JP2742203B2

JP2742203B2 - 赤外線センサ

Info

Publication number: JP2742203B2
Application number: JP5315739A
Authority: JP
Inventors: 俊雄菅野; 信一寺西
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1993-11-10
Filing date: 1993-11-10
Publication date: 1998-04-22
Anticipated expiration: 2013-04-22
Also published as: JPH07134066A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、熱型赤外線センサに
関する。

【０００２】

【従来の技術】熱型赤外線センサにはサーモパイル型、
焦電型、ボロメータ型がある。

【０００３】サーモパイル型赤外線センサでは２種類の
熱電材料を用いる。従来、理化学辞典（第４版）４８６
ページによると、ビスマスとアンチモン、クロメルとコ
ンスタンタン、鉄とコンスタンタンの組合せが用いられ
てきた。また、サロ（Ｐ．Ｍ．Ｓａｒｒｏ）とハワーデ
ン（Ａ．Ｗ．Ｖ．Ｈｅｒｗａａｒｄｅｎ）の「Ｉｎｆｒ
ａｒｅｄＤｅｔｅｃｔｏｒＢａｓｅｄｏｎａｎ
ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＳｉｌｉｃｏｎＴｈｅｒｍ
ｏＰｉｌｅ」（ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆＳＰＩＥ
８０７巻１１３ページから１１８ページ）によると、
ｐ型シリコンと、アルミニウムが使われている。またシ
バタ（Ｃ．Ｓｈｉｂａｔａ）、キムラ（Ｃ．Ｋｉｍｕｒ
ａ）、ミカミ（Ｋ．Ｍｉｋａｍｉ）の「ＦａｒＩｎｆ
ｒａｒｅｄＳｅｎｓｏｒｗｉｔｈＴｈｅｒｍｏＰ
ｉｌｅＳｔｒｕｃｔｕｒｅ」（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ
ｏｆｔｈｅ１ｓｔＳｅｎｓｏｒＳｙｍＰｏｓ
ｉｕｍ１９８１年Ｐ２１１〜２５５）によると、テル
ルとインジウムアンチモンが使われている。

【０００４】また、本出願人の特願平１−４０７６９号
（特開平２−２１９２８６号公報）では熱電材料として
ｐ型とｎ型の半導体を用いることが示されている。特に
ｐ型とｎ型のシリコンを用いる場合にはシリコンＩＣの
製造技術を用いることができ有利である。図２はｐ型と
ｎ型のシリコンを熱電材料に用いたサーモパイル型赤外
線センサの平面図（ａ）とＡ−Ａ’断面図（ｂ）であ
る。面方位（１００）のシリコン基板１上にＣＶＤ法や
プラズマＣＶＤ法で作成されたシリコン窒化膜２が形成
されており、窒化膜２の中央部分の下のシリコン基板が
四角錐台状にエッチングされ、空洞３が形成されてい
る。空洞３の上面を被っている膜をダイヤフラム４と呼
ぶ。窒化膜２の上に熱電材料としてのｎ型シリコン膜５
とｐ型シリコン膜６とが形成されている。接点部７はア
ルミニウムなどの金属層を有しており、ｎ型シリコン膜
と接点部７、ｐ型シリコン膜６と接点部７とはそれぞれ
オーミックコンタクトをなしている。サーモパイルでは
ダイヤフラム４上の接点を温接点、ダイヤフラム領域４
外部のシリコン基板上に設けられた接点を冷接点と呼ん
でいる。これらの接点を多くするとサーモパイルの感度
は向上するので、図のようなつづら折り状のパターンに
なっている。ｎ型シリコン膜５とｐ型シリコン膜６と接
点部７を保護する目的でシリコン窒化膜やシリコン酸化
膜等の保護膜８が形成されている。保護膜８と窒化膜２
にはスリット９が形成されている。スリット９はダイヤ
フラム領域４の対角線に位置している。このスリット９
より異方性エッチング液を用いて空洞３を形成する。保
護膜８や窒化膜２は異方性エッチング液からｎ型シリコ
ン膜５とｐ型シリコン膜６と接点部７を保護する目的が
ある。

【０００５】また、本願発明者の一人が発明者である特
願平２−８３４８０号明細書では、図２の赤外線センサ
とＭＯＳ型走査回路ないしはＣＣＤとの組み合わせによ
り、画素数が大きいイメージセンサにも適した構成の赤
外線イメージセンサを示した。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ダイヤフラム中心部は
最も温度上昇が大きいのでここにサーモパイルの温接点
を配置して感度を高くしたいが、図２の赤外線センサで
は、ダイヤフラム中心部にスリットを設ける必要があっ
てそれができず感度が小さくなっていた。

【０００７】また、サーモパイル型赤外線センサでは、
ダイヤフラムが大きい程、受光する赤外線の量が大きく
ダイヤフラムの温度上昇が大きくなり、かつ接点数を大
きくできるので、感度が大きくなる。しかし、図２の構
造のサーモパイルを受光部に用いた２次元赤外線イメー
ジセンサでは、限られた面積の画素の中にサーモパイル
部と電荷蓄積部と電荷読み出し部とを配置する必要があ
り、ダイヤフラムを大きくすることができず感度を大き
くできないという欠点があった。

