子を含む温度検出部と、該温度検出部と少なくとも１本の接合柱で結合された赤外線吸収部とを前記半導体基板上に設け、前記赤外線吸収部は、２次元に配列された前記各画素と実質的に等しい面積を有している。
【００１３】
前記温度検出部が、前記半導体基板中に形成された空洞部の上に設けられてなることが熱抵抗を大きくする点で好ましい。
【００１４】
前記赤外線吸収部の少なくとも一部に反射膜および層間絶縁膜からなる赤外線吸収構造を有してなることが光吸収増大の点で好ましい。
【００１５】
前記赤外線吸収部の少なくとも一部に反射膜、層間絶縁膜および金属赤外線吸収薄膜からなる光学的共振構造を有してなることが光吸収増大の点で好ましい。
【００１６】
前記接合柱の少なくとも一部が前記赤外線吸収部と同一構成部材で形成されてなることが製造工程簡略化の点で好ましい。
【００１７】
前記赤外線吸収部の少なくとも一部に反射膜、層間絶縁膜および金属赤外線吸収薄膜からなる光学的共振構造を有しており、かつ前記接合柱が前記金属赤外線吸収薄膜と一体に形成されてなることが製造工程簡略化の点で好ましい。
【００１８】
前記接合柱の少なくとも一部が前記赤外線吸収部と同一構成部材で形成され、さらに前記赤外線吸収部のうち前記温度検出部に接する部分が除去されてなることが熱容量低減の点で好ましい。
【００１９】
前記赤外線吸収部から前記空洞部に達するエッチングホールが前記空洞部の中心付近に少なくとも１つ設けられてなることが基板の不要なエッチングの減少と製造工程選択のときの自由度拡大との点で好ましい。
【００２０】
前記空洞部の周囲の前記半導体基板中に、前記空洞部を形成する際に用いられるエッチャントに耐性のある材料からなるエッチングストップ層が設けられてなることが基板の不要なエッチングの減少と製造工程選択のときの自由度拡大との点で好ましい。
【００２１】
前記温度検出素子が前記赤外線吸収部の上面に形成されてなることが半導体プロセス中で使用できない材料でボロメータを構成する場合好ましい。
【００２２】
前記温度検出部が、前記半導体基板上に形成された読み出し回路の上方に形成されてなることが、空洞部形成のためのエッチング方法の選択の自由度を広げる点と空洞部下の領域に読み出し回路の構成要素の一部などを配置して面積の有効利用をする点で好ましい。
【００２３】
前記赤外線吸収部の少なくとも一部に反射膜および層間絶縁膜からなる赤外線吸収構造を有してなることが光吸収増大の点で好ましい。
【００２４】
前記赤外線吸収部の少なくとも一部に反射膜、層間絶縁膜および金属赤外線吸収薄膜からなる光学的共振構造を有してなることが光吸収増大の点で好ましい。
【００２５】
前記接合柱の少なくとも一部が前記赤外線吸収部と同一構成部材で形成されてなることが製造工程簡略化の点で好ましい。
【００２６】
前記赤外線吸収部の少なくとも一部に反射膜、層間絶縁膜および金属赤外線吸収薄膜からなる光学的共振構造を有しており、かつ前記接合柱が前記金属赤外線吸収薄膜と一体に形成されてなることが製造工程簡略化の点で好ましい。
【００２７】
前記温度検出素子としてボロメータ薄膜が用いられてなることが温度変化を効果的に検出する点で好ましい。
【００２８】
前記温度検出素子として焦電効果を有する強誘電体が用いられてなることが温度変化を効果的に検出する点で好ましい。
【００２９】
前記温度検出素子としてサーモパイルが用いられてなることが温度変化を効果的に検出する点で好ましい。
【００３０】
前記接合柱が、前記赤外線吸収部の重心に隣接した位置の下に配設されてなることが検出器部分の温度の均一性の点で好ましい。
【００３１】
前記接合柱の熱抵抗が、前記支持脚の熱抵抗よりも小さいことが好ましい。
【００３２】
本発明にかかわる２次元赤外線固体撮像素子の製法は、
ａ）半導体基板上に信号読み出し回路を形成したのち、絶縁膜、コンタクト部を形成し、さらに金属配線および温度検出素子を形成し、保護絶縁膜で全体を覆う工程、
ｂ）前記保護絶縁膜上に犠牲層を形成し、該犠牲層のうち、のちに接合柱を形成する領域を写真製版技術で除去したのち、除去した部分に前記接合柱となる材料を埋め込む工程、
ｃ）前記犠牲層および前記接合柱の上に赤外線吸収部となる薄膜を形成し、各画素ごとに赤外線吸収部が分離されるようにパターニングする工程、
ｄ）前記犠牲層をエッチングして除去する工程、および
ｅ）前記シリコン基板をエッチングして、該シリコン基板中に空洞部を形成する工程
からなることを特徴とする。
【００３３】
前記ｂ）工程ののち、さらに、前記犠牲層および前記接合柱の表面をエッチバックして平坦にする工程を含むことが赤外線吸収部の形成を容易にする点で好ましい。
【００３４】
前記ｅ）工程において、前記半導体基板を異方性エッチングして前記空洞部を形成することが空洞部の大きさを制御性よく製造する点で好ましい。
【００３５】
水酸化カリウムおよび水酸化テトラメチルアンモニウムのうちのいずれか一方を用いて異方性エッチングすることが充分なエッチング速度を得る点で好ましい。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図を参照しつつ説明する。
【００３７】
実施の形態１
図１は、本発明の実施の形態１にかかわる熱型光検出器を用いた２次元赤外線固体撮像素子の１個の画素の電流経路に沿った断面構造を示す断面説明図である。図で簡単のために本発明と直接関係のない、シリコン基板１上に設けられた信号読み出し回路は省略している。図１において、１は半導体基板としてのシリコン基板であり、１１は温度変化を検出する温度検出素子としてのボロメータ薄膜である。２１および２２は支持脚であり、この支持脚はシリコン基板１の中に形成した空洞部２００の上にあり、かつ、ボロメータ薄膜を含む温度検出部３００を浮かしている。３１および３２は金属配線であり、この金属配線はたとえばアルミニウム、チタン、タングステンおよび窒化チタンなどからなり、ボロメータ薄膜１１と読み出し回路を接続している。１００は絶縁膜（保護絶縁膜）であり、１１０は絶縁膜であり、この２つの絶縁膜は、シリコン基板への熱の流出を制御する熱抵抗の大きい材料であるシリコン酸化膜、シリコン窒化膜などからなり、かつ前記２つの絶縁膜は、支持脚２１および２２ならびに温度検出部３００の機械的構造を構成して温度検出部を支えている。