JP2005043148A - 赤外線センサ及び赤外線撮像素子 - Google Patents
赤外線センサ及び赤外線撮像素子 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2005043148A JP2005043148A JP2003201655A JP2003201655A JP2005043148A JP 2005043148 A JP2005043148 A JP 2005043148A JP 2003201655 A JP2003201655 A JP 2003201655A JP 2003201655 A JP2003201655 A JP 2003201655A JP 2005043148 A JP2005043148 A JP 2005043148A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- infrared
- electrode
- support leg
- sensor
- infrared sensor
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Landscapes
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
- Radiation Pyrometers (AREA)
- Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
- Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
- Light Receiving Elements (AREA)
Abstract
【課題】雑音が小さく、センサ感度が良く、センサの温度上昇に対する出力信号の線形性が良好な、熱型の赤外線センサ及び赤外線撮像素子を提供することを目的とする。
【解決手段】基板１０２と、前記基板の表面に設けられた第１及び第２の電極１０７、１０８と、前記第１及び第２の電極から離間しこれら電極に対向して前記基板上に設けられた第３の電極と、前記第３の電極１０３の上に設けられ、入射赤外線を吸収し熱に変換する赤外線吸収層１０９と、前記第３の電極及び前記赤外線吸収層を前記第１及び第２の電極から前記離間した状態に支持する支持脚１０４と、を備えたことを特徴とする赤外線センサ１０１を提供する。
【選択図】図１
【解決手段】基板１０２と、前記基板の表面に設けられた第１及び第２の電極１０７、１０８と、前記第１及び第２の電極から離間しこれら電極に対向して前記基板上に設けられた第３の電極と、前記第３の電極１０３の上に設けられ、入射赤外線を吸収し熱に変換する赤外線吸収層１０９と、前記第３の電極及び前記赤外線吸収層を前記第１及び第２の電極から前記離間した状態に支持する支持脚１０４と、を備えたことを特徴とする赤外線センサ１０１を提供する。
【選択図】図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、赤外線センサ及び赤外線撮像素子に関し、特に、冷却装置を必要としない熱型赤外線センサ及び赤外線撮像素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、冷却装置を必要としない熱型赤外線イメージセンサ（撮像素子）として、マイクロマシニング（ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ）技術を用いた酸化バナジウムのボロメータ型や、ＢＳＴＯ（Ｂａｒｉｕｍ−Ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ−Ｔｉｔａｎｉｕｍ Ｏｘｉｄｅ）の焦電型の赤外線センサが実現されている。これらの赤外線センサは、赤外線を吸収して温度を上昇させる感熱部と、この感熱部をシリコン基板と熱的に分離するための支持脚と、画素を選択するための水平アドレス線及び垂直信号線と、によって構成されている。
【０００３】
これら熱型赤外線センサは、被写体から放射される赤外線を光熱変換部で吸収し、その温度上昇によって生じる、対向電極の抵抗変化や自発分極変化等を検知することにより赤外線を検出する。
【０００４】
抵抗変化を検知するボロメータ型の赤外線センサの場合、最も一般的に用いられている物質である酸化バナジウムを使用すると、その抵抗温度変化がマイナス２パーセント程度であり、信号量が大きいという長所がある。しかし、抵抗変化を検知するためには、赤外線センサに数１０マイクロアンペア以上の電流を流す必要があり、センサ自体からの発熱が大きくなる。このため、その発熱によって発生する雑音を除去する必要があり、また、素子温度を一定に保つためにペルチェ素子などによる温度安定器が必要であるという欠点がある。
【０００５】
一方、自発分極変化を検知する焦電型の赤外線センサの場合、焦電材料に一定の赤外線が入射する場合には、生じた電荷を中和するために１秒程度の時間が必要であるため、入射光に変調を加えるチョッパーが必要であるという欠点がある。
【０００６】
一方、振動周波数変化を検知する赤外線センサも提案されている（例えば、特許文献１参照）。この赤外線センサでは、赤外線の受光部である梁の両端が固定枠に固定されているので、赤外線吸収による受光部の温度変化によって梁が熱膨張するかわりに、梁の内部に応力が発生する。この応力によって梁の軸力が変化し、それに伴う振動子の共振周波数変化やＱ値（先鋭度）変化を検出する。受光部にはボロンを高濃度に添加したシリコンを用い、熱絶縁部にはシリコン酸化膜を用いている。
【０００７】
無添加のシリコンは、波長８μｍ以上の赤外線に対して透明である。これに対し、シリコンに不純物を添加すると赤外線の吸収率は向上するが、その厚みを数１００μｍ以上にしないと赤外線を吸収しきれない。したがって、受光部の熱容量が増加してセンサとしての応答速度が低下し、２次元に配列されたイメージャーのように高速にスキャンする用途には使用できないという欠点がある。
【０００８】
また検出原理が内部応力を発生させることにあるため、必ず複数の固定点で支持する必要がある。そのために受光部からの熱の「逃げ」が大きくなるという問題があった。またさらに、受光部と応力を生じる部分とが同一であるため、受光面を二次元的に大きくすると、熱膨張による応力が、固定枠で支持する方向とは垂直な方向に逃げ、固定部に軸力として十分生じないという欠点もあった。
【０００９】
一方、吸収した赤外線による温度上昇によって、２種類の物質の線熱膨張係数の差による「たわみ」を生じさせ、この「たわみ」を、基板との静電容量の変化として読み取るセンサも提案されている（例えば、特許文献２参照）。
しかし２種類の物質の線熱膨張係数の差による「たわみ」を検出するため、撮像素子に要求される早い応答速度に対応できないことと、基板との容量変化がセンサの温度上昇と線形に変化しないことが問題であった。
【００１０】
【特許文献１】
特開平７−８３７５６号公報
【特許文献２】
米国特許第６４９８３４７号。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
以上、説明したように、従来の熱型赤外線撮像素子では、雑音が大きく、センサ感度が悪く、センサの温度上昇に対する出力信号の線形性が良好でない、などの問題があった。
本発明は、かかる課題の認識に基づいてなされたのであり、その目的は、雑音が小さく、センサ感度が良く、センサの温度上昇に対する出力信号の線形性が良好な、熱型の赤外線センサ及び赤外線撮像素子を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、基板と、前記基板の表面に設けられた第１及び第２の電極と、前記第１及び第２の電極から離間しこれら電極に対向して前記基板上に設けられた第３の電極と、前記第３の電極の上に設けられ、入射赤外線を吸収し熱に変換する赤外線吸収層と、前記第３の電極及び前記赤外線吸収層を前記第１及び第２の電極から前記離間した状態に支持する支持脚と、を備えたことを特徴とする赤外線センサを提供する。
【００１３】
上記構成によれば、雑音が小さく、センサ感度が良く、センサの温度上昇に対する出力信号の線形性が良好な、熱型の赤外線センサを提供することができる。
