DE69732862T2

DE69732862T2 - Halbleiteranordnung zur aufnahme von infrarotbildern

Info

Publication number: DE69732862T2
Application number: DE69732862T
Authority: DE
Inventors: Masafumi Kimata
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1997-12-18
Filing date: 1997-12-18
Publication date: 2006-04-13
Anticipated expiration: 2017-12-19
Also published as: KR20010024718A; WO1999031471A1; DE69732862D1; KR100376925B1; EP1041371B1; EP1041371A1; JP4011851B2; AU3909099A; EP1041371A4; AU740862B2; US6465784B1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf zweidimensionale Infrarot-Festkörperbildaufnahmeelemente, die einen Infrarot-Wärmedetektor zum Erfassen und Absorbieren von einfallender Infrarotstrahlung sowie zum Umwandeln von dieser in Wärme verwenden.
EINSCHLÄGIGER STAND DER TECHNIK
Bei einem Infrarot-Wärmedetektor handelt es sich um eine Vorrichtung, deren Temperatur bei Bestrahlung mit Infrarotstrahlung durch Absorbieren der aufgestrahlten Infrarotstrahlung erhöht wird und die ferner eine Erfassung bzw. Messung von Temperaturänderungen durchführt.
11 zeigt eine Ansicht aus der Vogelperspektive zur Erläuterung eines Beispiels einer Anordnung eines einzigen Pixels von zweidimensionalen Infrarot-Festkörperbildaufnahmeelementen, die einen herkömmlichen Infrarot-Wärmedetektor verwenden, bei dem eine thermische Dünnschicht zum Einsatz kommt, wobei sich der Widerstandswert in Abhängigkeit von der Temperatur ändert.
In der Zeichnung bezeichnet das Bezugszeichen 1 ein Halbleitersubstrat, bestehend aus Halbleitern, wie zum Beispiel Silizium; das Bezugszeichen 10 bezeichnet einen Infrarot-Erfassungsbereich, der von dem Halbleitersubstrat 1 beabstandet angeordnet ist; das Bezugszeichen 11 bezeichnet eine thermische Dünnschicht; die Bezugszeichen 21, 22 bezeichnen Trägerschenkel zum Anheben und Halten des Infrarot-Erfassungsbereichs 10 über dem Silizium-Halbleitersubstrat; die Bezugszeichen 31, 32 bezeichnen Metallverdrahtungen zum Zuführen von Strom zu der thermischen Dünnschicht.
Das Bezugszeichen 40 bezeichnet einen Schalttransistor zum Umschalten des durch die thermische Dünnschicht 11 und die Metallverdrahtungen 30, 31 fließenden Stroms zwischen EIN und AUS; das Bezugszeichen 60 bezeichnet einen Steuertaktdraht zum Steuern des EIN- und AUS-Zustands des Schalttransistors; und das Bezugszeichen 70 bezeichnet eine reflektierende Metallschicht zum Bilden einer optischen Resonanzstruktur mit dem Erfassungsbereich, um die Absorption von Infrarotstrahlung an dem Infrarot-Erfassungsbereich 10 zu steigern.
12 zeigt eine Ansicht zur Erläuterung einer im Schnitt dargestellten Anordnung entlang von Strompfaden der Struktur eines Pixels der zweidimensionalen Festkörperbildaufnahmeelemente, die einen herkömmlichen Infrarot-Wärmedetektor des in
11 dargestellten Typs verwenden, wobei der Schalttransistor 40, der Signaldraht 50 und der Steuertaktdraht 60 weggelassen sind, da diese keinen direkten Bezug zu der vorliegenden Erfindung haben.
Wie bereits erwähnt, ist die thermische Dünnschicht 11 über dem Infrarot-Erfassungsbereich 10 gebildet, wobei die Metallverdrahtungen 31, 32 mit der thermischen Dünnschicht 11 verbunden sind und ferner über Kontaktbereiche 122, 122 mit einer Signal-Ausleseschaltung (nicht gezeigt) verbunden sind, die auf dem Silizium-Halbleitersubstrat gebildet ist.
Die thermische Dünnschicht 11 und die Metallverdrahtungen 31, 32 sind von Isolierschichten 100, 110 aus einer Siliziumdioxidschicht oder einer Siliziumnitridschicht überdeckt, wobei diese Isolierschichten 100, 110 die mechanische Konstruktion des Infrarot-Erfassungsbereichs 10 und der Trägerschenkel 21, 22 bilden.
Das Bezugszeichen 80 bezeichnet eine Isolierschicht zum Isolieren der Signalausleseschaltung und der Verdrahtungen 31, 32, die auf dem Halbleitersubstrat 1 gebildet sind, und der Lichterfassungsbereich 10 ist über der reflektierenden Metallschicht 70 über der Isolierschicht 80 unter Zwischenanordnung eines hohlen Bereichs 90 zwischen diesen angeordnet. Eine weitere Isolierschicht kann auf der Oberfläche der reflektierenden Metallschicht 70 gebildet sein.
Im folgenden werden Arbeitsweisen von herkömmlichen zweidimensionalen Festkörperbildaufnahmeelementen erläutert, die von einem solchen Infrarot-Wärmedetektor Gebrauch machen.
Infrarotstrahlung fällt von einer Seite ein, auf der der Lichterfassungsbereich 10 angeordnet ist, und wird von dem Lichterfassungsbereich 10 absorbiert.
Aufgrund des Vorhandenseins der reflektierenden Metallschicht 70 werden stationäre Wellen von einfallender Infrarotstrahlung gebildet, wobei die Position der reflektierenden Metallschicht 70 einen Knotenpunkt bildet, und durch geeignetes Einstellen der Distanz zwischen dem Infrarot-Erfassungsbereich 10 und der reflektierenden Metallschicht 70 kann die Absorption der Infrarotenergie in dem Infrarot-Erfassungsbereich 10 gesteigert werden.
Infrarotenergie, die an dem Infrarot-Erfassungsbereich 10 absorbiert worden ist, wird in Wärme umgewandelt und erhöht die Temperatur des Infrarot-Erfassungsbereichs 10. Das Ausmaß des Temperaturanstiegs ist von dem Betrag der einfallenden Infrarotstrahlung abhängig (wobei das Ausmaß der einfallenden Infrarotstrahlung von der Temperatur und dem Wärmeemissionsvermögen eines aufzunehmenden Objekts abhängig ist).
Da das Ausmaß des Temperaturanstiegs durch Messen einer Änderung bei den Widerstandswerten der thermischen Dünnschicht 11 bekannt sein kann, so kann auch der Betrag der Infrarotstrahlung, die von dem aufzunehmenden Objekt emittiert wird, aufgrund von Änderungen in den Widerstandswerten der thermischen Dünnschicht 11 bekannt sein.
Als ein Material für das Bolumeter, das große Änderungen beim Widerstand aufgrund von Temperaturänderungen zeigt, können Halbleiter aus Vanadiumoxid (VOx) oder dergleichen verwendet werden, wie dies aus der Schrift von P. W. Kruse "Uncooled IR Focal Plane Arrays", Proceedings of SPIE, Band 2552, Seiten 556 bis 563 bekannt ist.
Wenn Widerstands-Temperaturkoeffizienten von thermischen Dünnschichten 11 identisch sind, wird mit steigendem Temperaturanstieg des Infrarot-Erfassungsbereichs 10 die Änderung des Widerstandswertes, den man durch einen identischen Betrag an einfallender Infrarotstrahlung erhält, um so größer und auch die Empfindlichkeit wird um so höher. Zum Steigern des Ausmaßes des Temperaturanstiegs ist es wirksam, die Wärmemenge, die von dem Infrarot-Erfassungsbereich 10 zu dem Silizium-Halbleitersubstrat 1 entweicht, auf einen möglichst geringen Betrag zu reduzieren, und aufgrund dieser Tatsache sind die Stützschenkel 21, 22 zum Begrenzen des Wärmewiderstands auf einen möglichst geringen Wert ausgebildet.
Es ist auch wichtig, eine Wärmekapazität des Infrarot-Erfassungsbereichs 10 auf einen geringen Wert zu setzen, so daß eine Temperatur-Zeit-Konstante des Infrarot-Erfassungsbereichs 10 niedriger wird als eine Einzelbilddauer der Bildaufnahmeelemente.
Während Infrarotstrahlung auf gesamte Pixel aufgestrahlt wird, trägt nur diejenige Infrarotstrahlung, die in einen Bereich des Infrarot-Erfassungsbereichs 10 einfällt, zu dem Temperaturanstieg des Infrarot-Erfassungsbereichs 10 bei (obwohl auch ein gewisser Betrag von Infrarotstrahlung wirksam wird, der in die Trägerschenkel einfällt, die dem Infrarot-Erfassungsbereich 10 benachbart sind), während Infrarotstrahlung, die in die übrigen Bereiche einfällt, unwirksam wird.
Aufgrund dieser Tatsache ist leicht zu verstehen, daß es auch wirksam ist, ein Aperturverhältnis (ein Verhältnis einer Fläche des Infrarot-Erfassungsbereichs 10 in bezug auf eine Fläche des Pixels) zum Erhöhen der Empfindlichkeit zu vergrößern.
Bei einem Verfahren zum Erfassen von Temperaturänderungen unter Verwendung eines Borometers, wie es vorstehend bei einem herkömmlichen Beispiel erläutert worden ist, ist es notwendig, ein Material mit hoher temperaturbedingter Widerstandsänderung sowie geringem Rauschen zu verwenden, wie zum Beispiel Vanadiumoxid (VOx), das normalerweise nicht bei einem Siliziumverfahren verwendet wird.
Während ein derartiges Material bei Schichtbildungsprozessen, photolithographischen Prozessen oder Ätzprozessen verarbeitet werden kann, die ähnliche Herstellungstechniken verwenden, wie diese für Siliziumprozesse bekannt sind, war es bisher schwierig, solche Prozesse bei Fertigungslinien durchzuführen, die für Silizium-VLSI-Verfahren verwendet werden, und zwar aufgrund der Verunreinigung bei Siliziumprozessen.