【０００８】さらに、図２の構造のサーモパイルを受光
部に用いた２次元赤外線イメージセンサでは、シリコン
基板をエッチングすることによって空洞を設けている。
このために、シリコン基板１は空洞３の部分で露出状態
となり、生成消滅中心が多数存在することになる。ここ
で発生した電子正孔対のうちの少数キャリアは拡散によ
って拡がり、電荷蓄積部や電荷読み出し部に流入し、暗
電流となる。暗電流はダイナミックレンジを小さくす
る。雑音が増加し感度が小さくなる等の欠点を有する。

【０００９】以上サーモパイル型赤外線センサについて
述べたが、焦電型赤外線センサやボロメータ型赤外線セ
ンサにおいても状況は同様である。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この発明の赤外線センサ
は４つある。

【００１１】その第１は、基板の主面に設けられた複数
のダイヤフラム領域と、このダイヤフラム領域上に少な
くとも一部が設けられた熱型赤外線検出部と、前記赤外
線検出部からの信号を順次読み出すための走査回路とを
有する赤外線センサにおいて、前記ダイヤフラム領域で
は平坦化された基板上に薄い膜で囲まれた空洞が形成さ
れ、かつ、少なくともダイヤフラム領域の一部が前記走
査回路上に設けられていることを特徴とする赤外線セン
サである。

【００１２】その第２は、半導体基板の主面に設けられ
た複数のダイヤフラム領域と、このダイヤフラム領域に
一方の接点群を有し、ダイヤフラム領域の外に他方の接
点群を有し、その一端は第１の電圧源に接続されたサー
モパイルと、そのゲートがサーモパイルの他端と接続さ
れ、そのソースが第２の電圧源に接続され、そのドレイ
ンが電荷蓄積部であるＭＯＳ型トランジスタと、この電
荷蓄積部に対応して設けられた電荷読み出し部とを有す
る赤外線センサにおいて、前記ダイヤフラム領域では平
坦化された基板上に薄い膜で囲まれた空洞が形成され、
空洞上の前記薄い膜の上に前記サーモパイルの一方の接
点群が設けられており、かつ、少なくともダイヤフラム
領域の一部が前記ＭＯＳ型トランジスタまたは電荷蓄積
部または電荷読み出し部上に設けられていることを特徴
とする赤外線センサである。

【００１３】その第３は、半導体基板の主面に設けられ
た複数のダイヤフラム領域と、このダイヤフラム領域に
一方の接点群を有し、ダイヤフラム領域の外に他方の接
点群を有し、その一端は第１の電圧源に接続されたサー
モパイルと、前記多数のダイヤフラム領域に対応して設
けられたＣＣＤと、そのゲートがサーモパイルの他端と
接続され、そのソースが第２の電圧源に接続され、その
ドレインが前記ＣＣＤのチャネルであるＭＯＳ型トラン
ジスタとを有する赤外線センサにおいて、前記ダイヤフ
ラム領域では平坦化された基板上に薄い膜で囲まれた空
洞が形成され、空洞上の前記薄い膜の上に前記サーモパ
イルの一方の接点群が設けられており、かつ、少なくと
もダイヤフラム領域の一部が前記ＭＯＳ型トランジスタ
または前記ＣＣＤ上に設けられていることを特徴とする
赤外線センサである。

【００１４】その第４は、半導体基板の主面に二次元的
に接続された複数のダイヤフラム領域と、このダイヤフ
ラム領域に一方の接点群を有し、ダイヤフラム領域の外
に他方の接点群を有し、その一端は第１の電圧源に接続
されたサーモパイルと、前記多数のダイヤフラム領域に
対応して設けられた第１垂直ＣＣＤと、そのゲートがサ
ーモパイルの他端と接続され、そのソースが第２の電圧
源に接続され、そのドレインが第１垂直ＣＣＤのチャネ
ルであるＭＯＳ型トランジスタと、第１垂直ＣＣＤに直
列接続され、第１垂直ＣＣＤの転送段数以上の転送段数
を持つ第２垂直ＣＣＤと、第２垂直ＣＣＤの第１垂直Ｃ
ＣＤと接続されていない端部に対応して設けられた水平
ＣＣＤと、水平ＣＣＤの転送方向端部に設けられた出力
部とを有する赤外線センサにおいて、前記ダイヤフラム
領域では平坦化された基板上に薄い膜で囲まれた空洞が
形成され、空洞上の前記薄い膜の上に前記サーモパイル
の一方の接点群が設けられており、かつ、少なくともダ
イヤフラム領域の１部が前記ＭＯＳ型トランジスタまた
は前記第１垂直ＣＣＤ上に設けられていることを特徴と
する赤外線センサである。

