JP2006177712A - Semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents

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Takeshi Ichikawa
武史 市川
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device having both heat detection pixels and visible light detection pixels with an accurate and simple structure. <P>SOLUTION: This semiconductor device comprises a semiconductor substrate, and is characterized in that a temperature detection part for structuring the heat detection pixels and a photoelectric conversion part for structuring the visible light detection pixels are formed on the semiconductor substrate. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、半導体装置、詳しくは熱型の遠赤外線固体撮像装置、特に10μm付近の波長を検知する遠赤外線固体撮像装置と可視領域もしくは近赤外領域の固体撮像装置の両者を併せ持つ半導体装置とその製造方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor device, more specifically, a thermal far-infrared solid-state imaging device, particularly a semiconductor device having both a far-infrared solid-state imaging device that detects a wavelength in the vicinity of 10 μm and a solid-state imaging device in the visible region or the near-infrared region. It relates to the manufacturing method.

近年、監視カメラ、車載カメラとして、もしくは故障解析用に温度変化を検知する遠赤外線検出センサと可視光検出センサを併せ持つ半導体装置を感度良くかつ低価格で提供することが要求されている。1チップに両者を併せ持つ、すなわち複数の波長を扱う半導体装置の例としては特許文献1、2で提案されている。   In recent years, it has been required to provide a semiconductor device having both a far-infrared detection sensor and a visible light detection sensor that detect a temperature change for a surveillance camera, a vehicle-mounted camera, or for failure analysis with high sensitivity and low cost. Patent Documents 1 and 2 propose an example of a semiconductor device that has both on one chip, that is, handles a plurality of wavelengths.

特許文献1には、図8に示すように、背面から照射された遠赤外領域の光がミラー38により熱吸収部22に集光される構造であり、遠赤外領域の光を検出する部分が、可視領域もしくは近赤外領域の画素部と積層して構成されている。さらには図9のように遠赤外線を検知する部分を可視領域検出部に積層した状態で、近赤外線画素部NIRと可視光画素部VISIBLEを平面的に配列した構成を提案している。   As shown in FIG. 8, Patent Document 1 has a structure in which far-infrared region light irradiated from the back surface is condensed on the heat absorption unit 22 by a mirror 38 and detects light in the far-infrared region. The portion is configured by being laminated with a pixel portion in a visible region or a near infrared region. Further, as shown in FIG. 9, a configuration is proposed in which the near-infrared pixel portion NIR and the visible light pixel portion VISIVE are planarly arranged in a state where a portion for detecting far-infrared rays is stacked on the visible region detection portion.

特許文献2では図10で示されるように、遠赤外線画素部と可視光画素部を縦型に構成し、表側から光を入射する例を提案している。12がCCD等からなる可視光線感知ピクセル、25が赤外線を受けると加熱され抵抗率が変化する遠赤外線画素部である。   Patent Document 2 proposes an example in which a far-infrared pixel portion and a visible light pixel portion are configured vertically and light is incident from the front side, as shown in FIG. Reference numeral 12 denotes a visible light sensing pixel composed of a CCD or the like, and 25 denotes a far-infrared pixel portion that is heated and changes its resistivity when receiving infrared rays.

また一般的に、赤外線イメージセンサー、特に10μm程度の波長を検知する遠赤外線イメージセンサー単体は量子型と熱型に分類される。量子型は感度が高く応答速度も速い反面、熱雑音が多く、システムを低温に冷却しないと使用できないため、非常に高価になるという大きな課題がある。一方熱型のセンサーにおいては、焦電型、熱起電力型、サーミスタータイプ、ボロメータータイプの例がある。サーミスタ、ボロメータータイプは通常の半導体プロセス、特にシリコンプロセスとの整合性が良く、他の構造と比較して安価に作成でき、検知回路や読み出し回路その他の回路を含む1チップ化も可能なことから近年開発が進んでいる。例えば、特許文献3〜5には半導体基板を用いた赤外線センサーの例が示されている。
米国特許公報5808350 米国特許公報6097031 特開平10−209418号公報 国際公開特許WO99/31471号公報 特開平09−014579号公報
In general, an infrared image sensor, particularly a far infrared image sensor alone that detects a wavelength of about 10 μm, is classified into a quantum type and a thermal type. The quantum type has high sensitivity and high response speed, but has a large problem that it is very expensive because it has a lot of thermal noise and cannot be used unless the system is cooled to a low temperature. On the other hand, thermal sensors include pyroelectric, thermoelectromotive, thermistor, and bolometer types. Thermistor and bolometer types have good compatibility with normal semiconductor processes, especially silicon processes, can be manufactured at lower cost than other structures, and can be integrated into a single chip that includes detection circuits, readout circuits, and other circuits. Since then, development has progressed. For example, Patent Documents 3 to 5 show examples of infrared sensors using a semiconductor substrate.
US Pat. No. 5,808,350 US Patent Publication No. 6097031 Japanese Patent Laid-Open No. 10-209418 International Patent Publication No. WO99 / 31471 Japanese Patent Application Laid-Open No. 09-014579

特許文献1,2では可視と遠赤外線の検知部は縦型で構成されている。波長による透過、吸収の関係は材料依存があり、理想的な透過、吸収即ち、遠赤外は透過し、可視光は吸収する材料、逆に遠赤外線は吸収し可視光は透過する材料というものが存在すれば、これらの特許文献1,2の構成でも高感度の固体撮像装置が形成することが可能である。   In Patent Documents 1 and 2, the visible and far-infrared detectors are configured vertically. The relationship between transmission and absorption depending on the wavelength depends on the material. Ideal transmission and absorption, that is, a material that transmits far-infrared light and absorbs visible light. Conversely, a material that absorbs far-infrared light and transmits visible light. Can be formed with a high-sensitivity solid-state imaging device even in the configurations of these Patent Documents 1 and 2.

しかしながら、特許文献1では可視光の感度を上げるために、背面から光を照射する構造をとっており、遠赤外線はSi基板でもかなりの吸収係数を持っているために遠赤外線の吸収膜に到達する前に大きく減衰し、感度は低下する。   However, Patent Document 1 adopts a structure in which light is irradiated from the back surface in order to increase the sensitivity of visible light. Since far infrared rays have a considerable absorption coefficient even on a Si substrate, they reach the far infrared absorption film. Before it is attenuated, the sensitivity decreases.