【００１４】
また、複数のこれら赤外線センサを略マトリクス状に設けることにより、やはり雑音が小さく、感度が良く、温度上昇に対する出力信号の線形性が良好な、熱型の赤外線撮像素子を提供することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１６】
図１は、本発明の実施形態にかかる熱型赤外線撮像素子の一部を表す模式断面図である。
また、図２は、本実施形態の赤外線撮像素子の平面図である。すなわち、これらの図は、赤外線センサが略２次元マトリクス状に配置された撮像素子の一部を表すものである。
【００１７】
赤外線撮像素子を構成する赤外線センサ１０１は、シリコン基板１０２上に起振用下部電極１０８と振幅測定用下部電極１０７とを設置し、空洞１０６を挟んで赤外線吸収層１１２を積層した対向電極１０３が熱伝導の低い支持脚１０４により支持された構造を有する。対向電極１０３は、シリコン基板１０２のアース電極（図示せず）に接続され、アース電位とされている。また、隣接して設けられた垂直信号線１０５は、振幅測定用電極１０７と接続され、水平信号線１１５は、起振用下部電極１０８と接続されている。起振用下部電極１０８と振幅測定用下部電極１０７とは、シリコン基板１０２の表面に設けられた酸化シリコンなどからなる絶縁層１１１により互いに絶縁分離されている。
【００１８】
対向電極１０３は、チタン、窒化チタンあるいは多結晶シリコンなどからなり、その表面には、酸化シリコン、窒化シリコンあるいはこれらの積層体などからなる赤外線吸収層１１２が大きく張り出して積層されている。この赤外線吸収層１１２によって、できるだけ多くの赤外線１０９を吸収することができ、吸収した熱によって支持脚１０４の温度上昇効率を高めることができる。
【００１９】
また、チタンや窒化チタンなどからなる対向電極１０３の一部は、配線部として支持脚１０４に延在し、支柱１１０を介してシリコン基板１０２に電気的に接続されている。対向電極１０３と起振用下部電極１０８との間に１００ｋＨｚから１０ＭＨｚ程度の周波数の交流電圧を印加することにより、対向電極１０３及びその上に積層された赤外線吸収層１１２が、支持脚１０４の固定端１０４Ａを支点として振動する。ちょうど室温付近で１００ｋＨｚから１０ＭｋＨｚの周波数で共振するように対向電極１０３の形状と赤外線吸収層１１２の質量を設計することによって、わずかの静電気力でも大きな振幅が得られる。
【００２０】
図３は、本発明において対向電極１０３の温度と共振周波数との関係の一例を表すグラフ図である。
【００２１】
すなわち、対向電極１０３とその上に積層された赤外線吸収層１１２は、支持脚１０４の固定端１０４Ａを支点として振動する。この時に、赤外線吸収層１１２が入射赤外線を吸収してその温度が変化すると、支持脚１０４の温度も変化する。支持脚１０４の温度が変化すると、そのヤング率が変化するため、共振周波数も変化する。図３に表したように、対向電極１０３及び赤外線吸収層１１２の共振周波数は、支持脚１０４の温度に対して負の相関を有する。そして、支持脚１０４、対向電極１０３及びその上積層する赤外線吸収層１１２の材料、サイズ、厚みなどを適宜選択することにより、支持脚１０４の温度が０．４Ｋ変化した時に、共振周波数を５０ｋＨｚ程度変化させることも可能である。
【００２２】
例えば、チタンの室温付近でのヤング率は６０ＧＰａであり温度係数は約マイナス０．４％／Ｋである。従って、長さ２μｍで断面積０．３μｍ２のチタンからなるカンチレバー（支持脚１０４）の先端に、平面サイズが約２０μｍ×２０μｍで厚さが５００ｎｍのシリコン酸化膜と、厚さが３００ｎｍのシリコン窒化膜とを積層構造させた赤外線吸収層１１２を設けた場合、対向電極１０３の共振周波数は約２．３ＭＨｚとなる。
【００２３】
また、チタンの代わりに窒化チタンを使った場合、ヤング率約１２０Ｇｐａで温度係数はマイナス０．３％／Ｋとなる。チタンと同程度の共振周波数にするには、カンチレバー（支持脚１０４）の長さを４μｍにする必要がある。そうすることによってカンチレバーの熱抵抗が増加するため、対向電極１０３からの熱の「逃げ」が低減し、感度が約１．５倍向上する。
【００２４】
さらに別の具体例として、長さ７μｍで断面積０．３μｍ２の窒化チタンからなる支持脚１０４によって上述の赤外線吸収層１１２を支持し、波長１０μｍ帯の赤外線をＦ値１．０の光学系によって集光すると、そのほぼ８５％が赤外線吸収層１１２によって吸収され、被写体の１Ｋの温度変化は対向電極での１ｍＫの温度変化となる。これを共振周波数の変化に変換すると、約５Ｈｚの変化に相当する。これによって振幅は約７％変化する。これを振幅測定用下部電極１０７と対向電極１０３との間の容量の一定時間の積分値として計測すると、ほぼ５％の変化が得られる。
【００２５】
この容量変化を赤外線撮像素子の感度の指標として使用するＮＥＴＤ（雑音等価温度差）で表すと約１０ｍＫに相当する。この感度は非常に優れたものである。また、その線形性も、被写体温度差１０Ｋの範囲内では良好である。
【００２６】
図４は、本実施形態の赤外線撮像素子の回路構成の一例を表す模式図である。
垂直シフトレジスタ４０４によって行ごとに選択され、発振器４１０から交流電圧がバッファ４０５を介して各行のセンサ１０１に印加される。選択時間は、例えば２５マイクロ秒程度に設定することができる。センサ１０１は、予め所定の共振周波数で振動するように設計されている。そして、発振器４１０は、一定の周波数の交流電圧を各センサに印加して一定の周波数により振動させる。発振器４１０から印加される交流電圧の周波数は、典型的には、予め設定された各センサの共振周波数とすることができる。
【００２７】
このように一定の周波数で振動している各センサに赤外線が入射すると、各センサにおいて、入射する赤外線量に応じて共振周波数からの周波数のシフト量が異なるため、選択された行の各画素（センサ）毎に振幅が異なり、容量が変化する。これをＲＣ発振回路などを使った容量変化検出回路４０７を用いて電圧信号や電流信号などに変換し、水平シフトレジスタ４０６によって順次選択して順次出力アンプ４０８で増幅し、出力端子４０９へ出力する。
【００２８】
図５は、本具体例の赤外線撮像素子における対向電極の温度と静電容量との関係を表すグラフ図である。同図において、符号Ｐにより表した状態が共振周波数に対応する。そして、各画素（対向電極）に入射する赤外線の量に応じてセンサ温度が異なり、それに対応して振動する周波数が共振周波数からずれる。
【００２９】
但し、この検出回路の場合、共振周波数からの差の絶対値を測るだけであるため、絶対値が同じであると被写体の温度が基準温度（共振周波数に対応する温度）よりも高い場合と低い場合とで同じように映ってしまう。これを防ぐためには、被写体における温度範囲を超えた高めの温度、例えば１００℃の均一な被写体を撮影する場合を基準として設定する必要がある。基準温度が高くなるということは、図３からも分かるように、共振周波数を低めの周波数に設定する必要がある。ただし、このような場合でも、もし被写体に基準温度（例えば、１００℃）よりも高い部分があると、その部分は逆に温度が低い部分のように映ることになる。
【００３０】
図６は、本発明の第２の具体例として、この問題を解決した赤外線撮像素子を表す模式図である。
【００３１】
すなわち、垂直シフトレジスタ５０４により選択された１行の画素（センサ１０１）に周波数スイープ回路５１０から、バッファ５０５を介して、例えば２ＭＨｚ〜２．５ＭＨｚの交流電圧を順次周波数を変化させながら印加する。
【００３２】
まず、撮影（測定）に先立って、前もってシャッターを閉めて一定レベルの赤外線（参照赤外線）を各画素に入射させ、その時の共振周波数を基準値としてカメラ回路に記憶しておく。次に、シャッターを開けて撮影を開始し、各行の画素に周波数スイープ回路５１０から例えば２ＭＨｚ〜２．５ＭＨｚの交流電圧を順次印加して、赤外線の入射による共振周波数のずれを容量ピーク検出回路５０７によってそれぞれ電気信号として検出する。
【００３３】
つまり、赤外線を照射している状態での各画素１０１の共振周波数を測定する。そして、前もって測定した参照赤外線による共振周波数の基準値と比較し、「ずれ」の方向と量を検出する。この信号を水平シフトレジスタ５０６で順次選択して出力アンプ５０８で増幅して出力端子５０９へ出力する。