Bei der Anordnung der herkömmlichen bekannten Infrarot-Festkörperbildaufnahmevorrichtung, wie diese in 11 und 12 dargestellt ist, muß ferner der Infrarot-Erfassungsbereich 10 derart ausgebildet werden, daß er sich höchstens in einem anderen Bereich als die Trägerschenkel 21, 22 und die Kontaktbereiche zum Verbinden dieser Trägerschenkel und der auf dem Silizium-Halbleitersubstrat 1 ausgebildeten Ausleseschaltung befindet, so daß das Aperturverhältnis durch die Ausbildung der Trägerschenkel, der Kontaktbereiche und der Zwischenbeabstandung zwischen diesen Bereichen und dem Infrarot-Erfassungsbereich 10 begrenzt war, so daß sich keine hohe Ansprechempfindlichkeit erzielen ließ.
Derartige Probleme wurden um so ausgeprägter, je kleiner die Pixel waren, so daß es schwierig war, eine hohe Auflösung unter Verwendung kleiner Pixel bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung einer angemessenen Ansprechempfindlichkeit zu erzielen.
Die vorliegende Erfindung erfolgte in Anbetracht der vorstehend geschilderten Probleme, und eine Aufgabe der vorstehenden Erfindung besteht in der Schaffung von Infrarot-Festkörperbildaufnahmeelementen, bei denen es sich um zweidimensionale Infrarot-Festkörperbildaufnahmeelemente handelt, die einen Infrarot-Wärmedetektor auf dem gleichen Halbleitersubstrat bilden, auf dem auch eine Signalausleseschaltung gebildet ist, wobei alle Prozesse mit Ausnahme eines abschließenden Prozesses zum Eliminieren einer Opferschicht (im Fall des Ätzens einer darunterliegenden Schicht unter Aufrechterhaltung einer darüberliegenden Schicht, wird die darunterliegende, entfernte Schicht allgemein als Opferschicht bezeichnet) an einer herkömmlichen Silizium-VLSI-Fertigungslinie ausgeführt werden können, so daß ein Infrarot-Wärmedetektor realisiert werden kann, der in der Lage ist, ein hohes Aperturverhältnis zu erzielen, ohne von der Ausbildung der Trägerschenkel, der Metallverdrahtungen oder den Kontakten abhängig zu sein, die eine wärmeisolierende Konstruktion bilden, so daß sich Infrarot-Festkörperbildaufnahmeelemente schaffen lassen, die sich unter Verwendung einfacher Herstellungsprozesse bilden lassen und eine hohe Ansprechempfindlichkeit aufweisen.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Infrarot-Festkörperbildaufnahmeelemente gemäß der vorliegenden Erfindung weisen folgendes auf:
einen Infrarot-Absorptionsbereich, der jedem in einem zweidimensionalen Muster ausgerichteten Pixel entsprechend gebildet ist, um einfallende Infrarotstrahlung zu absorbieren und diese in Wärme umzuwandeln;
einen Temperaturerfassungsbereich, der jedem Pixel entsprechend auf einem Halbleitersubstrat gebildet ist und der eine Vielzahl von in Reihe geschalteten PN-Übergang-Dioden aufweist, die in Durchlaß-Richtung vorgespannt sind;
einen hohlen Bereich, der in jedem Bereich gebildet ist, auf dem die Temperaturerfassungsbereiche auf dem Halbleitersubstrat gebildet sind;
Trägereinrichtungen, die aus Materialien mit hohem Wärmewiderstand gebildet sind und die den Temperaturerfassungsbereich über dem hohlen Bereich auf dem Halbleitersubstrat tragen; sowie
eine Verbindungssäule zum thermischen Verbinden des Infrarot-Absorptionsbereichs und des Temperaturerfassungsbereichs.
Mit dieser Anordnung können alle Herstellungsprozesse mit Ausnahme des Vorgangs zum Eliminieren von Opferschichten in einer Silizium-VLSI-Fertigungslinie durchgeführt werden, und aufgrund der Tatsache, daß aktive Elemente, bei denen es sich um andere Elemente als die in den Temperaturerfassungseinrichtungen verwendeten PN-Übergang-Siliziumdioden von den Pixelbereichen eliminiert werden können, lassen sich Infrarot-Festkörperbildaufnahmeelemente in stabiler Weise herstellen, die eine verbesserte Produktivität zeigen, kostengünstig sind und äußerst gleichmäßig sind.
Ferner kann aufgrund der Anordnung des Infrarot-Absorptionsbereichs und des Temperaturerfassungsbereichs als separate Schichten sowie durch die Ausbildung der Verbindungssäule, bei der es sich um eine Einrichtung zum mechanischen und thermischen Verbinden des Infrarot-Absorptionsbereichs und des Temperaturerfassungsbereichs handelt, die Fläche des Infrarot-Absorptionsbereichs, die in der Praxis das Aperturverhältnis bestimmt, vergrößert werden, so daß sich ein hohes Aperturverhältnis und eine hohe Ansprechempfindlichkeit erzielen lassen.
Ferner können bei den Infrarot-Festkörperbildaufnahmeelementen gemäß der vorliegenden Erfindung unter Verwendung eines SOI-Substrats als Halbleitersubstrats die PN-Übergang-Siliziumdioden zum Erfassen der Temperatur in einfacher Weise gebildet werden, indem kristallines Silizium als ein Bestandteil verwendet wird.
Die PN-Übergang-Siliziumdioden des Temperaturerfassungsbereichs für die Infrarot-Festkörperbildaufnahmeelemente gemäß der vorliegenden Erfindung sind derart gebildet, daß eine Vielzahl von PN-Übergang-Siliziumdioden in einander abwechselnder Weise unter Bildung einer Schicht vom P-Typ und einer Schicht vom N-Typ auf einer Einkristall-Siliziumschicht angeordnet sind und daß die Dioden durch Metallverdrahtung zwischen Verbindungen zum Zeitpunkt des Anlegens einer Spannung in Sperr-Richtung verbunden sind.
Bei dieser Anordnung können PN-Übergang-Siliziumdioden mit einer hohen Dichte innerhalb eines begrenzten Bereichs einer Fläche für die Pixel angeordnet werden, und die Anzahl der PN-Übergang-Siliziumdioden kann erhöht werden, so daß sich eine hohe Ansprechempfindlichkeit erzielen läßt.
Bei den Infrarot-Festkörperbildaufnahmeelementen gemäß der vorliegenden Erfindung wird Platinsilizid, das in selbstausrichtender Weise in einem Aperturbereich gebildet wird, als Metallverdrahtung zum Kurzschließen der Verdrahtung verwendet, so daß sich eine Vereinfachung der Prozesse erzielen läßt.
Bei den Infrarot-Festkörperbildaufnahmeelementen gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Halbleitersubstrat vom P-Typ als Halbleitersubstrat verwendet, und die Vielzahl der in Reihe geschalteten PN-Übergang-Siliziumdioden des Temperaturerfassungsbereichs, die in Durchlaß-Richtung vorgespannt sind, sind innerhalb von Dotierstoffbereichsschichten vom N-Typ gebildet, die auf dem Halbleitersubstrat vom P-Typ gebildet sind, so daß keine Isolationsschicht unter dem Temperaturerfassungsbereich erforderlich ist, sondern ein elektrolytischer Ätzvorgang ausreichend ist, so daß herkömmliche Substrate, die kostengünstiger sind als SOI-Substrate, als Halbleitersubstrate verwendet werden können.
Bei den Infrarot-Festkörperbildaufnahmeelementen gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Infrarot-Absorptionsbereich aus einer Infrarot-absorbierenden Metalldünnschicht, einer Isolationsschicht und einer reflektierenden Metallschicht gebildet, so daß sich eine Verbesserung der Absorption von Infrarotstrahlung erzielen läßt, indem der Infrarot-Absorptionsbereich dünn ausgebildet ist und eine Störungen oder Interferenzen absorbierende Struktur aufweist, so daß sich auf diese Weise eine hohe Ansprechempfindlichkeit erzielen läßt.
Bei den Infrarot-Festkörperbildaufnahmeelementen gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Infrarot-Absorptionsbereich aus einer Isolationsschicht und einer reflektierenden Metallschicht gebildet, so daß ein Verfahren zum Bilden einer Infrarot-absorbierenden Metalldünnschicht eliminiert werden kann und auf diese Weise eine Vereinfachung der Herstellungsprozesse erzielt werden kann.
Bei den Infrarot-Festkörperbildaufnahmeelementen gemäß der vorliegenden Erfindung kann aufgrund der Tatsache, daß die Verbindungssäule aus einem Teil des Materials gebildet ist, aus dem der Infrarot-Absorptionsbereich besteht, die Verbindungssäule gleichzeitig mit dem Infrarot-Absorptionsbereich gebildet werden, so daß eine Vereinfachung der Herstellungsprozesse erzielt werden kann.
Ferner ist bei den Infrarot-Festkörperbildaufnahmeelementen gemäß der vorliegenden Erfindung eine Ätzstoppschicht vorgesehen, die Ätz-Widerstandsfähigkeit gegen ein Ätzmittel zum Ätzen des hohlen Bereichs in Umfangsbereichen einer Region zum Bilden des hohlen Bereichs innerhalb des Halbleitsubstrats aufweist. Bei dieser Anordnung besteht keine Gefahr, daß sich der Ätzvorgang unnötig ausbreitet, und Spielräumen zwischen Strukturen, die auf zu ätzenden Bereichen und nicht zu ätzenden Bereichen gebildet werden sollen, lassen sich klein halten, und ferner wird eine hohe Dichte von PN-Übergang-Siliziumdioden für die Temperaturerfassung aufgrund der gewonnenen Regionen für den Temperaturerfassungsbereich ermöglicht.
Da ferner die Distanz zwischen den jeweiligen Pixeln klein gehalten werden kann, lassen sich die Pixel infolgedessen kleiner gestalten, so daß die klein dimensionierten Pixel mit hoher Dichte angeordnet werden können.
