JP2011027652A - 赤外線センサ - Google Patents

Abstract

【課題】信頼性の向上を図れるだけでなく感度および応答速度の向上を図れる赤外線センサを提供する。
【解決手段】シリコン基板（支持基板）１ａは、熱型赤外線検出部３の一部の直下に空洞部１１が形成されている。サーモパイル３０ａは、ｎ形ポリシリコン層（第１の熱電要素）３４とｐ形ポリシリコン層（第２の熱電要素）３５とを熱型赤外線検出部３においてシリコン基板１ａの空洞部１１に重なる領域で第１の接続金属部３６により接合することで形成された複数の温接点Ｔ１、ｎ形ポリシリコン層３４とｐ形ポリシリコン層３５とを熱型赤外線検出部３において空洞部１１に重ならない領域で第２の接続金属部３７により接合することで形成された複数の冷接点Ｔ２を有する。ジュール熱により温接点Ｔ１を温める自己診断用ヒータ部１３９は、熱型赤外線検出部３においてシリコン基板１ａの空洞部１１に重な域でサーモパイル３０ａと重ならないように配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、赤外線センサに関するものである。

従来から、シリコン基板と、当該シリコン基板の一表面側に形成された熱型赤外線検出部とを備えた赤外線センサが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

ここで、上記特許文献１に開示された赤外線センサは、図２４に示すように、シリコン基板１ａ’と、当該シリコン基板１ａ’の上記一表面側に形成された熱型赤外線検出部３’とを備えている。図２４に示した構成の赤外線センサは、熱型赤外線検出部３’が、シリコン基板１ａ’の上記一表面側に形成されシリコン基板１ａ’に支持されたダイアフラム部１１３’と、ダイアフラム部１１３’におけるシリコン基板１ａ’側とは反対側に形成された感温部３０’とを備え、シリコン基板１’においてダイアフラム部１１３’に対応する部位に空洞部１１’が形成されている。

また、上述の熱型赤外線検出部３’では、感温部３０’が、シリコン基板１ａ’の上記一表面側において空洞部１１’に重なる領域とシリコン基板１ａ’の空洞部１１’の周部に重なる領域とに跨って形成された細長のｎ形ポリシリコン層（第１の熱電要素）３４’および細長のｐ形ポリシリコン層（第２の熱電要素）３５’と、ｎ形ポリシリコン層３４’とｐ形ポリシリコン層３５’との一端部同士をダイアフラム部１１３’においてシリコン基板１’の空洞部１１’の投影領域で電気的に接合した第１の接続金属部３６’とで構成される複数の熱電対が直列接続されたサーモパイルにより構成されている。ここで、感温部３０’を構成するサーモパイルは、ｐ形ポリシリコン層３５’の上記一端部およびｎ形ポリシリコン層３４’の上記一端部と、対をなすｎ形ポリシリコン層３４’とｐ形ポリシリコン層３５’との上記一端部同士を接合した第１の接続金属部３６’とで温接点Ｔ１’を構成し、互いに異なる熱電対のｐ形ポリシリコン層３５’の他端部およびｎ形ポリシリコン層３４’の他端部と、これら他端部同士を接合した第２の接続金属部３７’とで冷接点Ｔ２’を構成している。

また、上述の熱型赤外線検出部３’では、冷接点Ｔ２’の近傍に、ジュール熱による発熱によって赤外線を放射するポリシリコン層などからなる赤外線放射体２３９’が形成されており、冷接点Ｔ２’の第２の接続金属部３７’が、赤外線放射体２３９’の上方まで延設されている。ここにおいて、熱型赤外線検出部３’では、シリコン基板１ａ’の上記一表面側に、感温部３０’のｎ形ポリシリコン層３４’、ｐ形ポリシリコン層３５’、赤外線放射体２３９’および感温部３０’が形成されていない部位を覆うＢＰＳＧ膜からなる層間絶縁膜５０’が形成されており、冷接点Ｔ２’と赤外線放射体２３９’とが層間絶縁膜５０’により電気的に絶縁されている。また、熱型赤外線検出部３’では、層間絶縁膜５０’および各接続金属部３６’，３７’を覆うようにパッシベーション膜６０’が形成され、パッシベーション膜６０’上において感温部３０’の各温接点Ｔ１’を含む所定領域を覆う赤外線吸収膜１１８’が形成されている。

上述の図２４に示した構成の赤外線センサでは、自己診断回路２００’によって赤外線放射体２３９’へ通電して当該赤外線放射体２３９’から赤外線を放射させ、感温部３０’の出力を自己診断回路２００’により検出して適宜の信号処理を行うことで、感温部３０’が赤外線を正常に検出できるか否かを判定する自己診断を行うことができるので、信頼性の向上を図れる。なお、感温部３０’が赤外線を正常に検出できない場合の原因としては、感温部３０’を構成するサーモパイルの断線や配線の断線などの故障が考えられる。

しかしながら、図２４に示した構成の赤外線センサでは、赤外線放射体２３９’へ通電して当該赤外線放射体２３９’から赤外線を放射させて自己診断回路２００’による自己診断を行う際に、赤外線放射体２３９’が冷接点Ｔ２’へ向けて赤外線を放射するので、サーモパイルからなる感温部３０’に、通常の赤外線検出時とは逆極性の熱起電力が発生するから、自己診断回路２００’の回路構成が複雑になってしまうとともにコストアップの要因となってしまう。

これに対して、上記特許文献１には、図２５に示すように、赤外線放射体２３９’を温接点Ｔ１’の近傍に設け、温接点Ｔ１’の第１の接続金属部３６’を、赤外線放射体２３９’の上方まで延設してある赤外線センサが提案されている。

なお、図２４および図２５に示した構成の赤外線センサでは、シリコン基板１ａ’の他表面側からシリコン基板１ａ’を異方性エッチングすることにより空洞部１１’が形成されているが、シリコン基板１ａ’の上記一表面側からシリコン基板１ａ’を所定深さまで異方性エッチングすることによって空洞部１１’を形成するようにすることで、熱型赤外線検出部３’の熱容量の低減を図ることも考えられる。

特開平７−１８１０８２号公報

しかしながら、図２５に示した構成の赤外線センサでは、温接点Ｔ１’の第１の接続金属部３６’が赤外線放射体２３９’の上方まで延設されているので、温接点Ｔ１’の面積を大きくする必要があり、温接点Ｔ１’の熱容量が大きくなり、感度が低下するとともに熱時定数が長くなって応答速度が低下してしまう。なお、このような応答速度の低下は、赤外線センサを赤外線画像センサ（熱画像センサ）として用いる場合、フレーム周波数の低下の要因となってしまう。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、信頼性の向上を図れるだけでなく感度および応答速度の向上を図れる赤外線センサを提供することにある。

請求項１の発明は、支持基板と、赤外線を吸収して熱に変換する赤外線吸収部および当該赤外線吸収部の温度変化を検出するサーモパイルを有し支持基板の一表面側に形成されて支持基板に支持された熱型赤外線検出部とを備え、支持基板において熱型赤外線検出部の一部の直下に空洞部が形成されてなり、サーモパイルが、第１の熱電要素と第２の熱電要素とを熱型赤外線検出部において支持基板の空洞部に重なる領域で第１の接続金属部により接合することで形成された複数の温接点を有するとともに、第１の熱電要素と第２の熱電要素とを熱型赤外線検出部において空洞部に重ならない領域で第２の接続金属部により接合することで形成された複数の冷接点を有する赤外線センサであって、通電されることにより発生するジュール熱により温接点を温める自己診断用ヒータ部を備え、自己診断用ヒータ部は、熱型赤外線検出部において支持基板の空洞部に重なる領域でサーモパイルと重ならないように配置されていることを特徴とする。