【００１５】

【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。

【００１６】図３（ａ）は第１の発明の前提となる赤外
線センサの平面模式図である。図３（ｂ）は（ａ）にお
いて１点鎖線ＢＢ’で示した部分の模式的断面図であ
る。単結晶シリコン基板６１上にＣＶＤ法やプラズマＣ
ＶＤ法でシリコン窒化膜の下層膜６２を形成する。その
上に、犠牲層をエッチングした結果できた空洞６３を被
う形でシリコン窒化膜の薄膜６４を形成する。空洞６３
の上面を被う膜状の部分をダイヤフラム６５と呼ぶ。薄
膜６４には犠牲層をエッチングした時に用いたエッチン
グホール６６が設けられている。薄膜６４上には熱型赤
外線検出部６７の少なくとも一部が形成されている。こ
れにはサーモパイル型や焦電型やボロメータ型がある。

【００１７】図１（ａ）はこの発明の第２の発明の前提
となる赤外線センサの平面模式図である。図１（ｂ）は
（ａ）において１点鎖線ＢＢ’で示した部分の模式断面
図である。単結晶シリコン基板３１上にＣＶＤ法やプラ
ズマＣＶＤ法でシリコン窒化膜の下層膜３２を形成す
る。その上に、犠牲層をエッチングした結果できた空洞
３３をおおう形でシリコン窒化膜の薄膜３４を形成す
る。空洞３３の上面を被っている膜をダイヤフラム３５
と呼ぶ。薄膜３４の上に熱電材料としてのｎ型シリコン
膜３６とｐ型シリコン膜３７とを形成する。接点部３８
はアルミニウムなどの金属層を有しており、ｎ型シリコ
ン膜３６と接点部３８、ｐ型シリコン膜３７と接点部３
８とはそれぞれオーミックコンタクトをなしている。サ
ーモパイルではダイヤフラム３５上の接点を温接点、ダ
イヤフラム領域３５外部のシリコン基板３１上に設ける
接点を冷接点と呼んでいる。これらの接点を多くすると
サーモパイルの感度は向上するので、図のようなつづら
折り状のパターンになっている。ｎ型シリコン膜３６と
ｐ型シリコン膜３７と接点部３８を保護する目的でシリ
コン窒化膜やシリコン酸化膜等の保護膜３９が形成され
ている。保護膜３９と薄膜３４にはエッチングホール４
０を設けてある。２個以上のエッチングホールを設けた
方がエッチング液の浸透やエッチング後の洗浄の効果に
優れる。エッチングホール４０はダイヤフラム３５の隅
に１つずつ設ける。これらのエッチングホール４０より
エッチング液を浸透させ、犠牲層をエッチングし、空洞
３３を形成する。下層膜３２、薄膜３４、保護膜３９
は、犠牲層のエッチング液に対して耐性があることが必
要である。この発明の前提となる赤外線センサではエッ
チングのためのスリットをダイヤフラム中心部に設ける
必要がないので図１（ａ）からわかるように温接点をダ
イヤフラムの中心部に形成することができ高感度にな
る。

【００１８】図１の赤外線センサの製造方法を図４を用
いて説明する。図４において図１と同一記号は同一構成
要素を示す。単結晶シリコン基板３１の主面上にＣＶＤ
法あるいはプラズマＣＶＤ法によりシリコン窒化膜の下
層膜３２を形成する。フォトリソグラフィ工程により、
ダイヤフラム３５よりやや大きな大きさにエッチングす
ることもある。その後、ＣＶＤ法やスパッタ法や蒸着法
により多結晶シリコン膜を形成し、フォトリソグラフィ
工程によりダイヤフラム３５の大きさにエッチングし、
犠牲層４１とする。この様子を示したのが図４（ａ）で
ある。この上にＣＶＤ法あるいはプラズマＣＶＤ法によ
りシリコン窒化膜の薄膜３４を形成する。その後、ＣＶ
Ｄ法やスパッタ法や蒸着法により多結晶シリコン膜を形
成し、フォトレジスト工程とエッチング工程によりサー
モパイルのパターンを形成する。その後、ｎ型にドープ
しない部分をフォトレジストで被い、リンのイオン注入
を行い、ｎ型シリコン膜３６を形成する。その後、ｐ型
にドープしない部分をフォトレジストで被い、ボロンの
イオン注入を行い、ｐ型シリコン膜３７を形成する。こ
の際、リンをドープする領域とボロンをドープする領域
を一部オーバーラップさせた。この様子を示したのが図
４（ｂ）である。なおｎ型、ｐ型のシリコン膜３６，３
７の不純物濃度は１０¹³ｃｍ^-3〜固溶限までの濃度を用
いることができる。出力インピーダンスを低くしたいと
きは濃度を上げて抵抗を下げればよいし、熱電能を高く
したいときは濃度を下げて抵抗を上げればよい。その
後、接合部にアルミニウムや高融点金属やシリサイドな
どの金属を形成し、ｎ型シリコン膜３６と金属領域、ｐ
型シリコン膜３７と金属領域との間をそれぞれオーミッ
ク接触にして接点部３８とする。さらに、ＣＶＤ法やプ
ラズマＣＶＤ法によりシリコン窒化膜やシリコン酸化膜
の保護膜３９を形成する。ダイヤフラム３５となる領域
の隅の保護膜３９と薄膜３４とに小さいエッチングホー
ル４０を形成する。この様子を示したのが図４（ｃ）で
ある。硝酸フッ酸混合液やヒドラジン溶液などシリコン
のエッチング液をエッチングホール４０から浸透させ、
犠牲層４１をエッチングし、空洞３３を形成し、その上
をダイヤフラムとする。この様子を示したのが図１
（ｂ）である。ここでは図示しなかったが、赤外線吸収
層や外部引出し電極も適宜形成する。薄膜３４と保護膜
３９の材質は犠牲層４１のエッチング液に耐性があるこ
との他に内部応力にも考慮する必要がある。すなわち、
出来上がったダイヤフラムが内部に残留する応力のため
に変形しないようにする必要がある。膜がたるまないた
めに残留応力は引張応力であることが好ましく、かつ、
変形が起こらないようにその引張応力の値は小さいこと
が望ましい。

