JP2010216819A - Non-cooled infrared image sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、非冷却赤外線イメージセンサに関する。 The present invention relates to an uncooled infrared image sensor.
一般に、非冷却赤外線イメージセンサには、シリコン基板上に、行方向に形成される複数の行選択線と、列方向に形成される複数の読み出し信号線とが設けられるとともに、これらの行選択線と読み出し信号線とが交差する領域に対応して、少なくとも1個のダイオードを有する画素部が設けられている。更に、この非冷却赤外線イメージセンサには、赤外線を吸収して熱に変換する赤外線吸収部が設けられ、この赤外線吸収部によって変換された熱の変化が上記ダイオードによって検知される。そして、この非冷却赤外線イメージセンサには、画素部の下方の基板領域に空洞部を形成することにより、基板からの熱の影響をダイオードが受けるのを排除し、感度を高めている。なお、画素部は、一端が基板に接続され他端が画素部に接続される支持脚によって空洞部の上方に支持された構成となっている。 In general, an uncooled infrared image sensor is provided with a plurality of row selection lines formed in a row direction and a plurality of readout signal lines formed in a column direction on a silicon substrate. A pixel portion having at least one diode is provided corresponding to a region where the readout signal line and the readout signal line intersect. Further, the uncooled infrared image sensor is provided with an infrared absorption part that absorbs infrared rays and converts the infrared rays into heat, and a change in the heat converted by the infrared absorption part is detected by the diode. In this uncooled infrared image sensor, the cavity is formed in the substrate region below the pixel portion, so that the diode is not affected by the heat from the substrate and the sensitivity is increased. Note that the pixel portion has a configuration in which one end is connected to the substrate and the other end is supported above the cavity portion by a support leg connected to the pixel portion.
また、感度を良くするために、画素部、すなわちダイオードの占める面積を大きくすることおよび、行選択線および読み出し信号線が載置される基板領域における、配線が延在する方向と略直交する方向の幅を可及的に狭くすることの少なくとも一方を用いた構成としている。このため、空洞部を形成する際には、行選択線および読み出し信号線が載置される基板領域が更に狭くなるのを防止するために、アルカリ溶液を用いたウェットエッチングにより基板を異方的にエッチングしている(例えば、特許文献1参照)。 In order to improve the sensitivity, the area occupied by the pixel portion, that is, the diode is increased, and the direction in which the wiring extends in the substrate region on which the row selection line and the readout signal line are placed is substantially orthogonal The width is set to be at least one of making the width as narrow as possible. For this reason, when the cavity is formed, the substrate is anisotropically formed by wet etching using an alkaline solution in order to prevent the substrate region on which the row selection line and the readout signal line are placed further narrowing. (For example, refer patent document 1).
また、ウェットエッチングを用いた場合は、空洞部を形成した後、空洞部を薬液等で洗浄し、乾燥させる必要がある(例えば、特許文献2参照)。この乾燥の工程において、画素部および支持脚の一方が他方に張り付いてしまう可能性がある。これを回避するために、XeF2ガス等を用いた等方性ドライエッチングでシリコン基板をエッチングして空洞部を形成することが望ましい。そこで、特許文献2においては、行選択線および読み出し信号線が載置される基板領域が更に狭くなるのを防止するために、空洞部の周囲にエッチングストップ層を形成しているか、エッチングホールを空洞部の中心付近に設けている。
In addition, when wet etching is used, after forming the cavity, the cavity needs to be washed with a chemical solution or the like and dried (see, for example, Patent Document 2). In this drying process, one of the pixel portion and the support leg may stick to the other. In order to avoid this, it is desirable to form the cavity by etching the silicon substrate by isotropic dry etching using XeF 2 gas or the like. Therefore, in
上述したように、空洞部の形成にウェットエッチングを用いた場合には、画素部および支持脚の一方が他方に張り付いてしまうことを回避する必要があり、製造工程が煩雑となる。また、等方性ドライエッチングを用いた場合は、空洞部の周囲にエッチングストップ層またはエッチングホールを形成する必要があり、製造工程が煩雑となる。 As described above, when wet etching is used to form the cavity, it is necessary to avoid that one of the pixel portion and the support leg sticks to the other, and the manufacturing process becomes complicated. Further, when isotropic dry etching is used, it is necessary to form an etching stop layer or etching hole around the cavity, and the manufacturing process becomes complicated.
本発明は、上記事情を考慮してなされたものであって、製造工程が煩雑となるのを可及的に防止することができる非冷却赤外線イメージセンサを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide an uncooled infrared image sensor capable of preventing the manufacturing process from becoming complicated as much as possible.
