JP2856180B2 - 熱型赤外線検出素子とその製造方法 - Google Patents
熱型赤外線検出素子とその製造方法Info
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
- G01J5/10—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
- G01J5/20—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using resistors, thermistors or semiconductors sensitive to radiation, e.g. photoconductive devices
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、信号のドリフト除
去を可能とした熱分離構造を有する熱型赤外線検出素子
の構造に関する。
去を可能とした熱分離構造を有する熱型赤外線検出素子
の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】熱型赤外線検出素子には、ボロメータ
型、焦電型及び熱電対型があり、光学部、アンプ部、信
号処理部、表示部等と組み合わせて赤外撮像装置を構成
することができる。例えばボロメータ型の熱型赤外線検
出素子を用いた赤外撮像装置は、被写体からの赤外領域
の熱輻射を熱−抵抗値変換素子上に集光させて、熱輻射
量に応じた抵抗値変化を電気的に取り出して被写体の赤
外画像を得るものである。しかし、一般に赤外撮像装置
は周囲の温度変化、特に動作温度が変化すると直流的な
ドリフトが生じ易いという欠点がある。これを防ぐため
にチョッパーを用いて入射赤外光を断続させて熱−抵抗
値変換素子からの信号を交流信号として取り出し直流的
なドリフトをなくす方法が用いられている。しかし同方
法はチョッパーを駆動するモーターを必要とし、その機
械的な信頼性に問題があると共に消費電力が大きいとい
う問題があった。そこで流川等により特開昭５８−６６
０２８号公報において、図４（ａ）に示すような実装方
法と図４（ｂ）に示すようなドリフト補償回路が提案さ
れた。
型、焦電型及び熱電対型があり、光学部、アンプ部、信
号処理部、表示部等と組み合わせて赤外撮像装置を構成
することができる。例えばボロメータ型の熱型赤外線検
出素子を用いた赤外撮像装置は、被写体からの赤外領域
の熱輻射を熱−抵抗値変換素子上に集光させて、熱輻射
量に応じた抵抗値変化を電気的に取り出して被写体の赤
外画像を得るものである。しかし、一般に赤外撮像装置
は周囲の温度変化、特に動作温度が変化すると直流的な
ドリフトが生じ易いという欠点がある。これを防ぐため
にチョッパーを用いて入射赤外光を断続させて熱−抵抗
値変換素子からの信号を交流信号として取り出し直流的
なドリフトをなくす方法が用いられている。しかし同方
法はチョッパーを駆動するモーターを必要とし、その機
械的な信頼性に問題があると共に消費電力が大きいとい
う問題があった。そこで流川等により特開昭５８−６６
０２８号公報において、図４（ａ）に示すような実装方
法と図４（ｂ）に示すようなドリフト補償回路が提案さ
れた。
【０００３】図４（ａ）では、キャップ１５内に密閉し
て配置した３個のサーミスターボロメータ素子１６，１
７，１８のうち１７だけに赤外線を入射するように遮光
板１９を素子１６と１７の間および素子１７と１８の間
に設置したものであり、素子１７には窓２０を通して赤
外線が入射する。ここで動作温度の変化に起因するドリ
フトを補償する工夫として、図４（ｂ）に示すように、
検出抵抗Ｒａ（素子１７）と負荷抵抗Ｒｃ（素子１６）
を直列接続し、また動作温度補償抵抗Ｒｘ（素子１８）
と外部抵抗Ｒｂも直列接続し、両者を並列に接続して両