Bei den Infrarot-Festkörperbildaufnahmeelementen gemäß der vorliegenden Erfindung sind ferner Konstantstromquellen, die mit dem einen Ende mit einem festen Potential verbunden sind, für jede vertikale Leitung vorgesehen. Bei dieser Anordnung bilden die Konstantstromquellen eine Last zum Erfassen von Ausgangssignalen für jede der vertikalen Leitungen, und die Zeit für die elektrische Leitung kann für jedes einzelne Pixel selbst dann länger eingestellt werden, wenn die Anzahl der Pixel erhöht ist, so daß sich das Auslesen von Signalen in zufriedenstellender Weise durchführen läßt und das Rauschen von Ausgangssignalen durch Vorsehen von schmalen Bandbreiten verringern läßt.
Bei den Infrarot-Festkörperbildaufnahmeelementen gemäß der vorliegenden Erfindung sind Widerstände, die mit dem einen Ende mit dem festen Potential verbunden sind, für jede vertikale Leitung vorgesehen. Bei dieser Anordnung bilden die Widerstände eine Last zum Erfassen von Ausgangssignalen für jede der vertikalen Leitungen, und die Zeit für die elektrische Leitung kann für jedes einzelne Pixel selbst dann länger gewählt werden, wenn die Anzahl der Pixel erhöht ist, so daß sich das Auslesen von Signalen in zufriedenstellender Weise durchführen läßt und das Rauschen von Ausgangssignalen durch Schaffen von schmalen Bandbreiten vermindert werden kann.
Bei den Infrarot-Festkörperbildaufnahmeelementen gemäß der vorliegenden Erfindung sind Dioden, von denen das eine Ende mit einem festen Potential verbunden ist, für jede vertikale Leitung vorgesehen. Bei dieser Anordnung bilden die Dioden eine Last zum Erfassen von Ausgangssignalen für jede der vertikalen Leitungen, und die Zeit für die elektrische Leitung kann für jedes einzelne Pixel selbst dann länger gewählt werden, wenn die Anzahl der Pixel erhöht ist, so daß sich das Auslesen von Signalen in zufriedenstellender Weise durchführen läßt und das Rauschen von Ausgangssignalen durch Vorsehen von schmalen Bandbreiten vermindert werden kann.
Bei den Infrarot-Festkörperbildaufnahmeelementen gemäß der vorliegenden Erfindung sind die Dioden, die mit dem einen Ende mit einem festen Potential verbunden sind, für jede vertikale Leitung derart angeordnet, daß die gleiche Anzahl von Dioden mit identischer Gestalt in Reihe angeordnet sind, wie die PN-Übergang-Siliziumdioden des Temperaturerfassungsbereichs für die Pixel.
Mit dieser Anordnung erfolgt eine Variation der Eigenschaften in ähnlicher Weise wie bei PN-Übergang-Siliziumdioden des Temperaturerfassungsbereichs in Abhängigkeit von Temperaturänderungen der Pixel, so daß eine Kompensation der Änderung in den Ausgangssignalen aufgrund von Änderungen in der Pixeltemperatur ermöglicht wird.
Bei den Infrarot-Festkörperbildaufnahmeelementen gemäß der vorliegenden Erfindung ist jede der vertikalen Leitung mit einer gemeinsamen Last versehen, deren eines Ende über einen horizontalen selektiven Transistor mit einem festen Potential verbunden ist, so daß Ungleichmäßigkeiten in den Ausgangssignalen aufgrund von Ungleichmäßigkeiten in der Last für jede vertikale Leitung eliminiert werden können.
Bei den Infrarot-Festkörperbildaufnahmeelementen gemäß der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei der gemeinsamen Last hinsichtlich jeder der vertikalen Leitungen um Dioden, die derart angeordnet sind, daß die gleiche Anzahl von Dioden mit identischer Gestalt in Reihe geschaltet sind wie die PN-Übergang-Siliziumdioden des Temperaturerfassungsbereichs.
Mit dieser Anordnung können Ungleichmäßigkeiten in den Ausgangssignalen aufgrund von Ungleichmäßigkeiten in der Last für jede vertikale Leitung eliminiert werden, und Änderungen der Eigenschaften erfolgen in ähnlicher Weise wie bei PN-Übergang-Siliziumdioden des Temperaturerfassungsbereichs in Abhängigkeit von Temperaturänderungen der Pixel, so daß eine Kompensation der Änderungen bei Ausgangssignalen aufgrund von Änderungen in der Pixeltemperatur ermöglicht wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es zeigen:
1 eine Ansicht zur Erläuterung einer Schnittdarstellung von Pixeln von Infrarot-Festkörperbildaufnahmeelementen gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 eine Ansicht zur Erläuterung einer planaren Auslegung der Pixel der Infrarot-Festkörperbildaufnahmeelemente gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei der Infrarot-Absorptionsbereich weggelassen wurde;
3 eine Ansicht zur Erläuterung einer Anordnung einer Ausleseschaltung für die Infrarot-Festkörperbildaufnahmeelemente gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4 eine Ansicht zur Erläuterung einer Auslegung des Infrarot-Absorptionsbereichs der Infrarot-Festkörperbildaufnahmeelemente gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
5 eine Ansicht zur Erläuterung einer Abfolge von Herstellungsvorgängen von Pixeln der Infrarot-Festkörperbildaufnahmeelemente gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
6 eine Darstellung zur Erläuterung einer Schnittanordnung von Pixeln von Infrarot-Festkörperbildaufnahmeelementen gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
7 eine Darstellung zur Erläuterung einer Anordnung einer Ausleseschaltung für Infrarot-Festkörperbildaufnahmeelemente gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
8 eine Ansicht zur Erläuterung einer weiteren Anordnung der Ausleseschaltung für die Infrarot-Festkörperbildaufnahmeelemente gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
9 eine Ansicht zur Erläuterung einer Ausleseschaltung für Infrarot-Festkörperbildaufnahmeelemente gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
10 eine Ansicht zur Erläuterung einer im Schnitt dargestellten Anordnung von Pixeln von Infrarot-Festkörperbildaufnahmeelementen gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung;
11 eine Ansicht aus der Vogelperspektive zur Erläuterung einer Anordnung von Pixeln von herkömmlichen Infrarot-Festkörperbildaufnahmeelementen; und
12 eine Schnittdarstellung zur Erläuterung einer Anordnung von Pixeln von herkömmlichen Infrarot-Festkörperbildaufnahmeelementen.
BESTE ART UND WEISE ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend auf der Grundlage der Begleitzeichnungen ausführlich erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, daß Bezugszeichen, die mit denen des Standes der Technik identisch sind, identische oder ähnliche Gegenstände bezeichnen.
ERSTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
1 zeigt eine Ansicht zur Erläuterung einer im Schnitt dargestellten Anordnung von Pixeln von zweidimensionalen Infrarot-Festkörperbildaufnahmeelementen, bei denen ein Infrarot-Wärmedetektor Verwendung findet, gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
In 1 sind auf dem Halbleitersubstrat 1 gebildete Verdrahtungen zum Auslesen von Signalen zum Zweck der Vereinfachung weggelassen.
Was das Halbleitersubstrat 1 anbelangt, so wird für dieses ein SOI-Halbleitersubstrat bzw. ein Silizium-auf-Isolator-Halbleitersubstrat verwendet, wobei das Bezugszeichen 100 eine Isolationsschicht bezeichnet, die aus einer Siliziumdioxidschicht gebildet ist und in das SOI-Halbleitersubstrat 1 eingebettet ist, während das Bezugszeichen 300 einen Temperaturerfassungsbereich bezeichnet, der auf der Isolationsschicht 100 gebildet ist und der aus in Reihe angeordneten PN-Übergang-Siliziumdioden gebildet ist, die Siliziumbereiche vom N-Typ (die auch als Dotierstoffbereiche vom N-Typ bezeichnet werden) 1a, 1b, 1c, 1d sowie Siliziumbereiche vom P-Typ (die auch als Dotierstoffbereiche vom P-Typ bezeichnet werden) 2a, 2b, 2c und 2d beinhaltet.
Ein Kurzschließen zwischen den Bereichen 2a und 1b, 2b und 1c sowie 2c und 1d erfolgt durch Kurzschließ-Metallverdrahtungen 3a, 3b, 3c, wobei nur die Bereiche zwischen 1a und 2a, 1b und 2b, 1c und 2c sowie 1d und 2d in effektiver Weise als PN-Übergang-Dioden wirken.
Ferner bezeichnen die Bezugszeichen 110, 120 Isolationsschichten aus einer Siliziumdioxidschicht oder einer Siliziumnitridschicht, und die Bezugszeichen 31, 32 bezeichnen Metallverdrahtungen. Die Bezugszeichen 21, 22 bezeichnen Trägerschenkel zum Tragen des Temperaturerfassungsbereichs 300 über dem hohlen Bereich 200, der in dem SOI-Halbleitersubstrat 1 gebildet ist. Die Isolationsschichten 100, 110, 120 und ein Teil der Metallverdrahtungen 31, 32 bilden die Konstruktion der Trägerschenkel 21, 22.
Der Bereich 400, der über dem Temperaturerfassungsbereich 300 gebildet ist, ist ein Infrarot-Absorptionsbereich zum Absorbieren von Infrarotstrahlung zum Umwandeln von dieser in Wärme, und der Infrarot-Absorptionsbereich 400 ist gebildet aus der reflektierenden Metallschicht 150, der Isolationsschicht 130 sowie der Infrarot-absorbierenden Metalldünnschicht 160.
Ferner bezeichnet das Bezugszeichen 140 eine Verbindungssäule, bei der es sich um eine Einrichtung handelt, um den Infrarot-Absorptionsbereich 400 von dem Temperaturerfassungsbereich 300 getrennt zu halten sowie den Infrarot-Absorptionsbereich 400 und den Temperaturerfassungsbereich 300 thermisch miteinander zu verbinden.
Das Bezugszeichen 190 bezeichnet eine Ätzstoppschicht, bei der es sich um einen Ätzstopp handelt, der verhindert, daß der Ätzvorgang unnötig voranschreitet, wenn ein isotroper Ätzvorgang zum Bilden des hohlen Bereichs 200 verwendet wird.