【００３４】
この実施例を使うと温度の変化の絶対値だけでなく、高低も判別できる。また、予め参照赤外線による共振周波数を測定するので、個々の画素の共振周波数に「バラツキ」が生じた場合や撮像素子全体の温度が動作中に変化した場合などにも有効である。さらにスイープする周波数範囲を変えることによって赤外線撮像素子のダイナミックレンジを調整することも可能になる。
【００３５】
ただし、本発明は参照赤外線を用いるものに限定されない。つまり、各センサの「ばらつき」や、周囲温度などの影響を無視しうるような場合には、参照赤外線による共振周波数の基準値を予め測定することなく、直ちに赤外線の照射を開始してもよい。
【００３６】
次に、本発明の赤外線撮像素子の製造方法のひとつの実施例について説明する。
【００３７】
図７乃至図２３は、本発明の赤外線撮像素子の製造方法を表す工程図である。
【００３８】
すなわち、これらの図は、シリコン基板上に、信号処理回路やＸ，Ｙのアドレスを行うスキャナ回路を構成するＣＭＯＳ（ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅ−ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）トランジスタを形成する工程と、対向電極分を形成する工程を表す。
【００３９】
まず、図７に表したように、ｐ型シリコン基板を用意する。そして、図８に表したように、素子分離領域８０２を作製した後、図９に表したように、ｐ−ＭＯＳ領域のウェルを形成するため、ｎ−ＭＯＳ領域をフォトレジスト８０３でマスクし、リンイオン８０４の注入を行う。
【００４０】
しかる後に、図１０に表したように、ゲート酸化膜８０５とゲート材料となる多結晶シリコン８０６を積層する。次に、図１１に表したように、ｎ−ＭＯＳ領域のソース／ドレイン領域８０７と対向電極１０３のアース電極となる領域８０８を同時に形成するため、ｐ−ＭＯＳ領域をフォトレジスト８０９でマスクし、砒素イオン８１０を注入する。
【００４１】
次に、図１２に表したように、ｐ−ＭＯＳ領域のソース／ドレイン領域８１１を形成するために既にトランジスタを形成したｎ−ＭＯＳ領域をフォトレジスト８１２でマスクし、ボロンイオン８１３を注入する。その後、図１３に表したように、フォトレジスト８１２を酸素プラズマエッチングで除去して、ｎ−ＭＯＳトランジスタ８１４とｐ−ＭＯＳトランジスタ８１５が完成する。
【００４２】
次に、図１４に表したように、これらトランジスタの上に、シリコン酸化膜８１６を積層する。さらに、図１５に表したように、シリコン酸化膜８１６に開口を形成し、トランジスタ８１４、８１５のゲート、ソース及びドレインにそれぞれコンタクトとなるプラグ８１７Ａを埋め込む。その際、センサの上部電極の配線となるコンタクト８１７Ｂも形成する。
【００４３】
次に、図１６に表したように、配線となる第１アルミ層８１８Ｂを、チタン（Ｔｉ）系のバリアメタル８１８Ａ及びキャップメタル８１８Ｃとともに積層する。その際、センサ下部電極のうち起振用電極１０８と振幅測定用電極１０７も形成する。さらにシリコン酸化膜による層間膜８２１も形成する。
【００４４】
次に、図１７に表したように、センサ領域の下部電極１０７、１０８の上の部分の層間膜８２１を、酸化膜用ＲＩＥ（ｒｅａｃｔｉｖｅ ｉｏｎ ｅｔｃｈｉｎｇ：反応性イオンエッチング）により下部電極のキャップメタル８１８Ｃが露出するまでエッチングして空洞部８２２を形成する。チタン系のキャップメタル８１８Ｃの表面に下部電極１０７、１０８の保護膜として酸化シリコンあるいは窒化シリコンを５０ｎｍ程度積層しておくとさらに良い。
【００４５】
次に、図１８に表したように、一旦形成した空洞部８２２に、犠牲層となるアモルファスシリコン８２３を埋め込む。次に、図１９に表したように、配線層となる第２アルミ層８２４、センサの上部電極（対向電極１０３）となる８２５Ａ〜８２５Ｃ、ボンディングパッド８２６Ａ〜８２６Ｃを形成し、酸化シリコンからなる層間膜８２７を積層する。ここで、電極８２５Ａはチタン系金属、電極８２５Ｂはアルミニウム、電極８２５Ｃはチタンなどからなるキャップメタル層である。また、ボンディングパッド８２６（８２６Ａ〜８２６Ｃ）も同様に、電極８２６Ａはチタン系金属、電極８２６Ｂはアルミニウム、電極８２６Ｃはチタンなどからなるキャップメタル層である。なお、第２アルミ層８２４の形成前に対向電極１０３の保護膜として酸化シリコンあるいは窒化シリコンを５０ｎｍ程度積層しておくとさらに良い。
【００４６】
次に、センサの支持脚部の熱抵抗を大きくするため、図２０に表したように、層間膜８２７とキャップメタル８２５Ｃとアルミ電極８２５Ｂをエッチング条件を変更しながら順次エッチングすることにより、チタン（Ｔｉ）系メタルによる上部電極配線８２８を形成する。さらに全体を保護するために、図２１に表したようにシリコン窒化膜８２９を形成する。
【００４７】
次に、図２２に表したように、ボンディングパッド８２６の上においても、窒化膜８２９、層間膜８２７、キャップメタル層８２６ＣをＲＩＥにより順次エッチングして開口部８３０を形成する。また、対向電極の熱分離を行うために対向電極の周囲の窒化膜８２９と層間膜８２７を選択的にＲＩＥエッチングし、犠牲層８２３に到達するエッチングホール８３１を形成する。なおこのエッチングの際、ボンディングパッド８２６の部分はフォトレジスト（図示せず）でマスクしておく。
【００４８】
最後に、ＸｅＦ２（２弗化キセノン）を用いたシリコンエッチングにより、犠牲層８２３をエッチング除去して空洞部１０６を形成することにより、図２３に表したように本発明の赤外線撮像素子の要部が完成する。
【００４９】
以上、具体例を例示しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、上述した各具体例に限定されるものではない。
【００５０】
例えば、赤外線センサまたは赤外線撮像素子を構成する各半導体層や絶縁層、金属層などの材質、形状、厚み、配置関係などについては、当業者が適宜設計変更して実施したものも、本発明の要旨を含む限り、本発明の範囲に包含される。
【００５１】
その他、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することができ、これらの実施形態も本発明の範囲に包含される。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、優れた低雑音特性と、高い感度と、温度上昇に対する出力信号の良好な線形性と、を有する赤外線センサ及び赤外線撮像素子を提供することが可能となり、産業上のメリットは多大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態にかかる熱型赤外線撮像素子の一部を表す模式断面図である。
【図２】本実施形態の赤外線撮像素子の平面図である。
【図３】本発明において対向電極１０３の温度と共振周波数との関係の一例を表すグラフ図である。
【図４】本発明の実施形態の赤外線撮像素子の回路構成の一例を表す模式図である。
【図５】本発明の具体例の赤外線撮像素子における対向電極の温度と静電容量との関係を表すグラフ図である。
【図６】本発明の第２の具体例の赤外線撮像素子を表す模式図である。
【図７】本発明の赤外線撮像素子の製造方法を表す工程図である。
【図８】本発明の赤外線撮像素子の製造方法を表す工程図である。
【図９】本発明の赤外線撮像素子の製造方法を表す工程図である。
【図１０】本発明の赤外線撮像素子の製造方法を表す工程図である。
【図１１】本発明の赤外線撮像素子の製造方法を表す工程図である。
【図１２】本発明の赤外線撮像素子の製造方法を表す工程図である。
【図１３】本発明の赤外線撮像素子の製造方法を表す工程図である。
【図１４】本発明の赤外線撮像素子の製造方法を表す工程図である。
【図１５】本発明の赤外線撮像素子の製造方法を表す工程図である。
【図１６】本発明の赤外線撮像素子の製造方法を表す工程図である。
【図１７】本発明の赤外線撮像素子の製造方法を表す工程図である。