この発明によれば、通電されることにより発生するジュール熱により温接点を温める自己診断用ヒータ部を備えているので、自己診断用ヒータ部へ通電してサーモパイルの出力を測定することにより、サーモパイルの断線などの故障の有無を判断することが可能となって、信頼性の向上を図れ、しかも、自己診断用ヒータ部は、熱型赤外線検出部において支持基板の空洞部に重なる領域でサーモパイルと重ならないように配置されているので、自己診断用ヒータ部によるサーモパイルの温接点の熱容量の増大を防止でき、感度および応答速度の向上を図れる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記熱型赤外線検出部は、前記支持基板の前記一表面側で平面視において前記空洞部を覆う薄膜構造部が形成されており、薄膜構造部は、複数の線状のスリットにより前記空洞部の内周方向に沿って並設されそれぞれ前記熱型赤外線検出部において前記空洞部を囲む部位から内方へ延長された複数の小薄膜構造部に分離され、各小薄膜構造部ごとに前記サーモパイルの温接点が設けられるとともに、前記各サーモパイルごとに出力を取り出す場合に比べて温度変化に対する出力変化が大きくなる接続関係で全ての前記サーモパイルが電気的に接続されてなり、全ての小薄膜構造部に跨って前記自己診断用ヒータ部が形成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、薄膜構造部が、複数の線状のスリットにより前記空洞部の内周方向に沿って並設されそれぞれ前記熱型赤外線検出部において前記空洞部を囲む部位から内方へ延長された複数の小薄膜構造部に分離され、各小薄膜構造部ごとに前記サーモパイルの温接点が設けられるとともに、各サーモパイルごとに出力を取り出す場合に比べて温度変化に対する出力変化が大きくなる接続関係で全てのサーモパイルが電気的に接続されているので、応答速度および感度の向上を図れ、しかも、全ての小薄膜構造部に跨って前記自己診断用ヒータ部が形成されているので、前記熱型赤外線検出部の全ての前記サーモパイルを一括して自己診断することが可能となる。

請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記薄膜構造部における前記小薄膜構造部の数が４以上の偶数であり、前記接続関係は、半数の前記サーモパイルを直列接続した２つの直列回路を並列接続した関係であることを特徴とする。

この発明によれば、前記熱型赤外線検出部において全ての前記サーモパイルが並列接続されている場合や前記各サーモパイルごとに出力を取り出す場合に比べて感度を高めることができ、また、全ての前記サーモパイルが直列接続されている場合に比べて、電気抵抗を小さくできて熱雑音が低減されるから、Ｓ／Ｎ比が向上する。

請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３の発明において、前記自己診断用ヒータ部は、前記第１の熱電要素もしくは前記第２の熱電要素と同じ材料により形成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記自己診断用ヒータ部が前記第１の熱電要素もしくは前記第２の熱電要素と同じ材料により形成されているので、前記自己診断用ヒータ部を前記第１の熱電要素もしくは前記第２の熱電要素と同時に形成することが可能となり、製造プロセスの簡略化による低コスト化を図れる。

請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４の発明において、前記赤外線吸収部および前記自己診断用ヒータ部を備えた複数の画素部が前記支持基板の前記一表面側でアレイ状に設けられてなることを特徴とする。

この発明によれば、各画素部それぞれの前記自己診断用ヒータ部に通電することにより各画素部それぞれの感度のばらつきを把握することが可能となる。

請求項１の発明は、信頼性の向上を図れるだけでなく感度および応答速度の向上を図れるという効果がある。

実施形態の赤外線センサにおける画素部の平面レイアウト図である。 同上の赤外線センサにおける画素部の要部の平面レイアウト図である。 同上の赤外線センサにおける画素部の要部の平面レイアウト図である。 同上の赤外線センサにおける画素部の平面レイアウト図である。 同上の赤外線センサの平面レイアウト図である。 同上の赤外線センサにおける画素部の要部を示し、（ａ）は平面レイアウト図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ’断面に対応する概略断面図である。 同上の赤外線センサにおける画素部の要部を示し、（ａ）は平面レイアウト図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ’断面に対応する概略断面図である。 同上の赤外線センサにおける冷接点を含む要部を示し、（ａ）は平面レイアウト図、（ｂ）は概略断面図である。 同上の赤外線センサにおける温接点を含む要部を示し、（ａ）は平面レイアウト図、（ｂ）は概略断面図である。 同上の赤外線センサにおける画素部の要部の概略断面図である。 同上の赤外線センサにおける画素部の要部の概略断面図である。 同上の赤外線センサの要部説明図である。 同上の赤外線センサの等価回路図である。 同上の赤外線センサを備えた赤外線モジュールの概略断面図である。 同上の赤外線センサの製造方法を説明するための主要工程断面図である。 同上の赤外線センサの製造方法を説明するための主要工程断面図である。 同上の赤外線センサの製造方法を説明するための主要工程断面図である。 同上の赤外線センサの製造方法を説明するための主要工程断面図である。 同上の赤外線センサの他の構成例における画素部の概略断面図である。 同上の赤外線センサの他の構成例における画素部の概略断面図である。 同上の赤外線センサの他の構成例における画素部の概略断面図である。 同上の赤外線センサの他の構成例における画素部の平面レイアウト図である。 同上の赤外線センサの他の構成例における画素部の平面レイアウト図である。 従来例の赤外線センサを示し、（ａ）は概略構成図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ’概略断面図である。 他の従来例の赤外線センサの概略構成図である。

以下、図１〜図１３に基づいて本実施形態の赤外線センサＡを説明する。

本実施形態の赤外線センサＡは、赤外線アレイセンサであって、熱型赤外線検出部３と画素選択用スイッチング素子であるＭＯＳトランジスタ４とを有する複数の画素部２（図５参照）がベース基板１の一表面側においてアレイ状（ここでは、２次元アレイ状）に配列されている。ここで、ベース基板１は、シリコン基板１ａを用いて形成されている。本実施形態では、１つのベース基板１の上記一表面側にｍ×ｎ個（図５および図１３に示した例では、８×８個）の画素部２が形成されているが、画素部２の数や配列は特に限定するものではない。また、本実施形態では、熱型赤外線検出部３の感温部３０が、複数個（ここでは、６個）のサーモパイル３０ａ（図１参照）を直列接続することにより構成されており、図１３では、熱型赤外線検出部３における感温部３０の等価回路を、当該感温部３０の熱起電力に対応する電圧源Ｖｓで表してある。なお、本実施形態では、シリコン基板１ａが、熱型赤外線検出部３を支持する支持基板を構成している。

また、本実施形態の赤外線センサＡは、図１、図６および図１３に示すように、各列の複数の熱型赤外線検出部３の感温部３０の一端が上述のＭＯＳトランジスタ４を介して各列ごとに共通接続された複数の垂直読み出し線７と、各行の熱型赤外線検出部３の感温部３０に対応するＭＯＳトランジスタ４のゲート電極４６が各行ごとに共通接続された複数の水平信号線６と、各列のＭＯＳトランジスタ４のｐ^＋形ウェル領域４１が各列ごとに共通接続された複数のグラウンド線８と、各グラウンド線８が共通接続された共通グラウンド線９と、各列の複数個の熱型赤外線検出部３の感温部３０の他端が各列ごとに共通接続された複数の基準バイアス線５とを備えており、全ての熱型赤外線検出部３の感温部３０の出力を時系列的に読み出すことができるようになっている。要するに、本実施形態の赤外線センサＡは、ベース基板１の上記一表面側に熱型赤外線検出部３と当該熱型赤外線検出部３に並設され当該熱型赤外線検出部３の出力を読み出すためのＭＯＳトランジスタ４とを有する複数の画素部２が形成されている。

ここで、ＭＯＳトランジスタ４は、ゲート電極４６が水平信号線６に接続され、ソース電極４８が感温部３０を介して基準バイアス線５に接続され、各基準バイアス線５が共通基準バイアス線５ａに共通接続され、ドレイン電極４７が垂直読み出し線７に接続されており、各水平信号線６それぞれが各別の画素選択用パッドＶselに電気的に接続され、各垂直読み出し線７それぞれが各別の出力用パッドＶoutに電気的に接続され、共通グラウンド線９がグラウンド用パッドＧndに電気的に接続され、共通基準バイアス線５ａが基準バイアス用パッドＶrefと電気的に接続され、シリコン基板１ａが基板用パッドＶddに電気的に接続されている。