本発明の第1の態様による非冷却赤外線イメージセンサは、表面に複数の支持部が設けられた半導体基板と、前記半導体基板上にマトリクス状に配列された複数の画素群であって、各画素群はそれぞれマトリクス状に配列された同じ個数の画素を有し、各画素は、入射された赤外線を吸収しこの吸収した赤外線を熱に変換する赤外線吸収膜と、前記赤外線吸収膜と電気的に絶縁され前記赤外線吸収膜からの熱を検出することにより電気信号を生成する熱電変換素子と、を有する、複数の画素群と、列方向において隣接する前記画素群間に設けられ、前記各画素群において同一列方向に配列された画素の個数と同じ本数の行選択線を有する行選択線群と、行方向において隣接する前記画素群間に設けられ、前記各画素群において同一行方向に配列された画素の個数と同じ本数の読み出し信号線を有する読み出し信号線群と、各画素に対応して設けられ、一端が対応する画素に電気的に接続し他端が前記対応する画素を含む画素群に隣接する2つの行選択線群の一方の行選択線群中の1本の行選択線に電気的に接続する第1配線と、この第1配線を覆う第1絶縁膜とを有する第1支持脚と、各画素に対応して設けられ、一端が対応する画素に電気的に接続し他端が前記対応する画素を含む画素群に隣接する2つの読み出し信号線群の一方の読み出し信号線群中の1本の読み出し信号線に電気的に接続する第2配線と、この第2配線を覆う第2絶縁膜とを有する第2支持脚と、を備え、各画素群に対応して各画素群の下方の前記半導体基板の表面部分に空洞部が形成され、各画素は、対応する第1および第2支持脚によって、対応する前記空洞部の上方に支持され、前記行選択線群と前記読み出し信号線群との交差部は、前記半導体基板の支持部によって支持されていることを特徴とする。 An uncooled infrared image sensor according to a first aspect of the present invention includes a semiconductor substrate having a plurality of support portions provided on a surface thereof, and a plurality of pixel groups arranged in a matrix on the semiconductor substrate. Each group has the same number of pixels arranged in a matrix, and each pixel absorbs incident infrared rays and converts the absorbed infrared rays into heat, and the infrared absorption layer electrically A plurality of pixel groups having a thermoelectric conversion element that generates an electrical signal by detecting heat from the infrared absorption film, and is provided between the pixel groups adjacent to each other in the column direction. Are provided between the row selection line group having the same number of row selection lines as the number of pixels arranged in the same column direction and the pixel group adjacent in the row direction, and arranged in the same row direction in each pixel group. A readout signal line group having the same number of readout signal lines as the number of pixels formed, and a pixel provided corresponding to each pixel, one end of which is electrically connected to the corresponding pixel and the other end includes the corresponding pixel A first wiring electrically connected to one row selection line in one of the two row selection line groups adjacent to the group, and a first insulating film covering the first wiring; One supporting leg and one readout signal of two readout signal line groups provided corresponding to each pixel, one end electrically connected to the corresponding pixel and the other end adjacent to the pixel group including the corresponding pixel A second support leg having a second wiring electrically connected to one readout signal line in the line group and a second insulating film covering the second wiring, and corresponding to each pixel group A cavity is formed in the surface portion of the semiconductor substrate below each pixel group, and each pixel corresponds to The first and second support legs are supported above the corresponding cavity, and the intersection of the row selection line group and the read signal line group is supported by the support part of the semiconductor substrate. It is characterized by.
本発明によれば、製造工程が煩雑となるのを可及的に防止することができる。 According to the present invention, it is possible to prevent the manufacturing process from becoming complicated as much as possible.
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態による非冷却赤外線イメージセンサの平面図を図1に示す。なお、この図1においては、後述する赤外線吸収膜は示されていない。また、図1における切断線A−A’、B−B’、C−C’、D−D’、およびE−E’で切断した断面をそれぞれ図2、図3、図4、図5、および図6に示す。なお、図2乃至図6においては、各切断線で切断した断面を拡大して表示している。また、図2における切断線F−F’で切断した断面を図7に示す。
(First embodiment)
A plan view of an uncooled infrared image sensor according to the first embodiment of the present invention is shown in FIG. In FIG. 1, an infrared absorption film described later is not shown. Also, cross sections cut along cutting lines AA ′, BB ′, CC ′, DD ′, and EE ′ in FIG. 1 are shown in FIGS. 2, 3, 4, 5, respectively. And shown in FIG. In FIGS. 2 to 6, the cross section cut along each cutting line is enlarged and displayed. Moreover, the cross section cut | disconnected by the cutting line FF 'in FIG. 2 is shown in FIG.