端に直流バイアス電圧Ｅｖを印加する。そして点２１と
２２の電圧を増幅器ＯＰ1 とＯＰ2 により増幅し、加算
器を通すことによってドリフトを補償している（ここで
両増幅器の極性は逆である。図中の外部抵抗Ｒｄはオフ
セット調整を容易にするためのものである）。
て配置した３個のサーミスターボロメータ素子１６，１
７，１８のうち１７だけに赤外線を入射するように遮光
板１９を素子１６と１７の間および素子１７と１８の間
に設置したものであり、素子１７には窓２０を通して赤
外線が入射する。ここで動作温度の変化に起因するドリ
フトを補償する工夫として、図４（ｂ）に示すように、
検出抵抗Ｒａ（素子１７）と負荷抵抗Ｒｃ（素子１６）
を直列接続し、また動作温度補償抵抗Ｒｘ（素子１８）
と外部抵抗Ｒｂも直列接続し、両者を並列に接続して両
端に直流バイアス電圧Ｅｖを印加する。そして点２１と
２２の電圧を増幅器ＯＰ1 とＯＰ2 により増幅し、加算
器を通すことによってドリフトを補償している（ここで
両増幅器の極性は逆である。図中の外部抵抗Ｒｄはオフ
セット調整を容易にするためのものである）。
【０００４】図４は素子数が３個の場合であるが、動作
温度の変化による２次元アレイセンサのドリフト補償を
行うための遮光板の配置として、図５（ａ）が容易に想
定される。同図で熱型赤外線２次元アレイセンサ２３の
上に接することなく遮光板２４が設置されている。両者
を空間的に離している理由を同アレイセンサの単位画素
の典型的な構造（図５（ｂ））を用いて説明する。同図
については本発明のところで詳述するので、ここでは簡
単に示す。熱型赤外線検出素子の感度を高くするために
は、一般に同図に示すような熱分離構造を形成すること
が必要不可欠である。熱型赤外線２次元アレイセンサ２
３の単位画素２５は受光部であるダイアフラム２６とそ
れを読出回路付きＳｉ基板から宙に浮かせるための梁２
７から成る。ボロメータ型赤外線センサの場合、同ダイ
アフラム上には熱−抵抗値変換素子の役目をする薄膜お
よび電極等が、また梁には電極配線が形成されている。
このような熱分離構造の形成によりダイアフラムが赤外
線を吸収して温度が上昇し、熱−抵抗値変換素子の抵抗
値が変化しそれを電気信号として取り出すことによって
赤外線を検出することができる。検出感度は熱分離が良
いほど高くなる。前述のように、熱型赤外線センサでは
動作温度の変動により画素からの信号がドリフトする
が、被写体からの赤外線が入射しない画素領域を遮光板
に対応するもので覆い、赤外線が入射する領域にある各
画素からの信号と差を取ることにより、ドリフトを補償
することができる。この場合、熱分離の程度を表す熱コ
ンダクタンスが全く異なる素子をドリフト補償用に使用
するのでは動作温度変動による信号ドリフトを正確に相
殺することは困難である。従って、遮光板を熱型赤外線
アレイセンサ２３から空間的に離して設置することで、
赤外線入射領域と非入射領域にある各画素の熱コンダク
タンスを同じ値にすることができる。
温度の変化による２次元アレイセンサのドリフト補償を
行うための遮光板の配置として、図５（ａ）が容易に想
定される。同図で熱型赤外線２次元アレイセンサ２３の
上に接することなく遮光板２４が設置されている。両者
を空間的に離している理由を同アレイセンサの単位画素
の典型的な構造（図５（ｂ））を用いて説明する。同図
については本発明のところで詳述するので、ここでは簡
単に示す。熱型赤外線検出素子の感度を高くするために
は、一般に同図に示すような熱分離構造を形成すること
が必要不可欠である。熱型赤外線２次元アレイセンサ２
３の単位画素２５は受光部であるダイアフラム２６とそ
れを読出回路付きＳｉ基板から宙に浮かせるための梁２
７から成る。ボロメータ型赤外線センサの場合、同ダイ
アフラム上には熱−抵抗値変換素子の役目をする薄膜お