しかして、ＭＯＳトランジスタ４が順次オン状態になるように各画素選択用パッドＶselの電位を制御することで各画素部２の出力電圧を順次読み出すことができる。例えば、基準バイアス用パッドＶrefの電位を１．６５、グラウンド用パッドＧndの電位を０Ｖ、基板用パッドＶddの電位を５Ｖとしておき、画素選択用パッドＶselの電位を５Ｖとすれば、ＭＯＳトランジスタ４がオンとなり、出力用パッドＶoutから画素部２の出力電圧（１．６５Ｖ＋感温部３０の出力電圧）が読み出され、画素選択用パッドＶselの電位を０Ｖとすれば、ＭＯＳトランジスタ４がオフとなり、出力用パッドＶoutから画素部２の出力電圧は読み出されない。なお、図５では、画素選択用パッドＶsel、基準バイアス用パッドＶref、グラウンド用パッドＧnd、出力用パッドＶoutなどを区別せずに全てパッド８０として図示してある。

ここで、図１４に示すように、赤外線センサＡと、当該赤外線センサＡの出力信号である出力電圧を信号処理する信号処理ＩＣチップＢと、赤外線センサＡおよび信号処理ＩＣチップＢが収納されたパッケージＣとを備えた赤外線センサモジュールを構成する場合、信号処理ＩＣチップＢには、赤外線センサＡの各パッド８０それぞれがボンディングワイヤからなる配線８１を介して各別に電気的に接続される複数のパッド（図示せず）、これらのパッドのうち赤外線センサＡの出力用パッドＶoutに接続されているパッド（以下、入力用パッドと称する）の出力電圧を増幅する増幅回路（図示せず）、複数の入力用パッドの出力電圧を択一的に上記増幅回路に入力するマルチプレクサなどを設ければ、赤外線画像を得ることができる。

上述のパッケージＣは、一面が開口した矩形箱状に形成され内底面側に赤外線センサＡおよび信号処理ＩＣチップＢが実装された多層セラミック基板（セラミックパッケージ）からなるパッケージ本体９０と、赤外線センサＡへ赤外線を収束するレンズ１１０を備えパッケージ本体９０の上記一面側に覆着されたメタルリッドよりなるパッケージ蓋１００とで構成されており、パッケージ本体９０とパッケージ蓋１００とで囲まれた気密空間をドライ窒素雰囲気としてある。ここで、パッケージ蓋１００の周部は、パッケージ本体９０の上記一面上に形成された矩形枠状の金属パターン（図示せず）に、シーム溶接により固着されている。なお、パッケージ本体９０は、多層セラミック基板に限らず、例えば、ガラスエポキシ樹脂基板を積層したものを用いてもよい。

ここにおいて、パッケージ本体９０の内面には、シールド用導体パターン９２が形成されており、赤外線センサＡおよび信号処理ＩＣチップＢは、パッケージ本体９０のシールド用導体パターン９２に導電性接合材料（例えば、半田や銀ペーストなど）からなる接合層９５，９５を介して接合されている。なお、赤外線センサＡおよび信号処理ＩＣチップＢとパッケージ本体９０との接合方法は、半田や銀ペーストなどの導電性接合材料を用いた接合法に限らず、例えば、常温接合法や、例えば、Ａｕ−Ｓｎ共晶もしくはＡｕ−Ｓｉ共晶を利用した接合法などを採用してもよい。ただし、常温接合法などの直接接合が可能な接合法の方が、導電性接合材料を用いた接合法に比べて、赤外線センサＡとレンズ１１０との距離精度を向上させる上では有利である。

上述のレンズ１１０の材料は赤外線透過材料の一種であるＳｉであり、当該レンズ１１０は、ＬＩＧＡプロセスを利用して形成したり、陽極酸化技術を応用した半導体レンズの製造方法（例えば、特許第３８９７０５５号公報、特許第３８９７０５６号公報など）などを利用して形成すればよい。また、レンズ１１０は、パッケージ蓋１００の開口窓１０１を閉塞するようにパッケージ蓋１００における開口窓１０１の周部に導電性接着剤（例えば、半田、銀ペーストなどなど）により接着されており、パッケージ本体９０のシールド用導体パターン９２に電気的に接続されている。したがって、上述の赤外線センサモジュールでは、外来の電磁ノイズに起因したＳ／Ｎ比の低下を防止することができる。なお、レンズ１１０には、必要に応じて、屈折率の異なる複数種類の薄膜を交互に積層することにより形成される適宜の赤外線光学フィルタ部（バンドパスフィルタ部、広帯域遮断フィルタ部など）を設けるようにしてもよい。

また、上述の赤外線センサモジュールでは、赤外線センサＡのベース基板１は、外周形状が矩形状であり、赤外線センサＡの全てのパッド８０がベース基板１の外周縁の一辺に沿って並設され、信号処理ＩＣチップＢは、外周形状が矩形状であり、赤外線センサＡの各パッド８０に電気的に接続される上記各パッドが信号処理ＩＣチップＢの外周縁の一辺に沿って並設されており、赤外線センサＡのベース基板１と信号処理ＩＣチップＢとの上記一辺同士が他の辺同士に比べて近くなるように赤外線センサＡおよび信号処理ＩＣチップＢが配置されているので、赤外線センサＡの各パッド８０と信号処理ＩＣチップＢの上記各パッドとを接続する配線８１を短くでき、外来ノイズの影響を低減できるから、耐ノイズ性が向上する。

以下、熱型赤外線検出部３およびＭＯＳトランジスタ４それぞれの構造について説明する。なお、本実施形態では、上述のシリコン基板１ａとして、導電形がｎ形で上記一表面が（１００）面の単結晶シリコン基板を用いている。

熱型赤外線検出部３は、シリコン基板１ａの上記一表面側の各画素部２それぞれにおける熱型赤外線検出部３の形成用領域Ａ１に形成されており、ＭＯＳトランジスタ４は、シリコン基板１ａの上記一表面側の各画素部２それぞれにおけるＭＯＳトランジスタ４の形成用領域Ａ２に形成されている。

ところで、各画素部２は、赤外線を吸収する赤外線吸収部３３（図１および図６（ｂ）参照）を備えており、各画素部２では、シリコン基板１ａに赤外線吸収部３３を当該ベース基板１から熱絶縁するための空洞部（掘込部）１１が形成され、シリコン基板１ａの上記一表面側で平面視において空洞部１１の内周線の内側に赤外線吸収部３３を有し空洞部１１を覆う薄膜構造部３ａが形成されている。また、各画素部２では、薄膜構造部３ａが複数の線状のスリット１３により空洞部１１の内周方向に沿って並設されそれぞれ熱型赤外線検出部３において空洞部１１を囲む部位（平面視で空洞部１１を囲む部位）から内方へ延長された複数（図１に示した例では、６つ）の小薄膜構造部３ａａに分離され、各小薄膜構造部３ａａごとにサーモパイル３０ａが設けられるとともに、各サーモパイル３０ａごとに出力を取り出す場合に比べて温度変化に対する出力変化が大きくなるように全てのサーモパイル３０ａが直列接続されており、隣接する小薄膜構造部３ａａ，３ａａ同士を連結する連結片３ｃが形成されている。以下では、赤外線吸収部３３のうち各小薄膜構造部３ａａそれぞれに対応して分割された各部位を分割赤外線吸収部３３ａと称する。

本実施形態では、薄膜構造部３ａに形成された複数のサーモパイル３０ａの全て、上述の例では、６つ全てのサーモパイル３０ａを直列接続した接続関係としてあるが、これに限らず、例えば、それぞれ３個のサーモパイル３０ａの直列回路を並列接続するようにしてもよく、この場合には、６つ全てのサーモパイル３０ａが並列接続されている場合や各サーモパイル３０ａごとに出力を取り出す場合に比べて感度を高めることができ、また、６つ全てのサーモパイル３０ａが直列接続されている場合に比べて、感温部３０の電気抵抗を低くできて熱雑音が低減されるから、Ｓ／Ｎ比が向上する。ここにおいて、薄膜構造部３ａにおける小薄膜構造部３ａａの数に等しいサーモパイル３０ａの数は４以上の偶数であればよく、半数のサーモパイル３０ａを直列接続し、その直列回路を並列接続した接続関係とすれば、同様に感度を高めることができるとともにＳ／Ｎ比を向上できる。