一方特許文献2のように構成すると、遠赤外線感度を上げるための遠赤外線の反射層としてのITOを積層する構造となり、可視光の透過率を10%以上低下させ、感度低下を引き起こすといったことが問題となる。さらにどちらの場合も構造は立体的構造となり、作成方法が複雑になると共に、信頼性にも課題が残る。   On the other hand, if it comprises like patent document 2, it will become the structure which laminates | stacks ITO as a far-infrared reflective layer for raising a far-infrared sensitivity, reduces the transmittance | permeability of visible light 10% or more, and causes a sensitivity fall. It becomes a problem. Furthermore, in both cases, the structure is a three-dimensional structure, and the creation method becomes complicated, and the reliability remains a problem.

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、熱検出画素と可視光検出画素を併せ持つ半導体装置を感度良くかつ低価格で提供するもので、本発明の別の目的として、さらに遠赤外線を検知する半導体装置として、感度が高く、均一性が良く、さらに安価に製造できる半導体装置及びその製造方法を提供するものである。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and provides a semiconductor device having both a heat detection pixel and a visible light detection pixel with high sensitivity and low cost. As a semiconductor device that detects infrared rays, a semiconductor device that has high sensitivity, good uniformity, and can be manufactured at low cost, and a method for manufacturing the semiconductor device are provided.

本発明の半導体装置は、半導体基板と、該半導体基板に、熱検出画素を構成するための温度検知部及び可視光検出画素を構成するための光電変換部が形成されていることを特徴とするものである。   The semiconductor device of the present invention is characterized in that a semiconductor substrate, and a temperature detection unit for forming a heat detection pixel and a photoelectric conversion unit for forming a visible light detection pixel are formed on the semiconductor substrate. Is.

このような構成によれば、簡易な構成で、熱検出画素及び可視光検出画素共に感度の高い構成とすることが可能となる。   According to such a configuration, it is possible to make the configuration of the heat detection pixel and the visible light detection pixel highly sensitive with a simple configuration.

本発明によれば、熱検出画素と可視光検出画素を併せ持つ半導体装置を感度良く、かつ簡易な構成で提供することが可能となる。   According to the present invention, it is possible to provide a semiconductor device having both a heat detection pixel and a visible light detection pixel with high sensitivity and a simple configuration.

以下図面をもって詳細に説明する。なお本発明は骨子にたがわない限り実施例の記載に限定されるものではなく、またそれぞれの実施例を組み合わせてもよい。   This will be described in detail with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited to description of an Example, unless it follows the point, and you may combine each Example.

(実施例1)
図1は本実施例の半導体装置の平面図である。1が熱(赤外線)を検出するための熱検出画素、2が主に可視光を検出するための可視光検出画素であり、略同一平面状に2種類の異なる対象(可視光領域の波長、(遠)赤外領域の波長)を検出する画素が配列されている。同一平面状に形成することにより、両画素の光学路(光学系)を略等しくすることが可能となり、両画素に入射する所望波長のエネルギー線の一方のみが、選択的に減衰することがなくなる。また、同一半導体基板に、熱検出画素、可視光検出画素が形成された構成によれば、両方の画素で、信号読み出し用の配線、信号読み出し回路、駆動回路等を共有可能となる。例えば配線は、読み出す配線群は異なっていたとしても、同一層に形成した配線層をパターニングすることによって、両方の画素に振り分けることができる。この際の半導体基板は両画素の作成の容易性からシリコンが好ましい。なお、1の熱検出画素は熱検出型画素であり、2の可視光検出画素は量子型検出画素である。一般に、赤外線を検知して熱(温度)を検出するセンサとしては、熱検出型と化合物半導体等を用いる量子型とがあるが、熱検出画素を構成するための温度検知部と、可視光検出画素を構成するための光電変換部とを同一半導体基板(シリコン)に形成する場合には、熱検出型を用いる方が、可視光画素部と同一基板に容易に作りこむことが可能となるため好ましい。ここで、熱を検出する熱検出型画素とは、赤外線エネルギーを熱として利用する検出素子を有するものをいい、また量子型検出画素とは、半導体の光電効果を利用するものである。さらに可視光画素部は、熱検出画素の1画素に対応する領域が4つの画素に分割されており、それぞれベイヤー配列の色画素となる。本図面では3,6が緑画素、4が赤、5が青画素である。15は熱検出画素からの信号線、16は可視光検出画素からの信号線を示す。
Example 1
FIG. 1 is a plan view of the semiconductor device of this embodiment. 1 is a heat detection pixel for detecting heat (infrared rays), 2 is a visible light detection pixel for mainly detecting visible light, and two different objects (wavelengths in the visible light region, Pixels for detecting (wavelength in the (far) infrared region) are arranged. By forming them in the same plane, it is possible to make the optical paths (optical systems) of both pixels substantially equal, and only one of the energy lines of a desired wavelength incident on both pixels will not be selectively attenuated. . Further, according to the configuration in which the heat detection pixel and the visible light detection pixel are formed on the same semiconductor substrate, the signal readout wiring, the signal readout circuit, the drive circuit, and the like can be shared by both pixels. For example, even if the wiring group to be read is different, the wiring can be distributed to both pixels by patterning the wiring layer formed in the same layer. In this case, the semiconductor substrate is preferably silicon in view of the ease of forming both pixels. Note that one heat detection pixel is a heat detection pixel, and two visible light detection pixels are quantum detection pixels. In general, there are two types of sensors that detect infrared rays and detect heat (temperature): a heat detection type and a quantum type that uses a compound semiconductor. However, a temperature detection unit for forming a heat detection pixel, and a visible light detection When the photoelectric conversion portion for forming the pixel is formed on the same semiconductor substrate (silicon), the heat detection type can be easily formed on the same substrate as the visible light pixel portion. preferable. Here, the heat detection type pixel that detects heat refers to a pixel having a detection element that uses infrared energy as heat, and the quantum type detection pixel uses a photoelectric effect of a semiconductor. Further, in the visible light pixel portion, a region corresponding to one pixel of the heat detection pixel is divided into four pixels, and each becomes a color pixel of a Bayer array. In this drawing, 3 and 6 are green pixels, 4 is red, and 5 is blue pixels. Reference numeral 15 denotes a signal line from the heat detection pixel, and 16 denotes a signal line from the visible light detection pixel.