１２１および１２２は、金属配線３１および３２と信号読み出し回路とを接続するコンタクト部であり、アルミニウムやタングステンなどを用いてスパッタ法やＣＶＤ法などにより形成することができる。１３０は、赤外線を吸収して熱に変換する赤外線吸収部であり、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）や窒化シリコン（ＳｉＮ）などを用いてＣＶＤ法などで形成することができる。さらに、赤外線吸収部は、これら酸化シリコンや窒化シリコンの積層膜として構成することもできる。１４０は接合柱であり、この接合柱は、赤外線吸収部を温度検出部３００から離して保持するとともに赤外線吸収部１３０と温度検出部３００を熱的に結合しており、酸化シリコンや窒化シリコンなどを用いてＣＶＤ法などで形成することができる。さらに、接合柱は、これら酸化シリコンや窒化シリコンの積層膜として構成することもできる。２００はシリコン基板１の中に形成した空洞部であり、３００は温度検出部である。ここで、熱型光検出器は、従来と同様に、赤外線が照射されると赤外線を吸収し、温度が上昇して、かつ温度変化を検出するものであり、本発明においては赤外線吸収部と温度検出素子とで構成される。温度検出素子は、入射赤外線によって赤外線吸収部に生じる温度変化が接合柱を介して伝えられ、たとえば電気抵抗の変化などの特性変化が検出されることによって温度変化を検出するものである。温度検出素子に生じた特性変化を検出する手段は、金属配線、信号読み出し回路およびコンタクト部からなる。本発明においては、温度検出素子として用いられる材料には、ボロメータ薄膜、焦電効果を有する強誘電体またはサーモパイルなどをあげることができる。ここで、ボロメータ薄膜の材料の例としては、酸化バナジウム、ポリシリコン、アモルファスシリコンなどをあげることができる。また、焦電効果を有する強誘電体の例としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸鉛（ＰＴ）およびチタン酸バリウム・ストロンチウム（ＢＳＴ）をあげることができる。また、サーモパイルの材料の例としては、ｐ型ポリシリコンとｎ型ポリシリコンの接合や、ポリシリコンとアルミニウムの接合などをあげることができる。さらに、本発明にかかわる２次元赤外線固体撮像素子においては、前記熱型光検出器と、前記入射赤外線による熱型光検出器の特性変化を検出する手段とが集積されて温度検出機構を構成しており、該温度検出機構がシリコン基板上で各画素ごとに２次元に配列される。
【００３８】
図２は、図１に示した構造の２次元赤外線固体撮像素子の１個の画素の赤外線吸収部１３０を除いた部分の平面レイアウトを示す平面説明図である。図２において、１０００は１個の画素全体を示しており、４００は、画素部分に設置したＭＯＳトランジスタやダイオードなどからなる信号読み出し回路の一部であり、５００は信号を読み出すための信号線であり、６００は信号読み出し回路４００を制御する制御クロックバスラインであり、３３は信号読み出し回路４００と制御クロックバスライン６００を接続する金属配線であり、１２３および１２４は、金属配線３３と信号読み出し回路４００と制御クロックバスライン６００を接続するコンタクト部である。その他の部分は図１に示した符号と同じ符号は同じものを表わしている。
【００３９】
本発明にかかわる２次元赤外線固体撮像素子においては、入射赤外線による熱型光検出器の特性変化を検出する手段は、前述したように金属配線、信号読み出し回路およびコンタクト部からなるが、前記手段と熱型光検出器が集積されて各画素に設けられ、半導体基板としてのシリコン基板上に各画素ごとに２次元に配列される。温度検出部３００は、２つの絶縁膜１００および１１０ならびにボロメータ薄膜１１からなり、該ボロメータ薄膜は、その上層に絶縁膜１００および下層に絶縁膜１１０を配した構成によって機械的構造体として支えられている。さらに温度検出部は絶縁膜１００上に接合柱が形成されており、該接合柱を介して赤外線吸収部１３０からの熱を受け、該熱によるボロメータ薄膜の抵抗変化は、金属配線３１およびコンタクト部１２１を介した信号線５００と、金属配線３２およびコンタクト部１２２を介した信号読み出し回路４００とのあいだで生じる。支持脚２１は２つの絶縁膜１００および１１０が金属配線３１をはさんだ形態の機械的構造体とされ、かつ、支持脚２２も支持脚２１と同様の機械的構造体とされていて、たとえば各々厚さ数百ｎｍの絶縁膜が幅１〜３μｍ程度、厚さの合計が１μｍ程度という形状に形成されている。このようにして２つの支持脚２１および２２が、温度検出部３００ならびに金属配線３１および３２を支持しており、空洞部２００上で浮かせた構造となっている。２つの絶縁膜１００および１１０からなる支持脚２１および２２が支える機械的構造体としての温度検出部３００は、ボロメータ薄膜１１、支持柱１４０、および支持柱１４０によって支えられる赤外線吸収部を支持している。また、支持脚２１および２２は、前述したように、シリコン基板への熱の流出を制御する熱抵抗の大きい材料からなる絶縁膜によって構成されているが、さらに熱抵抗を大きくするために図に示すように金属配線３１および３２とともに蛇行させて長さをかせぐことが好ましい。
【００４０】
図３は、図１および図２に示した画素をシリコン基板（図示せず）上に複数個配列した状態を示した平面説明図であり、簡単のために２×４個の画素の配列および、隣接する４個の赤外線吸収部のそれぞれの一部を示している。図３において、破線で示した長方形の部分１０００〜１００７はそれぞれ、図２で１０００で示した画素と同じ画素を示しており、画素の中身の構造は、実線で示した接合柱１４０〜１４７以外は省略して示している。また、図３において、実線で示した長方形の部分１３０〜１３７は、図１で１３０で示した赤外線吸収部であり、該赤外線吸収部は、接合柱１４０〜１４７によりシリコン基板とは離れて支持されている。シリコン基板面に形成された画素１０００〜１００７と赤外線吸収部１３０〜１３７は、平面的にみて重なる同一領域に形成される必要はなく、図に示すようにずれていてもかまわない。図で明らかなように赤外線吸収部１３０〜１３７の各々の面積は画素面積から赤外線受光素子間のわずかな間隔を除いた面積となっており、この部分の開口率は非常に大きくなっている。したがって、従来は赤外線吸収部と、温度検出部とが一体であったために、赤外線吸収部の面積が大きくできない制約があったが、本発明により、赤外線吸収部の面積を大きくすることができた。