よび電極等が、また梁には電極配線が形成されている。
このような熱分離構造の形成によりダイアフラムが赤外
線を吸収して温度が上昇し、熱−抵抗値変換素子の抵抗
値が変化しそれを電気信号として取り出すことによって
赤外線を検出することができる。検出感度は熱分離が良
いほど高くなる。前述のように、熱型赤外線センサでは
動作温度の変動により画素からの信号がドリフトする
が、被写体からの赤外線が入射しない画素領域を遮光板
に対応するもので覆い、赤外線が入射する領域にある各
画素からの信号と差を取ることにより、ドリフトを補償
することができる。この場合、熱分離の程度を表す熱コ
ンダクタンスが全く異なる素子をドリフト補償用に使用
するのでは動作温度変動による信号ドリフトを正確に相
殺することは困難である。従って、遮光板を熱型赤外線
アレイセンサ２３から空間的に離して設置することで、
赤外線入射領域と非入射領域にある各画素の熱コンダク
タンスを同じ値にすることができる。
【０００５】次に熱型赤外線検出素子の動作温度の変動
に起因する出力信号のドリフトを相殺するため、図６に
示すように犠牲層３０をエッチングして熱分離構造を有
する熱電対画素（同図の右半分）と同犠牲層をエッチン
グしていない画素（同図の左半分）の出力電圧の差を信
号として取り出すという方法が提案された（特開平７−
２７３３０６号公報）。ボロメータに対しても同様の構
成がエスピーアイイー（Ｕｅｎｏ ｅｔ ａｌ．：ＳＰ
ＩＥ ｖｏｌ．２５５２（１９９５）Ｐ．６３６）に記
載されている。図６はこの技術の本質的な構成だけを抽
出した簡略図で、熱電対型赤外線アレイセンサの一部の
画素構造を示している。Ｓｉ基板１には同アレイセンサ
からの信号を読み出す集積回路が、また絶縁膜であるＢ
ＰＳＧ膜２８と２８′には各画素と集積回路間の電気配
線が形成されている。同絶縁膜上又は中にはＳｉＮ膜２
９で囲まれたポリシリコンの犠牲層３０を有する画素領
域と、同ＳｉＮ膜で囲まれた空洞３１を有する画素領域
が形成されている。ポリシリコン３０を有する画素領域
（図６の左側の画素）において同ＳｉＮ膜上には、Ｓｉ
Ｏ2 膜３２、Ｐ型シリコン膜３３とＮ型シリコン膜３４
からなる複数の熱電対、層間絶縁膜３５、保護膜３６が
形成されている。また空洞３１を有する画素領域（同図
の右側の画素）に対しては同保護膜３６上に更に赤外線
吸収層３７が形成されている。尚、空洞３１の形成はエ
ッチング開口３８から、犠牲層であるポリシリコン３０
のエッチング液を浸透させて犠牲層をエッチングするこ
とにより実現される。
に起因する出力信号のドリフトを相殺するため、図６に
示すように犠牲層３０をエッチングして熱分離構造を有
する熱電対画素（同図の右半分）と同犠牲層をエッチン
グしていない画素（同図の左半分）の出力電圧の差を信
号として取り出すという方法が提案された（特開平７−
２７３３０６号公報）。ボロメータに対しても同様の構
成がエスピーアイイー（Ｕｅｎｏ ｅｔ ａｌ．：ＳＰ
ＩＥ ｖｏｌ．２５５２（１９９５）Ｐ．６３６）に記
載されている。図６はこの技術の本質的な構成だけを抽
出した簡略図で、熱電対型赤外線アレイセンサの一部の
画素構造を示している。Ｓｉ基板１には同アレイセンサ
からの信号を読み出す集積回路が、また絶縁膜であるＢ
ＰＳＧ膜２８と２８′には各画素と集積回路間の電気配
線が形成されている。同絶縁膜上又は中にはＳｉＮ膜２
９で囲まれたポリシリコンの犠牲層３０を有する画素領
域と、同ＳｉＮ膜で囲まれた空洞３１を有する画素領域
が形成されている。ポリシリコン３０を有する画素領域
（図６の左側の画素）において同ＳｉＮ膜上には、Ｓｉ
Ｏ2 膜３２、Ｐ型シリコン膜３３とＮ型シリコン膜３４
からなる複数の熱電対、層間絶縁膜３５、保護膜３６が
形成されている。また空洞３１を有する画素領域（同図
の右側の画素）に対しては同保護膜３６上に更に赤外線