本実施形態の非冷却赤外線イメージセンサは、基板(例えば、シリコン基板)2上に、マトリクス状に配列された複数の画素群4を有している。各画素群4は、マトリクス状に配列された複数(本実施形態では、2行×2列の計4個)の画素4a、4b、4c、4dを有している。列方向において隣接する画素群4の間には行選択線群6が設けられている。各行選択線群6は、列方向において隣接する画素群中の列方向において隣接する画素を選択するための行選択線6a、6bを有している。例えば、行選択線6aは図1の中央に示す画素群4の画素4a、4bを選択するための行選択線であり、行選択線6bは図1の中央に示す画素群4の上方において隣接する画素群4の画素4c、4dを選択するための行選択線である。同一の行選択線群に含まれる行選択線6a、6bは、行方向に並んで配置される。
The uncooled infrared image sensor of this embodiment has a plurality of
また、行方向において隣接する画素群4の間には読み出し信号線群8が設けられている。各読み出し信号線群8は、行方向において隣接する画素群中の行方向において隣接する画素からの信号を読み出すための読み出し信号線8a、8bを有している。例えば、読み出し信号線8aは図1の中央に示す画素群4の画素4a、4cからの信号を読み出すための読み出し信号線であり、読み出し信号8bは図1の中央に示す画素群4の左方において隣接する画素群4の画素4b、4dからの信号を読み出すための読み出し信号線である。同一の読み出し信号線群に含まれる読み出し信号線8a、8bは、列方向に並んで配置される。
A readout
更に、各画素群4に対応して、基板2の表面領域には空洞部3が設けられている(図2参照)。また、図1に示すように、各画素群4中の各画素、例えば画素4aに対応して、一端がこの画素4aに接続され他端が対応する行選択線6aに接続される支持脚10aと、一端が上記画素4aに接続され他端が対応する読み出し信号線8aに接続される支持脚10bとが設けられている。これらの支持脚10a、10bは、九十九折りまたはミアンダー状に曲がりくねって形成された平面形状を有している。そして、各画素群4中の各画素、例えば画素4aは、対応する空洞部3の上方に、対応する支持脚10a、10bによって支持されるように構成されている。
Further, a
図2に示すように、各画素は、絶縁膜12aと、この絶縁膜12a上に形成された感熱ダイオード(熱電変換素子)14と、この感熱ダイオード14を覆うように形成された赤外線吸収率が高い絶縁膜16aと、この絶縁膜16a上に形成され、入射する赤外線を更に高率に吸収して熱に変換する赤外線吸収膜18と、を備えている。この赤外線吸収膜18は、対応する画素ばかりでなく、対応するように設けられた支持脚10a、10b、行選択線、および読み出し信号線をも覆うように形成される。
As shown in FIG. 2, each pixel has an insulating
また、図2に示すように、支持脚10aは、絶縁膜12bと、この絶縁膜12b上に形成された配線15aと、この配線15aを覆うように形成された絶縁膜16bとを備えている。また同様に、支持脚10bも、絶縁膜12cと、この絶縁膜12c上に形成された配線15bと、この配線15bを覆うように形成された絶縁膜16cとを備えている。支持脚10aの配線15aは、一端が対応する画素の感熱ダイオードの一端に接続され、他端が対応する行選択線に電気的に接続される。一方、支持脚10bの配線15bは、一端が対応する画素の感熱ダイオードの他端に接続され、他端が対応する読み出し信号線に電気的に接続される。
As shown in FIG. 2, the
また同様に、行選択線群6の行選択線6a、6bは、絶縁膜12d上に設けられて、絶縁膜16dによって覆われている(図4参照)。読み出し信号線群8の読み出し信号線8a、8bは、絶縁膜上12e上に設けられて、絶縁膜16eによって覆われている。
Similarly, the
本実施形態においては、行選択線群6は、読み出し信号群8の上方に設けられている。そして、行選択線群6および読み出し信号線群8は、少なくとも行選択線群6と読み出し信号線群8との交差部において、基板2の支持部2aによって支持された構成となっている(図2、図4参照)。なお、本実施形態においては、この支持部2aは、行選択線群6の直下にも設けられているが(図5、図6、図7参照)、上記交差部以外の読み出し信号線群8の直下には設けられていない(図3参照)。すなわち、列方向に配列された隣接する画素群4のそれぞれに対応する空洞部3は行選択線群6の直下にも設けられた支持部2aによって遮られて連結しないが、行方向に配列された隣接する画素群4のそれぞれに対応する空洞部3は、連結した形態となっている。この理由は、本実施形態においては、読み出し信号線よりも行選択線の幅を広くなるように構成しているので、読み出し信号線群8よりも行選択線群6の幅が広くなり、この結果、空洞部3を形成する際のエッチャントとして気体(例えば、XeF2ガス)を用いた等方性エッチングを行った場合に、読み出し信号線群8直下の基板領域が、行選択線6直下の基板領域よりも早くエッチングされるためである。なお、隣接する赤外線吸収膜18間、赤外線吸収膜18と支持脚10a、10bとの間、および画素と対応する支持脚との間にそれぞれ隙間が設けられているので、これらの隙間を通じて、エッチャントとなる気体が基板表面に流れてエッチングが行われることにより、空洞部3が形成される。この説明からわかるように、空洞部3を形成する場合に、エッチングストッパを空洞部3の周囲に形成することなく、エッチャントとして気体を用いた等方性エッチングを行うことが可能となり、製造工程が煩雑となるのを可及的に防止することができる。
In the present embodiment, the row
このような等方性エッチングを行った場合に、少なくとも行選択線群6と読み出し信号線群8との交差部に、行選択線群6および読み出し信号線群8を基板2側から支持する支持部2aが存在するためには、図1に示すように、上記交差部の平面内における内接円20の直径d1が、各画素群4の各画素の平面内における内接円22の直径d2よりも大きいことが必要となる。
When such isotropic etching is performed, a support for supporting the row
次に、本実施形態の非冷却赤外線イメージセンサの動作について説明する。外部からの赤外線が赤外線吸収膜18に照射されると、赤外線吸収膜18によって赤外線が熱に変換される。この変換された熱は、絶縁膜16aを通じて感熱ダイオード14に伝わり、感熱ダイオード14によって電気信号に変換される。すなわち、感熱ダイオード14の温度変化に応じて感熱ダイオード14の抵抗が変化することにより、感熱ダイオード14を流れる電流または感熱ダイオード14の端子間の電圧が変化し、この変化を読み出し信号線を通じて検出する。
Next, the operation of the uncooled infrared image sensor of this embodiment will be described. When infrared rays from the outside are irradiated onto the
また、図8に示すように、本実施形態の非冷却赤外線イメージセンサにおいて、各画素群4の各画素の行選択線の延在する方向(行方向)のサイズをX1、各画素を支持する支持脚10aの行方向のサイズをY1、支持脚10bの行方向のサイズをY2、読み出し信号線8a、8bの行方向のサイズ(幅)をa、一本の読み出し信号線(例えば、読み出し信号線8a)とこの信号線を覆うっている絶縁膜16eの端面との間の行方向のサイズをb、同一の読み出し信号線群6おける2本の信号線8a、8b間の行方向のサイズ(間隔)をc、同一の画素群4中の隣接する支持脚10a間の行方向のサイズをe、画素群4の行方向のピッチを2Pとすると、下記の(1)式
2P=2a+2b+c+2Y1+2Y2+e+2X1 ・・・ (1)
を満たす。
Further, as shown in FIG. 8, in the uncooled infrared image sensor of this embodiment, the size in the extending direction (row direction) of the row selection line of each pixel of each
Meet.