【００４１】
つぎに本発明による熱型光検出器を用いた２次元赤外線固体撮像素子の画素の動作について説明する。赤外線は赤外線吸収部１３０側から入射する。入射した赤外線は赤外線吸収部１３０で吸収され、赤外線吸収部１３０の温度を上昇させる。赤外線吸収部１３０の温度変化は接合柱１４０を通して温度検出部３００に伝わり、温度検出部３００の温度を上昇させる。接合柱１４０の熱抵抗は支持脚２１、２２の熱抵抗に比べて、より小さく設計されており、温度検出部３００、接合柱１４０、赤外線吸収部１３０の３つの構造体を合計した熱容量と、支持脚２１、２２の熱抵抗で決まる時定数は、フレーム時間（１画面分に相当する信号を全て読み出すのに要する時間または、固体撮像素子の全画素の信号を読み出すのに要する時間）よりも短かくなるように設計されているので、温度検出部３００の温度上昇は赤外線吸収部１３０の温度上昇とほとんど同じになる。したがって、実効的な開口率は赤外線吸収部１３０の面積で決まっているので、前述に説明したように開口率を非常に大きくすることができる。
【００４２】
つぎに、この実施の形態にかかわる構造の２次元赤外線固体撮像素子の製法について説明する。図４および５は、本実施の形態にかかわる２次元赤外線固体撮像素子の１個の画素についてみた工程断面説明図である。図４（ａ）では、シリコン基板１の上に信号読み出し回路（図示していない）を形成したあと、絶縁膜１１０、コンタクト部１２１および１２２を形成したのち、金属配線３１および３２ならびにボロメータ薄膜１１を形成し、最後に絶縁膜（保護絶縁膜）１００で表面を覆った状態を示している。ここまでの構造は通常の半導体製造プロセスで用いられる技術を利用して容易に作ることができる。
【００４３】
図４（ｂ）では、図４（ａ）の構造の上に、あとの工程で除去する犠牲層１７０を形成し、犠牲層１７０のうち接合柱を形成する部分を写真製版技術で除去し、接合柱となる材料で除去した部分を埋め込んでいる。犠牲層に用いられる材料は、接合柱を形成するうえで、接合柱をエッチングしにくいエッチャントで容易にエッチングできるものなら何でもよく、たとえば接合柱が酸化シリコン（ＳｉＯ _２）の場合ならば、犠牲層はポリシリコンなどをあげることができる。また、犠牲層の厚さは、１〜２μｍ程度である。この工程では最表面が平らになるようにエッチバック技術などで平坦化することが好ましい。犠牲層を形成する前に、のちにシリコン基板をエッチングして基板内に空洞部２００を形成するためのエッチング窓を写真製版で絶縁膜１００、１１０を部分的に除去して形成しておく。
【００４４】
図４（ｃ）では、赤外線吸収部１３０となる薄膜を図４（ｂ）の構造の上に形成し、図２に示す平面レイアウトのように各画素毎の赤外線吸収部が分離されるようにパターニングする。
【００４５】
図５（ａ）は、赤外線吸収部１３０の周辺の開口部分から犠牲層１７０をエッチングして赤外線吸収部１３０の下を、接合柱１４０をのこしてシリコン基板１から浮かした状態を示している。
【００４６】
図５（ｂ）は、図１と同じ、最後の工程における本発明にかかわる２次元赤外線固体撮像素子の１個の画素構造を示しており、これより以前の工程で図４（ｂ）の工程で説明したシリコン基板のエッチングホール部分のシリコンが露出するので、この部分からシリコン基板をエッチングし、シリコン基板中に空洞部２００を形成した状態を示している。シリコンのエッチングは水酸化カリウム（ＫＯＨ）や、水酸化テトラメチルアンモニウム（Ｔｅｔｒａｍｅｔｈｙｌａｍｍｏｎｉｕｍｈｙｄｒｏｘｉｄｅ、略してＴＭＡＨ）などの液を用いることによって、（１１１）結晶面が表面に露出するとエッチング速度が遅くなり、異方性エッチングができる。したがって、一般にＭＯＳ半導体素子やＣＭＯＳ半導体素子に用いられる（１００）結晶面をもったシリコン基板を用いることで空洞部の表面形状を一定の大きさから大きく広げることなく図のような断面形状の空洞部をつくることができる。
【００４７】
本実施の形態では接合柱が１本の場合を説明したが、接合柱は複数であってもよい。この事情は以下に示すすべての実施の形態について共通に言えることである。
【００４８】
また、平面的にみた場合の接合柱の位置は任意であるが、機械構造的に赤外線吸収部を支えることができ、赤外線吸収部に大きな温度分布を生じさせない位置が好ましい。この条件を満たす接合柱の位置としては赤外線吸収部の重心に隣接した位置の下が最適である。この事情は以下に示すすべての実施の形態について共通にあてはまることである。
【００４９】
また、接合柱は太さ数μｍ角程度の大きさで形成されるが、形状は任意であり、赤外線吸収部の温度と温度検出部の温度に大きな差を生じさせないために温度検出部とシリコン基板とを熱的に接続する支持脚の熱抵抗に比べて充分小さな熱抵抗をもつように設計する必要がある。この事情は以下に示すすべての実施の形態について共通にあてはまることである。
【００５０】
実施の形態２
図６は、本発明にかかる熱型光検出器を用いた２次元赤外線固体撮像素子の他の実施の形態を示す１個の画素の断面構造を示す断面説明図である。図において、１５０は反射膜としての金属反射膜であり、１６０は金属赤外線吸収膜である。この構造では、赤外線吸収部１３０の下に薄い金属反射膜１５０を、上に非常に薄い金属赤外線吸収膜１６０を設けて、３層構造の赤外線吸収部として光学的共振構造を形成している。または、図示していないが、金属反射膜１５０を赤外線吸収部１３０の下に設けて２層からなる赤外線吸収構造とすることもできる。本実施例の形態によれば、図１に示した構造の画素に比べて赤外線の吸収がより効率的に行なえる。金属反射膜１５０は、たとえばアルミニウムなどからなり、厚さは数百ｎｍである。金属赤外線吸収膜１６０は、たとえばニッケルクロム合金などからなり、厚さは数ｎｍであり、シート抵抗が３７７Ω程度となるのが好ましい。図示していないが、金属反射膜１５０の下にさらに層間絶縁膜としての他の絶縁膜を形成してもよい。また、金属反射膜１５０の下および金属赤外線吸収膜１６０の上にさらに層間絶縁膜として他の絶縁膜を形成してもよい。他の絶縁膜は犠牲層エッチング時に金属反射膜１５０を保護するという機能を有するものが適しており、たとえば酸化シリコン（ＳｉＯ_２）などがあげられる。また、このような２層構造の赤外線吸収構造、または３層構造の光学的共振構造による赤外線の吸収構造を設ける位置は赤外線吸収部の一部のみであってもかまわない。赤外線吸収部に赤外線吸収構造または光学的共振構造を設けることの他は、実施の形態１と同様である。