吸収層３７が形成されている。尚、空洞３１の形成はエ
ッチング開口３８から、犠牲層であるポリシリコン３０
のエッチング液を浸透させて犠牲層をエッチングするこ
とにより実現される。
【０００６】さて図６の画素構成の場合、空洞３１を有
する画素は熱分離が良く、熱電対３３と３４が形成され
ている膜に赤外線が吸収されて発生した熱が周囲に逃げ
難く赤外線に対する感度は高い。一方、空洞部がポリシ
リコンで埋められた画素は熱分離が悪く赤外線を吸収し
て熱が発生しても周囲にすぐ逃げてしまい赤外線に対し
て感度が殆どない。この技術ではこのような２種類の画
素の感度の違いを利用して、熱型赤外線検出素子の動作
温度の変動に起因する信号のドリフトを除去していた。
する画素は熱分離が良く、熱電対３３と３４が形成され
ている膜に赤外線が吸収されて発生した熱が周囲に逃げ
難く赤外線に対する感度は高い。一方、空洞部がポリシ
リコンで埋められた画素は熱分離が悪く赤外線を吸収し
て熱が発生しても周囲にすぐ逃げてしまい赤外線に対し
て感度が殆どない。この技術ではこのような２種類の画
素の感度の違いを利用して、熱型赤外線検出素子の動作
温度の変動に起因する信号のドリフトを除去していた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】次に、以上の多様な従
来の赤外線撮像素子の問題点を列記する。
来の赤外線撮像素子の問題点を列記する。
【０００８】第１の問題点は、図４に示した従来技術の
場合、感度が劣化することである。その理由は、遮光板
取り付け時キャップ１５との間にすき間が生じ、素子１
６と１８にも赤外線が迷光として入射するからである。
場合、感度が劣化することである。その理由は、遮光板
取り付け時キャップ１５との間にすき間が生じ、素子１
６と１８にも赤外線が迷光として入射するからである。
【０００９】第２の問題点は、図４に示した従来技術の
場合、コスト高になることである。その理由は、遮光板
の加工・取付工数が加わるからである。
場合、コスト高になることである。その理由は、遮光板
の加工・取付工数が加わるからである。
【００１０】第３の問題点は、図５に示した遮光板の取
り付け方法だと画質が劣化することである。その理由
は、アレイセンサ２３の表面と遮光板２４の間の多重反
射により、被写体からの赤外線が迷光として遮光板直下
の画素に入射するからである。
り付け方法だと画質が劣化することである。その理由
は、アレイセンサ２３の表面と遮光板２４の間の多重反
射により、被写体からの赤外線が迷光として遮光板直下
の画素に入射するからである。
【００１１】第４の問題点は、図６の従来技術の場合だ
と、検出素子の動作温度の変動に起因する信号のドリフ
トを完全に相殺することができないことである。その理
由は、犠牲層エッチングを行った画素領域と犠牲層エッ
チングを行ってないドリフト補償用画素領域の薄膜材料
の電気特性に差が生じたり、特に両領域の画素間で熱時
定数が全く異なってしまうからである。そのため同従来
技術をボロメータ型２次元赤外線センサの製造に適用
し、且つパルスバイアス印加により画素信号を読み出す
際、パルスバイアスに起因するジュール熱による各画素
の瞬時の温度上昇のばらつきとドリフトを相殺できず、
固定パターンノイズ除去が完全でない赤外画像しか得ら
れなかった。
と、検出素子の動作温度の変動に起因する信号のドリフ
トを完全に相殺することができないことである。その理
由は、犠牲層エッチングを行った画素領域と犠牲層エッ
チングを行ってないドリフト補償用画素領域の薄膜材料
の電気特性に差が生じたり、特に両領域の画素間で熱時
定数が全く異なってしまうからである。そのため同従来
技術をボロメータ型２次元赤外線センサの製造に適用
し、且つパルスバイアス印加により画素信号を読み出す
際、パルスバイアスに起因するジュール熱による各画素