一方、本実施形態の比較例として、図9に示すように、隣接する画素間の行方向に1本の行選択線6aが設けられ、隣接する画素間の列方向に1本の読み出し信号線8aが設けられた非冷却赤外線イメージセンサを考える。この比較例において、2行2列の4個の画素の集合を、本実施形態の画素群に対応すると考え、2行2列の4個の画素の集合からなる画素群の行方向のピッチを2P、各画素の行選択線の延在する方向(行方向)のサイズをX2、各画素を支持する支持脚10aの行方向のサイズをY1、支持脚10bの行方向のサイズをY2、読み出し信号線8aの行方向のサイズ(幅)をa、読み出し信号線8aとこの信号線を覆うっている絶縁膜16eの端面との間の行方向のサイズをb、同一の画素群中の隣接する支持脚10a間の行方向のサイズをe、とすると、下記の(2)式
2P=2a+4b+2Y1+2Y2+2e+2X1 ・・・ (2)
を満たす。
On the other hand, as a comparative example of this embodiment, as shown in FIG. 9, one
Meet.
上記(1)式と(2)式から
2(X1−X2)=2b+e−c ・・・ (3)
が得られる。この(3)式から分かるように、下記条件
2b+e−c>0
すなわち、
2b+e>c ・・・ (4)
を満たせば、
X1>X2
となる。このことは、本実施形態と比較例において、画素群が同じピッチを有するようにした場合に、(4)式の条件を満たせば、本実施形態における各画素を、比較例における画素よりも、大きくすることができることを意味する。すなわち、(4)式の条件を満たせば、画素の面積を増大させることが可能となるので、各画素における感熱ダイオードの個数を増大させることができ、イメージセンサの感度を高めることが可能となる。この効果は、本実施形態のように、複数の行選択線を並列に配列して一つの行選択線群とするとともに、複数の読み出し信号線を並列に配列して一つの読み出し信号線群とした構成とすることにより得られる。
From the above formulas (1) and (2), 2 (X1-X2) = 2b + ec (3)
Is obtained. As can be seen from this equation (3), the following condition 2b + e−c> 0
That is,
2b + e> c (4)
If you meet
X1> X2
It becomes. This means that in the present embodiment and the comparative example, when the pixel groups have the same pitch, each pixel in the present embodiment is more than the pixel in the comparative example if the condition of the expression (4) is satisfied. That means you can make it bigger. That is, if the condition of the expression (4) is satisfied, the area of the pixel can be increased, so the number of thermal diodes in each pixel can be increased, and the sensitivity of the image sensor can be increased. . This effect is obtained by arranging a plurality of row selection lines in parallel to form one row selection line group, and arranging a plurality of read signal lines in parallel as in this embodiment. It is obtained by setting it as the structure.
なお、同一の画素群における列方向に隣接する画素間の間隔、画素と支持脚との間隔、画素と行選択線群との間隔、支持脚と読み出し信号線群との間隔、および同一の行選択線群における行選択線の間隔は大きいほど相互に熱の伝達および混信が小さくなるが、集積密度が低下するので、感度が低下する。これに対して、上記間隔が小さすぎると、製作が困難である。このため、上記間隔は、0.2μm以上2μm以下が望ましい。 Note that the interval between adjacent pixels in the same pixel group in the column direction, the interval between the pixel and the support leg, the interval between the pixel and the row selection line group, the interval between the support leg and the readout signal line group, and the same row The larger the gap between the row selection lines in the selection line group, the smaller the heat transfer and interference with each other, but the lower the integration density, the lower the sensitivity. On the other hand, if the interval is too small, it is difficult to manufacture. For this reason, the interval is preferably 0.2 μm or more and 2 μm or less.