図2に本発明の半導体装置の概略的断面図を示す。21Aが熱検出画素部、21Bが可視光検出画素部である。熱検出画素部は空洞部29上に形成された抵抗層等の温度検知部26及び検知部に接して赤外線(熱)吸収層28が形成される。一方可視光検出画素部は量子型画素を形成するための光電変換部となるフォトダイオード31を有する構造である。24,27,30は絶縁層であり、25はPoly−Si電極であるが、本図面は画素部の一例であり、特に限定されないことは言うまでもない。   FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the semiconductor device of the present invention. 21A is a heat detection pixel unit, and 21B is a visible light detection pixel unit. In the heat detection pixel portion, a temperature detection unit 26 such as a resistance layer formed on the cavity 29 and an infrared (heat) absorption layer 28 are formed in contact with the detection unit. On the other hand, the visible light detection pixel portion has a structure including a photodiode 31 that becomes a photoelectric conversion portion for forming a quantum pixel. Reference numerals 24, 27, and 30 denote insulating layers, and reference numeral 25 denotes a Poly-Si electrode. However, this drawing is an example of a pixel portion, and needless to say, it is not particularly limited.

熱検出画素部21Aについて説明する。熱検出画素は測定物体からの赤外線を28で示す赤外線吸収層で吸収する。一般的にいかなる物体も絶対零度以上ならば、ある波長のエネルギーを放射しており、黒体の温度と熱放射の関係はプランクの放射則で決められる。黒体でない物体においてもその放射率を乗じればよく、例えば人間の皮膚の放射率は0.98程度とされている。人間の体温を36℃とすると、放射される赤外線は3〜60μm程度の波長分布であり、8〜14μmの波長が約半分をしめる。赤外線を吸収した吸収部で画素の温度上昇が起こりその温度上昇を検知部で測定し出力する。赤外線強度は微弱なため、検知部を含む画素部は熱的に分離されていること、即ち熱伝導率が小さい物質でバルクと接していること及び微小な熱で温度が容易に上昇するように熱容量が小さいことが感度向上には必要であり、さらにそれらの物理定数で決まる熱流の均一性が重要である。   The heat detection pixel unit 21A will be described. The heat detection pixel absorbs infrared rays from the measurement object by an infrared absorption layer indicated by 28. In general, if any object has absolute zero or more, it emits energy of a certain wavelength, and the relationship between black body temperature and thermal radiation is determined by Planck's radiation law. Even an object that is not a black body may be multiplied by the emissivity. For example, the emissivity of human skin is about 0.98. If the human body temperature is 36 ° C., the emitted infrared light has a wavelength distribution of about 3 to 60 μm, and the wavelength of 8 to 14 μm is about half. The pixel temperature rises at the absorption part that absorbs infrared rays, and the temperature rise is measured and output by the detection part. Since the infrared intensity is weak, the pixel part including the detection part is thermally separated, that is, the substance is in contact with the bulk with a material having a low thermal conductivity, and the temperature easily rises with a minute heat. A small heat capacity is necessary to improve sensitivity, and the uniformity of heat flow determined by their physical constants is important.

赤外線吸収層は、VO(酸化バナジウム)やTi等の金黒膜を用いると吸収係数が高く好ましいが、シリコンでもある程度の吸収があり使用することが可能である。検知部28は抵抗体やPNダイオード等で構成され、温度上昇に伴いその特性値の変化を外部に出力する。その他焦電型やサーモパイル(熱起電力型)を用いても構わない。これらの変化を電流で読み出すか電圧にして読み出すかは回路構成により任意に選択できる。   The use of a gold black film such as VO (vanadium oxide) or Ti is preferable because the infrared absorption layer has a high absorption coefficient, but silicon can also be used because of some absorption. The detection unit 28 includes a resistor, a PN diode, and the like, and outputs a change in the characteristic value to the outside as the temperature rises. In addition, a pyroelectric type or a thermopile (thermoelectromotive force type) may be used. Whether these changes are read as current or as voltage can be arbitrarily selected depending on the circuit configuration.

可視光検出画素部21Bについて説明する。PNフォトダイオード31により光を信号電荷に変換し、例えば電子を電圧や電荷で読み出す。電圧で読み出すCMOSセンサータイプもしくは電荷で読み出すCCDタイプ等があり、原理的に特に限定されないことはいうまでもないが、熱検出画素の読み出しを考えるとCMOSセンサータイプであるほうが同じプロセスで形成されるため好ましい。   The visible light detection pixel unit 21B will be described. Light is converted into signal charges by the PN photodiode 31 and, for example, electrons are read by voltage or charge. There is a CMOS sensor type that reads by voltage or a CCD type that reads by electric charge, and it goes without saying that there is no particular limitation in principle. However, considering the reading of heat detection pixels, the CMOS sensor type is formed by the same process. Therefore, it is preferable.

熱検出画素と可視光検出画素の表面積は熱型を大きくすることが好ましい。前述したとおり、熱検出画素において検出の目的とする赤外線の波長は10μm付近であるため、赤外線の検出を行う検出領域の幅は10μm以上が好ましい。一方可視光の波長は700nm以下の波長で、長くても2μm程度であり、画素サイズ(受光表面の面積)は小さくすることが可能である。それぞれの感度を考慮すると、1対1の大きさで画素を配列するよりも熱検出画素を大きくして配置するのが好ましい。図1の例では、ベイヤー配列のため1対4の大きさで配列している。熱検出画素が存在して可視光用画素が無い領域は、解像度を高めるために、周囲の画素の平均値を出力ととして画像を形成する等の方法を取ることが可能である。ここでは例えば、画素10、11、12、13の画素出力の平均値を、熱検出画素の配置されている画素14の位置の青画素として出力すればよい.これは一例であり、他の色において行なってもよく、特に限定されないことは言うまでもない。   The surface areas of the heat detection pixel and the visible light detection pixel are preferably increased in thermal type. As described above, since the wavelength of infrared rays to be detected in the heat detection pixel is around 10 μm, the width of the detection region for detecting infrared rays is preferably 10 μm or more. On the other hand, the wavelength of visible light is 700 nm or less and is about 2 μm at the longest, and the pixel size (area of the light receiving surface) can be reduced. Considering each sensitivity, it is preferable to arrange the heat detection pixels larger than arranging the pixels in a one-to-one size. In the example of FIG. 1, it is arranged in a size of 1: 4 because of the Bayer arrangement. In an area where there is a heat detection pixel but no visible light pixel, it is possible to take a method such as forming an image using an average value of surrounding pixels as an output in order to increase the resolution. Here, for example, the average value of the pixel outputs of the pixels 10, 11, 12, and 13 may be output as the blue pixel at the position of the pixel 14 where the heat detection pixel is arranged. This is an example, and may be performed in other colors, and needless to say, there is no particular limitation.