【００１９】図１１はこの発明の第１の実施例の模式断
面図である。図３（ｂ）と同一構成要素は同じ記号で示
している。単結晶シリコン基板６１上に赤外線検知部か
らの信号の読み出しや走査のための走査回路９１がＭＯ
Ｓトランジスタを能動素子として形成されている。ＭＯ
Ｓトランジスタ回路、特にＣＭＯＳトランジスタ回路は
集積度を大きくでき、消費電力が小さいという長所があ
る。走査回路９１が形成されたためにできた単結晶シリ
コン基板６１の表面の凹凸を緩和するために、平坦化層
９２が形成されている。平坦化層９２としては、ＣＶＤ
法やプラズマＣＶＤ法で形成されたボロンリンガラスや
スピンコートガラスが用いられる。また、酸化膜を形成
し、その酸化膜を研磨することによって平坦化すること
もある。この場合、研磨される酸化膜が平坦化層９２に
なる。平坦化層９２の上にＣＶＤ法やプラズマＣＶＤ法
でシリコン窒化膜の下層膜６２を形成する。その上に、
犠牲層をエッチングした結果できた空洞６３を被う形で
シリコン窒化膜の薄膜６４を形成する。空洞６３の上面
を被う膜上の部分をダイアフラムと呼ぶ。薄膜６４には
犠牲層をエッチングした時に用いたエッチングホール６
６が設けられている。これにはサーモパイル型や焦電型
やボロメータ型がある。図示されていないが、熱型赤外
線検知部６７と走査回路９１との間には金属の電気配線
が施されており、それを通して、熱型赤外線検知部６７
の駆動が行われたり、信号の読み出しが行われる。走査
回路９１の少なくとも一部の上に空洞６３は形成されて
いる。この結果、赤外線の受光部に当たるダイヤフラム
の面積を大きくとることができ、すなわち、画素（セ
ル）の面積に占めるダイヤフラムの面積の比率であるフ
ィルファクタを大きくでき、感度の良い赤外線センサが
実現できる。

【００２０】図５はこの発明の第２の実施例の平面模式
図である。この実施例は図１のようなサーモパイル１０
が二次元に多数配列され、かつ、電荷蓄積部と走査回路
がシリコン主面上に集積された赤外線センサである。サ
ーモパイル１０の熱接点はダイヤフラム上に形成してあ
る。サーモパイル１０の一端１１は第１の電圧源１２に
共通接続する。サーモパイル１０に対応してＭＯＳ型ト
ランジスタ１４を形成する。サーモパイル１０の他端１
３はＭＯＳ型トランジスタ１４のゲートに接続する。Ｍ
ＯＳ型トランジスタ１４のソースは第２の電圧源１５に
共通接続する。第２の電圧源１５はシリコン基板の電
位、すなわち、接地とすることも可能である。さらに、
各画素には電荷蓄積部１６を設ける。電荷蓄積部１６と
してはＭＯＳ型容量や接合容量やダイナミックＲＡＭで
用いられているスタック容量を用いる。ＭＯＳ型トラン
ジスタ１４のドレインは電荷蓄積部１６と各画素に設け
られたトランスファゲート１７のソースに接続する。こ
のトランスファゲート１７に対応して埋め込み型の垂直
ＣＣＤ１８が設けられている。垂直ＣＣＤ１８のチャネ
ルはトランスファゲート１７のドレインを兼ねている。
また、垂直ＣＣＤ１８の一つの電極の一部を表面型チャ
ネルとし、トランスファゲート１７と兼ねさせることも
できる。垂直ＣＣＤ１８の転送方向の端部には水平ＣＣ
Ｄ１９を設ける。さらに、水平ＣＣＤ１９の転送方向の
端部には浮遊拡散層型の出力部２０を形成する。トラン
スファゲート１７、垂直ＣＣＤ１８、水平ＣＣＤ１９、
出力部２０とで読み出し部を形成している。