ここで、画素部２では、小薄膜構造部３ａａごとに、熱型赤外線検出部３において空洞部１１を囲む部位と分割赤外線吸収部３３ａとを連結する２つの平面視短冊状のブリッジ部３ｂｂ，３ｂｂが空洞部１１の内周方向に離間して形成されており、当該２つのブリッジ部３ｂｂ，３ｂｂと分割赤外線吸収部３３ａとを空間的に分離し空洞部１１に連通する平面視コ字状のスリット１４が形成されている。ここにおいて、熱型赤外線検出部３のうち平面視において薄膜構造部３ａを囲む部位は矩形枠状の形状となっている。なお、ブリッジ部３ｂｂは、赤外線吸収部３３および熱型赤外線検出部３において空洞部１１を囲む部位それぞれとの連結部位以外の部分が上述の各スリット１３，１４により分割赤外線吸収部３３ａおよび熱型赤外線検出部３において空洞部１１を囲む部位と空間的に分離されている。ここで、小薄膜構造部３ａａの熱型赤外線検出部３において空洞部１１を囲む部位からの延長方向の寸法を９３μｍ、小薄膜構造部３ａａの延長方向に直交する幅方向の寸法を７５μｍ、各ブリッジ部３ｂｂの幅寸法を２３μｍ、各スリット１３，１４の幅を５μｍに設定してあるが、これらの値は一例であって特に限定するものではない。

上述の薄膜構造部３ａは、シリコン基板１ａの上記一表面側に形成されたシリコン酸化膜１ｂと、当該シリコン酸化膜１ｂ上に形成されたシリコン窒化膜３２と、当該シリコン窒化膜３２上に形成された感温部３０と、シリコン窒化膜３２の表面側で感温部３０を覆うように形成されたＢＰＳＧ膜からなる層間絶縁膜５０と、層間絶縁膜５０上に形成されたＰＳＧ膜と当該ＰＳＧ膜上に形成されたＮＳＧ膜との積層膜からなるパッシベーション膜６０との積層構造部をパターニングすることにより形成されている。

本実施形態では、シリコン窒化膜３２のうち薄膜構造部３ａのブリッジ部３ｂｂ，３ｂｂ以外の部位が上述の赤外線吸収部３３を構成し、シリコン基板１ａとシリコン酸化膜１ｂとシリコン窒化膜３２と層間絶縁膜５０とパッシベーション膜６０とでベース基板１を構成している。また、本実施形態では、層間絶縁膜５０とパッシベーション膜６０との積層膜が、熱型赤外線検出部３の形成用領域Ａ１とＭＯＳトランジスタ４の形成用領域Ａ２とに跨って形成されているが、熱型赤外線検出部３の形成用領域Ａ１に形成された部分が赤外線吸収膜７０（図６（ｂ）参照）を兼ねている。ここで、赤外線吸収膜７０の屈折率をｎ_２、検出対象の赤外線の中心波長をλとするとき、赤外線吸収膜７０の厚さｔ２をλ／４ｎ_２に設定するようにしているので、検出対象の波長（例えば、８〜１２μｍ）の赤外線の吸収効率を高めることができ、高感度化を図れる。例えば、ｎ_２＝１．４、λ＝１０μｍの場合には、ｔ２≒１．８μｍとすればよい。なお、本実施形態では、層間絶縁膜５０の膜厚を０．８μｍ、パッシベーション膜６０の膜厚を１μｍ（ＰＳＧ膜の膜厚を０．５μｍ、ＮＳＧ膜の膜厚を０．５μｍ）としてある。また、赤外線吸収膜７０は、上述の構成に限らず、例えば、シリコン窒化膜により構成してもよい。

また、各画素部２では、空洞部１１の内周形状が矩形状であり、連結片３ｃは、平面視十字状に形成されており、小薄膜構造部３ａａの延長方向に交差する斜め方向において隣接する小薄膜構造部３ａａ，３ａａ同士、小薄膜構造部３ａａの延長方向において隣接する小薄膜構造部３ａａ，３ａａ同士、小薄膜構造部３ａａの延長方向に直交する方向において隣接する小薄膜構造部３ａａ，３ａａ同士を連結している。

サーモパイル３０ａは、シリコン窒化膜３２上に形成され小薄膜構造部３ａａとベース基板１とに跨って形成された細長のｎ形ポリシリコン層（第１の熱電要素）３４と細長のｐ形ポリシリコン層（第２の熱電要素）３５との一端部同士を分割赤外線吸収部３３ａの赤外線入射面側で金属材料（例えば、Ａｌ−Ｓｉなど）からなる第１の接続金属部３６により電気的に接続した複数個（図１に示した例では、９個）の熱電対を有しており、ベース基板１の上記一表面側で互いに隣り合う熱電対のｎ形ポリシリコン層３４の他端部とｐ形ポリシリコン層３５の他端部とが金属材料（例えば、Ａｌ−Ｓｉなど）からなる第２の接続金属部３７により接合され電気的に接続されている。ここで、サーモパイル３０ａは、ｎ形ポリシリコン層３４の上記一端部とｐ形ポリシリコン層３５の上記一端部と第１の接続金属部３６とで分割赤外線吸収部３３ａ側の温接点Ｔ１を構成し、ｎ形ポリシリコン層３４の上記他端部とｐ形ポリシリコン層３５の上記他端部と第２の接続金属部３７とでベース基板１側の冷接点Ｔ２を構成している。要するに、サーモパイル３０ａの各温接点Ｔ１は、熱型赤外線検出部３において空洞部１１に重なる領域に形成され、各冷接点Ｔ２は、熱型赤外線検出部３において空洞部１１に重ならない領域に形成されている。なお、本実施形態の赤外線センサＡでは、サーモパイル３０ａの各ｎ形ポリシリコン層３４および各ｐ形ポリシリコン層３５それぞれにおいて上述のブリッジ部３ｂｂ，３ｂｂに形成されている部位およびベース基板１のシリコン窒化膜３２上に形成されている部位でも赤外線を吸収することができる。

また、本実施形態の赤外線センサＡでは、上述の空洞部１１の形状が四角錘状であり、平面視における中央部の方が周部に比べて深さ寸法が大きくなっているので、薄膜構造部３ａの中央部に温接点Ｔ１が集まるように各画素部２におけるサーモパイル３０ａの平面レイアウトを設計してある。すなわち、図１の上下方向における真ん中の２つの小薄膜構造部３ａａでは、図１および図２に示すように、３つの小薄膜構造部３ａａの並設方向に沿って温接点Ｔ１を並べて配置してあるのに対し、当該上下方向における上側の２つの小薄膜構造部３ａａでは、図１および図３に示すように、３つの小薄膜構造部３ａａの並設方向において真ん中の小薄膜構造部３ａａに近い側に温接点Ｔ１を集中して配置してあり、当該上下方向における下側の２つの小薄膜構造部３ａａでは、図１に示すように、３つの小薄膜構造部３ａａの並設方向において真ん中の小薄膜構造部３ａａに近い側に温接点Ｔ１を集中して配置してある。しかして、本実施形態の赤外線センサＡでは、図１の上下方向における上側、下側の小薄膜構造部３ａａの複数の温接点Ｔ１の配置が、真ん中の小薄膜構造部３ａａの複数の温接点Ｔ１の配置と同じである場合に比べて、温接点Ｔ１の温度変化を大きくできるので、感度を向上できる。

また、小薄膜構造部３ａａは、シリコン窒化膜３２の赤外線入射面側においてサーモパイル３０ａを形成していない領域に、小薄膜構造部３ａａの反りを抑制するとともに赤外線を吸収するｎ形ポリシリコン層からなる赤外線吸収層３９（図１、図６および図１０参照）が形成されている。また、隣接する小薄膜構造部３ａａ，３ａａ同士を連結する連結片３ｃには、当該連結片３ｃを補強するｎ形ポリシリコン層からなる補強層３９ｂ（図７参照）が設けられている。ここで、補強層３９ｂは、赤外線吸収層３９と連続一体に形成されている。しかして、本実施形態の赤外線センサＡでは、連結片３ｃが補強層３９ｂにより補強されているので、使用中の外部の温度変化や衝撃に起因して発生する応力による破損を防止でき、また、製造時の破損を低減でき、製造歩留まりの向上を図れる。なお、本実施形態では、図７に示す連結片３ｃの長さ寸法Ｌ１を２４μｍ、幅寸法Ｌ２を５μｍ、補強層３９ｂの幅寸法Ｌ３を１μｍに設定してあるが、これらの数値は一例であり、特に限定するものではない。ただし、本実施形態のようにベース基板１がシリコン基板１ａを用いて形成され、補強層３９ｂがｎ形ポリシリコン層により形成される場合には、空洞部１１の形成時に補強層３９ｂがエッチングされるのを防止するために、補強層３９ｂの幅寸法は、連結片３ｃの幅寸法よりも小さく設定し、平面視において補強層３９ｂの両側縁が連結片３ｃの両側縁よりも内側に位置する必要がある。