【図１８】本発明の赤外線撮像素子の製造方法を表す工程図である。
【図１９】本発明の赤外線撮像素子の製造方法を表す工程図である。
【図２０】本発明の赤外線撮像素子の製造方法を表す工程図である。
【図２１】本発明の赤外線撮像素子の製造方法を表す工程図である。
【図２２】本発明の赤外線撮像素子の製造方法を表す工程図である。
【図２３】本発明の赤外線撮像素子の製造方法を表す工程図である。
【符号の説明】
１０１ 赤外線センサ
１０２ シリコン基板
１０３ 対向電極
１０４ 支持脚
１０５ 垂直信号線
１０６ 中空構造
１０６ 空洞部
１０７ 振幅測定用下部電極
１０８ 起振用下部電極
１１０ 支柱
１１２ 赤外線吸収層
２１０ 赤外線
４０４ 垂直シフトレジスタ
４０６ 水平シフトレジスタ
４０７ 容量変化検出回路
４０８ 順次出力アンプ
４０９ 出力端子
４１０ 発振器
５０４ 垂直シフトレジスタ
５０６ 水平シフトレジスタ
５０７ 容量ピーク検出回路
５０８ 出力アンプ
５０９ 出力端子
５１０ 周波数スイープ回路
８０２ 素子分離領域
８０３ フォトレジスト
８０４ リンイオン
８０５ ゲート酸化膜
８０６ 多結晶シリコン
８０７ ドレイン領域
８０８ 領域
８０９ フォトレジスト
８１０ 砒素イオン
８１１ ドレイン領域
８１２ フォトレジスト
８１３ ボロンイオン
８１４、８１５ トランジスタ
８１６ シリコン酸化膜
８１７ プラグ
８１８Ａ バリアメタル
８１８Ｂ アルミ層
８１８Ｃ キャップメタル
８２１ 層間膜
８２２ 空洞部
８２３ アモルファスシリコン
８２３ 犠牲層
８２４ アルミ層
８２５Ａ 電極
８２５Ｂ アルミ電極
８２５Ｃ キャップメタル
８２６ ボンディングパッド
８２６Ｃ キャップメタル層
８２７ 層間膜
８２８ 上部電極配線
８２９ シリコン窒化膜
８３０ 開口部
８３１ エッチングホール
【発明の属する技術分野】
本発明は、赤外線センサ及び赤外線撮像素子に関し、特に、冷却装置を必要としない熱型赤外線センサ及び赤外線撮像素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、冷却装置を必要としない熱型赤外線イメージセンサ（撮像素子）として、マイクロマシニング（ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ）技術を用いた酸化バナジウムのボロメータ型や、ＢＳＴＯ（Ｂａｒｉｕｍ−Ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ−Ｔｉｔａｎｉｕｍ Ｏｘｉｄｅ）の焦電型の赤外線センサが実現されている。これらの赤外線センサは、赤外線を吸収して温度を上昇させる感熱部と、この感熱部をシリコン基板と熱的に分離するための支持脚と、画素を選択するための水平アドレス線及び垂直信号線と、によって構成されている。
【０００３】
これら熱型赤外線センサは、被写体から放射される赤外線を光熱変換部で吸収し、その温度上昇によって生じる、対向電極の抵抗変化や自発分極変化等を検知することにより赤外線を検出する。
【０００４】
抵抗変化を検知するボロメータ型の赤外線センサの場合、最も一般的に用いられている物質である酸化バナジウムを使用すると、その抵抗温度変化がマイナス２パーセント程度であり、信号量が大きいという長所がある。しかし、抵抗変化を検知するためには、赤外線センサに数１０マイクロアンペア以上の電流を流す必要があり、センサ自体からの発熱が大きくなる。このため、その発熱によって発生する雑音を除去する必要があり、また、素子温度を一定に保つためにペルチェ素子などによる温度安定器が必要であるという欠点がある。
【０００５】
一方、自発分極変化を検知する焦電型の赤外線センサの場合、焦電材料に一定の赤外線が入射する場合には、生じた電荷を中和するために１秒程度の時間が必要であるため、入射光に変調を加えるチョッパーが必要であるという欠点がある。
【０００６】
一方、振動周波数変化を検知する赤外線センサも提案されている（例えば、特許文献１参照）。この赤外線センサでは、赤外線の受光部である梁の両端が固定枠に固定されているので、赤外線吸収による受光部の温度変化によって梁が熱膨張するかわりに、梁の内部に応力が発生する。この応力によって梁の軸力が変化し、それに伴う振動子の共振周波数変化やＱ値（先鋭度）変化を検出する。受光部にはボロンを高濃度に添加したシリコンを用い、熱絶縁部にはシリコン酸化膜を用いている。
【０００７】
無添加のシリコンは、波長８μｍ以上の赤外線に対して透明である。これに対し、シリコンに不純物を添加すると赤外線の吸収率は向上するが、その厚みを数１００μｍ以上にしないと赤外線を吸収しきれない。したがって、受光部の熱容量が増加してセンサとしての応答速度が低下し、２次元に配列されたイメージャーのように高速にスキャンする用途には使用できないという欠点がある。
【０００８】
また検出原理が内部応力を発生させることにあるため、必ず複数の固定点で支持する必要がある。そのために受光部からの熱の「逃げ」が大きくなるという問題があった。またさらに、受光部と応力を生じる部分とが同一であるため、受光面を二次元的に大きくすると、熱膨張による応力が、固定枠で支持する方向とは垂直な方向に逃げ、固定部に軸力として十分生じないという欠点もあった。
【０００９】
一方、吸収した赤外線による温度上昇によって、２種類の物質の線熱膨張係数の差による「たわみ」を生じさせ、この「たわみ」を、基板との静電容量の変化として読み取るセンサも提案されている（例えば、特許文献２参照）。
しかし２種類の物質の線熱膨張係数の差による「たわみ」を検出するため、撮像素子に要求される早い応答速度に対応できないことと、基板との容量変化がセンサの温度上昇と線形に変化しないことが問題であった。
【００１０】
【特許文献１】
特開平７−８３７５６号公報
【特許文献２】
米国特許第６４９８３４７号。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
以上、説明したように、従来の熱型赤外線撮像素子では、雑音が大きく、センサ感度が悪く、センサの温度上昇に対する出力信号の線形性が良好でない、などの問題があった。
本発明は、かかる課題の認識に基づいてなされたのであり、その目的は、雑音が小さく、センサ感度が良く、センサの温度上昇に対する出力信号の線形性が良好な、熱型の赤外線センサ及び赤外線撮像素子を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、基板と、前記基板の表面に設けられた第１及び第２の電極と、前記第１及び第２の電極から離間しこれら電極に対向して前記基板上に設けられた第３の電極と、前記第３の電極の上に設けられ、入射赤外線を吸収し熱に変換する赤外線吸収層と、前記第３の電極及び前記赤外線吸収層を前記第１及び第２の電極から前記離間した状態に支持する支持脚と、を備えたことを特徴とする赤外線センサを提供する。
【００１３】
上記構成によれば、雑音が小さく、センサ感度が良く、センサの温度上昇に対する出力信号の線形性が良好な、熱型の赤外線センサを提供することができる。
【００１４】
また、複数のこれら赤外線センサを略マトリクス状に設けることにより、やはり雑音が小さく、感度が良く、温度上昇に対する出力信号の線形性が良好な、熱型の赤外線撮像素子を提供することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１６】
図１は、本発明の実施形態にかかる熱型赤外線撮像素子の一部を表す模式断面図である。
また、図２は、本実施形態の赤外線撮像素子の平面図である。すなわち、これらの図は、赤外線センサが略２次元マトリクス状に配置された撮像素子の一部を表すものである。
【００１７】
赤外線撮像素子を構成する赤外線センサ１０１は、シリコン基板１０２上に起振用下部電極１０８と振幅測定用下部電極１０７とを設置し、空洞１０６を挟んで赤外線吸収層１１２を積層した対向電極１０３が熱伝導の低い支持脚１０４により支持された構造を有する。対向電極１０３は、シリコン基板１０２のアース電極（図示せず）に接続され、アース電位とされている。また、隣接して設けられた垂直信号線１０５は、振幅測定用電極１０７と接続され、水平信号線１１５は、起振用下部電極１０８と接続されている。起振用下部電極１０８と振幅測定用下部電極１０７とは、シリコン基板１０２の表面に設けられた酸化シリコンなどからなる絶縁層１１１により互いに絶縁分離されている。