図3は全体的な読み出し系を含む概略図である。17は垂直シフトレジスタ、18は水平シフトレジスタ、19は読み出し回路、20は17〜19に駆動パルスを与えるためのタイミングジェネレータである。ここで熱検出画素用の垂直シフトレジスタ、水平シフトレジスタ、読み出し回路はそれぞれ17A,18A,19Aで示し、可視光検出画素用は17B,18B,19Bである。このように、熱検出画素、可視光検出画素で駆動回路、読み出し回路を分けて構成することによって、それぞれのフレームレートを異なるような設定も可能である。例えば熱検出画素は1秒間に15フレーム、可視光検出画素は1秒間に30フレームということが可能である。熱検出画素は構成にもよるが、応答速度が量子型の可視光撮像用画素ほど速くないので感度向上等の用途に合わせてフレームレートを異ならせることが好ましい場合もある。   FIG. 3 is a schematic diagram including the entire readout system. Reference numeral 17 is a vertical shift register, 18 is a horizontal shift register, 19 is a readout circuit, and 20 is a timing generator for applying drive pulses to 17-19. Here, the vertical shift register, the horizontal shift register, and the readout circuit for the heat detection pixels are indicated by 17A, 18A, and 19A, respectively, and those for the visible light detection pixel are 17B, 18B, and 19B, respectively. In this way, by setting the drive circuit and the readout circuit separately for the heat detection pixel and the visible light detection pixel, it is possible to set different frame rates. For example, the heat detection pixel can be 15 frames per second, and the visible light detection pixel can be 30 frames per second. Depending on the configuration of the heat detection pixel, the response speed is not as fast as that of the quantum-type visible light imaging pixel, so it may be preferable to change the frame rate in accordance with applications such as sensitivity improvement.

最終的な出力を熱型と可視光検出型と同じ仕様にすると読み出し回路との接続が容易になり好ましい。回路内でそのような設計にすると好ましいが特に限定はされない。   It is preferable that the final output has the same specifications as the thermal type and the visible light detection type because the connection with the readout circuit is facilitated. Such a design is preferable in the circuit, but is not particularly limited.

次に図4を用いて本実施例の半導体装置の作成方法について述べる。ここでは材料に関しては一例として述べるが特に限定されない。またこの作成方法に限定されることはなく、例えばSOIを用いた方法を用いても本発明の主旨にたがわない限り特に限定されない。   Next, a method for manufacturing the semiconductor device of this embodiment will be described with reference to FIG. Here, the material is described as an example, but is not particularly limited. Moreover, it is not limited to this preparation method, For example, even if it uses the method using SOI, it will not specifically limit unless the main point of this invention is followed.