また、行選択線を覆っている絶縁膜は幅が大きいほど絶縁性、製作段階の安定性、機械的安定性が増大するが、集積密度が低下するので、感度が低下する。これに対して、上記絶縁膜の幅が小さすぎると、製作が困難である。このため、上記絶縁膜の幅は、0.3μm以上3μm以下が望ましい。 In addition, the insulating film covering the row selection line is increased in insulation, stability in the manufacturing stage, and mechanical stability as the width is increased. However, since the integration density is decreased, the sensitivity is decreased. On the other hand, if the width of the insulating film is too small, it is difficult to manufacture. Therefore, the width of the insulating film is desirably 0.3 μm or more and 3 μm or less.
なお、本実施形態においては、各行選択線群6には2本の行選択線6a、6bが設けられ、各読み出し信号線群8には2本の読み出し信号線8a、8bが設けられていたが、各画素群内の画素の個数に応じた個数の行選択線または読み出し信号線とすることが可能である。
In this embodiment, each row
次に、本実施形態による非冷却赤外線イメージセンサの製造方法を図10乃至図13を参照して説明する。なお、図10乃至図13は、図1における切断線A−A’で切断した断面である。 Next, a method for manufacturing the uncooled infrared image sensor according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 10 to 13 are cross sections cut along a cutting line A-A 'in FIG.
まず、図10に示すように、シリコン基板2上に絶縁膜12を形成し、この絶縁膜12上に熱伝導率のよい第1絶縁膜16を形成する。この第1絶縁膜16上に、画素を構成する感熱ダイオード14を形成するとともに、読み出し信号線8a、8bを形成する。その後、これらの感熱ダイオード14および読み出し信号線8a、8bを覆うように、熱伝導率のよい第2絶縁膜16を形成し、この第2絶縁膜16上に行選択線6a、6bを形成する。その後、これらの行選択線6a、6bを覆うように、熱伝導性のよい第3絶縁膜16を形成する。なお、説明を簡単にするために上記第1乃至第3絶縁膜を符号16で示している。続いて、この絶縁膜16の上面から基板2の上面に達する複数の開口を形成する。この開口の形成によって、画素、支持脚、行選択線群、読み出し信号線群がそれぞれの形状にパターニングされる。その後、これらの開口を埋め込むように、犠牲層17を絶縁膜16上に形成する。そして、この犠牲層17をパターニングした後、絶縁膜16の各画素となる領域上に赤外線吸収膜18を形成する。
First, as shown in FIG. 10, the insulating
次に、図11に示すように、犠牲層17をウェットエッチングにより除去する。これにより、犠牲層17が除去された跡には、基板2の表面に通じる開口30が存在する。続いて、図12に示すように、上記開口30を通じて、エッチャントとして気体(例えば、XeF2ガス)を用いた等方性エッチングを行うと、開口30の底部に露出した基板2の表面からエッチングされ、基板2の表面に空洞部3の形成が開始される。更に、上記気体を用いた等方性エッチングを行うことにより、基板2のエッチングが進行する。そして、このエッチングを終了することにより、各画素群4の直下の基板領域に空洞部3が形成される。
Next, as shown in FIG. 11, the
以上説明したように、本実施形態よれば、製造工程が煩雑となるのを可及的に防止することができる。また、複数の行選択線を並列に配列して一つの行選択線群とするとともに、複数の読み出し信号線を並列に配列して一つの読み出し信号線群とした構成となっているので、画素の面積を増大させることが可能となって各画素における感熱ダイオードの個数を増大させることができ、イメージセンサの感度を高めることが可能となる。 As described above, according to this embodiment, it is possible to prevent the manufacturing process from becoming complicated as much as possible. In addition, a plurality of row selection lines are arranged in parallel to form one row selection line group, and a plurality of readout signal lines are arranged in parallel to form one readout signal line group. As a result, the number of thermal diodes in each pixel can be increased, and the sensitivity of the image sensor can be increased.
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態による非冷却赤外線イメージセンサの平面図を図14に示す。本実施形態の非冷却赤外線イメージセンサは、図1に示す第1実施形態の非冷却赤外線イメージセンサにおいて、各画素に対応して設けられ、対応する画素を空洞部上で支持する支持脚10a、10bの形状を、曲がりくねった九十九折りまたはミアンダー形状から対応する画素の周りを廻るスパイラル形状に変更した構成となっている。
(Second Embodiment)
Next, the top view of the uncooled infrared image sensor by 2nd Embodiment of this invention is shown in FIG. The uncooled infrared image sensor of the present embodiment is a
なお、本実施形態においても、第1実施形態と同様に、空洞部の周囲にエッチングストップ層を形成することなく、等方性エッチングを行うことが可能にするためには、少なくとも行選択線群6と読み出し信号線群8との交差部に、行選択線群6および読み出し信号線群8を基板2側から支持する支持部2aが存在する必要がある。このためには、第1実施形態と同様に、上記交差部の平面内における内接円の直径が、各画素群の各画素の平面内における内接円の直径よりも大きいことが必要となる。
In this embodiment, as in the first embodiment, at least the row selection line group is used in order to perform isotropic etching without forming an etching stop layer around the cavity. 6 and the readout
本実施形態の非冷却赤外線イメージセンサも第1実施形態と同様に、製造工程が煩雑となるのを可及的に防止することができる。また、複数の行選択線を並列に配列して一つの行選択線群とするとともに、複数の読み出し信号線を並列に配列して一つの読み出し信号線群とした構成となっているので、画素の面積を増大させることが可能となって各画素における感熱ダイオードの個数を増大させることができ、イメージセンサの感度を高めることが可能となる。 Similarly to the first embodiment, the uncooled infrared image sensor of this embodiment can prevent the manufacturing process from becoming complicated as much as possible. In addition, a plurality of row selection lines are arranged in parallel to form one row selection line group, and a plurality of readout signal lines are arranged in parallel to form one readout signal line group. As a result, the number of thermal diodes in each pixel can be increased, and the sensitivity of the image sensor can be increased.