【００１８】
対向電極１０３は、チタン、窒化チタンあるいは多結晶シリコンなどからなり、その表面には、酸化シリコン、窒化シリコンあるいはこれらの積層体などからなる赤外線吸収層１１２が大きく張り出して積層されている。この赤外線吸収層１１２によって、できるだけ多くの赤外線１０９を吸収することができ、吸収した熱によって支持脚１０４の温度上昇効率を高めることができる。
【００１９】
また、チタンや窒化チタンなどからなる対向電極１０３の一部は、配線部として支持脚１０４に延在し、支柱１１０を介してシリコン基板１０２に電気的に接続されている。対向電極１０３と起振用下部電極１０８との間に１００ｋＨｚから１０ＭＨｚ程度の周波数の交流電圧を印加することにより、対向電極１０３及びその上に積層された赤外線吸収層１１２が、支持脚１０４の固定端１０４Ａを支点として振動する。ちょうど室温付近で１００ｋＨｚから１０ＭｋＨｚの周波数で共振するように対向電極１０３の形状と赤外線吸収層１１２の質量を設計することによって、わずかの静電気力でも大きな振幅が得られる。
【００２０】
図３は、本発明において対向電極１０３の温度と共振周波数との関係の一例を表すグラフ図である。
【００２１】
すなわち、対向電極１０３とその上に積層された赤外線吸収層１１２は、支持脚１０４の固定端１０４Ａを支点として振動する。この時に、赤外線吸収層１１２が入射赤外線を吸収してその温度が変化すると、支持脚１０４の温度も変化する。支持脚１０４の温度が変化すると、そのヤング率が変化するため、共振周波数も変化する。図３に表したように、対向電極１０３及び赤外線吸収層１１２の共振周波数は、支持脚１０４の温度に対して負の相関を有する。そして、支持脚１０４、対向電極１０３及びその上積層する赤外線吸収層１１２の材料、サイズ、厚みなどを適宜選択することにより、支持脚１０４の温度が０．４Ｋ変化した時に、共振周波数を５０ｋＨｚ程度変化させることも可能である。
【００２２】
例えば、チタンの室温付近でのヤング率は６０ＧＰａであり温度係数は約マイナス０．４％／Ｋである。従って、長さ２μｍで断面積０．３μｍ２のチタンからなるカンチレバー（支持脚１０４）の先端に、平面サイズが約２０μｍ×２０μｍで厚さが５００ｎｍのシリコン酸化膜と、厚さが３００ｎｍのシリコン窒化膜とを積層構造させた赤外線吸収層１１２を設けた場合、対向電極１０３の共振周波数は約２．３ＭＨｚとなる。
【００２３】
また、チタンの代わりに窒化チタンを使った場合、ヤング率約１２０Ｇｐａで温度係数はマイナス０．３％／Ｋとなる。チタンと同程度の共振周波数にするには、カンチレバー（支持脚１０４）の長さを４μｍにする必要がある。そうすることによってカンチレバーの熱抵抗が増加するため、対向電極１０３からの熱の「逃げ」が低減し、感度が約１．５倍向上する。
【００２４】
さらに別の具体例として、長さ７μｍで断面積０．３μｍ２の窒化チタンからなる支持脚１０４によって上述の赤外線吸収層１１２を支持し、波長１０μｍ帯の赤外線をＦ値１．０の光学系によって集光すると、そのほぼ８５％が赤外線吸収層１１２によって吸収され、被写体の１Ｋの温度変化は対向電極での１ｍＫの温度変化となる。これを共振周波数の変化に変換すると、約５Ｈｚの変化に相当する。これによって振幅は約７％変化する。これを振幅測定用下部電極１０７と対向電極１０３との間の容量の一定時間の積分値として計測すると、ほぼ５％の変化が得られる。
【００２５】
この容量変化を赤外線撮像素子の感度の指標として使用するＮＥＴＤ（雑音等価温度差）で表すと約１０ｍＫに相当する。この感度は非常に優れたものである。また、その線形性も、被写体温度差１０Ｋの範囲内では良好である。
【００２６】
図４は、本実施形態の赤外線撮像素子の回路構成の一例を表す模式図である。
垂直シフトレジスタ４０４によって行ごとに選択され、発振器４１０から交流電圧がバッファ４０５を介して各行のセンサ１０１に印加される。選択時間は、例えば２５マイクロ秒程度に設定することができる。センサ１０１は、予め所定の共振周波数で振動するように設計されている。そして、発振器４１０は、一定の周波数の交流電圧を各センサに印加して一定の周波数により振動させる。発振器４１０から印加される交流電圧の周波数は、典型的には、予め設定された各センサの共振周波数とすることができる。
【００２７】
このように一定の周波数で振動している各センサに赤外線が入射すると、各センサにおいて、入射する赤外線量に応じて共振周波数からの周波数のシフト量が異なるため、選択された行の各画素（センサ）毎に振幅が異なり、容量が変化する。これをＲＣ発振回路などを使った容量変化検出回路４０７を用いて電圧信号や電流信号などに変換し、水平シフトレジスタ４０６によって順次選択して順次出力アンプ４０８で増幅し、出力端子４０９へ出力する。
【００２８】
図５は、本具体例の赤外線撮像素子における対向電極の温度と静電容量との関係を表すグラフ図である。同図において、符号Ｐにより表した状態が共振周波数に対応する。そして、各画素（対向電極）に入射する赤外線の量に応じてセンサ温度が異なり、それに対応して振動する周波数が共振周波数からずれる。
【００２９】
但し、この検出回路の場合、共振周波数からの差の絶対値を測るだけであるため、絶対値が同じであると被写体の温度が基準温度（共振周波数に対応する温度）よりも高い場合と低い場合とで同じように映ってしまう。これを防ぐためには、被写体における温度範囲を超えた高めの温度、例えば１００℃の均一な被写体を撮影する場合を基準として設定する必要がある。基準温度が高くなるということは、図３からも分かるように、共振周波数を低めの周波数に設定する必要がある。ただし、このような場合でも、もし被写体に基準温度（例えば、１００℃）よりも高い部分があると、その部分は逆に温度が低い部分のように映ることになる。
【００３０】
図６は、本発明の第２の具体例として、この問題を解決した赤外線撮像素子を表す模式図である。
【００３１】
すなわち、垂直シフトレジスタ５０４により選択された１行の画素（センサ１０１）に周波数スイープ回路５１０から、バッファ５０５を介して、例えば２ＭＨｚ〜２．５ＭＨｚの交流電圧を順次周波数を変化させながら印加する。
【００３２】
まず、撮影（測定）に先立って、前もってシャッターを閉めて一定レベルの赤外線（参照赤外線）を各画素に入射させ、その時の共振周波数を基準値としてカメラ回路に記憶しておく。次に、シャッターを開けて撮影を開始し、各行の画素に周波数スイープ回路５１０から例えば２ＭＨｚ〜２．５ＭＨｚの交流電圧を順次印加して、赤外線の入射による共振周波数のずれを容量ピーク検出回路５０７によってそれぞれ電気信号として検出する。
【００３３】
つまり、赤外線を照射している状態での各画素１０１の共振周波数を測定する。そして、前もって測定した参照赤外線による共振周波数の基準値と比較し、「ずれ」の方向と量を検出する。この信号を水平シフトレジスタ５０６で順次選択して出力アンプ５０８で増幅して出力端子５０９へ出力する。
【００３４】
この実施例を使うと温度の変化の絶対値だけでなく、高低も判別できる。また、予め参照赤外線による共振周波数を測定するので、個々の画素の共振周波数に「バラツキ」が生じた場合や撮像素子全体の温度が動作中に変化した場合などにも有効である。さらにスイープする周波数範囲を変えることによって赤外線撮像素子のダイナミックレンジを調整することも可能になる。
【００３５】
ただし、本発明は参照赤外線を用いるものに限定されない。つまり、各センサの「ばらつき」や、周囲温度などの影響を無視しうるような場合には、参照赤外線による共振周波数の基準値を予め測定することなく、直ちに赤外線の照射を開始してもよい。
【００３６】
次に、本発明の赤外線撮像素子の製造方法のひとつの実施例について説明する。
【００３７】
図７乃至図２３は、本発明の赤外線撮像素子の製造方法を表す工程図である。
【００３８】