【００５１】
図２２に示した従来例でも反射膜９７０により光学的共振構造を形づくっている。光学的共振構造の効果は反射膜と吸収体との距離に依存するが、従来の方式ではこの距離が金属反射膜９７０と赤外線検出器部９１０とのあいだの距離となり、支持脚などが膜の内部応力で変形する可能性があり、光学的共振構造による赤外線吸収の効果を制御するのは難しいのに対し、図６に示す構造では光学的共振構造による赤外線吸収の効果は赤外線吸収部１３０の膜厚と金属赤外線吸収膜１６０の膜厚とだけできまるので前記効果を制御しやすい。
【００５２】
実施の形態３
図７は本発明の他の実施の形態にかかわる熱型光検出器を用いた２次元赤外線固体撮像素子の１個の画素の断面構造を示す断面説明図である。図７で、３３０は、実施の形態１における接合柱が赤外線吸収部と同一構成部材で一体に形成されてなる赤外線吸収部である。この実施の形態では、図１に示した接合柱１４０のかわりに赤外線吸収部と温度検出部との接合を、赤外線吸収部３３０として一体に形成された一体構造によって構成している。接合柱を、赤外線吸収部との一体構造としたことの他は、実施の形態１と同様である。
【００５３】
また、図８は、図７に示した赤外線吸収部３３０の一部を除去した実施の形態を示す断面説明図である。図において、３４０は、実施の形態２における赤外線吸収部３３０のうちの一部、すなわち温度検出部に接する部分（温度検出部の中央付近）が除去された赤外線吸収部である。除去する方法としては、写真製版法で除去することができる。この構造では図８に示したように温度検出部３００に接した赤外線吸収部の一部を除去したので赤外線吸収部の熱容量を低減することができた。
【００５４】
実施の形態４
図９は、本発明の他の実施の形態にかかわる熱型光検出器を用いた２次元赤外線固体撮像素子の１個の画素の断面構造を示す断面説明図である。図８において、３３１は赤外線吸収部であり、３５０は金属反射膜であり、３６０は金属赤外線吸収膜である。金属反射膜および金属赤外線吸収膜には、実施の形態２および３に示したものと同様のものを用いることができる。この実施の形態４では実施の形態２における赤外線吸収部１３０、金属反射膜１５０および金属赤外線吸収膜１６０と温度検出部３００との接合を、図６に示した接合柱１４０のかわりに、赤外線吸収部、金属反射膜および金属赤外線吸収膜を用いて、一体に形成した一体構造によって構成したものである。すなわち、接合柱の少なくとも一部が赤外線吸収部と同一の材料で形成されている。このように、赤外線吸収部に光学的共振構造を設けるとともに接合柱を、赤外線吸収部と光学的共振構造との一体構造によって構成したことの他は実施の形態１〜３と同様である。このように赤外線吸収部３３１、金属反射膜３５０および金属赤外線吸収膜３６０を一体構造に形成するには、ＣＶＤ法またはスパッタ法で形成することができる。この構造においても実施の形態３の場合と同様に温度検出部３００に接した赤外線吸収部３３１、金属反射膜３５０および金属赤外線吸収膜３６０の一部を除去した構造とし、温度検出部中央付近をむきだしとすることもできる。また、図示していないが、金属反射膜３５０の下および金属赤外線吸収膜３６０の上に他の絶縁膜（層間絶縁膜）を形成してもよい。また、このような３層構造の光学的共振構造による赤外線の吸収構造を設ける位置は実施の形態２の場合と同様に赤外線吸収部の一部のみであってもかまわない。
【００５５】
実施の形態５
図１０は、実施の形態２における接合柱の材料を変更した２次元赤外線固体撮像素子の１個の画素の断面構造を示す断面説明図である。図１０において、３３５は赤外線吸収部であり、３５５は金属反射膜であり、３６５は金属赤外線吸収膜であり、接合柱が金属反射膜３５５と一体構造として一体に形成されている。この場合金属反射膜３５５は、赤外線吸収部を支持するのに必要な強度を得るために用いられる材料はアルミニウムが好ましく、また、支持柱としての寸法は、太さ数μｍ、長さ１〜２μｍが好ましい。本実施の形態において、金属反射膜を、接合柱と一体構造として形成するには、犠牲層のうち、接合柱を形成する部分を写真製版技術で除去し、この除去した部分を、金属反射膜を形成する材料すなわち、アルミニウムで埋め込んだのち、引き続いて金属反射膜を形成すればよい。このように形成することによって製造工程を簡略化することができる。
【００５６】
実施の形態６
図１１は、実施の形態４における接合柱の形状を変更し、金属反射膜が赤外線吸収部の下にのみ設けられる構造とした２次元赤外線固体撮像素子の１個の画素の断面構造を示す断面説明図である。図１１において、３３６は赤外線吸収部であり、３５６は金属反射膜であり、３６６は金属赤外線吸収膜であり、接合柱が、赤外線吸収部および金属赤外線吸収膜と同一構成部材で形成されている。すなわち、接合柱の少なくとも一部が赤外線吸収部と同一構成部材で形成されている。この場合、赤外線吸収部を支持するのに必要な強度を得るために赤外線吸収部に用いられる材料は酸化シリコン（ＳｉＯ_２）もしくは窒化シリコン（ＳｉＮ）またはそれらの積層膜が好ましく、また、支持柱としての寸法は、太さ数μｍ、長さ１〜２μｍが好ましい。本実施の形態において、接合柱を赤外線吸収部および金属赤外線吸収膜と同一構成部材で形成するには、犠牲層のうち、接合柱を形成する部分を写真製版技術で除去し、除去した部分以外の犠牲層上に、金属反射膜を形成したのち、この除去した部分および犠牲層上に金属反射膜および金属赤外線吸収膜を形成すればよい。このように形成することによって製造工程を簡略化することができる。
【００５７】
実施の形態７