2 zeigt eine Ansicht zur Erläuterung einer Planaren Ausbildung einer Anordnung von Pixeln von zweidimensionalen Infrarot-Festkörperbildaufnahmeelementen unter Verwendung des Infrarot-Absorptionsbereichs (Infrarot-Wärmedetektor) gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, wie es in 1 gezeigt ist, wobei der Infrarot-Absorptionsbereich 400 weggelassen worden ist.
In der Zeichnung bezeichnet das Bezugszeichen 1000 ein vollständiges Pixel, das Bezugszeichen 500 bezeichnet einen vertikalen Signaldraht bzw. eine vertikale Signalleitung zum Auslesen von Signalen, und das Bezugszeichen 600 bezeichnet einen Vorspanndraht bzw. eine Vorspannleitung zum Zuführen einer Spannung zu den in Reihe angeordneten PN-Übergang-Siliziumdioden (die im folgenden einfach als serielle Dioden oder als Dioden bezeichnet werden), wie dies bereits erläutert wurde.
Weiterhin bezeichnen die Bezugszeichen 1a bis 1m Siliziumbereiche vom N-Typ (Dotierstoffbereiche vom N-Typ), die Bezugszeichen 2a bis 2m bezeichnen Siliziumbereiche vom P-Typ (Dotierstoffbereiche vom P-Typ) und die Bezugszeichen 3a bis 31 bezeichnen Metallverdrahtungen für das Kurzschließen. Es ist darauf hinzuweisen, daß die Anzahl der seriellen Dioden in 2 im Vergleich zu 1 vergrößert ist, da die Ansprechempfindlichkeit verbessert werden kann, je mehr Dioden vorgesehen sind, so daß es wünschenswert ist, eine große Anzahl von Dioden in mäandernder Weise anzuordnen, wie dies in 2 gezeigt ist.
Während die Trägerschenkel 21, 22 und die Metallverdrahtungen 31, 32 der Beschreibung einfache Formen annehmen, wie diese aus herkömmlichen Anordnungen bekannt sind, ist es bevorzugt, daß aufgrund von Verfahrensweisen hinsichtlich der Auslegung, wie zum Beispiel einer mäandernden Auslegung, Länge gewonnen wird, um auf diese Weise den Wärmewiderstand zu erhöhen.
3 zeigt eine Ansicht zur Erläuterung einer Anordnung, bei der die Vielzahl der in den 1 und 2 dargestellten Pixel in Form einer Matrix angeordnet sind, die Bildaufnahmeelemente aufweist (während in der Zeichnung aus Gründen der Vereinfachung ein Pixelfeld von 4 × 4 Pixeln dargestellt ist, sind in Wirklichkeit mehrere zehntausend bis mehrere hunderttausend Pixel vorhanden).
In der Zeichnung bezeichnen die Bezugszeichen 1011 bis 1044 Pixel, die in 2 mit dem Bezugszeichen 1000 bezeichnet sind, und die seriellen PN-Übergang-Dioden in jedem der Pixel sind in 3 aus Gründen der Vereinfachung durch ein einziges Symbol für die Dioden dargestellt.
Die Bezugszeichen 501 bis 504 sowie 601 bis 604 entsprechen den Bezugszeichen 500 bzw. 600 in 2 und stellen vertikale Signalleitungen und Vorspannleitungen dar.
Die Bezugszeichen 1201 bis 1204 und 1301 bis 1304 bezeichnen vertikale und horizontale Transistoren, die von vertikalen und horizontalen Abtastschaltungen 1400 und 1500 taktmäßig betätigt werden, das Bezugszeichen 1600 bezeichnet eine Vertikal-/ Horizontal-Schnittstellenschaltung für Abtast-Halte-Signale, die auf den vertikalen Signalleitungen 501 bis 504 auftreten, sowie zum Abgeben dieser Signale an eine horizontale Signalleitung 700, das Bezugszeichen 1800 bezeichnet einen Ausgangsverstärker, das Bezugszeichen 1500 bezeichnet eine Vorspannenergiequelle, und das Bezugszeichen 1900 bezeichnet einen Ausgangsanschluß.
Ferner bezeichnen die Bezugszeichen 1101 und 1104 Konstantstromquellen, die als Last wirken, wobei diese jeweils derart angeordnet sind, daß diese mit ihrem einen Ende mit einem festen Potential pro jeweilige vertikale Leitung verbunden sind, wobei diese aus MOS-Transistoren, die im Sättigungsbereich arbeiten, oder aus bipolaren Transistoren gebildet sein können.
4 zeigt eine Ansicht zur Erläuterung der Vielzahl der in 1 und 2 dargestellten Pixel in einem Anordnungszustand.
In den Zeichnungen bezeichnen die in gestrichelten Linien dargestellten Rechtecke 1011 bis 1024 Pixel, die in 2 mit dem Bezugszeichen 1000 bezeichnet sind, wobei die Anordnung des Inhalts der Pixel mit Ausnahme der Verbindungssäulen 141 bis 148 weggelassen ist.
Die Bezugszeichen 401 bis 408 bezeichnen jeweils den in 1 dargestellten Infrarot-Absorptionsbereich 400, wobei diese von dem Halbleitersubstrat 1 getrennt durch die Verbindungssäulen 141 bis 148 getragen sind. Es ist nicht notwendig, die auf der oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats 1 gebildeten Pixel 1011 bis 1024 sowie die Infrarot-Absorptionsbereiche 401 bis 408 in einem identischen Bereich zu bilden, sondern es kann auch eine in Bezug auf die Pixel versetzte Anordnung vorliegen, wie dies in 4 gezeigt ist.
Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, kann es sich bei den jeweiligen Flächen der Infrarot-Absorptionsbereiche 401 bis 408 um Flächen handeln, die der Fläche der Pixel mit Ausnahme von kleinen Räumen entsprechen, die zwischen einander benachbarten Infrarot-Absorptionsbereichen gebildet sind, wodurch sich ein bemerkenswert hohes Aperturverhältnis (Verhältnis der Fläche für Infrarot-Absorptionsbereiche in Bezug auf eine Fläche für die Pixel) erzielen läßt.
Im folgenden werden Arbeitsweisen der zweidimensionalen Infrarot-Festkörperbildaufnahmeelemente unter Verwendung des Infrarot-Wärmedetektors gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel erläutert.
Infrarotstrahlung fällt von der Seite des Infrarot-Absorptionsbereich 400 her ein. Einfallende Infrarotstrahlung wird an dem Infrarot-Absorptionsbereich 400 absorbiert, und die Temperatur des Infrarot-Absorptionsbereich 400 wird erhöht.
Temperaturänderungen des Infrarot-Absorptionsbereichs 400 werden über die Verbindungssäule 140 auf den Temperaturerfassungsbereich 300 übertragen, um auf diese Weise die Temperatur des Temperaturerfassungsbereichs 300 zu erhöhen.
Der thermische Widerstand der Verbindungssäule 140 ist niedriger ausgebildet als der thermische Widerstand der Trägerschenkel 21, 22, und eine Zeitkonstante, die bestimmt wird durch eine summierte Wärmekapazität von drei Komponenten, d.h. dem Temperaturerfassungsbereich 300, der Verbindungssäule 140 und dem Infrarot-Absorptionsbereich 400, sowie durch den thermischen Widerstand der Trägerschenkel 21, 22, ist kürzer gewählt als eine Einzelbildzeit (erforderliche Zeit zum Auslesen von vollständigen Signalen, die einer einzelnen Bildschirmoberfläche entsprechen, oder erforderliche Zeit zum Auslesen der Signale der vollständigen Pixel der Festkörper-Bildaufnahmeelemente). Wenn bei dieser Anordnung die Betrachtung pro Einzelbild durchgeführt wird, ist der Temperaturanstieg des Temperaturerfassungsbereichs 300 nahezu identisch mit dem Temperaturanstieg des Infrarot-Absorptionsbereichs 400.
Im folgenden wird ein Verfahren zum Bilden von elektrischen Signalen aufgrund von Temperaturänderungen von Pixelbereichen auf der Basis der 3 erläutert.
Dabei werden Operationen von Bildaufnahmeelementen während einer beliebigen einzelnen horizontalen Periode berücksichtigt. Zuerst erreicht ein Taktausgangssignal der vertikalen Abtastschaltung 1400 einen Zustand "H" (hoher Pegel), worauf einer der vertikalen selektiven Transistoren 1201 bis 1204 eingeschaltet wird und eine Spannung von der Vorspannenergiequelle 1500 an eine der Vorspannleitungen 601 bis 604 angelegt wird.
Es ist zwar in der Schaltung nicht dargestellt, jedoch nehmen nicht ausgewählte Vorspannleitungen den Zustand "L" (niedriger Pegel) an, in dem sie nicht vorgespannt werden.
Wenn zum Beispiel ein Gate (vertikaler selektiver Transistor) des Transistors 1202 mit einem Taktsignal beaufschlagt wird, um den Zustand EIN anzunehmen, wird eine Vorspannung an die Vorspannleitung 602 angelegt, während die Vorspannleitungen 601, 603, 604 nicht mit einer Spannung beaufschlagt werden.
In diesem Zustand nehmen nur die Dioden der Pixel 1012, 1022, 1032, 1042 einen Zustand an, in dem sie in Durchlaß-Richtung vorgespannt sind, während die Dioden der übrigen Pixel einen Zustand annehmen, in dem sie in Sperr-Richtung vorgespannt sind.
In diesem Zustand fließt Strom von der Energiequelle 1500 zu dem vertikalen selektiven Transistor 1202 und der vertikalen Vorspannleitung 602, woraufhin der Strom in vier Teile geteilt wird, von denen der eine von dem Pixel 112 durch die vertikale Signalleitung 501 hindurch zu der Stromquelle 1101 fließt, ein weiterer Teil von dem Pixel 1022 durch die vertikale Signalleitung 502 zu der Stromquelle 1102 fließt, noch ein weiterer Teil von dem Pixel 1032 durch die vertikale Signalleitung 503 zu der Stromquelle 1103 fließt und der letzte Teil von dem Pixel 1042 durch die vertikale Signalleitung 504 zu der Stromquelle 1104 fließt.