すなわち、これらの図は、シリコン基板上に、信号処理回路やＸ，Ｙのアドレスを行うスキャナ回路を構成するＣＭＯＳ（ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅ−ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）トランジスタを形成する工程と、対向電極分を形成する工程を表す。
【００３９】
まず、図７に表したように、ｐ型シリコン基板を用意する。そして、図８に表したように、素子分離領域８０２を作製した後、図９に表したように、ｐ−ＭＯＳ領域のウェルを形成するため、ｎ−ＭＯＳ領域をフォトレジスト８０３でマスクし、リンイオン８０４の注入を行う。
【００４０】
しかる後に、図１０に表したように、ゲート酸化膜８０５とゲート材料となる多結晶シリコン８０６を積層する。次に、図１１に表したように、ｎ−ＭＯＳ領域のソース／ドレイン領域８０７と対向電極１０３のアース電極となる領域８０８を同時に形成するため、ｐ−ＭＯＳ領域をフォトレジスト８０９でマスクし、砒素イオン８１０を注入する。
【００４１】
次に、図１２に表したように、ｐ−ＭＯＳ領域のソース／ドレイン領域８１１を形成するために既にトランジスタを形成したｎ−ＭＯＳ領域をフォトレジスト８１２でマスクし、ボロンイオン８１３を注入する。その後、図１３に表したように、フォトレジスト８１２を酸素プラズマエッチングで除去して、ｎ−ＭＯＳトランジスタ８１４とｐ−ＭＯＳトランジスタ８１５が完成する。
【００４２】
次に、図１４に表したように、これらトランジスタの上に、シリコン酸化膜８１６を積層する。さらに、図１５に表したように、シリコン酸化膜８１６に開口を形成し、トランジスタ８１４、８１５のゲート、ソース及びドレインにそれぞれコンタクトとなるプラグ８１７Ａを埋め込む。その際、センサの上部電極の配線となるコンタクト８１７Ｂも形成する。
【００４３】
次に、図１６に表したように、配線となる第１アルミ層８１８Ｂを、チタン（Ｔｉ）系のバリアメタル８１８Ａ及びキャップメタル８１８Ｃとともに積層する。その際、センサ下部電極のうち起振用電極１０８と振幅測定用電極１０７も形成する。さらにシリコン酸化膜による層間膜８２１も形成する。
【００４４】
次に、図１７に表したように、センサ領域の下部電極１０７、１０８の上の部分の層間膜８２１を、酸化膜用ＲＩＥ（ｒｅａｃｔｉｖｅ ｉｏｎ ｅｔｃｈｉｎｇ：反応性イオンエッチング）により下部電極のキャップメタル８１８Ｃが露出するまでエッチングして空洞部８２２を形成する。チタン系のキャップメタル８１８Ｃの表面に下部電極１０７、１０８の保護膜として酸化シリコンあるいは窒化シリコンを５０ｎｍ程度積層しておくとさらに良い。
【００４５】
次に、図１８に表したように、一旦形成した空洞部８２２に、犠牲層となるアモルファスシリコン８２３を埋め込む。次に、図１９に表したように、配線層となる第２アルミ層８２４、センサの上部電極（対向電極１０３）となる８２５Ａ〜８２５Ｃ、ボンディングパッド８２６Ａ〜８２６Ｃを形成し、酸化シリコンからなる層間膜８２７を積層する。ここで、電極８２５Ａはチタン系金属、電極８２５Ｂはアルミニウム、電極８２５Ｃはチタンなどからなるキャップメタル層である。また、ボンディングパッド８２６（８２６Ａ〜８２６Ｃ）も同様に、電極８２６Ａはチタン系金属、電極８２６Ｂはアルミニウム、電極８２６Ｃはチタンなどからなるキャップメタル層である。なお、第２アルミ層８２４の形成前に対向電極１０３の保護膜として酸化シリコンあるいは窒化シリコンを５０ｎｍ程度積層しておくとさらに良い。
【００４６】
次に、センサの支持脚部の熱抵抗を大きくするため、図２０に表したように、層間膜８２７とキャップメタル８２５Ｃとアルミ電極８２５Ｂをエッチング条件を変更しながら順次エッチングすることにより、チタン（Ｔｉ）系メタルによる上部電極配線８２８を形成する。さらに全体を保護するために、図２１に表したようにシリコン窒化膜８２９を形成する。
【００４７】
次に、図２２に表したように、ボンディングパッド８２６の上においても、窒化膜８２９、層間膜８２７、キャップメタル層８２６ＣをＲＩＥにより順次エッチングして開口部８３０を形成する。また、対向電極の熱分離を行うために対向電極の周囲の窒化膜８２９と層間膜８２７を選択的にＲＩＥエッチングし、犠牲層８２３に到達するエッチングホール８３１を形成する。なおこのエッチングの際、ボンディングパッド８２６の部分はフォトレジスト（図示せず）でマスクしておく。
【００４８】
最後に、ＸｅＦ２（２弗化キセノン）を用いたシリコンエッチングにより、犠牲層８２３をエッチング除去して空洞部１０６を形成することにより、図２３に表したように本発明の赤外線撮像素子の要部が完成する。
【００４９】
以上、具体例を例示しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、上述した各具体例に限定されるものではない。
【００５０】
例えば、赤外線センサまたは赤外線撮像素子を構成する各半導体層や絶縁層、金属層などの材質、形状、厚み、配置関係などについては、当業者が適宜設計変更して実施したものも、本発明の要旨を含む限り、本発明の範囲に包含される。
【００５１】
その他、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することができ、これらの実施形態も本発明の範囲に包含される。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、優れた低雑音特性と、高い感度と、温度上昇に対する出力信号の良好な線形性と、を有する赤外線センサ及び赤外線撮像素子を提供することが可能となり、産業上のメリットは多大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態にかかる熱型赤外線撮像素子の一部を表す模式断面図である。
【図２】本実施形態の赤外線撮像素子の平面図である。
【図３】本発明において対向電極１０３の温度と共振周波数との関係の一例を表すグラフ図である。
【図４】本発明の実施形態の赤外線撮像素子の回路構成の一例を表す模式図である。
【図５】本発明の具体例の赤外線撮像素子における対向電極の温度と静電容量との関係を表すグラフ図である。
【図６】本発明の第２の具体例の赤外線撮像素子を表す模式図である。
【図７】本発明の赤外線撮像素子の製造方法を表す工程図である。
【図８】本発明の赤外線撮像素子の製造方法を表す工程図である。
【図９】本発明の赤外線撮像素子の製造方法を表す工程図である。
【図１０】本発明の赤外線撮像素子の製造方法を表す工程図である。
【図１１】本発明の赤外線撮像素子の製造方法を表す工程図である。
【図１２】本発明の赤外線撮像素子の製造方法を表す工程図である。
【図１３】本発明の赤外線撮像素子の製造方法を表す工程図である。
【図１４】本発明の赤外線撮像素子の製造方法を表す工程図である。
【図１５】本発明の赤外線撮像素子の製造方法を表す工程図である。
【図１６】本発明の赤外線撮像素子の製造方法を表す工程図である。
【図１７】本発明の赤外線撮像素子の製造方法を表す工程図である。
【図１８】本発明の赤外線撮像素子の製造方法を表す工程図である。
【図１９】本発明の赤外線撮像素子の製造方法を表す工程図である。
【図２０】本発明の赤外線撮像素子の製造方法を表す工程図である。
【図２１】本発明の赤外線撮像素子の製造方法を表す工程図である。
【図２２】本発明の赤外線撮像素子の製造方法を表す工程図である。
【図２３】本発明の赤外線撮像素子の製造方法を表す工程図である。
【符号の説明】
１０１ 赤外線センサ
１０２ シリコン基板
１０３ 対向電極
１０４ 支持脚
１０５ 垂直信号線
１０６ 中空構造
１０６ 空洞部
１０７ 振幅測定用下部電極
１０８ 起振用下部電極
１１０ 支柱
１１２ 赤外線吸収層
２１０ 赤外線
４０４ 垂直シフトレジスタ
４０６ 水平シフトレジスタ
４０７ 容量変化検出回路
４０８ 順次出力アンプ
４０９ 出力端子
４１０ 発振器
５０４ 垂直シフトレジスタ
５０６ 水平シフトレジスタ
５０７ 容量ピーク検出回路
５０８ 出力アンプ
５０９ 出力端子
５１０ 周波数スイープ回路
８０２ 素子分離領域
８０３ フォトレジスト
８０４ リンイオン
８０５ ゲート酸化膜
８０６ 多結晶シリコン
８０７ ドレイン領域