【００２１】この赤外線センサでは、入射赤外線量に応
じてダイヤフラムの温度が上昇し、それによってサーモ
パイル１０に起電圧が生ずる。この起電圧は第１の電圧
源１２に相加されてＭＯＳ型トランジスタ１４のゲート
に印加されて、ドレイン電流を変化させる。このドレイ
ン電流は蓄積期間の間電荷蓄積部１６に蓄積され信号電
荷となる。蓄積期間が終了すると、トランスファゲート
１７をオン状態にし、蓄積されせた信号電荷は電荷蓄積
部１６から垂直ＣＣＤ１８に移されると同時に、電荷蓄
積部１６の電位はトランスファゲート１７のチャネル電
位にリセットされる。トランスファゲート１７をオフ状
態にし、次の蓄積期間が開始する。蓄積期間において、
垂直ＣＣＤ１８と水平ＣＣＤ１９の働きによって、垂直
ＣＣＤ１８に移された信号電荷は順次出力部２０に転送
され、信号は外部に取り出される。

【００２２】ＭＯＳ型トランジスタ１４は弱反転状態な
いしは飽和領域で動作させる。ドレイン電流の最大値を
Ｉ₁アンペア、蓄積期間をＴ秒とすると、最大蓄積電荷
量はＩ₁×Ｔクーロンである。この電荷量を蓄積および
転送できるように電荷蓄積部１６、垂直ＣＣＤ１８、水
平ＣＣＤ１９を設計する必要がある。

【００２３】図６は図５の赤外線センサの一画素の模式
的断面図である。図６において図１と同一記号は同一構
成要素を示す。ｐ型シリコン基板４２の主面にｐ型の分
離領域４３、垂直ＣＣＤのｎ型埋め込み層４４、図５の
ＭＯＳ型トランジスタ１４のｎ型ソース４５とｎ型のド
レイン４６をイオン注入によって形成してある。ドレイ
ン４６は電荷蓄積部を兼ねる。ゲート絶縁膜４７を介し
てｎ型のポリシリコンの垂直ＣＣＤの電極４８、トラン
スファゲート４９、ＭＯＳ型トランジスタのゲート５０
を形成してある。ポリシリコンの段差を平坦化するため
にボロンリンガラス層５１を形成しており、その上にシ
リコン窒化膜の下層膜３２が形成されている。その上に
犠牲層をエッチングした結果できた空洞３３をおおう形
でシリコン窒化膜の薄膜３４を形成する。薄膜３４の上
に熱電材料としてのｎ型シリコン膜３６と図示されてい
ないがｐ型シリコン膜のパターンを形成してあり、サー
モパイルを構成する。さらにその上にシリコン酸化膜や
シリコン窒化膜の保護膜３９を形成する。保護膜３９と
薄膜３４を貫通してエッチングホール４０を形成し、こ
のエッチングホール４０より犠牲層のエッチング液を浸
透させ、犠牲層をエッチングし、空洞３３を形成する。
コンタクトホールを介してアルミニウム配線５２を施
し、ＭＯＳ型トランジスタのソース４５を分離領域４３
と接続し接地し、また、サーモパイルの他端とＭＯＳ型
トランジスタのゲート５０を接続している。図示してい
ないがサーモパイルの一端を外部の電源と接続してい
る。

【００２４】図６に示したように、ダイヤフラム領域は
トランスファゲート４９や垂直ＣＣＤの電極などの電荷
読み出し部上に平坦化膜を介して設けられている。

【００２５】なおダイヤフラム領域はＭＯＳ型トランジ
スタ上あるいは電荷蓄積部上に形成してもよく、またよ
り大きくしたい場合は電荷読み出し部と電荷蓄積部上、
あるいはＭＯＳ型トランジスタと電荷蓄積部と電荷読み
出し部上にまたがって形成するとよい。

【００２６】図７はこの発明の第３の実施例の平面模式
図である。この実施例では図１のようなサーモパイルを
二次元に多数配列し、かつ電荷蓄積部といわゆるＭＯＳ
型と呼ばれる走査回路をシリコン主面上に集積した赤外
線センサである。図５と同一記号で示したものは同一構
成要素を示す。図５の赤外線センサとの違いは電荷蓄積
部１６に蓄積された信号電荷の読み出し方にあるので、
それを説明する。電荷蓄積部１６に対応して垂直スイッ
チ２１が形成されている。垂直スイッチ２１はＭＯＳ型
トランジスタで形成されている。ソースは電荷蓄積部１
６と接続され、ゲートは水平期間遅延したパルスを発生
する垂直シフトレジスタ２２のタップに１行毎に共通接
続されている。また、垂直スイッチ２１のドレインは一
行毎に垂直信号線２３に共通接続されている。垂直信号
線２３に対応して水平スイッチ２４が形成されている。
水平スイッチ２４はＭＯＳ型トランジスタであり、その
ソースは垂直信号線２３に接続されている。ゲートは水
平シフトレジスタ２５の各タップに接続されている。ド
レインは出力ライン２６に共通接続されている。垂直ス
イッチ２１、垂直シフトレジスタ２２、垂直信号線２
３、水平スイッチ２４、水平シフトレジスタ２５、出力
ライン２６とで読み出し部を形成している。

【００２７】この赤外線センサでは、第２の実施例の赤
外線センサと同様にして、蓄積期間において電荷蓄積部
１６に信号電荷が蓄積される。蓄積された信号電荷は、
垂直シフトレジスタ２２のあるタップがオン状態になる
とこのタップに接続された行の垂直スイッチ２１が導通
状態となり信号電荷はそれぞれ対応する垂直信号線２３
に読み出される。この信号電荷は、水平シフトレジスタ
２５からの各タップ出力により水平スイッチ２４を介し
て順次出力ライン２６へ読み出される。このように垂直
シフトレジスタ２２のあるタップに対応する電荷蓄積部
１６の信号がすべて読み出されたら、垂直シフトレジス
タ２２は１行進んで次のタップがオン状態となり、同時
にそのタップに対応する行の電荷蓄積部１６の信号電荷
が対応する垂直信号線２３に読み出される。以下同様な
動作を繰り返すことにより、電荷蓄積部１６に蓄えられ
た信号電荷を１行毎に読み出すことができる。信号電荷
が垂直信号線２３に転送され、電位がリセットされた電
荷蓄積部１６では垂直スイッチ２１がオフ状態になった
後から次の蓄積期間が開始される。

【００２８】図８はこの発明の第４の実施例の平面模式
図である。この実施例では図１のようなサーモパイルを
二次元に多数配列し、かつ、電荷蓄積と転送とを兼ねた
垂直ＣＣＤをシリコン基板上に集積した赤外線センサで
ある。可視光用イメージセンサで言うところのフルフレ
ーム型に近い構成である。図５と同一記号で示したもの
は同一構成要素を示す。図において、多数のサーモパイ
ル１０が二次元に配列されている。サーモパイル１０の
一端１１は第１の電圧源１２に共通接続されている。サ
ーモパイル１０に対応してＭＯＳ型トランジスタ１４が
形成されている。サーモパイル１０の他端１３はＭＯＳ
型トランジスタ１４のゲートに接続されている。ＭＯＳ
型トランジスタ１４のソースは第２の電圧源１５に共通
接続させている。第２の電圧源１５はシリコン基板の電
位、すなわち、接地とすることも可能である。さらに、
ＭＯＳ型トランジスタ１４に対応して埋め込み型の垂直
ＣＣＤ２７が設けられている。垂直ＣＣＤ２７のチャネ
ルはＭＯＳ型トランジスタ１４のドレインを兼ねてい
る。垂直ＣＣＤ２７の転送方向の端部には水平ＣＣＤ１
９が設けられている。さらに、水平ＣＣＤ１９の転送方
向の端部には浮遊拡散層型の出力部２０が形成されてい
る。

【００２９】第２、第３の実施例の赤外線センサにおい
て電荷蓄積部１６が行なっていた信号電荷の蓄積の役割
をこの第５の実施例の赤外線センサでは垂直ＣＣＤ２７
が行なっている。入射赤外線量に応じてダイヤフラムの
温度が上昇し、それによってサーモパイル１０に起電圧
が生ずる。この起電圧は第１の電圧源１２に相加されて
ＭＯＳ型トランジスタ１４のゲートに印加され、ドレイ
ン電流を変化させる。このドレイン電流は蓄積期間対応
する垂直ＣＣＤ２７に蓄積され信号電荷となる。蓄積期
間が終了すると信号電荷は垂直ＣＣＤ２７と水平ＣＣＤ
１９の働きによって順次出力部２０に転送され、信号は
外部に取り出される。第１の電圧源１２をパルス駆動
し、すなわち、蓄積期間にはＭＯＳ型トランジスタ１４
が弱反転状態ないしは飽和領域で動作するような電圧
に、垂直ＣＣＤ２７を信号電荷が転送される期間にはＭ
ＯＳ型トランジスタ１４がカットオフ状態になるような
電圧に第１の電圧源の電圧を設定する。すると、信号電
荷が垂直ＣＣＤ２７を転送中に他の画素の信号電荷と混
じることがない。

【００３０】図９はこの発明の第５の実施例の平面模式
図である。この実施例では図１のようなサーモパイルを
二次元に多数配列し、かつ、電荷蓄積と転送とを兼ねた
第１垂直ＣＣＤとフレームメモリの役割をする第２垂直
ＣＣＤとがシリコン主面上に集積された赤外線センサで
ある。可視光用イメージセンサで言うところのフレーム
転送型に近い構成である。図５、８と同一記号で示した
ものは同一構成要素を示す。第３の実施例の垂直ＣＣＤ
２７と水平ＣＣＤ１９との間にフレームメモリを設けた
ことが第３の実施例との違いである。すなわち、ＭＯＳ
型トランジスタ１４のドレインの役割をし、信号電荷の
蓄積を行う第１垂直ＣＣＤ２８の他に第１垂直ＣＣＤ２
８の転送方向に直列に第２垂直ＣＣＤ２９が設けられて
いる。第２垂直ＣＣＤ２９の転送段数は第１垂直ＣＣＤ
２８の転送段数に等しいかやや多く設定されている。第
２垂直ＣＣＤ２９の転送方向の端部には水平ＣＣＤ１９
が設けられている。