まずn型Si基板22に、高濃度酸素をイオン注入して絶縁領域を形成するような、例えばSIMOX法により部分的にSOI領域(BOX酸化膜)23を形成する。(図4(a))この領域は熱検出画素部を形成する領域である。その後所望の領域にp型半導体領域を形成する。このp型半導体領域は、フォトダイオードの一部を形成するものである。n型半導体領域は周辺回路で必要ならば合わせて形成する。ついでフィールド酸化により素子分離領域24を形成する。このフィールド酸化によるシリコン酸化膜はBOX酸化膜23まで接続するように形成しても良い。(図4(b))ゲート絶縁膜となるシリコン酸化膜、ゲート電極となるポリシリコン膜を形成後パターニングしてゲート電極25を形成し、その後、光電変換部となるフォトダイオード31を形成する。例えば、フォトダイオードの電荷蓄積領域となるn型半導体領域をリンのイオン注入により形成し、受光表面には暗電流抑制のためp型半導体領域をボロンのイオン注入で作成する。その後、MOSトランジスタのソースドレイン領域となる高濃度n型半導体領域、高濃度p型半導体領域を形成する。これらの形成と同時に熱検出画素の検知部となるpnダイオードもしくは抵抗等の素子を形成してもよい。本実施例では、MOSトランジスタのLDD構造形成のためのn型半導体領域の形成と同時に抵抗素子を形成した。(図4(c))絶縁膜としてシリコン酸化膜27を成膜した後に、コンタクトホールを形成する(不図示)。その後、配線層であるTi膜をスパッタ法により成膜する。このTi膜を赤外線吸収層28と兼用することも可能である。また画素部で大きくコンタクトホールを開口し、赤外線吸収層と検知部の熱伝導を良好にすることが好ましい。(図4(d))その後、絶縁膜やさらに配線層を形成し、熱検出画素部をパターニング後に、BOX酸化膜までエッチングする。その後、絶縁膜であるシリコン窒化膜30を成膜したのちに、異方性エッチングでBOX酸化膜表面を露出する。さらに露出しているBOX酸化膜を希フッ酸でエッチングし空洞部を作成する。(図4(e))このようにして作成した熱型画素部の空洞部の上面と下面は、ほぼ平行でかつ空洞部で熱的に遮断されているため微弱な熱変化を検出することが可能となる。熱吸収部からは熱を効率的に検出部に伝導し温度分解能は0.2Kであった。また単結晶シリコン上の回路であるため、TCRも小さく特性の良好な半導体装置を形成するのが可能となる。可視光検出画素はCMOSセンサの例で示したが、前述したようにCCD構成でも構わないことはいうまでもない。特にプロセスを大きく変更することなく半導体基板に素子を構成できる。本実施例では熱型画素の表面積を30μm角で形成した。量子型画素は0.4〜0.8μmの波長を主に検知するため、画素サイズは15μmとした。   First, an SOI region (BOX oxide film) 23 is partially formed on the n-type Si substrate 22 by, for example, the SIMOX method so as to form an insulating region by ion implantation of high concentration oxygen. (FIG. 4A) This region is a region where a heat detection pixel portion is formed. Thereafter, a p-type semiconductor region is formed in a desired region. This p-type semiconductor region forms part of the photodiode. The n-type semiconductor region is formed together if necessary in the peripheral circuit. Next, an element isolation region 24 is formed by field oxidation. The silicon oxide film formed by this field oxidation may be formed so as to be connected to the BOX oxide film 23. (FIG. 4B) A silicon oxide film to be a gate insulating film and a polysilicon film to be a gate electrode are formed and then patterned to form a gate electrode 25, and then a photodiode 31 to be a photoelectric conversion portion is formed. For example, an n-type semiconductor region serving as a charge storage region of a photodiode is formed by phosphorus ion implantation, and a p-type semiconductor region is formed on the light receiving surface by boron ion implantation to suppress dark current. Thereafter, a high-concentration n-type semiconductor region and a high-concentration p-type semiconductor region are formed as source / drain regions of the MOS transistor. Simultaneously with these formations, an element such as a pn diode or a resistor serving as a detection portion of the heat detection pixel may be formed. In this embodiment, the resistance element is formed simultaneously with the formation of the n-type semiconductor region for forming the LDD structure of the MOS transistor. (FIG. 4C) After forming the silicon oxide film 27 as an insulating film, contact holes are formed (not shown). Thereafter, a Ti film as a wiring layer is formed by sputtering. This Ti film can also be used as the infrared absorption layer 28. Further, it is preferable that a large contact hole is opened in the pixel portion to improve the heat conduction between the infrared absorption layer and the detection portion. (FIG. 4D) Thereafter, an insulating film and further a wiring layer are formed, and after the heat detection pixel portion is patterned, the BOX oxide film is etched. Thereafter, after forming a silicon nitride film 30 as an insulating film, the surface of the BOX oxide film is exposed by anisotropic etching. Further, the exposed BOX oxide film is etched with dilute hydrofluoric acid to create a cavity. (FIG. 4 (e)) Since the upper surface and the lower surface of the cavity portion of the thermal pixel portion thus created are substantially parallel and thermally blocked by the cavity portion, a weak thermal change can be detected. It becomes possible. Heat was efficiently conducted from the heat absorption part to the detection part, and the temperature resolution was 0.2K. In addition, since the circuit is on single crystal silicon, a semiconductor device having a small TCR and good characteristics can be formed. Although the visible light detection pixel is shown as an example of a CMOS sensor, it goes without saying that a CCD configuration may be used as described above. In particular, an element can be formed on a semiconductor substrate without greatly changing the process. In this embodiment, the surface area of the thermal pixel is formed to be 30 μm square. Since the quantum pixel mainly detects a wavelength of 0.4 to 0.8 μm, the pixel size is set to 15 μm.

以上述べた構成、作成方法によれば、熱検出画素と可視光検出画素を平面的に配列し、かつそれぞれ感度を損なうことなく良好な特性の半導体装置を形成することが可能となる。   According to the configuration and the manufacturing method described above, it is possible to form a semiconductor device having favorable characteristics without disposing the heat detection pixels and the visible light detection pixels in a plane and without losing sensitivity.

(実施例2)
図5を用いて本実施例について説明する。図5は本実施例の半導体装置の平面図である。32が遠赤外線を検出する熱検出画素、33が可視光を検出する量子型画素であり、列ごとに並べてある。水平方向の解像度は実施例1よりは劣るが垂直方向の解像度は高く、かつ信号線からの読み出しは比較的楽で、信号線の数を削減できる。
(Example 2)
The present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a plan view of the semiconductor device of this embodiment. Reference numeral 32 denotes a heat detection pixel that detects far-infrared rays, and reference numeral 33 denotes a quantum pixel that detects visible light, which are arranged for each column. Although the resolution in the horizontal direction is inferior to that of the first embodiment, the resolution in the vertical direction is high, and reading from the signal lines is relatively easy, and the number of signal lines can be reduced.

(実施例3)
図6を用いて本実施例について説明する。図6は本実施例の半導体装置の平面図である。34が遠赤外線を検出する熱検出画素、35が可視光を検出する量子型画素、そして36は近赤外線を検出する量子型画素である。このように2つ以上の異なる波長領域の画素を平面的に配列しても構わない。可視光の画素にカラーフィルターを配置してさらに色画素に分けても構わないのはいうまでもなく、本実施例によればさまざまな波長の光を検知することが可能となる。
(Example 3)
The present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a plan view of the semiconductor device of this example. Reference numeral 34 denotes a heat detection pixel that detects far infrared rays, reference numeral 35 denotes a quantum pixel that detects visible light, and reference numeral 36 denotes a quantum pixel that detects near infrared rays. In this way, two or more pixels in different wavelength regions may be arranged in a plane. It goes without saying that a color filter may be arranged in visible light pixels and further divided into color pixels, and according to this embodiment, light of various wavelengths can be detected.

(実施例4)
図7を用いて本実施例について説明する。本実施例では熱検出画素の検出部下に多孔質シリコンを形成した構成を示す。まず、その製造方法を説明する。
Example 4
The present embodiment will be described with reference to FIG. In this embodiment, a configuration in which porous silicon is formed under the detection portion of the heat detection pixel is shown. First, the manufacturing method will be described.