８０８ 領域
８０９ フォトレジスト
８１０ 砒素イオン
８１１ ドレイン領域
８１２ フォトレジスト
８１３ ボロンイオン
８１４、８１５ トランジスタ
８１６ シリコン酸化膜
８１７ プラグ
８１８Ａ バリアメタル
８１８Ｂ アルミ層
８１８Ｃ キャップメタル
８２１ 層間膜
８２２ 空洞部
８２３ アモルファスシリコン
８２３ 犠牲層
８２４ アルミ層
８２５Ａ 電極
８２５Ｂ アルミ電極
８２５Ｃ キャップメタル
８２６ ボンディングパッド
８２６Ｃ キャップメタル層
８２７ 層間膜
８２８ 上部電極配線
８２９ シリコン窒化膜
８３０ 開口部
８３１ エッチングホール
Claims (10)
- 基板と、
前記基板の表面に設けられた第１及び第２の電極と、
前記第１及び第２の電極から離間しこれら電極に対向して前記基板上に設けられた第３の電極と、
前記第３の電極の上に設けられ、入射赤外線を吸収し熱に変換する赤外線吸収層と、
前記第３の電極及び前記赤外線吸収層を前記第１及び第２の電極から前記離間した状態に支持する支持脚と、を備えたことを特徴とする赤外線センサ。 - 前記第１の電極と前記第３の電極との間に一定の周波数の交流電圧を印加することにより前記支持脚の固定端を支点として前記第３の電極及び前記赤外線吸収層を振動させる交流電圧供給回路をさらに備えたことを特徴とする請求項１記載の赤外線センサ。
- 前記第１の電極と前記第３の電極との間に可変の周波数の交流電圧を印加することにより前記支持脚の固定端を支点として前記第３の電極及び前記赤外線吸収層を振動させる周波数スイープ回路をさらに備えたことを特徴とする請求項１記載の赤外線センサ。
- 前記第２の電極と前記第３の電極との間の静電容量を測定する容量検出回路をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の赤外線センサ。
- 前記赤外線が入射赤外線を吸収し熱に変換することにより前記支持脚の温度が変化し、その温度の変化に対応して前記支持脚を構成する材料のヤング率が変化することにより、前記支持脚の固定端を支点として生ずる前記第３の電極及び前記赤外線吸収層の共振周波数が変化することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１に記載の赤外線センサ。
- 前記支持脚は、前記第３の電極の一部が延在したものとして形成されてなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の赤外線センサ。
- 前記支持脚は、チタン、窒化チタン及びこれらの複合体の少なくともいずれかからなる部分を含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の赤外線センサ。
- 前記赤外線吸収層は、酸化シリコンと窒化シリコンとを積層してなることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の赤外線センサ。
- 請求項１〜８のいずれか１つに記載の複数の赤外線センサを略マトリクス状に設けたことを特徴とする赤外線撮像素子。
- 前記複数の赤外線センサのいずれかを選択する選択手段をさらに備えたことを特徴とする請求項９記載の赤外線撮像素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003201655A JP4040548B2 (ja) | 2003-07-25 | 2003-07-25 | 赤外線撮像素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003201655A JP4040548B2 (ja) | 2003-07-25 | 2003-07-25 | 赤外線撮像素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2005043148A true JP2005043148A (ja) | 2005-02-17 |
| JP4040548B2 JP4040548B2 (ja) | 2008-01-30 |
Family
ID=34261653
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2003201655A Expired - Fee Related JP4040548B2 (ja) | 2003-07-25 | 2003-07-25 | 赤外線撮像素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4040548B2 (ja) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007101213A (ja) * | 2005-09-30 | 2007-04-19 | Ricoh Co Ltd | 半導体装置、赤外線センサ、及び半導体装置の製造方法 |
| WO2010010940A1 (ja) * | 2008-07-25 | 2010-01-28 | パナソニック電工株式会社 | 赤外線イメージセンサの製造方法および赤外線イメージセンサ |
| JP2010236960A (ja) * | 2009-03-31 | 2010-10-21 | Minoru Sasaki | ねじり振動を利用した赤外線の検出方法とこれを実施したねじり振動を利用した赤外線センサ |
| US8664510B2 (en) | 2006-01-25 | 2014-03-04 | Hamamatsu Photonics K.K. | Infrared absorber and thermal infrared detector |
| JP2015040767A (ja) * | 2013-08-22 | 2015-03-02 | 日本電信電話株式会社 | 光検出振動子、光波長計測装置、光波長計測方法、および光検出振動子の作製方法 |
| JP2016532875A (ja) * | 2013-09-03 | 2016-10-20 | ノースロップ グラマン システムズ コーポレイションＮｏｒｔｈｒｏｐ Ｇｒｕｍｍａｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ | 光マイクロ波量子変換器 |
| JP2019035739A (ja) * | 2017-08-10 | 2019-03-07 | ハネウェル・インターナショナル・インコーポレーテッドＨｏｎｅｙｗｅｌｌ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｃ． | Ｍｅｍｓ共振センサアレイのための装置及び方法 |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2671295C1 (ru) * | 2017-08-17 | 2018-10-30 | Общество с ограниченной ответственностью "ГрафИмпресс" | Ячейка термопарного приемника ик изображения |
-
2003
- 2003-07-25 JP JP2003201655A patent/JP4040548B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007101213A (ja) * | 2005-09-30 | 2007-04-19 | Ricoh Co Ltd | 半導体装置、赤外線センサ、及び半導体装置の製造方法 |
| US8664510B2 (en) | 2006-01-25 | 2014-03-04 | Hamamatsu Photonics K.K. | Infrared absorber and thermal infrared detector |
| WO2010010940A1 (ja) * | 2008-07-25 | 2010-01-28 | パナソニック電工株式会社 | 赤外線イメージセンサの製造方法および赤外線イメージセンサ |