の瞬時の温度上昇のばらつきとドリフトを相殺できず、
固定パターンノイズ除去が完全でない赤外画像しか得ら
れなかった。
【００１２】また、図６の熱電対の従来技術では、赤外
吸収層３７の材料についてＮｉ−Ｃｒ膜等と記載されて
おり、実際に真空インピーダンスマッチングさせるため
の赤外吸収層の条件３７７Ω／□をＮｉ−Ｃｒで満たす
には約３０オングストロームという薄膜を制御よく成膜
しなければならない。この膜厚制御は非常に難しいばか
りでなく、凹凸のある表面に成膜した場合、赤外吸収層
の比抵抗が予想とかなり違う値になり且つその値が表面
状態によって変化するのでとても再現性の良い赤外吸収
層は得られない。
吸収層３７の材料についてＮｉ−Ｃｒ膜等と記載されて
おり、実際に真空インピーダンスマッチングさせるため
の赤外吸収層の条件３７７Ω／□をＮｉ−Ｃｒで満たす
には約３０オングストロームという薄膜を制御よく成膜
しなければならない。この膜厚制御は非常に難しいばか
りでなく、凹凸のある表面に成膜した場合、赤外吸収層
の比抵抗が予想とかなり違う値になり且つその値が表面
状態によって変化するのでとても再現性の良い赤外吸収
層は得られない。
【００１３】図６に示した構造を提案した著者を含むエ
スピーアイイーの論文（Ｋａｎｎｏｅｔ ａｌ．：ＳＰ
ＩＥ ｖｏｌ．２２６９（１９９４）Ｐ．４５０）では
金黒膜が赤外吸収層として用いられている。しかし、金
黒は粒状で付着力が弱く耐薬品性も弱い。従って金黒成
膜後に露光・現像によるパターニングを行えず、金黒成
膜前に赤外線に感度を有する領域に対して犠牲層エッチ
ングを行い、そうでない領域に対して犠牲層を残すとい
う方法を取らざるを得なかった。もし犠牲層エッチング
した後に金黒を成膜すると、全画素が赤外線に感度を有
してしまうためドリフト補償用画素領域を確保すること
はできないという問題があった。
スピーアイイーの論文（Ｋａｎｎｏｅｔ ａｌ．：ＳＰ
ＩＥ ｖｏｌ．２２６９（１９９４）Ｐ．４５０）では
金黒膜が赤外吸収層として用いられている。しかし、金
黒は粒状で付着力が弱く耐薬品性も弱い。従って金黒成
膜後に露光・現像によるパターニングを行えず、金黒成
膜前に赤外線に感度を有する領域に対して犠牲層エッチ
ングを行い、そうでない領域に対して犠牲層を残すとい
う方法を取らざるを得なかった。もし犠牲層エッチング
した後に金黒を成膜すると、全画素が赤外線に感度を有
してしまうためドリフト補償用画素領域を確保すること
はできないという問題があった。
【００１４】本発明では、複数の赤外線検出素子におい
ても動作温度の変動による信号電圧のドリフトを完全に
相殺するため、熱分離構造を有する複数の画素のうち一
部の画素に対して赤外吸収率をほぼゼロにした赤外線撮
像素子を提供するものである。
ても動作温度の変動による信号電圧のドリフトを完全に
相殺するため、熱分離構造を有する複数の画素のうち一
部の画素に対して赤外吸収率をほぼゼロにした赤外線撮
像素子を提供するものである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】本発明の熱型赤外線検出
素子は、赤外線に対して感度を有する第一の画素領域
と、赤外線に対して感度を有さない第二の画素領域を有
し、前記第一及び第二の画素領域は少なくとも読出回路
を有する下層部と、少なくとも絶縁体膜にはさまれた熱
−抵抗値変換を行うボロメータ薄膜を有する上層部とか
らなり、前記上層部と下層部とは真空又は封入ガスによ
り空間的に隔てられた熱分離構造になっており、かつ絶
縁体膜上または絶縁体膜中の電極膜により電気的に接続
されていることを特徴としている。
素子は、赤外線に対して感度を有する第一の画素領域
と、赤外線に対して感度を有さない第二の画素領域を有
し、前記第一及び第二の画素領域は少なくとも読出回路
を有する下層部と、少なくとも絶縁体膜にはさまれた熱