Obwohl Pixel nur Dioden für die Temperaturerfassung enthalten, handelt es sich auf diese Weise bei den ausgewählten Pixeln nur um Pixel einer vorgespannten Leitung.
Hinsichtlich der Dioden, durch die Konstantstrom in Durchlaß-Richtung fließt, werden bereits einzelne Elemente in der Praxis als Temperatursensoren verwendet (zum Beispiel solche der Serie DT von Siliziumdiodensensoren, die von der Firma Lake Shore Criotronics, Inc. hergestellt werden), und es ist bekannt, daß ein anzulegender Spannungsbetrag, der zum Erzielen des Konstantstroms erforderlich ist, in Abhängigkeit von der Temperatur variiert.
Im spezielleren sinkt bei einer PN-Siliziumdiode die Spannung um einen Wert von etwa 2 bis 2,5 mV pro Grad Temperaturanstieg. Die Spannungsänderung aufgrund der Temperatur ist proportional zu der Anzahl der in Reihe zu schaltenden Dioden.
Aus diesem Grund ist bei dem vorstehend beschriebenen Beispiel der Betrag des Spannungsabfalls, der durch die in den Pixeln enthaltenen Dioden bedingt ist und die Temperatur eines jeden der Pixel 1012, 1022, 1032, 1042 wiedergibt, verschieden, wobei die die Temperatur der Pixel, 1012, 1022, 1032, 1042 darstellenden Spannungen auf den Leitungen 501, 502, 503, 504 erscheinen.
Ein Abtasten und Halten dieser Spannungen erfolgt in dem Vertikal-/Horizontal-Schnittstellenbereich 1600, und Signale werden durch die horizontale Signalleitung 700 und den Ausgangsverstärker 1800 nach außen ausgelesen, und zwar durch sequentielles Einschalten der horizontalen selektiven Transistoren 1301 bis 1304 durch Ansteuern der horizontalen Abtastschaltung 1700. In einer nachfolgenden horizontalen Periode wird ein weiterer vertikaler selektiver Transistor eingeschaltet, um Pixel einer anderen Leitung zur Wiederholung der gleichen Vorgänge auszuwählen.
Im folgenden werden Verfahrensweisen zum Herstellen der Anordnung gemäß diesem Ausführungsbeispiel erläutert.
Für das Halbleitersubstrat 1 wird ein SOI-Siliziumhalbleitersubstrat bzw. ein Silizium-auf-Isolator-Halbleitersubstrat verwendet.
In 5(a) bezeichnet das Bezugszeichen 100 eine Siliziumdioxidschicht, die in das SOI-Halbleitersubstrat 1 eingebettet ist, und bei Ausbildung einer dünnen Einkristallsiliziumschicht vorab auf der Siliziumdioxidschicht 100 wird diese Einkristall-Siliziumschicht oxidiert, um eine Siliziumdioxidschicht 120 zu bilden, und zwar mit Ausnahme von den Bereichen, in denen Dioden gebildet werden.
Das Bezugszeichen 125 bezeichnet eine verbleibende Einkristall-Siliziumschicht, die bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel vom P-Typ ist. Das Bezugszeichen 190 bezeichnet eine Ätzstoppschicht, die als Ätzstopp zum Zeitpunkt des Ätzens des Siliziums in einem letzten Vorgang dient und die durch thermisches Oxidieren ihrer Oberfläche nach einer Grabenätzung und dem Einbetten einer Siliziumdioxidschicht oder Polysilizium gebildet wird.
In 5(b) werden Dotierstoffbereiche 2a bis 2d vom N-Typ durch Ionenimplantation in der in 5(a) mit dem Bezugszeichen 125 bezeichneten Einkristall-Siliziumschicht gebildet, und gleichzeitig werden Bereiche vom P-Typ in die Bereiche 1a bis 1d geteilt.
Nach dem Bilden einer dünnen Oxidschicht auf der Einkristall-Siliziumschicht 125 (nicht gezeigt), werden Bereiche zum Bilden der Metallverdrahtung 3a bis 3c für das Kurzschließen an diesen geöffnet, es erfolgt eine Abscheidung von Platin aus der Dampfphase, und Platinsilizid wird in Bereichen, die mit dem Silizium in Berührung stehen, durch Wärmebehandlungen gebildet. Nach dem Bilden dies Platinsilizids kann auf der Siliziumdioxidschicht verbliebenes Platin durch Königswasser entfernt werden, und das Platinsilizid kann in selbstausrichtender Weise gebildet werden.
Anschließend werden die Metallverdrahtungen 31, 32 gebildet, und die Oberfläche von diesen wird mit einer Siliziumdioxidschicht, einer Siliziumnitridschicht oder einer zusammengesetzten Schicht aus diesen bedeckt. Das Platinsilizid kann auch an Kontaktbereichen gebildet werden, an denen die Metallverdrahtungen 31, 32 und die Einkristall-Siliziumdünnschicht miteinander in Berührung stehen.
Auf diese Weise wird ein Ätzfenster zum Hindurchführen von Ätzmittel zum Zeitpunkt der Ausführung des Siliziumätzvorgangs in einem abschließenden Prozeß derart gebildet, daß es die Isolationsschichten 100, 110, 120 durchsetzt, obwohl dies in den Zeichnungen nicht dargestellt ist. Dieses Ätzfenster nimmt in 2 die Gestalt eines weißen Kreises an.
In 5(c) wird eine Opferschicht 180 gebildet, die später durch Ätzen entfernt wird, und nach dem Entfernen eines Bereichs, in dem die Verbindungssäule 140 gebildet werden soll, durch photolithographische Techniken wird eine Schicht gebildet, die die Verbindungssäule bilden soll.
Dieses Ausführungsbeispiel ist derart ausgebildet, daß Schichtmaterialien, die die Verbindungssäule bilden sollen und bei denen es sich nicht um den Aperturbereich der Opferschicht handelt, entfernt werden, wobei diese durch selektives Einbetten oder durch Rückätztechniken gebildet werden können.
Es entstehen jedoch überhaupt keine Unannehmlichkeiten, obwohl andere Elemente als für die Verbindungssäulenbereiche für die Verbindungssäule verbleiben.
Im Fall der Verwendung von Polysilizium oder amorphem Silizium für die Opferschicht, ist es möglich, das Ätzen der Opferschicht gleichzeitig mit dem Ätzvorgang zum Bilden des hohlen Bereichs in dem Halbleitersubstrat 1 auszuführen.
In 5(d) werden die reflektierende Schicht 150, die Isolationsschicht 130 und die Infrarot-absorbierende Metalldünnschicht 160, die Bestandteile des Infrarot-Absorptionsbereichs 400 sind, nacheinander gebildet und strukturiert.
Wenn die reflektierende Metallschicht 150 und die Infrarot-absorbierende Metalldünnschicht 160, die zum Zeitpunkt des Ätzens der Opferschicht 180 und zum Zeitpunkt des Silizium-Ätzvorgangs Ätzmitteln ausgesetzt werden, keine Widerstandsfähigkeit gegen die Ätzmittel zeigen, muß der Infrarot-Absorptionsbereich 400 mit Isolations schichten bedeckt werden, die Widerstandsfähigkeit gegen die Ätzmittel von der Oberseite und von der Unterseite her aufweisen.
5(e) ist mit 1 identisch, und durch Ausführen des Silizium-Ätzvorgangs der Anordnung der 5(d) werden die Opferschicht 180 und das Halbleitersubstrat 1 unter dem Temperaturerfassungsbereich 300 geätzt, um auf diese Weise die wärmeisolierende Konstruktion fertigzustellen.
Das heißt, es wird eine Anordnung realisiert, bei der der Infrarot-Absorptionsbereich 400 zum Absorbieren von Infrarotstrahlung und Umwandeln von dieser in Temperaturänderungen in mechanischer und thermischer Weise nur durch die Verbindungssäule 140 mit dem Temperaturerfassungsbereich 300 verbunden ist, obwohl er in davon beabstandeter Weise über diesem angeordnet ist, und bei der der Temperaturerfassungsbereich 300 durch Trägerschenkel 21, 22 mit hohem thermischen Widerstand über dem hohlen Bereich 200 getragen ist, der in dem Halbleitersubstrat 1 durch Ätzen in einer derartigen Weise gebildet ist, in der diese von dem SOI-Halbleitersubstrat 1 thermisch isoliert sind.
In diesem Fall wird die untere Oberfläche des Temperaturerfassungsbereichs 300 durch die Siliziumdioxidschicht 100 derart geschützt, daß diese nicht geätzt wird.
Während Vorgänge zum Bilden einer peripheren Schaltung in den vorstehenden Erläuterungen weggelassen worden sind, kann eine periphere Schaltung entweder auf dem SOI-Halbleitersubstrat 1 oder auf einem Bereich des SOI-Halbleitersubstrats 1 gebildet werden, von dem nur ein Teil der Einkristall-Siliziumschicht 125 und die dem peripheren Schaltungsbereich entsprechende Siliziumdioxidschicht 100 entfernt worden sind.
Bei dem vorstehenden Ausführungsbeispiel basieren die Erläuterungen auf einem Fall, in dem nur eine Verbindungssäule 140 vorgesehen ist, jedoch kann eine Vielzahl von Verbindungssäulen vorhanden sein. Dies gilt auch für alle der nachfolgenden Ausführungsbeispiele.
Während die Position der Verbindungssäule 140 beliebig ist, ist es bevorzugt, daß es sich bei dieser Position um eine handelt, an der der Infrarot-Absorptionsbereich 400 mechanisch abgestützt werden kann und bei der keine große Temperaturverteilung für den Infrarot-Absorptionsbereich 400 verursacht wird.
Eine am meisten bevorzugte Position, an der diese Bedingung erfüllt wird, ist eine Position unterhalb eines Schwerkraftzentrums des Infrarot-Absorptionsbereichs 400. Dies gilt auch für alle der nachfolgenden Ausführungsbeispiele.