【００３１】この実施例の赤外線センサでは、信号電荷
の蓄積は第１垂直ＣＣＤ２８が行なっている。蓄積期間
が終了すると、第１垂直ＣＣＤ２８に蓄積された信号電
荷は第２垂直ＣＣＤ２９にフレーム転送される。その
後、第１垂直ＣＣＤ２８では次の信号電荷の蓄積が開始
される。また第２垂直ＣＣＤ２９から水平ＣＣＤ１９へ
一行ずつ信号電荷が転送され、さらに水平ＣＣＤ１９の
働きで出力部２０へ順次転送され、信号は外部へ取り出
される。第３の実施例と同様に、第１垂直ＣＣＤ２８が
転送動作中は第１の電圧源１２の電圧をＭＯＳ型トラン
ジスタ１４がカットオフ状態になるように設定すると信
号の混入がなく良好な出力信号が得られる。

【００３２】図１０（ａ）はこの発明の第６の実施例の
赤外線センサの平面図である。焦電型赤外線検出部を用
いており、かつ、２次元イメージセンサである。（ａ）
は２画素を示している。図１０（ｂ）は（ａ）において
１点鎖線ＢＢ’で示した部分の模式断面図である。ｐ型
シリコン基板７１の主面に画素毎にｎチャネル型ＭＯＳ
トランジスタが形成されている。すなわち、ｎ型のソー
ス・ドレイン領域７２、ポリシリコンゲート７３、熱酸
化膜７４が形成されている。ポリシリコンの段差を平坦
化するためにボロンリンガラス層７５を形成しており、
その上にシリコン窒化膜の下層膜７６が形成されてい
る。その上に犠牲層をエッチングした結果できた空洞７
７をおおう形でシリコン窒化膜の薄膜７８を形成する。
薄膜７８には犠牲層をエッチングする時にエッチング液
を侵入させるためのエッチングホール７９が形成されて
いる。薄膜７８上には下部電極８０と上部電極８１とに
はさまれた焦電体８２が形成されている。下部電極８０
は画素毎に分離するようパターニングされており、ＭＯ
Ｓトランジスタのゲート７３やソース・ドレイン領域７
２とコンタクトホール８３を介して接続されている。入
射した赤外線により、ダイヤフラム領域、すなわち空洞
７７上の温度が上昇する。この温度上昇によって焦電体
８２の自発分極が減少する。この自発分極の変化は下部
電極８０を介してＭＯＳトランジスタへ伝えられ、増幅
される。図１０のようにソース・ドレインに接続される
場合とゲートに接続される場合がある。また１画素に２
個のＭＯＳトランジスタを有し、一方を読み出し用とし
て、他方をリセット用として用いる場合もある。

【００３３】

【発明の効果】本発明の前提となる熱型赤外線センサは
図３、図１、図１０に示すようにエッチングホールをダ
イヤフラムの端付近に設けることができ、入射赤外線に
対して最も温度上昇が期待できるダイヤフラム中心付近
に熱型赤外線検出部を配置でき、感度が大きくなるとい
う利点がある。すなわち、サーモパイル型では温接点を
ダイヤフラム中心付近に配列できる。焦電型でも焦電体
をダイヤフラム中心付近にも設けることができ、感度が
大きくなるという利点がある。

【００３４】本発明センサによる熱型赤外線である図
６、１０、１１に示すように、犠牲層を使ったダイヤフ
ラムを用いると、ＭＯＳ型トランジスタを用いた電荷蓄
積部や信号読み出し部や走査部などの走査回路上にダイ
ヤフラム、すなわちサーモパイルや焦電体を配置するこ
とが可能となる。このため、限られた画素面積の中で電
荷蓄積部や信号読み出し部の取り扱い信号量を大きくで
きる。受光部にあたるダイヤフラム面積の比率も従来３
０〜５０％であったのが９０％程度に大きくでき感度が
２〜３倍改善される。走査回路部が形成されることによ
って生じる凹凸は平坦化層を用いることによって大幅に
緩和され、犠牲層を使って空洞を作ることが可能にな
る。

【００３５】さらに、シリコン基板を掘り込んで空洞を
作るのではないので、シリコン基板が露出し、生成消滅
中心が多数存在し、暗電流を増加させるということはな
い。暗電流は１０００分の１以下に改善される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第２の前提となる赤外線センサの模式
的平面図と断面図である。