シリコンウエハを用意し、その表面をパターニングし、イオン注入法でボロンを部分的に注入し、多孔質シリコン38を陽極化成法により形成する(図7(a))。形成条件の一例として、以下のような条件で作製した。
8インチP型基板(0.013〜0.017Ωcm)
化成溶液:50%HF:IPA=2:1(体積比)
電流密度:8mA/cm
電流印加時間:11min
多孔質シリコン厚さ:10μm
多孔質領域は、その上に単結晶シリコンを形成可能であり、シリコンとのエッチング選択比が大きく取れるという性質を同時に満たすことができる。
A silicon wafer is prepared, its surface is patterned, boron is partially implanted by ion implantation, and porous silicon 38 is formed by anodization (FIG. 7A). As an example of the formation conditions, it was manufactured under the following conditions.
8-inch P-type substrate (0.013-0.017 Ωcm)
Chemical conversion solution: 50% HF: IPA = 2: 1 (volume ratio)
Current density: 8 mA / cm
Current application time: 11 min
Porous silicon thickness: 10 μm
The porous region can form single crystal silicon thereon, and can simultaneously satisfy the property that the etching selectivity with silicon can be increased.

ウエハとしては、多孔質化する部分のみP型(0.013〜0.017Ωcm)で、これ以外に、P型1〜2Ωcm、あるいはN型1〜2Ωcmのような構成としてもよい。この中では電位を安定的にとれる構成という意味で低抵抗の基板が好ましく、さらにいえば、多孔質化の制御のしやすさを加味するとP+基板を用いることが好ましい。   As the wafer, only the portion to be made porous is P-type (0.013 to 0.017 Ωcm), and other than this, a configuration such as P-type 1 to 2 Ωcm or N-type 1 to 2 Ωcm may be used. Of these, a low-resistance substrate is preferable in terms of a structure capable of stably taking a potential, and more specifically, it is preferable to use a P + substrate in consideration of ease of control of porosity.

ついで400℃で1時間、酸素中で低温酸化した。その後、エピタキシャル装置へロードする。事前に表面酸化膜をDHF(希ふっ酸)等で除去しておく。エピタキシャル装置へロードした後、水素中で950℃、10sで表面処理し、表面孔の穴埋めを行う。さらに少量のシリコン系ガスを導入し残留表面孔を埋める。その後、エピタキシャル成長させ、所定の厚さのエピタキシャルシリコン層を形成した(図7(b))。厚さは、作製するデバイスにより決められ、10nm程度から数十μmまで広範囲に制御可能である。   Subsequently, low temperature oxidation was performed in oxygen at 400 ° C. for 1 hour. Then, it loads to an epitaxial apparatus. The surface oxide film is previously removed with DHF (dilute hydrofluoric acid) or the like. After loading into the epitaxial apparatus, surface treatment is performed in hydrogen at 950 ° C. for 10 seconds to fill the surface holes. Further, a small amount of silicon-based gas is introduced to fill the remaining surface holes. Thereafter, epitaxial growth was performed to form an epitaxial silicon layer having a predetermined thickness (FIG. 7B). The thickness is determined by the device to be manufactured, and can be controlled in a wide range from about 10 nm to several tens of μm.

その後、上述の実施例と同様に素子を形成、即ち単結晶エピタキシャルシリコンに温度検出素子、および信号処理回路を形成した。温度検出素子としては、サーミスタ、ボロメータータイプとして単結晶シリコン上に抵抗、PN接合ダイオード等から選択される。これらの素子は、温度により素子特性が変化するという性質を利用し、その変化した信号を読み出す。ただしこれは一例でありボロメータータイプでなく焦電タイプや、熱電対タイプを用いても効果に変わりはなく、特に限定されるものではない(図7(c)、(d))。   Thereafter, an element was formed in the same manner as in the above-described example, that is, a temperature detecting element and a signal processing circuit were formed in single crystal epitaxial silicon. The temperature detection element is selected from a thermistor, a bolometer type, a resistor on a single crystal silicon, a PN junction diode, and the like. These elements use the property that element characteristics change with temperature, and read the changed signal. However, this is merely an example, and the effect is not changed even if a pyroelectric type or a thermocouple type is used instead of the bolometer type, and there is no particular limitation (FIGS. 7C and 7D).