Ferner ist die Ausbildung der Dicke der Verbindungssäule 140 in einer derartigen Weise erforderlich, daß diese einen ausreichend geringeren thermischen Widerstand als der thermische Widerstand der Trägerschenkel hat, die den Temperaturerfassungsbereich und das SOI-Halbleitersubstrat 1 thermisch verbinden, so daß keine große Differenz zwischen der Temperatur des Infrarot-Absorptionsbereichs 400 und der Temperatur des Temperaturerfassungsbereichs 300 verursacht wird. Dies gilt auch für alle der nachfolgenden Ausführungsbeispiele.
Während es sich bei dem Infrarot-Absorptionsbereich 400 des vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiels um eine dreilagige Anordnung handelt, kann es sich hierbei auch um eine einlagige oder um eine zweilagige Anordnung sowie auch um eine Anordnung handeln, die mehr als drei Lagen beinhaltet, so lange Infrarotstrahlung absorbiert werden kann.
Bei dem Infrarot-Absorptionsbereich 400 muß es sich nicht um eine Einzelkonstruktion handeln, bei der alle der Schichten kontinuierlich angeordnet sind, sondern es kann sich auch um eine Anordnung handeln, bei der ein Teil der Schichten entfernt ist.
Während die Verbindungssäule 140 und der Infrarot-Absorptionsbereich 400 bei dem vorstehenden Ausführungsbeispiel als verschiedenen Konstruktionen ausgebildet sind, kann die Verbindungssäule 140 auch unter Verwendung zumindest eines Teils der Elemente des Infrarot-Absorptionsbereichs 400 gebildet sein.
Während bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel eine Ätzstoppschicht 190 vorgesehen sein kann, kann die Ätzstoppschicht 190 auch weggelassen werden, wenn ätzfrei verbleibende Bereiche im Hinblick auf Ätzspielräume in ausreichender Weise verbleiben, und alternativ hierzu kann die Ätzstoppschicht auch nur an einem Teil des Außenumfangs des hohlen Bereichs 200 vorgesehen sein.
Wie bisher erläutert worden ist, weisen die Infrarot-Festkörperbildaufnahmeelemente gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel folgendes auf:
einen Infrarot-Absorptionsbereich 400, der jedem in einem zweidimensionalen Muster ausgerichteten Pixel entsprechend gebildet ist, um einfallende Infrarotstrahlung zu absorbieren und diese in Wärme umzuwandeln;
einen Temperaturerfassungsbereich 300, der jedem Pixel entsprechend auf einem Halbleitersubstrat 1 gebildet ist und der eine Vielzahl von in Reihe geschalteten PN-Übergang-Siliziumdioden aufweist, die in Durchlaß-Richtung vorgespannt sind;
einen hohlen Bereich 200, der in jedem Bereich gebildet ist, auf dem der Temperaturerfassungsbereich auf dem Halbleitersubstrat 1 gebildet ist;
Trägereinrichtungen (Trägerschenkel 21, 22), die aus Materialien mit hohem thermischen Widerstand gebildet sind und die den Temperaturerfassungsbereich 400 über dem hohlen Bereich auf dem Halbleitersubstrat tragen; sowie
eine Verbindungssäule 140, die den Infrarot-Absorptionsbereich 400 von dem Temperaturerfassungsbereich 300 getrennt hält, während sie den Infrarot-Absorptionsbereich 400 und den Temperaturerfassungsbereich 300 thermisch verbindet.
Bei dieser Anordnung können alle Herstellungsprozesse mit Ausnahme der Eliminierung der Opferschichten in einer Silizium-VLSI-Fertigungslinie ausgeführt werden, und aufgrund der Tatsache, daß aktive Elemente, bei denen es sich nicht um in den Temperaturerfassungseinrichtungen verwendete PN-Übergang-Siliziumdioden handelt, in den Pixelbereichen eliminiert werden können, können Infrarot-Festkörperbildaufnahmeelemente in stabiler Weise hergestellt werden, die ein verbesserte Produktivität aufweisen, kostengünstig sind und äußerst gleichmäßig sind.
Durch die Ausbildung des Infrarot-Absorptionsbereichs 400 und des Temperaturerfassungsbereichs 300 in Form von getrennten Schichten sowie durch die Ausbildung der Verbindungssäule 140, bei der es sich um eine Einrichtung zum mechanischen und thermischen Verbinden des Infrarot-Absorptionsbereichs 400 und des Temperaturerfassungsbereichs 300 handelt, kann die Fläche des Infrarot-Absorptionsbereichs 400, die in der Praxis das Aperturverhältnis bestimmt, erhöht werden, so daß sich ein hohes Aperturverhältnis und eine hohe Ansprechempfindlichkeit erzielen lassen.
Durch Verwenden eines SOI-Substrats als Halbleitersubstrat können ferner die PN-Übergang-Siliziumdioden zum Erfassen der Temperatur unter Verwendung von kristallinem Silizium in einfacher Weise gebildet werden.
Die PN-Übergang-Siliziumdioden des Temperaturerfassungsbereichs 300 sind dadurch gebildet, daß eine Vielzahl von PN-Übergang-Siliziumdioden durch abwechselndes Bilden einer Schicht vom P-Typ und einer Schicht vom N-Typ auf einer Einkristall-Siliziumschicht angeordnet werden und daß die Dioden durch Metallverdrahtung 3a bis 31 zwischen Verbindungen in Sperr-Richtung zum Zeitpunkt des Anlegens einer Spannung verbunden werden. Bei dieser Anordnung können PN-Übergang-Siliziumdioden mit einer hohen Dichte innerhalb eines begrenzten Bereichs einer Fläche für die Pixel angeordnet werden, und die Anzahl der PN-Übergang-Siliziumdioden läßt sich steigern, so daß sich dadurch eine hohe Ansprechempfindlichkeit erzielen läßt.
Ferner wird Platinsilizid, das in selbstausrichtender Weise gebildet wird, als Metallverdrahtung 3a bis 31 zum Kurzschließen an einem Aperturbereich der Verdrahtung verwendet, so daß sich eine Vereinfachung der Prozesse erzielen läßt.
Der Infrarot-Absorptionsbereich 400 ist auf der Infrarot-absorbierenden Metalldünnschicht 160, der Isolationsschicht 130 und der reflektierenden Metallschicht 150 gebildet, so daß sich eine Verbesserung der Absorption von Infrarotstrahlung erzielen läßt, indem der Infrarot-Absorptionsbereich dünn ausgebildet wird und eine Interferenz absorbierende Struktur aufweist, so daß sich eine hohe Ansprechempfindlichkeit erzielen läßt.
Durch Bilden des Infrarot-Absorptionsbereichs 400 aus einer Schicht, die eine Isolationsschicht und eine reflektierende Metallschicht aufweist, läßt sich ein Vorgang zum Bilden der Infrarot-absorbierenden Metalldünnschicht 160 eliminieren, so daß eine Vereinfachung der Herstellungsvorgänge erzielt werden kann.
Durch Bilden der Verbindungssäule 140 aus einem Teil des Materials, aus dem der Infrarot-Absorptionsbereich 400 besteht, kann die Verbindungssäule 140 gleichzeitig mit dem Infrarot-Absorptionsbereich 400 gebildet werden, so daß eine Vereinfachung der Herstellungsprozesse erzielt werden kann.
Ferner ist die Ätzstoppschicht 190, die Ätzbeständigkeit gegen ein Ätzmittel zum Ätzen des hohlen Bereichs 200 aufweist, an Umfangsbereichen einer Region zum Bilden des hohlen Bereichs 200 innerhalb des Halbleitersubstrats 1 vorhanden. Bei dieser Anordnung besteht keine Gefahr, daß sich der Ätzvorgang unnötig ausbreitet, und Spielräume zwischen Strukturen, die auf zu ätzenden Bereichen sowie auf nicht zu ätzenden Bereichen gebildet werden sollen, lassen sich klein halten, und ferner wird eine Anordnung von PN-Übergang-Siliziumdioden für die Temperaturerfassung mit hoher Dichte aufgrund der gewonnenen Bereiche für den Temperaturerfassungsbereich ermöglicht.
Weiterhin sind für jede vertikale Leitung Konstantstromquellen 1101 bis 1104 vorgesehen, die mit dem einen Ende mit einem festen Potential verbunden sind. Bei dieser Anordnung bilden die Konstantstromquellen eine Last zum Erfassen von Ausgangssignalen für jede der vertikalen Leitungen, und eine Zeitdauer für das elektrische Leiten läßt sich für jedes einzelne Pixel selbst dann länger wählen, wenn die Anzahl der Pixel erhöht ist, so daß das Auslesen von Signalen in zufriedenstellender Weise durchgeführt werden kann und das Rauschen von Ausgangssignalen durch Vorsehen von schmalen Bandbreiten vermindert werden kann.
ZWEITES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
Während zum Bilden des hohlen Bereichs 200 in dem SOI-Halbleitersubstrat 1 bei dem vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel ein isotroper Ätzvorgang durchgeführt wird, ist es auch möglich, einen anisotropen Ätzvorgang zu verwenden. In diesem Fall wird unter Verwendung der Fläche (100) als SOI-Halbleitersubstrat 1 die Ätzgeschwindigkeit trotz des Nichtvorhandenseins einer Ätzstoppschicht in einem Stadium abrupt vermindert, in dem die Fläche (111) in Erscheinung getreten ist, so daß der Ätzvorgang ohne unnötige Erweiterung der Region für den hohlen Bereich durchgeführt werden kann.
Eine Schnittdarstellung von Pixelbereichen in einem derartigen Fall ist in 6 veranschaulicht. Das Bezugszeichen 201 bezeichnet einen hohlen Bereich, der durch anisotropes Ätzen gebildet ist.
DRITTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
Während Signale unter Bereitstellung von Konstantstromquellen 1101 bis 1104 für jede Leitung in dem ersten Ausführungsbeispiel detektiert worden sind, wie dies in 3 dargestellt ist, können diese auch durch Lastwiderstände 1111 bis 1114 oder Lastdioden 1121 bis 1124 ersetzt werden, wie dies in 7 oder 8 dargestellt ist.