(第3実施形態)
次に、本発明の第3実施形態による非冷却赤外線イメージセンサの平面図を図15に示す。本実施形態の非冷却赤外線イメージセンサは、図14に示す第2実施形態の非冷却赤外線イメージセンサにおいて、各画素に対応して設けられ、対応する画素を空洞部上で支持する支持脚10a、10bの形状を、第2実施形態とは異なるスパイラル形状に変更した構成となっている。この第3実施形態においては、第2実施形態と異なり、同一画素群4の画素4a、4b、4c、4dのうち、画素4a、4bは、それぞれの支持脚10aによって、図15上で画素群4の下側に位置する行選択線群6の行選択線6a、6bにそれぞれ接続され、画素4c、4dは、図15上で画素群4の上側に位置する行選択線群6の行選択線6b、6aに支持脚10aによってそれぞれ接続される。また、第2実施形態と異なり、同一画素群4の画素4a、4b、4c、4dのうち、画素4a、4cは、それぞれの支持脚10bによって、図15上で画素群4の右側に位置する読み出し信号線群8の読み出し信号線8a、8bにそれぞれ接続され、画素4b、4dは、図15上で画素群4の左側に位置する読み出し信号線群8の行選択線8b、8aに支持脚10bによってそれぞれ接続される。すなわち、本実施形態においては、各画素群4中の各画素は、それぞれが異なる行選択線に接続されるとともに、それぞれが異なる読み出し信号線に接続される。
(Third embodiment)
Next, FIG. 15 shows a plan view of an uncooled infrared image sensor according to the third embodiment of the present invention. The uncooled infrared image sensor of the present embodiment is a
なお、本実施形態においても、第1実施形態と同様に、空洞部の周囲にエッチングストップ層を形成することなく、等方性エッチングを行うことが可能にするためには、少なくとも行選択線群6と読み出し信号線群8との交差部に、行選択線群6および読み出し信号線群8を基板2側から支持する支持部2aが存在する必要がある。このためには、第1実施形態と同様に、上記交差部の平面内における内接円の直径が、各画素群の各画素の平面内における内接円の直径よりも大きいことが必要となる。
In this embodiment, as in the first embodiment, at least the row selection line group is used in order to perform isotropic etching without forming an etching stop layer around the cavity. 6 and the readout
本実施形態の非冷却赤外線イメージセンサも第2実施形態と同様に、製造工程が煩雑となるのを可及的に防止することができる。また、複数の行選択線を並列に配列して一つの行選択線群とするとともに、複数の読み出し信号線を並列に配列して一つの読み出し信号線群とした構成となっているので、画素の面積を増大させることが可能となって各画素における感熱ダイオードの個数を増大させることができ、イメージセンサの感度を高めることが可能となる。 Similarly to the second embodiment, the uncooled infrared image sensor of this embodiment can prevent the manufacturing process from becoming complicated as much as possible. In addition, a plurality of row selection lines are arranged in parallel to form one row selection line group, and a plurality of readout signal lines are arranged in parallel to form one readout signal line group. As a result, the number of thermal diodes in each pixel can be increased, and the sensitivity of the image sensor can be increased.
(第4実施形態)
次に、本発明の第4実施形態による非冷却赤外線イメージセンサの平面図を図16に示す。本実施形態の非冷却赤外線イメージセンサは、図1に示す第1実施形態の非冷却赤外線イメージセンサにおいて、2行×2列の計4個の画素からなる各画素群4を、列方向に配列された2行×1列の計2個の画素4a、4bからなる画素群4に換えるとともに、行方向に隣接する画素群間に設けられている2本の読み出し信号線を有する読み出し信号線群6を、1本の読み出し信号線からなる読み出し信号線群に換えた構成となっている。なお、行選択線群6は第1実施形態における行選択線群6と同じ構成となっている。
(Fourth embodiment)
Next, the top view of the uncooled infrared image sensor by 4th Embodiment of this invention is shown in FIG. The uncooled infrared image sensor of the present embodiment is the same as the uncooled infrared image sensor of the first embodiment shown in FIG. 1, but each
なお、本実施形態においても、第1実施形態と同様に、空洞部の周囲にエッチングストップ層を形成することなく、等方性エッチングを行うことが可能にするためには、少なくとも行選択線群6と読み出し信号線群8との交差部に、行選択線群6および読み出し信号線群8を基板2側から支持する支持部2aが存在する必要がある。このためには、第1実施形態と同様に、上記交差部の平面内における内接円の直径が、各画素群の各画素の平面内における内接円の直径よりも大きいことが必要となる。
In this embodiment, as in the first embodiment, at least the row selection line group is used in order to perform isotropic etching without forming an etching stop layer around the cavity. 6 and the readout
本実施形態の非冷却赤外線イメージセンサも第1実施形態と同様に、製造工程が煩雑となるのを可及的に防止することができる。また、複数の行選択線を並列に配列して一つの行選択線群とした構成となっているので、画素の面積を増大させることが可能となって各画素における感熱ダイオードの個数を増大させることができ、イメージセンサの感度を高めることが可能となる。 Similarly to the first embodiment, the uncooled infrared image sensor of this embodiment can prevent the manufacturing process from becoming complicated as much as possible. In addition, since a plurality of row selection lines are arranged in parallel to form one row selection line group, the area of the pixel can be increased, and the number of thermal diodes in each pixel is increased. Therefore, the sensitivity of the image sensor can be increased.