また、本実施形態の赤外線センサＡは、図７および図１２（ｂ）に示すように、連結片３ｃの両側縁と小薄膜構造部３ａａの側縁との間にそれぞれ面取り部３ｄ，３ｄが形成され、十字状の連結片３ｃの略直交する側縁間にも面取り部３ｅが形成されている。しかして、本実施形態の赤外線センサＡでは、図１２（ａ）に示すように面取り部が形成されていない場合に比べて連結片３ｃと小薄膜構造部３ａａとの連結部位での応力集中を緩和でき、製造時に発生する残留応力を低減できるとともに製造時の破損を低減でき、製造歩留まりの向上を図れる。また、使用中の外部の温度変化や衝撃に起因して発生する応力による破損を防止できる。なお、図７に示した例では、各面取り部３ｄ，３ｅをＲが３μｍのＲ面取り部としてあるが、Ｒ面取り部に限らず、例えば、Ｃ面取り部としてもよい。

ところで、本実施形態の赤外線センサＡは、通電されることにより発生するジュール熱により温接点Ｔ１を温める自己診断用ヒータ部（故障診断用配線）１３９を備えている。ここにおいて、自己診断用ヒータ部１３９は、熱型赤外線検出部３においてシリコン基板１ａの空洞部１１に重なる領域でサーモパイル３０ａと重ならないように配置されている。ここで、熱型赤外線検出部３は、全ての小薄膜構造部３ａａに跨って自己診断用ヒータ部１３９が形成されている。

具体的には、本実施形態の赤外線センサＡは、各画素部２に、熱型赤外線検出部３において空洞部１１を囲む部位と一方のブリッジ部３ｂｂと分割赤外線吸収部３３ａと他方のブリッジ部３ｂｂと熱型赤外線検出部３において空洞部１１を囲む部位とに跨るように引き回された自己診断用ヒータ部１３９を設けて、全ての自己診断用ヒータ部１３９を直列接続してある。しかして、本実施形態の赤外線センサＡでは、製造途中での検査時や使用時において、ｍ×ｎ個の自己診断用ヒータ部１３９の直列回路への通電の有無によって、ブリッジ部３ｂｂの折れや自己診断用ヒータ部１３９の断線などを検出することができる。また、本実施形態の赤外線センサでは、上述の検査時や使用時において、ｍ×ｎ個の自己診断用ヒータ部１３９の直列回路へ通電して各感温部３０の出力を検出することにより、感温部３０の断線の有無や感度のばらつき（感温部３０の出力のばらつき）などを検知することが可能となる。ここにおいて、感度のばらつきに関しては、画素部２ごとの感度のばらつきを検知することが可能であり、例えば、薄膜構造部３ａの反りや薄膜構造部３ａのシリコン基板１ａへのスティッキングなどに起因した感度のばらつきを検知することが可能となる。ここで、本実施形態の赤外線センサＡでは、平面視において、自己診断用ヒータ部１３９を複数の温接点Ｔ１の群の付近において折り返され蛇行した形状としてあるので、自己診断用ヒータ部１３９へ通電することにより発生するジュール熱によって、各温接点Ｔ１を効率良く温めることができる。ここにおいて、自己診断用ヒータ部１３９は、ｎ形ポリシリコン層３４およびｐ形ポリシリコン層３５と同一平面上に同一厚さで形成されている。

上述の赤外線吸収層３９、補強層３９ｂおよび自己診断用ヒータ部１３９は、第１の熱電要素であるｎ形ポリシリコン層３４と同じｎ形不純物（例えば、リンなど）を同じ不純物濃度（例えば、１０^１８〜１０^２０ｃｍ^−３）で含んでおり、ｎ形ポリシリコン層３４に同時に形成されている。また、ｐ形ポリシリコン層３５のｐ形不純物として例えばボロンを採用すればよく、不純物濃度を例えば１０^１８〜１０^２０ｃｍ^−３程度の範囲で適宜設定すればよい。本実施形態では、ｎ形ポリシリコン層３４およびｐ形ポリシリコン層３５それぞれの不純物濃度が１０^１８〜１０^２０ｃｍ^−３であり、熱電対の抵抗値を低減でき、Ｓ／Ｎ比の向上を図れる。なお、赤外線吸収層３９、補強層３９ｂおよび自己診断用ヒータ部１３９は、ｎ形ポリシリコン層３４と同じｎ形不純物を同じ不純物濃度でドーピングしてあるが、これに限らず、例えば、第２の熱電要素であるｐ形ポリシリコン層３５と同じ不純物を同じ不純物濃度でドーピングするようにしてもよい。

ところで、本実施形態では、ｎ形ポリシリコン層３４、ｐ形ポリシリコン層３５、赤外線吸収層３９、補強層３９ｂおよび自己診断用ヒータ部１３９の屈折率をｎ_１、検出対象の赤外線の中心波長をλとするとき、ｎ形ポリシリコン層３４、ｐ形ポリシリコン層３５、赤外線吸収層３９、補強層３９ｂおよび自己診断用ヒータ部１３９それぞれの厚さｔ１をλ／４ｎ_１に設定するようにしているので、検出対象の波長（例えば、８〜１２μｍ）の赤外線の吸収効率を高めることができ、高感度化を図れる。例えば、ｎ_１＝３．６、λ＝１０μｍの場合には、ｔ１≒０．６９μｍとすればよい。

また、本実施形態では、ｎ形ポリシリコン層２４、ｐ形ポリシリコン層３５、赤外線吸収層３９、補強層３９ｂおよび自己診断用ヒータ部１３９それぞれの不純物濃度が１０^１８〜１０^２０ｃｍ^−３であるので、赤外線の吸収率を高くしつつ赤外線の反射を抑制することができて、感温部３０の出力のＳ／Ｎ比を高めることができ、また、赤外線吸収層３９、補強層３９ｂおよび自己診断用ヒータ部１３９をｎ形ポリシリコン層３４と同一工程で形成できるから、低コスト化を図れる。

ここで、感温部３０の第１の接続金属部３６と第２の接続金属部３７とは、シリコン基板１ａの上記一表面側において上述の層間絶縁膜５０により絶縁分離されている（図８および図９参照）。すなわち、温接点Ｔ１側の第１の接続金属部３６は、層間絶縁膜５０に形成したコンタクトホール５０ａ_１，５０ａ_２を通して両ポリシリコン層３４，３５の上記各一端部と電気的に接続され、冷接点Ｔ２側の第２の接続金属部３７は、層間絶縁膜５０に形成されたコンタクトホール５０ａ_３，５０ａ_４を通して両ポリシリコン層３４，３５の上記各他端部と電気的に接続されている。

また、ＭＯＳトランジスタ４は、上述のように、シリコン基板１ａの上記一表面側における各画素部２それぞれにおけるＭＯＳトランジスタ４の形成用領域Ａ２に形成されている。ここで、ＭＯＳトランジスタ４は、図６および図１１に示すように、シリコン基板１ａの上記一表面側にｐ^＋形ウェル領域４１が形成され、ｐ^＋形ウェル領域４１内に、ｎ^＋形ドレイン領域４３とｎ^＋形ソース領域４４とが離間して形成されている。また、ｐ^＋形ウェル領域４１内には、ｎ^＋形ドレイン領域４３とｎ^＋形ソース領域４４とを囲むｐ^＋＋形チャネルストッパ領域４２が形成されている。また、ｐ^＋形ウェル領域４１においてｎ^＋形ドレイン領域４３とｎ^＋形ソース領域４４との間に位置する部位の上には、シリコン酸化膜（熱酸化膜）からなるゲート絶縁膜４５を介してｎ形ポリシリコン層からなるゲート電極４６が形成されている。また、ｎ^＋形ドレイン領域４３上には金属材料（例えば、Ａｌ−Ｓｉなど）からなるドレイン電極４７が形成され、ｎ^＋形ソース領域４４上には金属材料（例えば、Ａｌ−Ｓｉなど）からなるソース電極４８が形成されている。ここで、ゲート電極４６、ドレイン電極４７およびソース電極４８は、上述の層間絶縁膜５０により絶縁分離されている。すなわち、ドレイン電極４７は、層間絶縁膜５０に形成したコンタクトホール５０ｄを通してｎ^＋形ドレイン領域４３と電気的に接続され、ソース電極４８は、層間絶縁膜５０に形成したコンタクトホール５０ｅを通してｎ^＋形ソース領域４４と電気的に接続されている。

ところで、本実施形態の赤外線センサＡの各画素部２では、ＭＯＳトランジスタ４のソース電極４８と感温部３０の一端とが電気的に接続され、感温部３０の他端が基準バイアス線５に電気的に接続されている。また、本実施形態の赤外線センサＡの各画素部２では、ＭＯＳトランジスタ４のドレイン電極４７が垂直読み出し線７と電気的に接続され、ゲート電極４６が当該ゲート電極４６と連続一体に形成されたｎ形ポリシリコン配線からなる水平信号線６と電気的に接続されている。また、各画素部２では、ＭＯＳトランジスタ４のｐ^＋＋形チャネルストッパ領域４２上に金属材料（例えば、Ａｌ−Ｓｉなど）からなるグラウンド用電極４９が形成されており、当該グラウンド用電極４９が、当該ｐ^＋＋形チャネルストッパ領域４２をｎ^＋形ドレイン領域４３およびｎ^＋形ソース領域４４よりも低電位にバイアスして素子分離するための共通グラウンド線８と電気的に接続されている。なお、グラウンド用電極４９は、層間絶縁膜５０に形成したコンタクトホール５０ｆを通してｐ^＋＋形チャネルストッパ領域４２と電気的に接続されている。

以下、本実施形態の赤外線センサＡの製造方法について図１５〜図１８を参照しながら簡説明する。

まず、シリコン基板１ａの上記一表面側に第１の所定膜厚（例えば、０．３μｍ）の第１のシリコン酸化膜３１と第２の所定膜厚（例えば、０．１μｍ）のシリコン窒化膜３２との積層膜からなる絶縁層を形成する絶縁層形成工程を行い、その後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して当該絶縁層のうち熱型赤外線検出部３の形成用領域Ａ１に対応する部分の一部を残してＭＯＳトランジスタ４の形成用領域Ａ２に対応する部分をエッチング除去する絶縁層パターニング工程を行うことによって、図１５（ａ）に示す構造を得る。ここにおいて、シリコン酸化膜３１は、シリコン基板１ａを所定温度（例えば、１１００℃）で熱酸化することにより形成し、シリコン窒化膜３２は、ＬＰＣＶＤ法により形成している。

上述の絶縁層パターニング工程の後、シリコン基板１ａの上記一表面側にｐ^＋形ウェル領域４１を形成するウェル領域形成工程を行い、続いて、シリコン基板１の上記一表面側におけるｐ^＋形ウェル領域４１内にｐ^＋＋形チャネルストッパ領域４２を形成するチャネルストッパ領域形成工程を行うことによって、図１５（ｂ）に示す構造を得る。ここで、ウェル領域形成工程では、シリコン基板１ａの上記一表面側の露出部位を所定温度で熱酸化することにより第２のシリコン酸化膜（熱酸化膜）５１を選択的に形成し、その後、ｐ^＋形ウェル領域４１を形成するためのマスクを利用したフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用してシリコン酸化膜５１をパターニングし、続いて、ｐ形不純物（例えば、ボロンなど）のイオン注入を行ってから、ドライブインを行うことにより、ｐ^＋形ウェル領域４１を形成する。また、チャネルストッパ領域形成工程では、シリコン基板１ａの上記一表面側を所定温度で熱酸化することにより第３のシリコン酸化膜（熱酸化膜）５２を選択的に形成し、その後、ｐ^＋＋形チャネルストッパ領域４２を形成するためのマスクを利用したフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して第３のシリコン酸化膜５２をパターニングし、続いて、ｐ形不純物（例えば、ボロンなど）のイオン注入を行ってから、ドライブインを行うことにより、ｐ^＋＋形チャネルストッパ領域４２を形成する。なお、第１のシリコン酸化膜３１と第２のシリコン酸化膜５１と第３のシリコン酸化膜５２とでシリコン基板１ａの上記一表面側のシリコン酸化膜１ｂを構成している。

上述のチャネルストッパ領域形成工程の後、ｐ^＋形ウェル領域４１におけるｎ^＋形ドレイン領域４３およびｎ^＋形ソース領域４４それぞれの形成予定領域にｎ形不純物（例えば、リンなど）のイオン注入を行ってからドライブを行うことによりｎ^＋形ドレイン領域４３およびｎ^＋形ソース領域４４を形成するソース・ドレイン形成工程を行い、当該ソース・ドレイン形成工程の後、シリコン基板１ａの上記一表面側に熱酸化により所定膜厚（例えば、６００Å）のシリコン酸化膜（熱酸化膜）からなるゲート絶縁膜４５を形成するゲート絶縁膜形成工程を行い、続いて、シリコン基板１ａの上記一表面側の全面にゲート電極４６、水平信号線６（図１参照）、ｎ形ポリシリコン層３４、ｐ形ポリシリコン層３５、赤外線吸収層３９、補強層３９ｂおよび自己診断用ヒータ部１３９の基礎となる所定膜厚（例えば、０．６９μｍ）のノンドープポリシリコン層をＬＰＣＶＤ法により形成するポリシリコン層形成工程を行い、その後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して上記ノンドープポリシリコン層のうちゲート電極４６、水平信号線６、ｎ形ポリシリコン層３４、ｐ形ポリシリコン層３５、赤外線吸収層３９、補強層３９ｂおよび自己診断用ヒータ部１３９それぞれに対応する部分が残るようにパターニングするポリシリコン層パターニング工程を行い、続いて、上記ノンドープポリシリコン層のうちｐ形ポリシリコン層３５に対応する部分にｐ形不純物（例えば、ボロンなど）のイオン注入を行ってからドライブを行うことによりｐ形ポリシリコン層３５を形成するｐ形ポリシリコン層形成工程を行い、その後、上記ノンドープポリシリコン層のうちｎ形ポリシリコン層３４、赤外線吸収層３９、補強層３９ｂ、自己診断用ヒータ部１３９、ゲート電極４６および水平信号線６に対応する部分にｎ形不純物（例えば、リンなど）のイオン注入を行ってからドライブを行うことによりｎ形ポリシリコン層３４、赤外線吸収層３９、補強層３９ｂ、自己診断用ヒータ部１３９、ゲート電極４６および水平信号線６を形成するｎ形ポリシリコン層形成工程を行うことによって、図１６（ａ）に示す構造を得る。なお、ｐ形ポリシリコン層形成工程とｎ形ポリシリコン層形成工程との順序は逆でもよい。

上述のｐ形ポリシリコン層形成工程およびｎ形ポリシリコン層形成工程が終了した後、シリコン基板１ａの上記一表面側に層間絶縁膜５０を形成する層間絶縁膜形成工程を行い、続いて、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して層間絶縁膜５０に上記各コンタクトホール５０ａ_１，５０ａ_２，５０ａ_３，５０ａ_４，５０ｄ，５０ｅ，５０ｆ（図８、図９および図１１参照）を形成するコンタクトホール形成工程を行うことによって、図１６（ｂ）に示す構造を得る。ここで、層間絶縁膜形成工程では、シリコン基板１ａの上記一表面側に所定膜厚（例えば、０．８μｍ）のＢＰＳＧ膜をＣＶＤ法により堆積させてから、所定温度（例えば、８００℃）でリフローすることにより平坦化された層間絶縁膜５０を形成する。