図１２は、本発明の他の実施の形態にかかわる熱型光検出器を用いた２次元赤外線固体撮像素子の画素の１個の断面構造を示す断面説明図である。図で簡単のために本発明と直接関係のない、シリコン基板上に設けられた信号読み出し回路は省略している。図１２において、２は半導体基板としてのシリコン基板であり、７１０は温度検出部であり、７１１は温度変化を検出する温度検出素子としてのボロメータ薄膜である。７２１および７２２は支持脚であり、この支持脚はシリコン基板２の上に形成した空洞部７９０の上にあり、かつ、ボロメータ薄膜を含む温度検出部７１０を浮かしており、さらに、温度検出部はシリコン基板上に形成された読み出し回路の上方に位置するように形成されている。７３１および７３２は金属配線であり、この金属配線はボロメータ薄膜７１１と読み出し回路を接続している。７５０は絶縁膜（保護絶縁膜）であり、７６０は絶縁膜であり、この２つの絶縁膜は熱抵抗の大きなシリコン酸化膜、シリコン窒化膜などからなり、かつ前記２つの絶縁膜は、支持脚７２１および７２２ならびに温度検出部７１０の機械的構造を構成して温度検出部を支えている。７７１および７７２は、金属配線７３１および７３２と信号読み出し回路とを接続するコンタクト部であり、１３０は赤外線を吸収して熱に変換する赤外線吸収部である。１４０は接合柱であり、この接合柱は、赤外線吸収部を温度検出部７１０から離して保持するとともに赤外線吸収部１３０と温度検出器部７１０を熱的に結合している。７８０は絶縁膜であり、７９０はシリコン基板２の上に形成した空洞部である。それぞれの部分に用いられる材料および形成方法などは実施の形態１〜６と同様である。ここで、入射赤外線による熱型光検出器の特性変化を検出する手段は、金属配線、信号読み出し回路およびコンタクト部からなる点は実施の形態１〜６の場合と同じである。また、温度検出部７１０が、２つの絶縁膜７５０および７６０ならびにボロメータ薄膜７１１からなり、該ボロメータ薄膜は、その上に絶縁膜７５０および下に絶縁膜７６０を配した構成によって機械的構造体として支えられている点も、実施の形態１〜６の場合と同じである。このように、本実施の形態にかかわる２次元赤外線固体撮像素子は、図２２に示した従来の２次元赤外線固体撮像素子の構造のうち、金属反射膜９７０を除いた構造の上に接合柱１４０を介して実施の形態１において示した赤外線吸収部１３０を設けた構造となっており、その他は実施の形態１〜６と同様である。また、このように、赤外線吸収部および接合柱を形成するには、実施の形態１の場合と同様に行うことができる。
【００５８】
実施の形態８
図１３は、本発明の他の実施の形態にかかわる熱型光検出器を用いた２次元赤外線固体撮像素子の１個の画素の断面構造を示す断面説明図である。本実施の形態にかかわる２次元赤外線固体撮像素子は、図２２に示した従来の２次元赤外線固体撮像素子の構造（金属反射膜９７０を除く）の上に、図１２に示した接合柱１４０のかわりに赤外線吸収部１３０と温度検出部３００との接合を赤外線吸収部１３０と同一構成部材で一体に形成された一体構造の赤外線吸収部３３０を設けた構造となっており、その他は実施の形態７と同様である。また、このように、接合柱を赤外線吸収部と一体構造に形成するには、実施の形態３の場合と同様に行うことができる。
【００５９】
実施の形態９
図１４は、本発明の他の実施の形態にかかわる熱型光検出器を用いた２次元赤外線固体撮像素子の１個の画素の断面構造を示す断面説明図である。本実施の形態にかかわる２次元赤外線固体撮像素子は、図２２に示した従来の２次元赤外線固体撮像素子の構造の上に接合柱１４０ならびに該接合柱を介して赤外線吸収部１３０、金属反射膜１５０および金属赤外線吸収膜１６０を設けて、３層構造の赤外線吸収部として光学的共振構造を形成した構造となっている。または、図示していないが、金属反射膜１５０を赤外線吸収部１３０の下に設けて２層からなる赤外線吸収構造とすることもできる。このように赤外線吸収部に赤外線吸収構造または光学的共振構造を設けたことの他は実施の形態６と同様である。また、図示していないが、赤外線吸収構造の金属反射膜１５０の下に他の絶縁膜を形成してもよく、さらに、光学的共振構造の金属反射膜１５０の下および金属赤外線吸収膜１６０の上に他の絶縁膜を形成してもよい。また、このような２層構造の赤外線吸収構造または３層構造の光学的共振構造による赤外線の吸収構造を設ける位置は赤外線吸収部の一部のみであってもかまわない。
【００６０】
実施の形態１０
図１５は、本発明の他の実施の形態にかかわる熱型光検出器を用いた２次元赤外線固体撮像素子の１個の画素の断面構造を示す断面説明図である。本実施の形態にかかわる２次元赤外線固体撮像素子は、図２２に示した従来の２次元赤外線固体撮像素子の構造（金属反射膜９７０を除く）の上に、赤外線吸収部３３１、金属反射膜３５０および金属赤外線吸収膜３６０を一体に形成した一体構造として設けている。すなわち、接合柱の少なくとも一部が赤外線吸収部と同一の材料で形成され、金属反射膜３５０および金属赤外線吸収膜３６０からなる光学的共振構造付きの赤外線吸収部を設けた構造となっており、その他は実施の形態９と同様である。また、図示していないが、金属反射膜３５０の下および金属赤外線吸収膜３６０の上に他の絶縁膜を形成してもよい。また、３層構造の光学的共振構造による赤外線の吸収構造を設ける位置は赤外線吸収部の一部のみであってもかまわない。
【００６１】
実施の形態１１
図１６は、実施の形態９における接合柱の材料を変更した２次元赤外線固体撮像素子の１個の画素の断面構造を示す断面説明図である。図１６において、図２２に示した従来の２次元赤外線固体撮像素子（金属反射膜９７０を除く）の上に、金属反射膜３５５が接合柱と一体構造として一体に形成されており、このように形成する方法は、実施の形態５の場合と同様であり、その他は、実施の形態９と同じである。また、図示していないが、金属反射膜３５５の下および金属赤外線吸収膜３６５の上に他の絶縁膜を形成してもよい。また、３層構造の光学的共振構造による赤外線の吸収構造を設ける位置は赤外線吸収部の一部のみであってもかまわない。
【００６２】
実施の形態１２
図１７は、実施の形態１０における接合柱の形状を変更し、金属反射膜３５６が赤外線吸収部の下にのみ設けられる構造とした２次元赤外線固体撮像素子の１個の画素の断面構造を示す断面説明図である。図１７において、接合柱が赤外線吸収部および金属赤外線吸収膜３６６と同一構成部材で形成されている。すなわち、接合柱の少なくとも一部が赤外線吸収部と同一の材料で形成されている。このように形成する方法は、実施の形態６の場合と同様であり、その他は実施の形態１０と同じである。また、図示していないが、金属反射膜３５６の下および金属赤外線吸収膜３６６の上に他の絶縁膜を形成してもよい。また、３層構造の光学的共振構造による赤外線の吸収構造を設ける位置は赤外線吸収部の一部のみであってもかまわない。