なお、本実施形態の変形例として、各画素群を1行×2列の計2個の画素からなるように構成し、各行選択線群が一本の行選択線から構成され、各読み出し信号線群が2本の読み出し信号線から構成され、各画素群中の2つの画素は、同一の行選択線に電気的に接続されるとともにそれぞれが異なる読み出し信号線に電気的に接続されるようにしてもよい。 As a modification of the present embodiment, each pixel group is configured to include a total of two pixels of 1 row × 2 columns, each row selection line group is configured from one row selection line, and each readout signal The line group is composed of two readout signal lines, and the two pixels in each pixel group are electrically connected to the same row selection line and are electrically connected to different readout signal lines. It may be.
(第5実施形態)
次に、本発明の第5実施形態による非冷却赤外線イメージセンサの平面図を図17に示す。本実施形態の非冷却赤外線イメージセンサは、図1に示す第1実施形態の非冷却赤外線イメージセンサにおいて、行選択線群6と読み出し信号線群8との交差部のサイズを大きくした構成となっている。これは、交差部における、行選択線群6を覆っている絶縁膜の幅(行選択線が延在する方向と略直交する方向のサイズ)を大きくすることによって可能となる。
(Fifth embodiment)
Next, the top view of the uncooled infrared image sensor by 5th Embodiment of this invention is shown in FIG. The uncooled infrared image sensor of this embodiment has a configuration in which the size of the intersection between the row
なお、本実施形態においても、第1実施形態と同様に、空洞部の周囲にエッチングストップ層を形成することなく、等方性エッチングを行うことが可能にするためには、少なくとも行選択線群6と読み出し信号線群8との交差部に、行選択線群6および読み出し信号線群8を基板2側から支持する支持部2aが存在する必要がある。このためには、第1実施形態と同様に、上記交差部の平面内における内接円の直径が、各画素群の各画素の平面内における内接円の直径よりも大きいことが必要となる。
In this embodiment, as in the first embodiment, at least the row selection line group is used in order to perform isotropic etching without forming an etching stop layer around the cavity. 6 and the readout
本実施形態の非冷却赤外線イメージセンサも第1実施形態と同様に、製造工程が煩雑となるのを可及的に防止することができる。また、複数の行選択線を並列に配列して一つの行選択線群とするとともに、複数の読み出し信号線を並列に配列して一つの読み出し信号線群とした構成となっているので、画素の面積を増大させることが可能となって各画素における感熱ダイオードの個数を増大させることができ、イメージセンサの感度を高めることが可能となる。 Similarly to the first embodiment, the uncooled infrared image sensor of this embodiment can prevent the manufacturing process from becoming complicated as much as possible. In addition, a plurality of row selection lines are arranged in parallel to form one row selection line group, and a plurality of readout signal lines are arranged in parallel to form one readout signal line group. As a result, the number of thermal diodes in each pixel can be increased, and the sensitivity of the image sensor can be increased.
なお、上記第1乃至第5実施形態においては、空洞部3はエッチャントとして気体を用いた等方性エッチングによって形成していたが、異方性ウェットエッチングによって形成することも可能である。
In the first to fifth embodiments, the
また、上記第1乃至第5実施形態においては、非冷却赤外線イメージセンサの感度を高めるために、各画素は複数の感熱ダイオードが直列に接続された構成することが好ましい。 In the first to fifth embodiments, each pixel preferably has a plurality of thermal diodes connected in series in order to increase the sensitivity of the uncooled infrared image sensor.
また、非冷却赤外線イメージセンサの実装のため、各画素のピッチは大きすぎると得られる画像が荒くなる傾向がある。また、ピッチが小さすぎると感度の低下が生じる。したがって、各画素のピッチは10μmから50μmの間のいずれの大きさが望ましい。 In addition, due to the mounting of the uncooled infrared image sensor, if the pitch of each pixel is too large, the obtained image tends to be rough. If the pitch is too small, the sensitivity is lowered. Therefore, the pitch of each pixel is desirably any size between 10 μm and 50 μm.
また、画素を構成する感熱ダイオードは、その厚さが厚すぎると、感度が低下するとともに、支持脚などの製作が困難となる。また、その厚さが薄すぎる感熱ダイオードの製作が困難となる。したがって、感熱ダイオードの厚みは0.1μm以上10μm以下が望ましい。 Further, if the thermal diode constituting the pixel is too thick, the sensitivity is lowered and it is difficult to manufacture a support leg and the like. Also, it becomes difficult to manufacture a thermal diode whose thickness is too thin. Therefore, the thickness of the thermal diode is preferably 0.1 μm or more and 10 μm or less.