Es ist darauf hinzuweisen, daß im Fall einer Last durch Dioden die gleiche Anzahl von Dioden, die auch die gleiche Gestalt wie die Dioden der Pixelbereiche aufweisen, mit den Pixeldioden zum Schaffen der Last in Reihe geschaltet sind, wobei Verbindungspunkte zwischen den Pixeldioden und den Lastdioden nach außen geführt sind.
Wenn der hohle Bereich 200 oder 201 in diesem Fall nicht unter den Dioden zum Bilden einer Last gebildet ist, werden Lastdioden in thermisch guter Verbindung mit dem Halbleitersubstrat 1 vorgesehen, während die Eigenschaften der Dioden der Pixelbereiche (d.h. der PN-Übergang-Siliziumdioden des Temperaturerfassungsbereichs 30) durch einfallende Infrarotstrahlung verändert werden, so daß die Eigen schaften der Lastdioden durch einfallende Infrarotstrahlung von außen kaum verändert werden.
Aufgrund der Unterschiede in den Eigenschaften zwischen den Dioden der Pixelbereiche (d.h. der PN-Übergang-Siliziumdioden des Temperaturerfassungsbereichs 300) sowie der Dioden zum Bilden der Last bei Empfang von einfallender Infrarotstrahlung werden somit Ausgangssignale variiert.
Während die Eigenschaften von Dioden durch die absolute Temperatur bestimmt werden, werden Temperaturänderungen aufgrund von einfallender Infrarotstrahlung in Abhängigkeit von einer Temperatur der eigentlichen Diodenelemente als Ursprungspunkt variiert, und die Tatsache, daß Änderungen in der Temperatur der Elemente zu Änderungen in der absoluten Temperatur der Pixeldioden (d.h. der PN-Übergang-Siliziumdioden des Temperaturerfassungsbereichs 300) zum Zeitpunkt des Empfangs von einfallender Infrarotstrahlung führen, bringt Probleme mit sich.
Da jedoch Änderungen in den Eigenschaften der Lastdioden auch in Abhängigkeit von der Absoluttemperatur der Elemente stattfinden, lassen sich Änderungen im Ausgangssignal aufgrund von Änderungen bei der Temperatur der Elemente kompensieren, indem man die Lastdioden mit identischen Temperatureigenschaften wie die Pixeldioden (d.h. die PN-Übergang-Siliziumdioden des Temperaturerfassungsbereichs 300) ausstattet.
Wie vorstehend erläutert worden ist, sind die Infrarot-Festkörperbildaufnahmeelemente gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel derart ausgebildet, daß Lastwiderstände 1111 bis 1114 zum Erfassen von Ausgangssignalen für jede vertikale Leitung vorgesehen sind, wobei das eine Ende der Lastwiderstände mit einem festen Potential verbunden ist. Mit dieser Anordnung kann die Zeit für die elektrische Leitung für jedes einzelne Pixel länger eingestellt werden, obwohl die Anzahl der Pixel erhöht ist, so daß das Auslesen von Signalen in zufriedenstellender Weise durchgeführt werden kann und das Rauschen von Ausgangssignalen durch Vorsehen von schmalen Bandbreiten reduziert werden kann.
Ferner sind für jede vertikale Leitung Lastdioden 1121 bis 1124 zum Erfassen von Ausgangssignalen vorgesehen, wobei das eine Ende der Lastdioden mit einem festen Potential verbunden ist. Mit dieser Anordnung läßt sich die Zeit für das elektrische Leiten für jedes einzelne Pixel länger wählen, obwohl die Anzahl von Pixeln erhöht ist, so daß das Auslesen von Signalen in zufriedenstellender Weise durchgeführt werden kann und das Rauschen von Ausgangssignalen durch Vorsehen von schmalen Bandbreiten reduziert werden kann.
Da ferner die Lastdioden 1121 bis 1124, die an ihrem einen Ende mit einem festen Potential verbunden sind, pro vertikaler Leitung derart angeordnet sind, daß Dioden in der gleichen Anzahl und mit der gleichen Gestalt wie die PN-Übergang-Siliziumdioden des Temperaturerfassungsbereichs 300 für die Pixel in Reihe geschaltet sind, können sich die Eigenschaften in ähnlicher Weise wie bei den PN-Übergang-Siliziumdioden des Temperaturerfassungsbereichs 300 in Abhängigkeit von Temperaturänderungen der Elemente verändern, so daß eine Kompensation von Änderungen im Ausgangssignal aufgrund von Temperaturänderungen der Elemente durchgeführt werden kann.
VIERTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
Das zweite Ausführungsbeispiel und das dritte Ausführungsbeispiel sind derart ausgebildet, daß Konstantstromquellen, Widerstände oder Dioden für jede Reihe vorgesehen sind, und daß ein Abtasten und Halten der Signale in dem Vertikal-/Horizontal-Schnittstellenbereich 1600 zum zeitweisen Speichern von Signalen durchgeführt werden kann.
Alternativ ist es möglich, eine gemeinsame Last 1130 für jede der Reihen vorzusehen, wie dies in 9 gezeigt ist, wobei diese Last durch die Konstantstromquellen, die Widerstände oder die Dioden gebildet ist und diese dann Reihe für Reihe durch eine einzelne horizontale Abtastschaltung mit der horizontalen Signalleitung 700 verbunden sind.
Bei diesem Verfahren ist es notwendig, die elektrische Leitung pro Pixel auszuführen, so daß im Fall einer Erhöhung der Anzahl von Pixeln die zum Auslesen eines einzelnen Pixels zugeordnete Zeit verkürzt wird, so daß das Auslesen nicht in ausreichender Weise durchgeführt werden kann, oder eine Bandbreite für eine Frequenz zum Auslesen eines einzelnen Pixels erweitert wird, so daß ein Rauschen erzeugt werden kann.
Jedoch ist im Fall einer geringen Anzahl von Pixeln die Verwendung einer solchen Anordnung, bei der eine gemeinsame Last verwendet wird, anstatt einer Anordnung, die separate Lasten für jede Reihe vorsieht, wirksam zum Verhindern von Ungleichmäßigkeiten in dem Ausgangssignal aufgrund von Ungleichmäßigkeiten in den Lasten für jede Reihe, so daß vorteilhafte Abbilder erzielt werden können.
Es ist darauf hinzuweisen, daß bei der Bildung der gemeinsamen Last 1130 aus Dioden eine Anordnung verwendet wird, bei der die gleiche Anzahl von Dioden mit identischer Gestalt wie die Dioden für die Pixelbereiche (d.h. die PN-Übergang-Siliziumdioden des Temperaturerfassungsbereiches 300) mit den Dioden der Pixelbereiche zum Bilden der Last in Reihe geschaltet sind und somit mit Ausgangs-Verbindungspunkten der Pixeldioden und den Lastdioden in Reihe geschaltet sind.
Wenn der hohle Bereich 200 oder 201 in diesem Fall nicht unter den Dioden zum Bilden der Last gebildet ist, werden Lastdioden in guter thermischer Verbindung mit dem Halbleitersubstrat 1 vorgesehen, während die Eigenschaften der Dioden der Pixelbereiche (d.h. der PN-Übergang-Siliziumdioden des Temperaturerfassungsbereichs 300) durch einfallende Infrarotstrahlung verändert werden, so daß die Eigenschaften der Lastdioden durch einfallende Infrarotstrahlung von außen kaum verändert werden.
Aufgrund der Unterschiede in den Eigenschaften zwischen den Dioden der Pixelbereiche (d.h. der PN-Übergang-Siliziumdioden des Temperaturerfassungsbereichs 300) und den Dioden zum Bilden der Last bei Empfang von einfallender Infrarotstrahlung werden somit die Ausgangssignale variiert.
Während Eigenschaften von Dioden durch die Absoluttemperatur bestimmt werden, variieren Temperaturänderungen aufgrund von einfallender Infrarotstrahlung in Abhängigkeit von einer Temperatur der eigentlichen Diodenelemente als Ursprungspunkt, und die Tatsache, daß Änderungen in der Temperatur der Elemente zu Änderungen in der Absoluttemperatur der Pixeldioden (d.h. der PN-Übergang-Siliziumdioden des Temperaturerfassungsbereichs 300) zum Zeitpunkt des Empfangs von einfallender Infrarotstrahlung führen, bringt Probleme mit sich.
Da jedoch Änderungen in den Eigenschaften der Lastdioden auch in Abhängigkeit von der Absoluttemperatur der Elemente auftreten, lassen sich Änderungen im Ausgangssignal aufgrund von Temperaturänderungen der Elemente dadurch kompensieren, daß man die Lastdioden mit den gleichen Temperatureigenschaften wie die Pixeldioden (d.h. die PN-Übergang-Siliziumdioden des Temperaturerfassungsbereichs 300) versieht.
Während die Ausführungsbeispiele 1 bis 4 unter Bezugnahme auf einen Fall erläutert worden sind, bei dem ein SOI-Halbleitersubstrat 1 verwendet wird, ist es auch möglich, ein Halbleitersubstrat zu verwenden, bei dem einkristallines Silizium durch solche Mittel wie Laser-Rekristallisation auf einer Siliziumdioxidschicht gebildet wird, die auf einem Siliziumhalbleitersubstrat ausgebildet ist.
Die Siliziumdioxidschicht muß nicht auf der gesamten Oberfläche des Siliziumhalbleitersubstrats vorhanden sein, sondern braucht lediglich in einer Region vorgesehen zu sein, in der der hohle Bereich in dem Halbleitersubstrat gebildet werden soll (genauer gesagt in einer darunterliegenden Fläche des Temperaturerfassungsbereichs 300), und es ist auch möglich, zum Beispiel eine SIMOX-Anordnung zu verwenden, die durch Ionenimplantation von Sauerstoff gebildet ist.