| CN102105768B (zh) * | 2008-07-25 | 2012-11-07 | 松下电器产业株式会社 | 红外线图像传感器的制造方法及红外线图像传感器 |
| JP2010236960A (ja) * | 2009-03-31 | 2010-10-21 | Minoru Sasaki | ねじり振動を利用した赤外線の検出方法とこれを実施したねじり振動を利用した赤外線センサ |
| JP2015040767A (ja) * | 2013-08-22 | 2015-03-02 | 日本電信電話株式会社 | 光検出振動子、光波長計測装置、光波長計測方法、および光検出振動子の作製方法 |
| JP2016532875A (ja) * | 2013-09-03 | 2016-10-20 | ノースロップ グラマン システムズ コーポレイションＮｏｒｔｈｒｏｐ Ｇｒｕｍｍａｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ | 光マイクロ波量子変換器 |
| JP2019035739A (ja) * | 2017-08-10 | 2019-03-07 | ハネウェル・インターナショナル・インコーポレーテッドＨｏｎｅｙｗｅｌｌ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｃ． | Ｍｅｍｓ共振センサアレイのための装置及び方法 |
| JP7161325B2 (ja) | 2017-08-10 | 2022-10-26 | ハネウェル・インターナショナル・インコーポレーテッド | Ｍｅｍｓ共振センサアレイのための装置及び方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP4040548B2 (ja) | 2008-01-30 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11105685B2 (en) | Passive detectors for imaging systems | |
| US6249001B1 (en) | Infrared imager using room temperature capacitance sensor | |
| US6737648B2 (en) | Micromachined infrared sensitive pixel and infrared imager including same | |
| JP3409848B2 (ja) | 熱型赤外線検出器 | |
| US7288765B2 (en) | Device for detecting infrared radiation with bolometric detectors | |
| JP5644121B2 (ja) | 熱型光検出器、熱型光検出装置、電子機器および熱型光検出器の製造方法 | |
| JPS6227592B2 (ja) | ||
| Laurent et al. | 12− μ m-pitch electromechanical resonator for thermal sensing | |
| US20130082181A1 (en) | Nano-tip spacers for precise gap control and thermal isolation in mems structures | |
| JP4040548B2 (ja) | 赤外線撮像素子 | |
| Cabuz et al. | Fabrication and packaging of a resonant infrared sensor integrated in silicon | |
| JP6442068B2 (ja) | 感知装置 | |
| Hunter et al. | High-sensitivity uncooled microcantilever infrared imaging arrays | |
| He et al. | Performance of microbolometer focal plane arrays under varying pressure | |
| US8039797B2 (en) | Semiconductor for sensing infrared radiation and method thereof | |
| US11015980B2 (en) | Infrared radiation sensors and methods of manufacturing infrared radiation sensors | |
| Tanaka et al. | Influence of bias-heating on a titanium bolometer infrared sensor | |
| Willing et al. | Gas spectrometry based on pyroelectric thin-film arrays integrated on silicon | |
| JPH0783756A (ja) | 振動型赤外線センサ、振動型赤外線イメージャ、及び赤外線検出方法 | |
| US5708269A (en) | Thermal detector and method | |
| JP3147856B2 (ja) | リニア型赤外線検出素子 | |
| JP4622511B2 (ja) | 赤外線センサー | |
| JPH02137267A (ja) | 焦電型赤外線固体撮像装置及びその駆動方法 | |
| Li | Analysis and comparison of resistive, ferroelectric and pyroelectric uncooled bolometers for electronic imaging systems | |
| Noda et al. | A Dielectric Bolometer Mode of Infrared Sensor Using a New Ba (Ti 1− x Sn x) O 3 Thin Film with a High Temperature Coefficient of Dielectric Constant |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20060620 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20060705 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20060904 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20070227 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20070427 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20071102 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20071107 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20101116 Year of fee payment: 3 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20101116 Year of fee payment: 3 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20101116 Year of fee payment: 3 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20111116 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121116 Year of fee payment: 5 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |