JP2013201291A - 固体撮像素子及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】水平・垂直両方向の解像度を低下させることなく、かつ可視光を検出しているポイントと赤外光を検出しているポイントのデータ精度が高い固体撮像素子及びその製造方法を提供することにある。
【解決手段】基板１に対して周期的に２次元配列された可視光検出器（可視光検出層２）及び赤外光検出器（ダイアフラム２０、ボロメータ膜１５）と、基板１内に設けられ、かつ可視光検出器（可視光検出層２）及び赤外光検出器（ダイアフラム２０、ボロメータ膜１５）の信号を時系列信号として外部に出力する信号読出回路を有し、可視光検出器（可視光検出層２）と赤外光検出器（ダイアフラム２０、ボロメータ膜１５）とは、基板１に対して上下方向に重なって同一光軸上に配置されている固体撮像素子。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像素子及びその製造方法に関し、特に、量子型可視光検出器と熱型赤外光検出器とを有し、可視光撮像と赤外光撮像とを同時に行なう固体撮像素子及びその製造方法に関する。
セキュリティ分野等に利用される人体検知用の光学撮像システム等では、可視光撮像と赤外光撮像とを組み合わせることによって検知性能を向上させることができる。このような撮像システムとしては、従来、可視光撮像系および赤外光撮像系の２つの撮像系を単純に組み合わせたものが使用されていたが、システムが大型になり、かつデータ解析に２つの光学画像間の複雑な処理が必要になるため、１台のカメラで両方の撮像ができるシステムが望まれていた。
これに関連して、可視光撮像と赤外光撮像とを１つのチップで行うことを可能にするイメージセンサが提案されている。これにより、１つのチップで可視光および赤外光の２つの波長領域の撮像を可能にしている。
これに関連する技術として、例えば、特開２００６−３４３２２９号公報（特許文献１）、特開２００８−２０４９７８号公報（特許文献２）がある。
特開２００６−３４３２２９号公報 特開２００８−２０４９７８号公報
上記特許文献１、２では、可視光検出用画素と赤外光検出用画素とが各々独立した画素であるため、交互に並べられた方向の各々の波長域における画像の解像度が低下するという問題がある。例えば、可視光検出用画素の列と赤外光検出用画素の列とが１列置きに交互に配置されている場合は、水平方向の解像度が１／２となり、可視光検出用画素の行と赤外光検出用画素の行とが１行置きに交互に配置されている場合は、垂直方向の解像度が１／２となる。また、可視光検出用画素と赤外光検出用画素とが行方向及び列方向に交互に並ぶように配置されている場合には、どちらの方向も解像度が１／√２となる。
さらに、上記特許文献１、２では、可視光を検出しているポイントと赤外光を検出しているポイントとが厳密には同一ではないため、精密な計測分野においてはデータ精度が低いという問題もある。
本発明の目的は、上述した従来技術の課題を解決するための技術を提供することにあり、水平・垂直両方向の解像度を低下させることなく、かつ可視光を検出しているポイントと赤外光を検出しているポイントのデータ精度が高い固体撮像素子及びその製造方法を提供することにある。
本発明に係る固体撮像素子は、
基板に対して周期的に２次元配列された可視光検出器及び赤外光検出器と、
前記基板内に設けられ、かつ前記可視光検出器及び前記赤外光検出器の信号を時系列信号として外部に出力する信号読出回路を有し、
前記可視光検出器と前記赤外光検出器とは、前記基板に対して上下方向に重なって同一光軸上に配置されていることを特徴とする。
本発明に係る固体撮像素子の製造方法は、
可視光検出器と赤外光検出器とが基板に対して周期的に２次元配列され、前記基板内に設けられた信号読出回路によって前記可視光検出器と前記赤外光検出器の信号を時系列信号として外部に出力する固体撮像素子の製造方法であって、
トランジスタのソース・ドレイン領域形成工程と、
前記基板内に前記信号読出回路を形成する際、前記トランジスタのソース・ドレイン領域形成工程の前後何れかの直近の工程において、可視光検出層を形成する工程と、
前記基板上にポリイミド層を形成する工程と、
前記ポリイミド層上であって前記可視光検出層の直上の位置にフォトレジストパターンを形成する工程と、
前記フォトレジストパターンを熱処理によってリフローしてレンズ形状に成形する工程と、
エッチバックによって前記フォトレジストパターンのレンズ形状を前記ポリイミド層に転写して、ポリイミドから成るマイクロレンズを形成する工程と、
前記マイクロレンズを保護するマイクロレンズ保護膜を形成する工程と、
犠牲層を用いて前記赤外光検出器を形成する工程と有し、
前記可視光検出器と前記赤外光検出器とは、前記基板に対して上下方向に重なって同一光軸上に配置されていることを特徴とする。
本発明によれば、水平・垂直両方向の解像度を低下させることなく、かつ可視光を検出しているポイントと赤外光を検出しているポイントのデータ精度が高い固体撮像素子及びその製造方法を提供することができる。
本発明の一実施の形態に係る固体撮像素子の単位画素の構造を示す断面図である。 本発明の一実施の形態に係る固体撮像素子の全体構成を示す図である。 本発明の一実施の形態に係る固体撮像素子の製造方法における製造工程を示す断面図である。 本発明の一実施の形態に係る固体撮像素子の製造方法における製造工程を示す断面図である。 本発明の一実施の形態に係る固体撮像素子の製造方法における製造工程を示す断面図である。 本発明の一実施の形態に係る固体撮像素子の製造方法における製造工程を示す断面図である。 本発明の一実施の形態に係る固体撮像素子の製造方法における製造工程を示す断面図である。 関連技術としての特許文献１に記載された固体撮像素子の構造を示す断面図である。
（関連技術）
最初に、図８を参照して、本発明の特徴がより明確になるように、関連技術として特許文献１に記載された固体撮像素子の構造について簡単に説明する。ここで、図８は、撮像領域の一部の断面図である。
図８に示すように、可視光検出用画素４１及び赤外光検出用画素４２が隣り合って配置されている。可視光検出用画素４１は、Ｓｉ基板４６に形成されたフォトダイオード４８、同じくＳｉ基板４６に形成された行選択ＭＯＳトランジスタを含む読出回路４９ａから成る。赤外光検出用画素４２は、誘電体膜５０を堆積したＳｉ基板４６上に形成された断熱構造体４４、その上に形成されたボロメータ４５、Ｓｉ基板４６に形成された行選択ＭＯＳトランジスタを含む読出回路４９ｂから成る。光検出器間の電気的な分離のため、基板４６上にはフィールド酸化膜４７が形成されている。また、フォトダイオード４８上に堆積された誘電体膜５０は可視光に対して透明な材料で形成される。
撮像領域には、可視光検出用画素４１の列と赤外光検出用画素４２の列とが１列置きに交互に配置されたり、可視光検出用画素４１の行と赤外光検出用画素４２の行とが１行置きに交互に配置されたり、あるいは、可視光検出用画素４１と赤外光検出用画素４２とが行方向及び列方向に交互に並ぶように配置されたりする。このような構成にすることにより、１つのチップで可視光撮像と赤外光撮像とを独立かつ同時に行なえるようにしている。
この固体撮像素子は赤外光検出器が断熱構造体４４を有する熱型の検出器から成るため、極低温まで冷却するクーラー等を不要とすることができるので、撮像システムの小型化や製造コストの低減などを図れる利点がある。
しかし、関連技術では、可視光検出用画素４１と赤外光検出用画素４２とが各々独立した画素であるため、交互に並べられた方向の各々の波長域における画像の解像度が低下するという問題がある。例えば、可視光検出用画素４１の列と赤外光検出用画素４２の列とが１列置きに交互に配置されている場合は、水平方向の解像度が１／２となり、可視光検出用画素４１の行と赤外光検出用画素４２の行とが１行置きに交互に配置されている場合は、垂直方向の解像度が１／２となる。また、可視光検出用画素４１と赤外光検出用画素４２とが行方向及び列方向に交互に並ぶように配置されている場合には、どちらの方向も解像度が１／√２となる。
さらに、可視光を検出しているポイントと赤外光を検出しているポイントとが厳密には同一ではないため、精密な計測分野においてはデータ精度が低いという問題もある。
（本発明の実施の形態）
本発明の実施の形態は、上記関連技術の問題点を解決するためのもので、量子型可視光検出器と熱型赤外光検出器とを有し、可視光撮像と赤外光撮像とを同時に行なう固体撮像素子において、水平・垂直両方向の解像度が低下することなく、かつ各ポイントのデータ精度も高い固体撮像素子及びその製造方法を提供する。
本発明の実施の形態は、量子型可視光検出器と熱型赤外光検出器とが基板上に周期的に２次元配列され、基板内に設けられた信号読出回路によって両光検出器の信号を時系列信号として外部に出力する可視・赤外両用の固体撮像素子において、前記量子型可視光検出器と前記熱型赤外光検出器とが同一光軸上に配置されていることを特徴とする。
また、前記量子型可視光検出器と前記熱型赤外光検出器との間にマイクロレンズを具備することが好ましい。また、前記マイクロレンズはマイクロレンズ保護膜で覆われていることが好ましい。さらに、前記マイクロレンズはポリイミドから成ることが好ましい。
さらに、本発明の実施の形態では、量子型可視光検出器と熱型赤外光検出器とが基板上に周期的に２次元配列され、基板内に設けられた信号読出回路によって両光検出器の信号を時系列信号として外部に出力する可視・赤外両用の固体撮像素子の製造方法であって、通常のＳｉ−ＬＳＩ製造方法によって基板内に信号読出回路を形成する際、トランジスタのソース・ドレイン領域形成工程の前後何れかの直近の工程において、可視光検出層を形成する工程を含み、信号読出回路付基板上にポリイミド層を形成する工程と、前記ポリイミド層上の前記可視光検出層直上の位置にフォトレジストパターンを形成する工程と、熱処理によって前記フォトレジストパターンをリフローし、レンズ形状に成形する工程と、エッチバックによって前記フォトレジストパターンのレンズ形状を前記ポリイミド層に転写してポリイミドから成るマイクロレンズを形成する工程と、前記ポリイミドから成るマイクロレンズを保護するマイクロレンズ保護膜を形成する工程と、犠牲層を用いた通常のＭＥＭＳ製造方法によって熱型赤外光検出器を形成する工程と、を少なくとも有することを特徴とする。
本発明の実施の形態に係る固体撮像素子では、量子型可視光検出器と熱型赤外光検出器とが同一光軸上に配置されているので、水平・垂直両方向の解像度を高い状態で保持することができる。
また、量子型可視光検出器と熱型赤外光検出器との間にマイクロレンズを具備するので、信号読出回路の構成要素によって可視光検出層の占有面積が制限されても、実効的開口率を高くすることができる。
また、マイクロレンズをマイクロレンズ保護膜で覆っているので、熱型赤外光検出器の製造工程において犠牲層として頻繁に用いられるポリイミドをマイクロレンズ材料とすることができる。
さらに、本発明の固体撮像素子の製造方法では、通常のＳｉ−ＬＳＩ製造方法によって基板内に信号読出回路を形成する際、トランジスタのソース・ドレイン領域形成工程の前後何れかの直近の工程において、可視光検出層を形成する工程を含み、該信号読出回路付基板上にポリイミド層を形成する工程と、前記ポリイミド層上の前記可視光検出層直上の位置にフォトレジストパターンを形成する工程と、熱処理によって前記フォトレジストパターンをリフローし、レンズ形状に成形する工程と、エッチバックによって前記フォトレジストパターンのレンズ形状を前記ポリイミド層に転写してポリイミドから成るマイクロレンズを形成する工程と、前記ポリイミドから成るマイクロレンズを保護するマイクロレンズ保護膜を形成する工程と、犠牲層を用いた通常のＭＥＭＳ製造方法によって熱型赤外光検出器を形成する工程と、を少なくとも有することにより、上述した構成の本発明の固体撮像素子を実現することができる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。
図１は、本実施の形態に係る固体撮像素子の単位画素の構造を示す断面図である。また、図２は、本実施の形態に係る固体撮像素子の全体構成を示す図である。図２には１画素分の回路しか描いていないが、ここに図１に示す単位画素がアレイ状に複数形成されている。
図１に示すように、信号読出回路を有するＳｉ基板１内には、１画素内に可視光検出層２、可視用垂直ＭＯＳスイッチトランジスタ３及び赤外用垂直ＭＯＳスイッチトランジスタ４が造り込まれている。可視用垂直ＭＯＳスイッチトランジスタ３については、ＶＩＡ接続電極５を介して第１層Ａｌ配線６（図２の可視用垂直信号線２９に対応）に接続されている。赤外用垂直ＭＯＳスイッチトランジスタ４については、一方はＶＩＡ接続電極５、第１層Ａｌ配線６、ＶＩＡ接続電極７、第２層Ａｌ配線８、ＶＩＡ接続電極９を介して接続電極１０に接続され、他方はＶＩＡ接続電極５、ＶＩＡ接続電極７を介して第１層Ａｌ配線６乃至第２層Ａｌ配線８から成るＧＮＤ線に接続されている。
ＧＮＤ線の第１層Ａｌ配線６及び第２層Ａｌ配線８の破線部分は、この断面に存在しない部分であって、可視光検出層２以外の領域を隠す遮光膜としての機能を兼ねている。換言すると、第１層Ａｌ配線６及び第２層Ａｌ配線８の破線部分は、可視光検出層２の開口部（窓）である。あるいは、別途遮光膜を設けても構わない。赤外用垂直ＭＯＳスイッチトランジスタ４が繋がっていない方の接続電極１０は、ＶＩＡ接続電極９を介して第２層Ａｌ配線８（図２の赤外用垂直信号線２８に対応）に接続されている。
特に図示はしていないが、ブルーミング抑制機能や電子シャッター機能を持たせるため、可視光検出層２に縦型乃至横型のオーバーフロードレインを繋げることが一般的である。
熱型赤外光検出器は、２本の支持脚１９（１９ａ：水平部，１９ｂ：立ち上り部）と、その支持脚１９によってＳｉ基板１から中空に持上げられ維持されたダイアフラム２０から構成されている。この構造により、ダイアフラム２０がＳｉ基板１から熱的に分離された状態となっている。
ダイアフラム２０内には、下層支持膜１４とボロメータ保護膜１６に覆われて、温度変化検出機構としてのボロメータ膜１５が形成されている。例えば、ボロメータ膜１５は膜厚が３０〜２００ｎｍの酸化バナジウム（Ｖ２Ｏ３、ＶＯＸなど）や酸化チタン（ＴｉＯＸ）などから成る。ボロメータ膜１５の両端は、ボロメータ保護膜１６に開口されたコンタクトホールを介して電極配線１７に接続されている。電極配線１７上を、さらに上層支持膜１８が覆っている。例えば、下層支持膜１４、ボロメータ保護膜１６及び上層支持膜１８は何れも膜厚２０〜８００ｎｍのＳｉ酸化膜（ＳｉＯ、ＳｉＯ２）、Ｓｉ窒化膜（ＳｉＮ、Ｓｉ３Ｎ４），あるいはＳｉ酸化窒化膜（ＳｉＯＮ）などから成る。
電極配線１７は、膜厚が１０〜２００ｎｍのアルミ（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）あるいはチタン・アルミ・バナジウム（ＴｉＡｌＶ） などの合金、もしくは高濃度に不純物添加したＳｉなどの半導体から成る。２本の電極配線１７は、各々別の支持脚１９内を通り、前記接続電極１０上に開口されたコンタクトホールを介して接続電極１０に接続されている。さらに、ダイアフラム２０は、受光面積を拡大して赤外感度を向上できる庇２１を備えている。例えば、庇２１は膜厚１００〜１０００ｎｍのＳｉ酸化膜（ＳｉＯ、ＳｉＯ２）、Ｓｉ窒化膜（ＳｉＮ、Ｓｉ３Ｎ４），あるいはＳｉ酸化窒化膜（ＳｉＯＮ）などから成る。
ダイアフラム２０の下の空洞内の可視光検出層２の直上の位置に、マイクロレンズ１２が設けられている。マイクロレンズ１２は、有機高分子材料から成るが、従来から熱型赤外光検出器の製造工程において犠牲層として頻繁に用いられているポリイミドで構成すると、整合性が最も良い。マイクロレンズ１２上をマイクロレンズ保護膜１３が覆っており、熱型赤外光検出器の製造過程においてマイクロレンズ１２が損傷を受けないよう保護している。例えば、マイクロレンズ保護膜１３は膜厚２０〜１０００ｎｍのＳｉ酸化膜（ＳｉＯ、ＳｉＯ２）、Ｓｉ窒化膜（ＳｉＮ、Ｓｉ３Ｎ４）あるいはＳｉ酸化窒化膜（ＳｉＯＮ）などから成る。
単位画素に入射した赤外線は、庇２１を含むダイアフラム２０に吸収されて熱となり、ダイアフラム２０の温度を上昇させる。その温度上昇により、ダイアフラム２０内のボロメータ膜１５の抵抗変化が起こるので、それを電気的に読み出すことにより赤外光を検出することができる。
一方、単位画素に入射した可視光線は、庇２１を含むダイアフラム２０を透過し、マイクロレンズ１２によって集光されて可視光検出層２に入射する。そこで可視光線は吸収されて光励起キャリアを生成するので、その光励起キャリアを電気的に読み出すことにより可視光を検出することができる。すなわち、同一の単位画素において、可視光と赤外光の両方を効率良く検出することができる。
図２に示すように、単位画素はボロメータ型赤外線検出器２２，可視光検出器（フォトダイオード） ２３、赤外用垂直ＭＯＳスイッチ２４、可視用垂直ＭＯＳスイッチ２５から構成されている。ボロメータ型赤外線検出器２２の一端は赤外用垂直ＭＯＳスイッチ２４に接続されており、他端は赤外用垂直信号線２８に接続されている。赤外用垂直ＭＯＳスイッチ２４のゲートは赤外用駆動線２６に接続され、その赤外用駆動線２６は赤外用垂直走査回路３０に繋がっている。赤外用垂直信号線２８は積分回路３２に繋がっており、そこから赤外用水平ＭＯＳスイッチ３３の一端に接続されている。赤外用水平ＭＯＳスイッチ３３の他端は出力へ繋がっている。赤外用水平ＭＯＳスイッチ３３のゲートは赤外用水平走査回路３５に繋がっている。
一方、可視光検出器２３の一端は可視用垂直ＭＯＳスイッチ２５に接続されており、他端は可視用垂直信号線２９に接続されている。可視用垂直ＭＯＳスイッチ２５のゲートは可視用駆動線２７に接続され、その可視用駆動線２７は可視用垂直走査回路３１に繋がっている。可視用垂直信号線２９は可視用水平ＭＯＳスイッチ３４の一端に接続されている。可視用水平ＭＯＳスイッチ３４の他端は出力へ繋がっている。可視用水平ＭＯＳスイッチ３４のゲートは可視用水平走査回路３６に繋がっている。
前述の通り、赤外線入射によってボロメータ型赤外線検出器２２は入射光量に応じた抵抗変化を起こす。赤外用垂直走査回路３０の走査によりＮ行目の赤外用駆動線２６が選択されると、それに接続されたＮ行目画素の赤外用垂直ＭＯＳスイッチ２４がＯＮとなる。Ｎ行目のボロメータ型赤外線検出器２２が積分回路３２に電気的に接続され、積分回路３２にてボロメータ型赤外線検出器２２の抵抗変化に応じた電流蓄積・電位変換が行われる。これを赤外用水平走査回路３５によって順次赤外用水平ＭＯＳスイッチ３３をＯＮすることにより、Ｎ行目のボロメータ型赤外線検出器２２の抵抗変化に対応した時系列の電気信号が出力される。各行について同様の動作をすることにより、２次元の赤外撮像信号を得ることができる。
一方、前述の通り、可視光線入射によって可視光検出器（フォトダイオード）２３は光励起キャリアを生成し、ＰＮ接合容量に蓄積され電位変化を起こす。可視用垂直走査回路３１の走査によりＮ行目の可視用駆動線２７が選択されると、それに接続されたＮ行目画素の可視用垂直ＭＯＳスイッチ２５がＯＮとなり、Ｎ行目の可視光検出器２３が可視用垂直信号線２９に電気的に接続される。これを可視用水平走査回路３６によって順次可視用水平ＭＯＳスイッチ３４をＯＮすることにより、Ｎ行目の可視光検出器２３の電位変化に対応した時系列の電気信号が出力される。各行について同様の動作をすることにより、２次元の可視撮像信号を得ることができる。
なお、可視用垂直ＭＯＳスイッチ２５のＯＮ電位が可視光検出器２３のリセット電位を決めるのであるが、同じゲート電位で赤外用垂直ＭＯＳスイッチ２４を駆動しても構わないという条件であれば、各行の駆動線を１本とし、垂直走査回路を１つとすることができる。
以上述べた構成により、量子型可視光検出器２３と熱型赤外光検出器２２とを具備し、可視光撮像と赤外光撮像とを同時に行なう固体撮像素子において、水平・垂直両方向の解像度が低下することなく、各ポイントのデータ精度も高い固体撮像素子を得ることができる。
次に、図３〜図７を参照して、本発明の一実施形態に係る固体撮像素子の製造方法について詳細に説明する。なお、図３〜図７は、本発明の固体撮像素子の製造方法における主要工程を示す断面図である。
まず、図３（ａ）に示すように、通常のＳｉ−ＬＳＩ製造方法によってＳｉ基板１内に信号読出回路を形成する際、トランジスタのソース・ドレイン領域形成工程の前後何れかの直近の工程において、可視光検出層２を形成する。ソース・ドレイン領域は浅い接合が必要なため、例えば１０〜１００ｋｅＶ程度のエネルギーのイオン注入法を用いるが、可視光検出層２は赤感度を得るのに深めの接合が必要なため、例えば１５０〜３００ｋｅＶ程度のエネルギーのイオン注入法を用いる。その後の多層Ａｌ配線工程も施し、内部に可視光検出層２を有する信号読出回路付のＳｉ基板１を得る。
次に、図３（ｂ）に示すように、Ｓｉ基板１上に第１層ポリイミド３７を形成する。第１層ポリイミド３７は、例えば３００〜５００℃程度の熱処理により硬化させている。第１層ポリイミド３７の膜厚は、作成するマイクロレンズの最厚部より若干厚めにするが、例えば１〜１０μｍ程度である。
次に、図４（ａ）に示すように、第１層ポリイミド３７上の可視光検出層２の直上の位置に、フォトレジストパターン３８を形成する。フォトレジストパターン３８の膜厚は、レンズ形状に成形する際に最厚部が２〜４割増加するため、第１層ポリイミド３７の膜厚より２〜４割薄めとする。
次に、図４（ｂ）に示すように、熱処理を施して前記フォトレジストパターン３８をリフローし、レンズ形状に成形する。熱処理温度はフォトレジストの特性にもよるが、例えば１５０〜２００℃程度である。
次に、図５（ａ）に示すように、Ｏ２やＣＦ４を用いた異方性エッチングによるエッチバックを施し、フォトレジストパターン３８のレンズ形状を第１層ポリイミド３７に転写してマイクロレンズ１２を形成する。
次に、図５（ｂ）に示すように、マイクロレンズ１２上にマイクロレンズ保護膜１３を形成する。
これ以降は、犠牲層を用いた通常のＭＥＭＳ製造方法によって熱型赤外光検出器２２を形成する工程となる。
図６（ａ）に示すように、第１層の犠牲層となる第２層ポリイミド３９を形成する。
次に、図６（ｂ）に示すように、ダイアフラム２０下の空洞部となる領域を残す第２層ポリイミド３９のパターニングを、露光・現像乃至ドライエッチングにより行なう。
次に、図７（ａ）に示すように、第１層犠牲層上に支持脚１９やボロメータ膜１５などを形成した後、第３層ポリイミド（第２層犠牲層）４０を形成し、最上層に庇２１を形成する。
次に、図７（ｂ）に示すように、Ｏ２プラズマを用いたアッシングにより第１層及び第２層の犠牲層を除去し、固体撮像素子が完成する。
以上述べた製造方法により、量子型可視光検出器２３と熱型赤外光検出器２２とを具備し、可視光撮像と赤外光撮像とを同時に行なう固体撮像素子において、水平・垂直両方向の解像度が低下することなく、各ポイントのデータ精度も高い固体撮像素子を得ることができる。
（実施例）
次に、本発明の実施例について説明する。
量子型可視光検出器２３と熱型赤外光検出器２２とを具備する単位画素が撮像部に有効３２０×２４０配された固体撮像素子を試作した。可視光検出層２は２００ｋｅＶのＰ＋イオン注入で形成した。マイクロレンズ形成時のレジストパターン膜厚を２μｍとしたので、ポリイミドのマイクロレンズ最厚部は約２．６μｍである。マイクロレンズ保護膜１３は膜厚１００ｎｍのＳｉ窒化膜から成る。熱型赤外光検出器２２については、ボロメータ膜１５は膜厚が１００ｎｍの酸化バナジウムとし、下層支持膜１４、ボロメータ保護膜１６及び上層支持膜１８は何れもＳｉ窒化膜から形成し、膜厚は各々２００ｎｍ、５０ｎｍ、１５０ｎｍとした。性能評価したところ、当然のことながら、可視・赤外両画像において有効３２０×２４０相当の解像度を有することが確認できた。点像検出も可視・赤外両画像の同一アドレスに認知でき、データ精度が高いことも確認できた。
以上説明したように、本発明の固体撮像素子及びその製造方法によれば、量子型可視光検出器と熱型赤外光検出器とを具備し、可視光撮像と赤外光撮像とを同時に行なう固体撮像素子において、水平・垂直両方向の解像度が低下することなく、各ポイントのデータ精度も高い固体撮像素子及びその製造方法を提供できる効果がある。
以上、本発明の実施の形態について具体的に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
例えば、本発明の実施の形態に係る固体撮像素子は暗視装置（赤外線カメラ）やサーモグラフィに適用可能である。
１ Ｓｉ基板
２ 可視光検出層
３ 可視用垂直ＭＯＳスイッチトランジスタ
４ 赤外用垂直ＭＯＳスイッチトランジスタ
５ ＶＩＡ接続電極（拡散層−第１層Ａｌ配線間）
６ 第１層Ａｌ配線
７ ＶＩＡ接続電極（第１層Ａｌ配線−第２層Ａｌ配線間）
８ 第２層Ａｌ配線
９ ＶＩＡ接続電極（第２層Ａｌ配線−接続電極間）
１０ 接続電極
１１ 接続電極保護膜
１２ マイクロレンズ
１３ マイクロレンズ保護膜
１４ 下層支持膜
１５ ボロメータ膜
１６ ボロメータ保護膜
１７ 電極配線
１８ 上層支持膜
１９ 支持脚
１９ａ 水平部
１９ｂ 立ち上り部
２０ ダイアフラム
２１ 庇
２２ ボロメータ型赤外線検出器
２３ 可視光検出器（フォトダイオード）
２４ 赤外用垂直ＭＯＳスイッチ
２５ 可視用垂直ＭＯＳスイッチ
２６ 赤外用駆動線
２７ 可視用駆動線
２８ 赤外用垂直信号線
２９ 可視用垂直信号線
３０ 赤外用垂直走査回路
３１ 可視用垂直走査回路
３２ 積分回路
３３ 赤外用水平ＭＯＳスイッチ
３４ 可視用水平ＭＯＳスイッチ
３５ 赤外用水平走査回路
３６ 可視用水平走査回路
３７ 第１層ポリイミド
３８ フォトレジストパターン
３９ 第２層ポリイミド（第１層犠牲層）
４０ 第３層ポリイミド（第２層犠牲層）
４１ 可視光検出用画素
４２ 赤外光検出用画素
４３ａ 信号線（可視用）
４３ｂ 信号線（赤外用）
４４ 断熱構造体
４５ ボロメータ
４６ Ｓｉ基板
４７ フィールド酸化膜
４８ フォトダイオード
４９ａ 読出回路（可視用）
４９ｂ 読出回路（赤外用）
５０ 誘電体膜

Claims (10)

  1. 基板に対して周期的に２次元配列された可視光検出器及び赤外光検出器と、
    前記基板内に設けられ、かつ前記可視光検出器及び前記赤外光検出器の信号を時系列信号として外部に出力する信号読出回路を有し、
    前記可視光検出器と前記赤外光検出器とは、前記基板に対して上下方向に重なって同一光軸上に配置されていることを特徴とする固体撮像素子。
  2. 前記可視光検出器と前赤外光検出器との間にはマイクロレンズが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
  3. 前記マイクロレンズはマイクロレンズ保護膜で覆われていることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像素子。
  4. 前記マイクロレンズはポリイミドから成ることを特徴とする請求項２又は３に記載の固体撮像素子。
  5. 前記赤外光検出器は、
    支持脚と、
    前記支持脚によって前記基板から中空に持上げられたダイアフラムを有し、
    前記ダイアフラムは前記基板から熱的に分離された状態になっていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
  6. 前記ダイアフラムは、温度変化検出用のボロメータ膜を有し、
    入射した赤外線は、前記ダイアフラムに吸収されて熱となり前記ボロメータ膜の抵抗変化を起こすことにより前記赤外光を検出することを特徴とする請求項５に記載の固体撮像素子。
  7. 前記可視光検出器は、前記基板内に設けられた可視光検出層を有し、
    入射した可視光線は、前記ダイアフラムを透過し、前記マイクロレンズによって集光されて前記可視光検出層に入射することを特徴とする請求項５又は６に記載の固体撮像素子。
  8. 前記マイクロレンズは、前記ダイアフラムの空洞内であって前記可視光検出層の直上の位置に設けられていることを特徴とする請求項５から７のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
  9. 可視光検出器と赤外光検出器とが基板に対して周期的に２次元配列され、前記基板内に設けられた信号読出回路によって前記可視光検出器と前記赤外光検出器の信号を時系列信号として外部に出力する固体撮像素子の製造方法であって、
    トランジスタのソース・ドレイン領域形成工程と、
    前記基板内に前記信号読出回路を形成する際、前記トランジスタのソース・ドレイン領域形成工程の前後何れかの直近の工程において、可視光検出層を形成する工程と、
    前記基板上にポリイミド層を形成する工程と、
    前記ポリイミド層上であって前記可視光検出層の直上の位置にフォトレジストパターンを形成する工程と、
    前記フォトレジストパターンを熱処理によってリフローしてレンズ形状に成形する工程と、
    エッチバックによって前記フォトレジストパターンのレンズ形状を前記ポリイミド層に転写して、ポリイミドから成るマイクロレンズを形成する工程と、
    前記マイクロレンズを保護するマイクロレンズ保護膜を形成する工程と、
    犠牲層を用いて前記赤外光検出器を形成する工程と有し、
    前記可視光検出器と前記赤外光検出器とは、前記基板に対して上下方向に重なって同一光軸上に配置されていることを特徴とする固体撮像素子の製造方法。
  10. 前記赤外光検出器は、支持脚によって前記基板から中空に持上げられ維持されたダイアフラムを有し、
    前記ダイアフラムは、温度変化検出用のボロメータ膜を有し、
    前記マイクロレンズを、前記ダイアフラムの空洞内であって前記可視光検出層の直上の位置に配置することを特徴とする請求項９に記載の固体撮像素子の製造方法。
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