【図２】従来の赤外線センサの模式的平面図と断面図で
ある。

【図３】本発明の第１の前提となる赤外線センサの模式
的平面図と断面図である。

【図４】本発明の第２の前提となる赤外線センサの製造
方法を示す断面図である。

【図５】本発明の第２の実施例の赤外線センサの模式的
平面図である。

【図６】本発明の第２の実施例の赤外線センサの画素の
断面図である。

【図７】本発明の第３の実施例の赤外線センサの模式的
平面図である。

【図８】本発明の第４の実施例の赤外線センサの模式的
平面図である。

【図９】本発明の第５の実施例の赤外線センサの模式的
平面図である。

【図１０】本発明の第６の実施例の赤外線センサの模式
的平面図と断面図である。

【図１１】本発明の第１の実施例の赤外線センサの断面
図である。

【符号の説明】

１０サーモパイル１１サーモパイルの一端１２第１の電圧源１３サーモパイルの他端１４ＭＯＳ型トランジスタ１５第２の電圧源１６電荷蓄積部１７トランスファゲート１８、２７垂直ＣＣＤ１９水平ＣＣＤ２０出力部２１垂直スイッチ２２垂直シフトレジスタ２３垂直信号線２４水平スイッチ２５水平シフトレジスタ２６出力ライン２８第１垂直ＣＣＤ２９第２垂直ＣＣＤ３１、４２、６１、７１シリコン基板３３、６６、７７空洞３４、６４、７８薄膜３５、６５ダイヤフラム４０、６６、７９エッチングホール４１犠牲層４５ＭＯＳ型トランジスタのソース４６ＭＯＳ型トランジスタのドレイン４８垂直ＣＣＤの電極４９トランスファゲート５０、７３ＭＯＳ型トランジスタのゲート５１、７５ボロンリンガラス層６７熱型赤外線検出部７２ソース・ドレイン領域８２焦電体９１走査回路９２平坦化層

フロントページの続き (56)参考文献特開平３−244168（ＪＰ，Ａ) 特開平４−333292（ＪＰ，Ａ) 特開平５−126643（ＪＰ，Ａ) 特開平５−66529（ＪＰ，Ａ) 特開平５−79906（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】基板の主面に設けられた複数のダイヤフ
ラム領域と、このダイヤフラム領域上に少なくとも一部
が設けられた熱型赤外線検出部と、前記赤外線検出部か
らの信号を順次読み出すための走査回路とを有する赤外
線センサにおいて、前記ダイヤフラム領域では平坦化さ
れた基板上に薄い膜で囲まれた空洞が形成され、かつ、
少なくともダイヤフラム領域の一部が前記走査回路上に
設けられていることを特徴とする赤外線センサ。
【請求項２】基板の主面に設けられた複数のダイヤフ
ラム領域と、このダイヤフラム領域に一方の接点群を有
し、ダイヤフラム領域の外に他方の接点群を有し、その
一端は第１の電圧源に接続されたサーモパイルと、その
ゲートがサーモパイルの他端と接続され、そのソースが
第２の電圧源に接続され、そのドレインが電荷蓄積部で
あるＭＯＳ型トランジスタと、この電荷蓄積部に対応し
て設けられた電荷読み出し部とを有する赤外線センサに
おいて、前記ダイヤフラム領域では平坦化された基板上
に薄い膜で囲まれた空洞が形成され、空洞上の前記薄い
膜の上に前記サーモパイルの一方の接点群が設けられて
おり、かつ、少なくともダイヤフラム領域の一部が前記
ＭＯＳ型トランジスタまたは電荷蓄積部または電荷読み
出し部上に設けられていることを特徴とする赤外線セン
サ。
【請求項３】基板の主面に設けられた複数のダイヤフ
ラム領域と、このダイヤフラム領域に一方の接点群を有
し、ダイヤフラム領域の外に他方の接点群を有し、その
一端は第１の電圧源に接続されたサーモパイルと、前記
多数のダイヤフラム領域に対応して設けられたＣＣＤ
と、そのゲートがサーモパイルの他端と接続され、その
ソースが第２の電圧源に接続され、そのドレインが前記
ＣＣＤのチャネルであるＭＯＳ型トランジスタとを有す
る赤外線センサにおいて、前記ダイヤフラム領域では平
坦化された基板上に薄い膜で囲まれた空洞が形成され、
空洞上の前記薄い膜の上に前記サーモパイルの一方の接
点群が設けられており、かつ、少なくともダイヤフラム
領域の一部が前記ＭＯＳ型トランジスタまたは前記ＣＣ
Ｄ上に設けられていることを特徴とする赤外線センサ。
【請求項４】基板の主面に二次元的に配列された複数
のダイヤフラム領域と、このダイヤフラム領域に一方の
接点群を有し、ダイヤフラム領域の外に他方の接点群を
有し、その一端は第１の電圧源に接続されたサーモパイ
ルと、前記多数のダイヤフラム領域に対応して設けられ
た第１垂直ＣＣＤと、そのゲートがサーモパイルの他端
と接続され、そのソースが第２の電圧源に接続され、そ
のドレインが第１垂直ＣＣＤのチャネルであるＭＯＳ型
トランジスタと、第１垂直ＣＣＤに直列接続され、第１
垂直ＣＣＤの転送段数以上の転送段数を持つ第２垂直Ｃ
ＣＤと、第２垂直ＣＣＤの第１垂直ＣＣＤと接続されて
いない端部に対応して設けられた水平ＣＣＤと、水平Ｃ
ＣＤの転送方向端部に設けられた出力部とを有する赤外
線センサにおいて、前記ダイヤフラム領域では平坦化さ
れた基板上に薄い膜で囲まれた空洞が形成され、空洞上
の前記薄い膜の上に前記サーモパイルの一方の接点群が
設けられており、かつ、少なくともダイヤフラム領域の
１部が前記ＭＯＳ型トランジスタまたは前記第１垂直Ｃ
ＣＤ上に設けられていることを特徴とする赤外線セン
サ。