また、赤外線吸収膜はその厚さが厚すぎると製作が困難であるとともに感度が低下する。一方、その厚さが薄すぎると、赤外吸収効率が低下する。したがって、赤外線吸収膜の材料は酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、またはこれらの積層膜を用い、その厚さは0.1μm以上5μm以下が望ましい。 Further, if the thickness of the infrared absorbing film is too thick, it is difficult to manufacture and the sensitivity is lowered. On the other hand, if the thickness is too thin, the infrared absorption efficiency decreases. Accordingly, the material of the infrared absorption film is a silicon oxide film, a silicon nitride film, or a laminated film thereof, and the thickness is desirably 0.1 μm or more and 5 μm or less.
なお、上記第1乃至第5実施形態においては、行選択線群の幅を読み出し信号線群の幅よりも大きかったが、読み出し信号線の幅を行選択線の幅よりも大きくし、これにより読み出し信号線群の幅を行選択線群の幅よりも大きくなるようにしてもよい。 In the first to fifth embodiments, the width of the row selection line group is larger than the width of the read signal line group. However, the width of the read signal line is made larger than the width of the row selection line. The width of the read signal line group may be made larger than the width of the row selection line group.
2 基板(シリコン基板)
2a 支持部
3 空洞部
4 画素群
4a、4b、4c、4d 画素
6 行選択線群
6a 行選択線
6b 行選択線
8 読み出し信号線群
8a 読み出し信号線
8b 読み出し信号線
12 絶縁膜
12a 絶縁膜
12b 絶縁膜
12c 絶縁膜
12d 絶縁膜
14 感熱ダイオード
16 絶縁膜
16a 絶縁膜
16b 絶縁膜
16c 絶縁膜
16d 絶縁膜
16e 絶縁膜
18 赤外線吸収膜
2 Substrate (silicon substrate)
Claims (9)
前記半導体基板上にマトリクス状に配列された複数の画素群であって、各画素群はそれぞれマトリクス状に配列された同じ個数の画素を有し、各画素は、入射された赤外線を吸収しこの吸収した赤外線を熱に変換する赤外線吸収膜と、前記赤外線吸収膜と電気的に絶縁され前記赤外線吸収膜からの熱を検出することにより電気信号を生成する熱電変換素子と、を有する、複数の画素群と、
列方向において隣接する前記画素群間に設けられ、前記各画素群において同一列方向に配列された画素の個数と同じ本数の行選択線を有する行選択線群と、
行方向において隣接する前記画素群間に設けられ、前記各画素群において同一行方向に配列された画素の個数と同じ本数の読み出し信号線を有する読み出し信号線群と、
各画素に対応して設けられ、一端が対応する画素に電気的に接続し他端が前記対応する画素を含む画素群に隣接する2つの行選択線群の一方の行選択線群中の1本の行選択線に電気的に接続する第1配線と、この第1配線を覆う第1絶縁膜とを有する第1支持脚と、
各画素に対応して設けられ、一端が対応する画素に電気的に接続し他端が前記対応する画素を含む画素群に隣接する2つの読み出し信号線群の一方の読み出し信号線群中の1本の読み出し信号線に電気的に接続する第2配線と、この第2配線を覆う第2絶縁膜とを有する第2支持脚と、
を備え、
各画素群に対応して各画素群の下方の前記半導体基板の表面部分に空洞部が形成され、
各画素は、対応する第1および第2支持脚によって、対応する前記空洞部の上方に支持され、
前記行選択線群と前記読み出し信号線群との交差部は、前記半導体基板の支持部によって支持されていることを特徴とする非冷却赤外線イメージセンサ。 A semiconductor substrate having a plurality of support portions on the surface;
A plurality of pixel groups arranged in a matrix on the semiconductor substrate, each pixel group having the same number of pixels arranged in a matrix, each pixel absorbing incident infrared rays An infrared absorption film that converts the absorbed infrared light into heat, and a thermoelectric conversion element that is electrically insulated from the infrared absorption film and generates an electric signal by detecting heat from the infrared absorption film, A group of pixels;
A row selection line group provided between the pixel groups adjacent in the column direction and having the same number of row selection lines as the number of pixels arranged in the same column direction in each pixel group;
A readout signal line group provided between the adjacent pixel groups in the row direction and having the same number of readout signal lines as the number of pixels arranged in the same row direction in each pixel group;
1 in one row selection line group of two row selection line groups provided corresponding to each pixel, having one end electrically connected to the corresponding pixel and the other end adjacent to the pixel group including the corresponding pixel. A first support leg having a first wiring electrically connected to the row selection line and a first insulating film covering the first wiring;
One of the two readout signal line groups of one readout signal line group provided corresponding to each pixel, one end of which is electrically connected to the corresponding pixel and the other end adjacent to the pixel group including the corresponding pixel. A second support leg having a second wiring electrically connected to the read signal line and a second insulating film covering the second wiring;
With
A cavity is formed in the surface portion of the semiconductor substrate below each pixel group corresponding to each pixel group,
Each pixel is supported above the corresponding cavity by corresponding first and second support legs,
An uncooled infrared image sensor, wherein an intersection between the row selection line group and the readout signal line group is supported by a support part of the semiconductor substrate.
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