Wie oben erläutert worden ist, ist jede der vertikalen Leitungen der Infrarot-Festkörperbildaufnahmeelemente gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel mit einer gemeinsamen Last 130 versehen, die mit ihrem einen Ende über horizontale selektive Transistoren 1301 bis 1304 mit einem festen Potential verbunden ist, so daß Un gleichmäßigkeiten in Ausgangssignalen aufgrund von Ungleichmäßigkeiten in der Last für jede vertikale Leitung eliminiert werden können.
Weiterhin handelt es sich bei der gemeinsamen Last 1130 im Hinblick auf jede der vertikalen Leitungen um Dioden, die hinsichtlich der Anzahl und der Gestalt mit denjenigen identisch sind, die als PN-Übergang-Siliziumdioden des Temperaturerfassungsbereichs der Pixel in Reihe geschaltet sind.
Bei dieser Anordnung können Ungleichmäßigkeiten in den Ausgangssignalen aufgrund von Ungleichmäßigkeiten in der Last für jede vertikale Leitung eliminiert werden, und eine Änderung der Eigenschaften erfolgt in ähnlicher Weise wie bei PN-Übergang-Siliziumdioden des Temperaturerfassungsbereichs in Abhängigkeit von Temperaturänderungen der Pixel, so daß die Kompensation von Änderungen im Ausgangssignal aufgrund von Änderungen bei der Pixeltemperatur ermöglicht wird.
FÜNFTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
10 zeigt eine Darstellung zur Erläuterung einer Schnittanordnung von Pixeln gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der zweidimensionalen Infrarot-Festkörperbilderzeugungselemente unter Verwendung eines Infrarot-Wärmedetektors gemäß der vorliegenden Erfindung.
In der Zeichnung bezeichnet das Bezugszeichen 301 einen Temperaturerfassungsbereich, und wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, ist die Anordnung der Pixel des zweiten Ausführungsbeispiels von der des ersten Ausführungsbeispiels verschieden, indem die Anordnung der jeweiligen Temperaturerfassungsbereiche unterschiedlich ist.
Bei dem fünften Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Halbleitersubstrat 1 um ein Siliziumhalbleitersubstrat vom P-Typ, und das Bezugszeichen 12 in dem Temperaturerfassungsbereich 301 bezeichnet einen Dotierstoffbereich vom N-Typ, wobei die PN-Übergang-Dioden zum Erfassen der Temperatur in dem Dotierstoffbereich 12 vom N-Typ gebildet sind.
Unter Bildung des hohlen Bereichs 200 in dem Halbleitersubstrat 1 wird ein elektrolytisches Ätzverfahren verwendet, wie dies offenbart ist in der Veröffentlichung "Micro-Machining and Micro-Mechatronics" von Esashi, Fujita, Igarashi und Sugiyama (BAIFUUKANN), Seiten 19 und 20.
Bei einem elektrolytischen Ätzverfahren bleiben Dotierstoffbereiche vom N-Typ ohne Ätzung zurück, während das Siliziumhalbleitersubstrat vom P-Typ geätzt wird, so daß eine Anordnung erzielt werden kann, wie diese in 10 dargestellt ist.
In 10 bilden die Bereiche 1a, 1b, 1c Dotierstoffbereiche vom P-Typ, die Bereiche 2a, 2b, 2c bilden Dotierstoffbereiche vom N-Typ, und die Bereiche 1a–2a, 1b–2b, 1c–2c bilden PN-Dioden für die Temperaturerfassung.
Die jeweiligen PN-Dioden sind durch die Metallverdrahtung 3a, 3b in Reihe geschaltet. Die Dotierstoffbereiche 2a, 2b, 2c vom N-Typ und die Dotierstoffbereiche 1a, 1b, 1c vom P-Typ werden mit Spannung beaufschlagt, so daß sie jeweils in Sperr-Richtung vorgespannt werden. In ähnlicher Weise wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel wird die Ansprechempfindlichkeit um so höher, je mehr PN-Dioden in Reihe geschaltet sind.
Die Infrarot-Festkörperbildaufnahmeelemente, die die Pixel gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel verwenden, können mit der gleichen Schaltung betrieben werden, wie diese bei dem ersten Ausführungsbeispiel dargestellt ist.
Wie oben erläutert worden ist, wird bei den Infrarot-Festkörperbildaufnahmeelementen gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel ein Halbleitersubstrat vom P-Typ als Halbleitersubstrat 1 verwendet, und die Vielzahl von PN-Übergang-Siliziumdioden des Temperaturerfassungsbereichs 301, die in Reihe geschaltet sind und in Durchlaß- Richtung vorgespannt sind, sind innerhalb einer Schicht des Dotierstoffbereichs 12 vom N-Typ gebildet, der über dem Halbleitersubstrat vom P-Typ vorgesehen ist.
Bei dieser Anordnung ist keine Isolationsschicht unter dem Temperaturerfassungsbereich 301 erforderlich, es kann ein elektrolytischer Ätzvorgang ausgeführt werden, und als Halbleitersubstrate können herkömmliche Substrate verwendet werden, die kostengünstiger sind als SOI-Substrate.
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
Wie vorstehend erläutert, ist die Infrarot-Festkörperbildaufnahmevorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zum Realisieren von Infrarot-Festkörperbildaufnahmeelementen mit verbesserter Produktivität, mit niedrigen Kosten und hoher Gleichmäßigkeit geeignet, wobei alle Prozesse mit Ausnahme eines Vorgangs zum Eliminieren einer Opferschicht an einer herkömmlichen Silizium-VLSI-Fertigungslinie durchgeführt werden können, indem PN-Übergang-Siliziumdioden für Pixelbereiche gebildet werden, die beide Funktionen einer Temperaturerfassung sowie einer Pixelauswahl aufweisen.

Claims

Infrarot-Festkörperbildaufnahmeelement, das jedem Pixel eines zweidimensionalen Bildaufnahmefeldes entsprechend gebildet ist und folgendes aufweist: – einen Infrarot-Absorptionsbereich (400), der jedem Pixel eines zweidimensionalen Bildaufnahmefeldes entsprechend gebildet ist und einfallende Infrarotstrahlung in Wärme umwandelt; – einen Temperaturerfassungsbereich (300), der jedem Pixel entsprechend auf einem Halbleitersubstrat (1) gebildet ist und der eine Vielzahl von PN-Übergang-Dioden (1a–2a, ..., 1m–2m) aufweist, die in Reihe geschaltet und in Durchlaß-Richtung vorgespannt sind; – einen hohlen Bereich (200), der unter jedem Temperaturerfassungsbereich (300) gebildet ist; – einen Trägerschenkel (21, 22), der einen hohen thermischen Widerstand hat und jeden Temperaturerfassungsbereich (300) über jedem hohlen Bereich (200) trägt; und – eine Verbindungssäule (140), die den Infrarot-Absorptionsbereich (400) von dem Temperaturerfassungsbereich (300) getrennt hält und diese thermisch verbindet.
Element nach Anspruch 1, wobei als Halbleitersubstrat (1) ein SOI-Substrat bzw. ein Silizium-auf-Isolator-Substrat (1) verwendet ist.
Element nach Anspruch 1 oder 2, wobei die PN-Übergang-Dioden (1a–2a, ..., 1m–2m) des Temperaturerfassungsbereiches (300) in einer Einkristall-Siliziumschicht (125) in Form einer Vielzahl von Schichten vom P-Typ und Schichten vom N-Typ gebildet sind, die einander abwechseln, und wobei jede Verbindung zwischen der Schicht vom P-Typ und der Schicht vom N-Typ, die beim Anlegen einer Spannung in Sperr-Richtung vorgespannt ist, mit einer Metallverdrahtung (31, 32) verbunden ist.
Element nach Anspruch 3, wobei die Metallverdrahtungen (31, 32), welche die PN-Übergang-Dioden verbinden, aus Platinsilizid gebildet sind.
Element nach Anspruch 1, wobei die PN-Übergang-Dioden des Temperaturerfassungsbereiches (300) in einem Bereich vom N-Typ gebildet sind, der in ein Halbleitersubstrat vom P-Typ eingebettet ist.
Element nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Infrarot-Absorptionsbereich (400) eine Infrarot-absorbierende Metalldünnschicht (160), eine Isolationsschicht (130) und eine reflektierende Metallschicht (150) aufweist.
Element nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Infrarot-Absorptionsbereich (400) eine Isolationsschicht und eine reflektierende Metallschicht aufweist.
Element nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Verbindungssäule (140) aus einem Teil des Materials gebildet ist, aus dem der Infrarot-Absorptionsbereichs (400) besteht.
Element nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der hohle Bereich (200) mit eine Ätzstoppschicht (190) um seinen Außenbereich herum versehen ist.
Element nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei eine Konstantstromquelle (1101–1104), die mit dem einen Ende mit einem festen Potential verbunden ist, für jede vertikale Leitung (501–504) des zweidimensionalen Pixelfeldes vorgesehen ist.
Element nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei ein Widerstand (1111–1114), der mit dem einen Ende mit einem festen Potential verbunden ist, für jede vertikale Leitung (501–504) des zweidimensionalen Pixelfeldes vorgesehen ist.
Element nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei Dioden (1121–1124), von denen das eine Ende mit einem festen Potential verbunden ist, für jede vertikale Leitung (501–504) des zweidimensionalen Pixelfeldes vorgesehen sind.
Element nach Anspruch 12, wobei die Dioden (1121–1124) eine Vielzahl von Dioden aufweisen, die hinsichtlich der Anzahl und Gestalt mit denjenigen identisch sind, die in dem Temperaturerfassungsbereich (300) verwendet sind.
Element nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei jede vertikale Leitung (501–504) des zweidimensionalen Pixelfeldes durch einen jeweiligen horizontalen Abtasttransistor (1301–1304) mit einer gemeinsamen Last (1130) verbunden ist.
Element nach Anspruch 14, wobei die gemeinsame Last (1130) eine Vielzahl von Dioden aufweist, die hinsichtlich der Anzahl und Gestalt mit denjenigen identisch sind, die in dem Temperaturerfassungsbereich (300) verwendet sind.