上述のコンタクトホール形成工程の後、シリコン基板１ａの上記一表面側の全面に第１の接続金属部３６、第２の接続金属部３７、ドレイン電極４７、ソース電極４８、基準バイアス線５、垂直読み出し線７、グラウンド線８、共通グラウンド線９および各パッドＶout，Ｖsel，Ｖref，Ｖdd，Ｇndなど（図１３参照）の基礎となる所定膜厚（例えば、２μｍ）の金属膜（例えば、Ａｌ−Ｓｉ膜）をスパッタ法などにより形成する金属膜形成工程を行い、続いて、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して金属膜をパターニングすることで第１の接続金属部３６、第２の接続金属部３７、ドレイン電極４７、ソース電極４８、基準バイアス線５、垂直読み出し線７、グラウンド線８、共通グラウンド線９および各パッドＶout，Ｖsel，Ｖref，Ｖdd，Ｇndなどを形成する金属膜パターニング工程を行うことによって、図１７（ａ）に示す構造を得る。なお、金属膜パターニング工程におけるエッチングはＲＩＥにより行っている。また、この金属膜パターニング工程を行うことにより、温接点Ｔ１および冷接点Ｔ２が形成される。

上述の金属膜パターニング工程の後、シリコン基板１ａの上記一表面側（つまり、層間絶縁膜５０の表面側）に所定膜厚（例えば、０．５μｍ）のＰＳＧ膜と所定膜厚（例えば、０．５μｍ）のＮＳＧ膜との積層膜からなるパッシベーション膜６０をＣＶＤ法により形成するパッシベーション膜形成工程を行うことによって、図１７（ｂ）に示す構造を得る。なお、パッシベーション膜６０は、ＰＳＧ膜とＮＳＧ膜との積層膜に限らず、例えば、シリコン窒化膜でもよい。

上述のパッシベーション膜形成工程の後、シリコン酸化膜３１とシリコン窒化膜３２との積層膜からなる熱絶縁層と、当該熱絶縁層上に形成された感温部３０と、熱絶縁層の表面側で感温部３０を覆うように形成された層間絶縁膜５０と、層間絶縁膜５０上に形成されたパッシベーション膜６０との積層構造部をパターニングすることにより上述の小薄膜構造部３ａａを形成する積層構造部パターニング工程を行うことによって、図１８（ａ）に示す構造を得る。なお、積層構造部パターニング工程において、上述の各スリット１３，１４を形成している。

上述の積層構造部パターニング工程の後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して各パッドＶout，Ｖsel，Ｖref，Ｖdd，Ｇndを露出させるパッド用開口部（図示せず）を形成するパッド用開口部形成工程を行い、続いて、上述の各スリット１３，１４をエッチャント導入孔として所定のエッチャントを導入してシリコン基板１ａを異方性エッチングすることによりシリコン基板１ａに空洞部１１を形成する空洞部形成工程を行うことによって、図１８（ｂ）に示す構造の画素部２が２次元アレイ状に配列された赤外線センサＡを得る。ここで、パッド用開口部形成工程におけるエッチングはＲＩＥにより行っている。また、空洞部形成工程では、上記所定のエッチャントとして所定温度（例えば、８５℃）に加熱したＴＭＡＨ溶液を用いているが、上記エッチャントはＴＭＡＨ溶液に限らず、他のアルカリ系溶液（例えば、エチレンジアミンピロカテコール：ＥＤＰなど）を用いてもよい。なお、空洞部形成工程が終了するまでの全工程はウェハレベルで行うので、空洞部形成工程が終了した後、個々の赤外線センサＡに分離する分離工程を行えばよい。また、上述の説明から分かるように、ＭＯＳトランジスタ４の製造方法に関してみれば、周知の一般的なＭＯＳトランジスタの製造方法を採用しており、熱酸化による熱酸化膜の形成、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術による熱酸化膜のパターニング、不純物のイオン注入、ドライブイン（不純物の拡散）の基本工程を繰り返すことにより、ｐ^＋形ウェル領域４１、ｐ^＋＋形チャネルストッパ領域４２、ｎ^＋形ドレイン領域４３とｎ^＋形ソース領域４４を形成している。

以上説明した本実施形態の赤外線センサＡによれば、通電されることにより発生するジュール熱により温接点Ｔ１を温める自己診断用ヒータ部１３９を備えているので、自己診断用ヒータ部１３９へ通電してサーモパイル３０ａの出力を測定することにより、サーモパイル３０ａの断線などの故障の有無を判断することが可能となって、信頼性の向上を図れ、しかも、自己診断用ヒータ部１３９は、熱型赤外線検出部３において支持基板であるシリコン基板１ａの空洞部１１に重なる領域でサーモパイル３０ａと重ならないように配置されているので、自己診断用ヒータ部１３９によるサーモパイル３０ａの温接点Ｔ１の熱容量の増大を防止でき、感度および応答速度の向上を図れる。

ここにおいて、本実施形態の赤外線センサＡは、使用時において自己診断を行わない通常時は、自己診断用ヒータ部１３９も外部からの赤外線を吸収するので、複数の冷接点Ｔ１の温度の均一化を図れ、感度の向上を図れる。なお、本実施形態の赤外線センサＡでは、赤外線吸収層３９および補強層３９ｂも外部からの赤外線を吸収するので、複数の冷接点Ｔ１の温度の均一化を図れ、感度の向上を図れる。なお、本実施形態の赤外線センサＡの使用時の自己診断は、上述の信号処理ＩＣチップ５（図１４参照）に設けられた自己診断回路（図示せず）により定期的に行われるが、必ずしも定期的に行う必要はない。

また、本実施形態の赤外線センサＡでは、薄膜構造部３ａが、複数の線状のスリット１３により空洞部１１の内周方向に沿って並設されそれぞれ熱型赤外線検出部３において空洞部１１を囲む部位から内方へ延長された複数の小薄膜構造部３ａａに分離され、各小薄膜構造部３ａａごとにサーモパイル３０ａの温接点Ｔ１が設けられるとともに、各サーモパイル３０ａごとに出力を取り出す場合に比べて温度変化に対する出力変化が大きくなる接続関係で全てのサーモパイル３０ａが電気的に接続されているので、応答速度および感度の向上を図れ、しかも、全ての小薄膜構造部３ａａに跨って自己診断用ヒータ部１３９が形成されているので、熱型赤外線検出部３の全てのサーモパイル３０ａを一括して自己診断することが可能となる。また、本実施形態の赤外線センサＡでは、隣接する小薄膜構造部３ａａ，３ａａ同士を連結する連結片３ｃが形成されていることにより、各小薄膜構造部３ａａの反りを低減でき、構造安定性の向上を図れ、感度が安定する。

また、本実施形態の赤外線センサＡでは、ｎ形ポリシリコン層３４とｐ形ポリシリコン層３５と赤外線吸収層３９と補強層３９ｂと自己診断用ヒータ部１３９とが同一の厚さに設定されているので、小薄膜構造部３ａａの応力バランスの均一性が向上し、小薄膜構造部３ａａの反りを抑制することができ、製品ごとの感度のばらつきや、画素部２ごとの感度のばらつきを低減できる。

また、本実施形態の赤外線センサＡは、自己診断用ヒータ部１３９が、第１の熱電要素であるｎ形ポリシリコン層３４もしくは第２の熱電要素であるｐ形ポリシリコン層３５と同じ材料により形成されているので、自己診断用ヒータ部１３９を第１の熱電要素もしくは第２の熱電要素と同時に形成することが可能となり、製造プロセスの簡略化による低コスト化を図れる。

また、本実施形態の赤外線センサＡでは、シリコン窒化膜３２の赤外線入射面側に、ｎ形ポリシリコン層３４およびｐ形ポリシリコン層３５の他に、赤外線吸収層３９、補強層３９ｂ、自己診断用ヒータ部１３９が形成されているので、ｎ形ポリシリコン層３４およびｐ形ポリシリコン層３５の形成時にシリコン窒化膜３２がエッチングされて薄くなるのを抑制する（ここでは、上述のポリシリコン層パターニング工程でｎ形ポリシリコン層３４およびｐ形ポリシリコン層３５の基礎となるノンドープポリシリコン層をエッチングする際のオーバーエッチング時にシリコン窒化膜３２がエッチングされて薄くなるのを抑制する）ことができるとともに薄膜構造部３ａの応力バランスの均一性を高めることができ、赤外線吸収部３３の薄膜化を図りながらも小薄膜構造部３ａａの反りを防止することが可能となり、感度の向上を図れる。ここで、ｎ形ポリシリコン層３４、ｐ形ポリシリコン層３５、赤外線吸収層３９、補強層３９ｂ、自己診断用ヒータ部１３９は、上述の空洞部形成工程において用いるエッチング液（例えば、ＴＭＡＨ溶液など）によりエッチングされるのを防止するため、スリット１３，１４の内側面に露出しないように平面視形状を設計する必要がある。