【００６３】
実施の形態１３
図１８は、図７に示した実施の形態３のボロメータ薄膜の位置を変更した実施の形態の２次元赤外線固体撮像素子の１個の画素の断面構造を示す断面説明図である。図において、１２は温度検出素子としてのボロメータ薄膜であり、１２５、１２６はコンタクト部であり、３３２は接合柱をかねて一体構造として形成された赤外線吸収部である。本実施の形態においては、図７に示す実施の形態のような接合柱１４０のかわりに、赤外線吸収部３３２と温度検出部３００との接合を、赤外線吸収部３３２と同一構成部材で一体に形成された一体構造によって構成しており、ボロメータ薄膜１２が赤外線吸収部３３２の上面に形成され、コンタクト部１２５で金属配線３１と接続し、コンタクト部１２６で金属配線３２と接続した構造となっている。ボロメータ薄膜１２が赤外線吸収部の上面に形成されることの他は実施の形態３に示した場合と同様である。また、この構造でも温度検出部３００に接した赤外線吸収部３３２の一部を除去した構造とすることもできる。
【００６４】
実施の形態１４
図１９は、シリコン基板のエッチング方法として等方性エッチングを採用する場合の２次元赤外線固体撮像素子の１個の画素の断面構造を示す断面説明図である。図において、３は半導体基板としてのシリコン基板であり、１３は温度検出素子としてのボロメータ薄膜であり、１８０はエッチングホールであり、２０１は空洞部であり、３３３は赤外線吸収部であり、４４１は接合柱である。本実施の形態においても、それぞれの部分を形成するために用いられる材料および形成方法などは実施の形態１と同様である。本実施の形態の場合はシリコン基板中に形成する空洞部のほぼ中心付近に位置した部分に、シリコン基板に対する、エッチングホール１８０を設けた構造となっており、エッチングホール１８０は、その直径が数μｍ程度であり、かつ、赤外線吸収部３３３から空洞部２０１に達している。図４で示した犠牲層１７０を除去する前にエッチングホール１８０を通してシリコンをエッチングすると図に示すように等方的にエッチングが進み、図に示すような空洞部２０１が形成できる。等方性エッチングは水酸化カリウムや水酸化テトラメチルアンモニウムによる異方性エッチングによって行うことができる。
【００６５】
図１９は、図１に対応してエッチングホールを設ける構造を示す断面説明図であるが、図６、図７、図８に示した構造に対しても同様なエッチングホールを設ける構造変更が可能である。また、図１９に示した構造では接合柱１４０を貫通してエッチングホール１８０が形成されているが、エッチングホールが接合柱１４０を貫通する必要はなく、たとえば、支持脚が配置された場所以外に設けてもよい。またエッチングホールが空洞部２０１の中心付近に複数個配置されてもかまわない。この場合、基板内に空洞部を形成してから犠牲層１７０を除去することができ、製造工程の選択の自由度が増す。
【００６６】
実施の形態１５
図２０は、シリコン基板のエッチング方法として等方性エッチングを採用する場合の構造を示す断面説明図である。図において、４は半導体基板としてのシリコン基板であり、１９０はエッチングストップ層であり、２０２は空洞部である。図に示すように、空洞部２０２の周囲にエッチングを止めるエッチングストップ層１９０が形成されている。このエッチングストップ層１９０を形成する材料としては、空洞部を形成する際に用いられるエッチャントに耐性のある材料として、たとえばシリコン酸化膜やイオン注入で形成した高濃度のｐ形不純物層等を用いることができ、読み出し回路を作る工程中でシリコン基板中に埋め込んで形成することができる。
【００６７】
なお、これまでに示したすべての実施の形態では温度変化を検出する温度検出素子としてボロメータ薄膜を用いたものを示したが、本発明では温度変化を検出する手段として前述したように焦電体、サーモパイルなどを用いたものでも同様の効果を得る。
【００６８】
本発明の実施の形態のうち、実用上最良の形態は、実施の形態１または１１にもとづいて赤外線吸収部と温度検出部を別々の層に形成した形態である。かかる形態においては、赤外線吸収部は赤外線吸収可能な光学設計のできる材料であるＣＶＤ法などで形成された酸化シリコン（ＳｉＯ_２）もしくは窒化シリコンまたはこれらの積層膜によって構成される。接合柱は機械構造的に充分な強度と小さな熱容量が実現できるＣＶＤ法などで形成する酸化シリコンまたは窒化シリコンおよびこれらの積層膜によって構成される。温度検出素子にはボロメータ薄膜が好ましく、ボロメータ薄膜の材料として抵抗温度係数が大きく、高感度化の実現に有利な酸化バナジウム、ポリシリコンまたはアルモファスシリコンなどが用いられる。
【００６９】
このとき赤外線吸収部の面積は、画素の大きさを５０μｍ、写真製版による赤外線吸収部のパターニング抜きの幅を２μｍとすると４８μｍであり、開口率は９２％となっており、従来構造に比べ非常に大きくなっているので、高感度化が達成できる。
【００７０】
【発明の効果】
本発明では、以上のように赤外線吸収部と温度検出部を別の層として形成し、赤外線吸収部と温度検出部を機械的かつ熱的に接合する手段として接合柱を設けたので、温度検出部の設計とは独立に赤外線吸収部を設計することができ、高開口率化、高感度化が実現できる。
【００７１】
本発明にかかわる２次元固体撮像素子は、画素ごとに、半導体基板への熱の流出を制御する熱抵抗の大きい材料からなる支持脚によって支えられておりかつ温度検出素子を含む温度検出部と、該温度検出部と少なくとも１本の接合柱で結合された赤外線吸収部とを前記半導体基板上に設け、温度検出部を機械的かつ熱的に接合する手段として接合柱を設け、前記赤外線吸収部は、２次元に配列された前記各画素と実質的に等しい面積を有するので、温度検出部の設計とは独立に赤外線吸収部を設計することができ、高開口率化、高感度化が実現できる効果を得る。
【００７２】
前記温度検出部が、前記半導体基板中に形成された空洞部の上に設けられるので、熱抵抗を大きくして高感度化する効果を得る。
【００７３】
本発明にかかわる２次元赤外線固体撮像素子は、前記赤外線吸収部の少なくとも一部に反射膜および層間絶縁膜からなる赤外線吸収構造を有しているので、赤外線の吸収が制御しやすく、より効率的に赤外線を吸収して高感度化する効果を得る。
【００７４】