その後、熱検出画素部の単結晶エピタキシャルシリコンを最終的には画素ごとに熱的、電気的に分離する。まず各画素の周辺(隣画素との間)を、配線層を保護しパターニング後、絶縁膜及び単結晶シリコンを多孔質層が露出するまでエッチングする。ついで多孔質領域を例えばKOHのようなアルカリエッチング溶液を用いてエッチングし、多孔質領域をエッチングする。多孔質領域と単結晶シリコン層のエッチングレートの差により多孔質領域のみ除去することが可能であり、空洞部の上面と下面はほぼ平行に形成することが可能となる。(図7(e))
本実施例では、多孔質領域の形成方法を一例で示したが特に限定されない。例えば多孔質領域の形成を2段階に変更して、表面側の第1の領域では多孔度を小さくして単結晶エピタキシャル層を品質良く形成すると共に、第1の領域よりも下側の第2の領域では、多孔度が第1の領域よりも大きく熱的な絶縁を大きくする構成にするとよい。特に電流密度を上げエッチングモードを強くすることで空洞状態を形成することも可能であり、多孔質領域をこのまま残してもよい。このような作成方法の場合最後のエッチング工程を省略することも可能である。特許文献3においては、異方性のアルカリエッチングを用いているため、エッチング形状の制御性が悪く空洞部の大きさ、形状の均一な制御が困難であり、画素を小さく作成することが難しいうえ、熱流を均一に制御することが難しく、おのおのの画素での出力特性のばらつきが大きくなる。特許文献4においては形状の制御はストッパー領域で制御される、すなわち制御性の高いフォトリソ工程により決定されるので制御性が高い反面、工程が複雑である。またSOIウエハを用いることから高価になる。さらには特許文献3、4どちらも空洞部形状は等方的なエッチングで決定される形状となり、画素端までエッチングすると中央部のエッチング深さが深くなる一方で画素端の空洞部は浅い構造で熱が逃げやすい構造となり感度が低くなってしまう。SOI基板を使用しない安価な製造方法の例である特許文献5では、空洞部を形成する構造と比較すると熱抵抗が小さく、かつ単結晶領域が開口部上に存在しないことから、開口率を高めたまま検知回路を単結晶シリコン上に形成しにくいという課題がある。これに対して本実施例の製造方法、構造によれば、可視光検出画素と熱検出画素とを簡易なプロセスで同一半導体基板に形成することが可能となり、また、温度検知部下の構成を、温度検知感度を向上させることが可能であるように形成することが可能となる。
Thereafter, the single crystal epitaxial silicon in the heat detection pixel portion is finally thermally and electrically separated for each pixel. First, the periphery of each pixel (between adjacent pixels) is patterned after protecting the wiring layer, and then the insulating film and single crystal silicon are etched until the porous layer is exposed. Next, the porous region is etched using an alkaline etching solution such as KOH to etch the porous region. Only the porous region can be removed due to the difference in etching rate between the porous region and the single crystal silicon layer, and the upper surface and the lower surface of the cavity can be formed substantially in parallel. (Fig. 7 (e))
In the present embodiment, the method for forming the porous region is shown as an example, but is not particularly limited. For example, the formation of the porous region is changed in two steps, the porosity is reduced in the first region on the surface side to form the single crystal epitaxial layer with good quality, and the second region below the first region is formed. In this region, the porosity is larger than that in the first region, and the thermal insulation is preferably increased. In particular, the cavity state can be formed by increasing the current density and strengthening the etching mode, and the porous region may be left as it is. In the case of such a manufacturing method, the last etching step can be omitted. In Patent Document 3, since anisotropic alkali etching is used, the controllability of the etching shape is poor, and it is difficult to uniformly control the size and shape of the cavity, and it is difficult to make a small pixel. Therefore, it is difficult to uniformly control the heat flow, and the variation in output characteristics of each pixel increases. In Patent Document 4, the shape control is controlled by the stopper region, that is, it is determined by a photolithographic process with high controllability, so that the controllability is high, but the process is complicated. In addition, the use of an SOI wafer is expensive. Furthermore, in both Patent Documents 3 and 4, the shape of the cavity is determined by isotropic etching. When etching is performed up to the pixel end, the etching depth at the center increases, while the cavity at the pixel end has a shallow structure. It becomes a structure in which heat easily escapes and sensitivity is lowered. In Patent Document 5, which is an example of an inexpensive manufacturing method that does not use an SOI substrate, the thermal resistance is small as compared with a structure in which a cavity is formed, and the single crystal region does not exist on the opening. There is a problem that it is difficult to form the detection circuit on the single crystal silicon. On the other hand, according to the manufacturing method and structure of the present embodiment, the visible light detection pixel and the heat detection pixel can be formed on the same semiconductor substrate by a simple process, and the configuration under the temperature detection unit is It becomes possible to form so that a temperature detection sensitivity can be improved.

このようにして、熱検出画素として、簡便でTCRがよくノイズも少ないものが形成可能となる。さらに他の回路部を並列に設定できるメリットもあるイメージセンサーを形成することが可能となる。さらに熱検出画素と可視光検出画素を平面的に配列した形で作成することができ、かつそれぞれ感度を損なうことなく良好な特性の半導体装置を形成することが可能となる。   In this manner, it is possible to form a heat detection pixel that is simple, has a good TCR, and has little noise. Further, it is possible to form an image sensor that has an advantage that other circuit units can be set in parallel. Further, the heat detection pixel and the visible light detection pixel can be formed in a planar arrangement, and a semiconductor device having good characteristics can be formed without impairing sensitivity.

(実施例5)
上述の実施例で作成した半導体装置を用いて可視光及び遠赤外線(熱)を同時に検知することが可能なカメラを作成した。レンズは遠赤外線及び可視光を透過するCaF2を用いてかつ0.5μm付近の波長及び10μm付近の波長を集光できる設計を行った。この構成により1つの光学系で可視光のカラー画像及び遠赤外線画像を同時に取り込むことが可能となる。
(Example 5)
A camera capable of simultaneously detecting visible light and far infrared rays (heat) was produced using the semiconductor device created in the above-described embodiment. The lens was designed using CaF2 that transmits far-infrared rays and visible light and that can collect wavelengths near 0.5 μm and wavelengths near 10 μm. With this configuration, it is possible to simultaneously capture a visible color image and a far-infrared image with one optical system.

(実施例6)
実施例1〜5の半導体装置を用いて可視光及び遠赤外線を同時に検知するカメラを作成した。光学系はミラーを用いており、色収差のない光学系を構成する。特に実施例3のような可視光、近赤外線、遠赤外線を検知する半導体固体撮像装置を使用する場合はミラー光学系が好ましい.この構成により1つのシステムで可視光のカラー画像及び遠赤外線画像を同時に取り込むことが可能となる。
(Example 6)
Cameras that simultaneously detect visible light and far infrared rays were created using the semiconductor devices of Examples 1 to 5. The optical system uses a mirror and constitutes an optical system free from chromatic aberration. In particular, when using a semiconductor solid-state imaging device that detects visible light, near infrared rays, and far infrared rays as in Example 3, a mirror optical system is preferable. With this configuration, it is possible to simultaneously capture a visible color image and a far-infrared image with one system.

実施例1の画素部構成図である。FIG. 3 is a configuration diagram of a pixel unit according to the first exemplary embodiment. 実施例1の画素部断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of a pixel portion according to the first embodiment. 実施例1の構成図を示す図である。1 is a diagram illustrating a configuration diagram of Example 1. FIG. 実施例1の製造方法を示す図である。6 is a diagram showing a manufacturing method of Example 1. FIG. 実施例2の画素部構成図である。FIG. 6 is a configuration diagram of a pixel unit of Example 2. 実施例3の画素部構成図である。FIG. 6 is a pixel unit configuration diagram of Embodiment 3. 実施例4の製造方法を示す図である。6 is a diagram showing a manufacturing method in Example 4. FIG. 従来例の遠赤外線画素部と可視光画素部とが積層された構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure by which the far-infrared pixel part and visible light pixel part of the prior art example were laminated | stacked. 図8に示した従来例の近赤外線画素部と可視光画素部とが配された構成を説明する平面図である。It is a top view explaining the structure by which the near-infrared pixel part and visible light pixel part of the prior art example shown in FIG. 8 were distribute | arranged. 従来例の遠赤外線画素部と可視光画素部を縦型に構成した例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the example which comprised the far-infrared pixel part and visible light pixel part of the prior art example to the vertical type.