また、本実施形態の赤外線センサＡでは、図２４や図２５に示した構成の赤外線センサのようにシリコン基板１ａ’の一部からなるダイアフラム部１１３’を形成する必要がないので、図２４や図２５に示した構成の赤外線センサの熱型赤外線検出部３’に比べて、熱型赤外線検出部３の厚みをより薄くすることができ、薄膜構造部３ａの熱容量を低減して応答速度の高速化を図ることができる。

また、本実施形態の赤外線センサＡは、赤外線吸収部３３および自己診断用ヒータ部１３９を備えた複数の画素部２が支持基板であるシリコン基板１ａの上記一表面側でアレイ状に設けられているので、製造時や使用時の自己診断に際して各画素部２それぞれの自己診断用ヒータ部１３９に通電することにより各画素部２それぞれの感温部３０の感度のばらつきを把握することが可能となる。

また、本実施形態の赤外線センサＡは、各画素部２ごとに感温部３０の出力を読み出すためのＭＯＳトランジスタ４を有しているので、出力用パッドＶoutの数を少なくでき、小型化および低コスト化を図れる。

ところで、上述の赤外線センサＡでは、シリコン基板１ａとして上記一表面が（１００）面の単結晶シリコン基板を用いて、エッチング速度の結晶面方位依存性を利用した異方性エッチングにより形成する空洞部１１を四角錘状の形状としてあるが、シリコン基板１ａとして上記一表面が（１１０）面の単結晶シリコン基板を用いて、図１９に示すように、空洞部１１をエッチング速度の結晶面方位依存性を利用した異方性エッチングによりシリコン基板１ａの厚み方向に貫通する形で形成してもよい。この図１９の構成によれば、薄膜構造部３ａの各小薄膜構造部３ａａからシリコン基板１ａへの熱伝達をより抑制することができ、より一層の高感度化を図れる。

また、上述の赤外線センサＡの空洞部１１は、図２０に示すように、上記エッチャントとして等方性エッチングが可能なエッチング液を用いて当該空洞部１１の内面が凹曲面となる形状に形成してもよい。この図２０の構成によれば、薄膜構造部３ａを透過した赤外線を空洞部１１の内面で薄膜構造部３ａ側へ反射することができるので、赤外線吸収部３３での赤外線吸収量を大きくでき、感度の向上を図れる。

また、赤外線センサＡは、図２１に示すように、ベース基板１の他表面側に、複数の空洞部１１を連通させる開口部１２が形成された構成としてもよく、ベース基板１の開口部１２は、ベース基板１の上記他表面側からシリコン基板１ａにおける開口部１２の形成予定領域を例えばＩＣＰ型のドライエッチング装置を用いた異方性エッチング技術を利用して形成すればよい。この図２１の構成の赤外線センサＡによれば、図２０の構成と同様、薄膜構造部３ａの各小薄膜構造部３ａａからシリコン基板１ａへの熱伝達をより抑制することができ、より一層の高感度化を図れる。

また、赤外線センサＡは、図２２に示すように、小薄膜構造部３３ａの延長方向において隣接する小薄膜構造部３３ａ，３３ａ同士が、上記延長方向に交差する方向（つまり、小薄膜構造部３ａａの幅方向）において離間した２つの連結片３ｃにより連結された構成としてもよい。この図２２の構成の赤外線センサＡによれば、連結片３ｃが、小薄膜構造部３ａａの延長方向において隣接する小薄膜構造部３ａａ，３ａａ同士を連結しているので、小薄膜構造部３ａａ，３ａａの一端側が熱型赤外線検出部３において空洞部１１を囲む部位に直接支持される一方で、他端側が連結片３ｃと別の小薄膜構造部３ａａとを介して熱型赤外線検出部３において空洞部１１を囲む部位に支持され、結果的に、各小薄膜構造部３ａａがベース基板１に両持ち支持されるから、小薄膜構造部３ａａの反りを低減でき、感度が安定するとともに、製造歩留まりが向上する。なお、上記延長方向において隣接する小薄膜構造部３３ａ，３３ａ同士は、小薄膜構造部３ａａの幅方向の中央部において１つの連結片３ｃにより連結するようにしてもよい。

また、赤外線センサＡは、図２３に示すように、小薄膜構造部３ａａの延長方向に直交する方向（小薄膜構造部３ａａの幅方向、つまり、図２３の上下方向）において隣接する小薄膜構造部３ａａ，３ａａ同士がブリッジ部３ｂｂ以外の部位で１つの連結片３ｃにより連結された構成としてもよい。この図２３の構成の赤外線センサＡによれば、連結片３ｃが、小薄膜構造部３ａａの延長方向に直交する方向において隣接する小薄膜構造部３ａａ，３ａａ同士を連結しているので、各小薄膜構造部３ａａのねじり剛性が大きくなって、各小薄膜構造部３ａａのねじり変形を低減でき、感度が安定するとともに、製造歩留まりが向上する。

ところで、上述の赤外線センサＡは、各画素部２にＭＯＳトランジスタ４を設けてあるが、ＭＯＳトランジスタ４は必ずしも設ける必要はない。また、赤外線センサＡは、必ずしも画素部２をアレイ状に備えた赤外線アレイセンサである必要はなく、少なくとも１つのサーモパイル３０ａを備えたものであればよい。

１ａ シリコン基板（支持基板）
２ 画素部
３ 熱型赤外線検出部
３ａ 薄膜構造部
３ａａ 小薄膜構造部
１１ 空洞部
１３ スリット
３０ａ サーモパイル
３３ 赤外線吸収部
３４ ｎ形ポリシリコン層（第１の熱電要素）
３５ ｐ形ポリシリコン層（第２の熱電要素）
３６ 第１の接続金属部
３７ 第２の接続金属部
１３９ 自己診断用ヒータ部
Ｔ１ 温接点
Ｔ２ 冷接点

Claims (5)

1. 支持基板と、赤外線を吸収して熱に変換する赤外線吸収部および当該赤外線吸収部の温度変化を検出するサーモパイルを有し支持基板の一表面側に形成されて支持基板に支持された熱型赤外線検出部とを備え、支持基板において熱型赤外線検出部の一部の直下に空洞部が形成されてなり、サーモパイルが、第１の熱電要素と第２の熱電要素とを熱型赤外線検出部において支持基板の空洞部に重なる領域で第１の接続金属部により接合することで形成された複数の温接点を有するとともに、第１の熱電要素と第２の熱電要素とを熱型赤外線検出部において空洞部に重ならない領域で第２の接続金属部により接合することで形成された複数の冷接点を有する赤外線センサであって、通電されることにより発生するジュール熱により温接点を温める自己診断用ヒータ部を備え、自己診断用ヒータ部は、熱型赤外線検出部において支持基板の空洞部に重なる領域でサーモパイルと重ならないように配置されていることを特徴とする赤外線センサ。
2. 前記熱型赤外線検出部は、前記支持基板の前記一表面側で平面視において前記空洞部を覆う薄膜構造部が形成されており、薄膜構造部は、複数の線状のスリットにより前記空洞部の内周方向に沿って並設されそれぞれ前記熱型赤外線検出部において前記空洞部を囲む部位から内方へ延長された複数の小薄膜構造部に分離され、各小薄膜構造部ごとに前記サーモパイルの温接点が設けられるとともに、前記各サーモパイルごとに出力を取り出す場合に比べて温度変化に対する出力変化が大きくなる接続関係で全ての前記サーモパイルが電気的に接続されてなり、全ての小薄膜構造部に跨って前記自己診断用ヒータ部が形成されてなることを特徴とする請求項１記載の赤外線センサ。
3. 前記薄膜構造部における前記小薄膜構造部の数が４以上の偶数であり、前記接続関係は、半数の前記サーモパイルを直列接続した２つの直列回路を並列接続した関係であることを特徴とする請求項２記載の赤外線センサ。
4. 前記自己診断用ヒータ部は、前記第１の熱電要素もしくは前記第２の熱電要素と同じ材料により形成されてなることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の赤外線センサ。
5. 前記赤外線吸収部および前記自己診断用ヒータ部を備えた複数の画素部が前記支持基板の前記一表面側でアレイ状に設けられてなることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の赤外線センサ。

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