本発明にかかわる２次元赤外線固体撮像素子は、前記赤外線吸収部の少なくとも一部に反射膜、層間絶縁膜および金属赤外線吸収薄膜からなる光学的共振構造を有しているので、赤外線の吸収がさらに制御しやすく、さらに効率的に赤外線を吸収して高感度化する効果を得る。
【００７５】
前記接合柱の少なくとも一部が前記赤外線吸収部と同一構成部材で形成されているので、製造工程を簡略化する効果を得る。
【００７６】
前記赤外線吸収部の少なくとも一部に反射膜、層間絶縁膜および金属赤外線吸収薄膜からなる光学的共振構造を有しており、かつ前記接合柱が前記金属赤外線吸収薄膜と一体に形成されているので、製造工程を簡略化する効果を得る。
【００７７】
前記接合柱の少なくとも一部が前記赤外線吸収部と同一構成部材で形成され、さらに前記赤外線吸収部のうち前記温度検出部に接する部分が除去されているので、前記赤外線吸収部の熱容量を低減して高感度化する効果を得る。
【００７８】
本発明にかかわる２次元赤外線固体撮像素子には、前記赤外線吸収部から前記空洞部に達するエッチングホールが前記空洞部の中心付近に少なくとも１つ設けられているので、基板の不要なエッチングを減少し、製造工程選択のときの自由度を拡大する効果を得る。
【００７９】
本発明にかかわる２次元赤外線固体撮像素子には、前記空洞部の周囲の前記半導体基板中に、前記空洞部を形成する際に用いられるエッチャントに耐性のある材料からなるエッチングストップ層が設けられているので、基板の不要なエッチングを減少し、製造工程選択のときの自由度を拡大する効果を得る。
【００８０】
前記温度検出素子が前記赤外線吸収部の上面に形成されているので、半導体プロセス中で使用できないボロメータ材料による赤外線固体撮像素子の構成を可能にする効果を得る。
【００８１】
本発明にかかわる２次元赤外線固体撮像素子は、前記温度検出部が、前記半導体基板上に形成された読み出し回路の上方に形成されているので、空洞部形成のためのエッチング方法の選択の自由度を広げ、空洞部下の領域に読み出し回路の構成要素の一部などを配置して面積の有効利用する効果を得る。
【００８２】
前記温度検出部が、前記赤外線吸収部の少なくとも一部に反射膜および層間絶縁膜からなる赤外線吸収構造を有しているので、赤外線の吸収が制御しやすく、より効率的に赤外線を吸収して高感度化する効果を得る。
【００８３】
前記温度検出部が、前記赤外線吸収部の少なくとも一部に反射膜、層間絶縁膜および金属赤外線吸収薄膜からなる光学的共振構造を有しているので、赤外線の吸収が制御しやすく、さらに効率的に赤外線を吸収して高感度化する効果を得る。
【００８４】
前記接合柱の少なくとも一部が前記赤外線吸収部と同一構成部材で形成されているので、製造工程を簡略化する効果を得る。
【００８５】
前記赤外線吸収部の少なくとも一部に反射膜、層間絶縁膜および金属赤外線吸収薄膜からなる光学的共振構造を有しており、かつ前記接合柱が前記金属赤外線吸収薄膜と一体に形成されているので、製造工程を簡略化する効果を得る。
【００８６】
本発明にかかわる２次元赤外線固体撮像素子には、前記温度検出素子としてボロメータ薄膜が用いられているので、温度変化を効果的に検出し得る。
【００８７】
本発明にかかわる２次元赤外線固体撮像素子には、前記温度検出素子として焦電効果を有する強誘電体が用いられているので、温度変化を効果的に検出し得る。
【００８８】
本発明にかかわる２次元赤外線固体撮像素子には、前記温度検出素子としてサーモパイルが用いられているので、温度変化を効果的に検出し得る。
【００８９】
本発明にかかわる２次元赤外線固体撮像素子においては、前記接合柱が、前記赤外線吸収部の重心に隣接した位置の下に配設されているので、赤外線吸収部を構造的に安定させる効果を得る。
【００９０】
本発明にかかわる２次元赤外線固体撮像素子においては、前記接合柱の熱抵抗が、前記支持脚の熱抵抗よりも小さいので、温度検出部の温度を均一にする効果を得る。
【００９１】
本発明の２次元赤外線固体撮像素子の製法が、
ａ）半導体基板上に信号読み出し回路を形成したのち、絶縁膜、コンタクト部を形成し、さらに金属配線および温度検出素子を形成し、保護絶縁膜で全体を覆う工程、
ｂ）前記保護絶縁膜上に犠牲層を形成し、該犠牲層のうち、のちに接合柱を形成する領域を写真製版技術で除去したのち、除去した部分に前記接合柱となる材料を埋め込む工程、
ｃ）前記犠牲層および前記接合柱の上に赤外線吸収部となる薄膜を形成し、各画素ごとに赤外線吸収部が分離されるようにパターニングする工程、
ｄ）前記犠牲層をエッチングして除去する工程、および
ｅ）前記シリコン基板をエッチングして、該シリコン基板中に空洞部を形成する工程
からなるので、生産性よく製造する効果を得る。
【００９２】
本発明にかかわる製法は、前記ｂ）工程ののち、さらに、前記犠牲層および前記接合柱の表面をエッチバックして平坦にする工程を含むので、赤外線吸収部の形成を容易にする効果を得る。
【００９３】
本発明にかかわる製法は、前記ｅ）工程において、前記半導体基板を異方性エッチングして前記空洞部を形成するので、空洞部の形状を制御性よく製造する効果を得る。
【００９４】
本発明にかかわる製法は、水酸化カリウムおよび水酸化テトラメチルアンモニウムのうちのいずれか一方を用いて異方性エッチングするので、空洞部のエッチングを容易にする効果を得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態にかかわる熱型光検出器を用いた２次元赤外線固体撮像素子の画素の断面説明図である。
【図２】本発明の一実施の形態にかかわる熱型光検出器を用いた２次元赤外線固体撮像素子の画素の赤外線吸収部を除いた平面説明図である。
【図３】本発明の一実施の形態にかかわる熱型光検出器を用いた２次元赤外線固体撮像素子の画素の配列状態を示す平面説明図である。
【図４】本発明の一実施の形態にかかわる熱型光検出器を用いた２次元赤外線固体撮像素子の画素の工程断面説明図である。
【図５】本発明の一実施の形態にかかわる熱型光検出器を用いた２次元赤外線固体撮像素子の画素の工程断面説明図である。
【図６】本発明の他の実施の形態にかかわる熱型光検出器を用いた２次元赤外線固体撮像素子の画素の断面説明図である。
【図７】本発明の他の実施の形態にかかわる熱型光検出器を用いた２次元赤外線固体撮像素子の画素の断面説明図である。
【図８】本発明の他の実施の形態にかかわる熱型光検出器を用いた２次元赤外線固体撮像素子の画素の断面説明図である。