符号の説明Explanation of symbols

1、21A、32、34 熱検出画素部
2、21B、33,35 可視光検出画素部
3〜6 画素
15,16 信号線
17 垂直シフトレジスタ
18 水平シフトレジスタ
19 読み出し回路
20 タイミングジェネレーター
22 シリコン単結晶基板
23 BOX酸化膜
24,27,30 絶縁層
25 ポリシリコン電極
26 検知回路領域
28 赤外線吸収層
29 空洞領域
31 フォトダイオード
36 近赤外線画素
37 画素
38 多孔質シリコン
1, 21A, 32, 34 Heat detection pixel portion 2, 21B, 33, 35 Visible light detection pixel portion 3-6 pixels 15, 16 signal line 17 vertical shift register 18 horizontal shift register 19 readout circuit 20 timing generator 22 silicon single crystal Substrate 23 BOX oxide film 24, 27, 30 Insulating layer 25 Polysilicon electrode 26 Detection circuit region 28 Infrared absorption layer 29 Cavity region 31 Photo diode 36 Near infrared pixel 37 Pixel 38 Porous silicon

Claims (17)

半導体基板と、該半導体基板に、熱検出画素を構成するための温度検知部及び可視光検出画素を構成するための光電変換部が形成されていることを特徴とする半導体装置。   A semiconductor device comprising: a semiconductor substrate; and a temperature detection unit for forming a heat detection pixel and a photoelectric conversion unit for forming a visible light detection pixel are formed on the semiconductor substrate. 前記熱検出画素と、可視光検出画素とが、略同一平面状に形成されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the heat detection pixel and the visible light detection pixel are formed in substantially the same plane. 前記熱検出画素は、赤外線エネルギーを熱として検出する熱型画素であり、前記可視光検出画素は、可視光を半導体の光電変換により検出する量子型画素であることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置。   2. The thermal detection pixel is a thermal pixel that detects infrared energy as heat, and the visible light detection pixel is a quantum pixel that detects visible light by photoelectric conversion of a semiconductor. 2. The semiconductor device according to 2. 前記半導体基板はシリコンからなることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor substrate is made of silicon. 前記温度検知部に接して、赤外線吸収領域が形成されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein an infrared absorption region is formed in contact with the temperature detection unit. 前記熱検出画素の表面積は、前記可視光検出画素の表面積よりも大きいことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein a surface area of the heat detection pixel is larger than a surface area of the visible light detection pixel. 前記熱検出画素の表面積は、前記可視光検出画素の表面積の4倍であることを特徴とする請求項6に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 6, wherein the surface area of the heat detection pixel is four times the surface area of the visible light detection pixel. 前記熱検出画素からの信号のフレームレートと、前記可視光検出画素からの信号のフレームレートとが異なることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の半導体装置。   8. The semiconductor device according to claim 1, wherein a frame rate of a signal from the heat detection pixel is different from a frame rate of a signal from the visible light detection pixel. 9. 前記熱検出画素からの信号を読み出す第1の信号線群と、前記可視光検出画素からの信号を読み出す第2の信号線群とは、同一方式の読み出し回路に接続されていることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載の半導体装置。   The first signal line group that reads a signal from the heat detection pixel and the second signal line group that reads a signal from the visible light detection pixel are connected to a readout circuit of the same system. The semiconductor device according to any one of claims 1 to 8. 前記温度検知部は主に単結晶半導体で形成され、前記温度検知部の下部は空洞部が形成されており、かつ前記空洞部の上面と下面がほぼ平行であることを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載の半導体装置。   The temperature detecting unit is mainly formed of a single crystal semiconductor, a cavity is formed in a lower part of the temperature detecting unit, and an upper surface and a lower surface of the cavity are substantially parallel. The semiconductor device of any one of -9. 前記温度検知部は主に単結晶半導体で形成され、前記温度検知部の下部は少なくとも多孔質領域が存在することを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the temperature detection unit is mainly formed of a single crystal semiconductor, and a lower region of the temperature detection unit includes at least a porous region. 前記多孔質領域が多孔質度の異なる複数の多孔質領域からなることを特徴とする請求項11に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 11, wherein the porous region includes a plurality of porous regions having different degrees of porosity. 前記多孔質度が異なる複数の多孔質領域は、前記温度検知部に近接する領域の多孔度が、その他の領域の最大の多孔度よりも小さいことを特徴とする請求項12に記載の半導体装置。   13. The semiconductor device according to claim 12, wherein the plurality of porous regions having different porosities have a porosity of a region adjacent to the temperature detection unit that is smaller than a maximum porosity of other regions. . 請求項1〜13のいずれか1項に記載の半導体装置と、前記熱検出画素及び前記可視光検出画素に対して、同一の光学系で集光する集光構造とを有することを特徴とするカメラ。   It has the semiconductor device of any one of Claims 1-13, and the condensing structure which condenses with the same optical system with respect to the said heat detection pixel and the said visible light detection pixel, It is characterized by the above-mentioned. camera. 前記光学系は少なくとも1枚以上の鏡を用いたミラー光学系であることを特徴とする請求項14に記載のカメラ。   The camera according to claim 14, wherein the optical system is a mirror optical system using at least one mirror. 半導体によって温度検知部が形成される半導体装置の製造方法であって、半導体基板の少なくとも一部の領域を多孔質化する工程と、前記多孔質化された領域上に単結晶半導体層をエピタキシャル成長で形成する工程と、近接する領域の赤外線吸収による温度変化を検知する検知部を前記エピタキシャル単結晶半導体層に形成する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。   A method of manufacturing a semiconductor device in which a temperature detection part is formed of a semiconductor, comprising a step of making at least a part of a semiconductor substrate porous, and a single crystal semiconductor layer is epitaxially grown on the porous region. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising: a step of forming; and a step of forming, in the epitaxial single crystal semiconductor layer, a detection portion that detects a temperature change due to infrared absorption in a nearby region. 前記半導体基板が高濃度のp+シリコン基板であることを特徴とする請求項16に記載の半導体装置の製造方法。   The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 16, wherein the semiconductor substrate is a high-concentration p + silicon substrate.
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