【図９】本発明の他の実施の形態にかかわる熱型光検出器を用いた２次元赤外線固体撮像素子の画素の断面説明図である。
【図１０】本発明の他の実施の形態にかかわる熱型光検出器を用いた２次元赤外線固体撮像素子の画素の断面説明図である。
【図１１】本発明の他の実施の形態にかかわる熱型光検出器を用いた２次元赤外線固体撮像素子の画素の断面説明図である。
【図１２】本発明の他の実施の形態にかかわる熱型光検出器を用いた２次元赤外線固体撮像素子の画素の断面説明図である。
【図１３】本発明の他の実施の形態にかかわる熱型光検出器を用いた２次元赤外線固体撮像素子の画素の断面説明図である。
【図１４】本発明の他の実施の形態にかかわる熱型光検出器を用いた２次元赤外線固体撮像素子の画素の断面説明図である。
【図１５】本発明の他の実施の形態にかかわる熱型光検出器を用いた２次元赤外線固体撮像素子の画素の断面説明図である。
【図１６】本発明の他の実施の形態にかかわる熱型光検出器を用いた２次元赤外線固体撮像素子の画素の断面説明図である。
【図１７】本発明の他の実施の形態にかかわる熱型光検出器を用いた２次元赤外線固体撮像素子の画素の断面説明図である。
【図１８】本発明の他の実施の形態にかかわる熱型光検出器を用いた２次元赤外線固体撮像素子の画素の断面説明図である。
【図１９】本発明の他の実施の形態にかかわる熱型光検出器を用いた２次元赤外線固体撮像素子の画素の断面説明図である。
【図２０】本発明の他の実施の形態にかかわる熱型光検出器を用いた２次元赤外線固体撮像素子の画素の断面説明図である。
【図２１】従来の熱型光検出器を用いた２次元赤外線固体撮像素子の画素の構造を示す斜視説明図である。
【図２２】従来の熱型光検出器を用いた２次元赤外線固体撮像素子の画素の構造を示す断面説明図である。
【符号の説明】
１、２、３、４シリコン基板、１１、１２、７１１ボロメータ薄膜、２１、２２、７２１、７２２支持脚、３１、３２、７３１、７３２金属配線、１００、１１０、７５０、７６０絶縁膜、１２１〜１２６、７７１、７７２コンタクト部、１３０〜１３７、３３０、３３１、３３２、３３３、３３５、３３６、３４０赤外線吸収部、１４０〜１４７、４４１接合柱、１５０、３５０、３５５、３５６金属反射膜、１６０、３６０、３６５、３６６金属赤外線吸収膜、１７０犠牲層、１８０エッチングホール、１９０エッチングストップ層、２００、２０１、２０２空洞部、３００温度検出部、４００信号読み出し回路、５００信号線、１０００〜１００７画素。

Claims

熱型光検出器と、入射赤外線による前記熱型光検出器の特性変化を検出する手段とが集積されてなる温度検出機構が、半導体基板上に各画素ごとに２次元に配列された２次元赤外線固体撮像素子であって、
前記各画素ごとに、前記半導体基板への熱の流出を制御する材料からなる支持脚によって支えられておりかつ温度検出素子を含む温度検出部と、該温度検出部と少なくとも１本の接合柱で結合された赤外線吸収部とを前記半導体基板上に設け、
前記接合柱の熱抵抗は前記支持脚の熱抵抗よりも小さく、
前記赤外線吸収部は、酸化シリコンまたは窒化シリコンあるいは酸化シリコンと窒化シリコンの積層膜から構成され、２次元に配列された前記各画素と等しく、かつ、画素ごとに等しい面積を有する赤外線固体撮像素子。
前記温度検出部が、前記半導体基板中に形成された空洞部の上に設けられてなる請求項１記載の赤外線固体撮像素子。
前記空洞部の周囲にはエッチングストップ層が設けられてなる請求項２記載の赤外線固体撮像素子。
熱型光検出器と、入射赤外線による前記熱型光検出器の特性変化を検出する手段とが集積されてなる温度検出機構が、半導体基板上に各画素ごとに２次元に配列された２次元赤外線固体撮像素子であって、
前記各画素ごとに、前記半導体基板への熱の流出を制御する材料からなる支持脚によって支えられておりかつ温度検出素子を含む温度検出部と、該温度検出部と少なくとも１本の接合柱で結合された赤外線吸収部とを前記半導体基板上に設け、
前記接合柱の熱抵抗は前記支持脚の熱抵抗よりも小さく、
前記赤外線吸収部は、
酸化シリコンまたは窒化シリコンあるいは酸化シリコンと窒化シリコンの積層膜から構成され、前記半導体基板中または前記半導体基板上に形成された空洞部の上に設けられ、前記赤外線吸収部は前記空洞部より大きな面積を有する赤外線固体撮像素子。
前記温度検出部が、前記半導体基板中に形成された空洞部の上に設けられ、該空洞部の周囲にはエッチングストップ層が設けられてなる請求項４記載の赤外線固体撮像素子。
前記赤外線吸収部の少なくとも一部に反射膜を有する赤外線吸収構造を備えたことを特徴とする請求項１または４記載の赤外線固体撮像素子。
前記赤外線吸収部の少なくとも一部に赤外線吸収膜を備えたことを特徴とする請求項１または４記載の赤外線固体撮像素子。
前記温度検出部が、前記半導体基板上に形成された読み出し回路の上方に形成されてなる請求項１、４、６、７のいずれかに記載の赤外線固体撮像素子。
前記接合柱の少なくとも一部が前記赤外線吸収部と同一部材で形成されてなる請求項１、４、６のいずれかに記載の赤外線固体撮像素子。
前記温度検出素子としてボロメータ薄膜が用いられてなる請求項１または４記載の赤外線固体撮像素子。
前記温度検出素子として焦電効果を有する強誘電体が用いられてなる請求項１または４記載の赤外線固体撮像素子。
前記温度検出素子としてサーモパイルが用いられてなる請求項１または４記載の赤外線固体撮像素子。
前記接合柱が、前記赤外線吸収部の重心に隣接した位置の下に配設されてなる請求項１または４記載の赤外線固体撮像素子。
請求項３または５記載の赤外線固体撮像素子の製法であって、
ａ）半導体基板上に信号読み出し回路を形成したのち、絶縁膜、コンタクト部を形成し、さらに金属配線および温度検出素子を形成し、保護絶縁膜で全体を覆う工程、
ｂ）前記保護絶縁膜上に犠牲層を形成し、該犠牲層のうち、のちに接合柱を形成する領域を写真製版技術で除去したのち、除去した部分に前記接合柱となる材料を埋め込む工程、
ｃ）前記犠牲層および前記接合柱の上に赤外線吸収部となる薄膜を形成し、各画素ごとに赤外線吸収部が分離されるようにパターニングする工程、
ｄ）前記犠牲層をエッチングして除去する工程、および
ｅ）前記シリコン基板をエッチングストップ層までエッチングして、該シリコン基板中に空洞部を形成する工程
からなる製法。