−抵抗値変換を行うボロメータ薄膜を有する上層部とか
らなり、前記上層部と下層部とは真空又は封入ガスによ
り空間的に隔てられた熱分離構造になっており、かつ絶
縁体膜上または絶縁体膜中の電極膜により電気的に接続
されていることを特徴としている。
【００１６】より具体的には、（１）前記第一の画素領
域における前記下層部の最上層に完全反射膜を有し、前
記第一の画素領域における前記上層部の最上層に赤外線
吸収薄膜を有し、かつ前記完全反射膜と前記赤外線吸収
膜の実効的な距離が、所望の波長の（２ｍ＋１）／（４
ｎ）倍［ｍ＝０，１，２，・・・（整数），ｎは両膜間
の実効的な屈折率］であること、（２）前記（１）に加
えてさらに前記第二の画素領域（図１（ｂ）の７）にお
ける前記上層部の最上層に完全反射膜を有すること、
（３）また前記（１）に加えてさらに前記第二の画素領
域における前記下層部と前記上層部間の実効的な距離
が、所望の波長のｍ／（２ｎ）倍［ｍ＝１，２，・・
・］であることを特徴とするものである。
域における前記下層部の最上層に完全反射膜を有し、前
記第一の画素領域における前記上層部の最上層に赤外線
吸収薄膜を有し、かつ前記完全反射膜と前記赤外線吸収
膜の実効的な距離が、所望の波長の（２ｍ＋１）／（４
ｎ）倍［ｍ＝０，１，２，・・・（整数），ｎは両膜間
の実効的な屈折率］であること、（２）前記（１）に加
えてさらに前記第二の画素領域（図１（ｂ）の７）にお
ける前記上層部の最上層に完全反射膜を有すること、
（３）また前記（１）に加えてさらに前記第二の画素領
域における前記下層部と前記上層部間の実効的な距離
が、所望の波長のｍ／（２ｎ）倍［ｍ＝１，２，・・
・］であることを特徴とするものである。
【００１７】特に複数の画素からなる熱型赤外線検出素
子において、赤外線に対して感度を有する第一の画素領
域と赤外線に対して感度を有さない第二の画素領域を同
一チップ上に配置して両者の出力電圧の差を取ることに
より、チップの動作温度の変動に起因する信号電圧のド
リフトを相殺でき、動作温度の変動に強い赤外画像を得
ることができる。
子において、赤外線に対して感度を有する第一の画素領
域と赤外線に対して感度を有さない第二の画素領域を同
一チップ上に配置して両者の出力電圧の差を取ることに
より、チップの動作温度の変動に起因する信号電圧のド
リフトを相殺でき、動作温度の変動に強い赤外画像を得
ることができる。
【００１８】また本願発明においては、赤外吸収層とし
て、比抵抗ρが膜厚１５０〜２０００オングストローム
のとき０．５〜１０ｍΩcm程度の材料を用いることが好
ましい。特にＴｉＮ，Ｖ2 Ｏ3 等は平坦で付着力が強
く、成膜の制御性に優れ且つ比較的高い比抵抗を持つた
め犠牲層エッチング前に赤外吸収層を成膜することが可
能であるために好ましい材料であり、この中でもＴｉＮ
は耐薬品性にも優れているため非常に好ましい材料であ
るといえる。なおこの比抵抗ρは、ρ＝ｋｔ（ｋは抵抗
（Ω／□）、ｔは膜厚）の式において、ｋ＝３７７Ω／
□を満たすような材料を示すものであり、ここで膜厚が
１５０オングストロームより薄いと均一な膜にはなら
ず、かつ膜厚が２０００オングストローム以上では使用
する波長の屈折・吸収等がおこってしまうために好まし
くない。
て、比抵抗ρが膜厚１５０〜２０００オングストローム
のとき０．５〜１０ｍΩcm程度の材料を用いることが好
ましい。特にＴｉＮ，Ｖ2 Ｏ3 等は平坦で付着力が強
く、成膜の制御性に優れ且つ比較的高い比抵抗を持つた
め犠牲層エッチング前に赤外吸収層を成膜することが可
能であるために好ましい材料であり、この中でもＴｉＮ
は耐薬品性にも優れているため非常に好ましい材料であ
るといえる。なおこの比抵抗ρは、ρ＝ｋｔ（ｋは抵抗
（Ω／□）、ｔは膜厚）の式において、ｋ＝３７７Ω／
□を満たすような材料を示すものであり、ここで膜厚が
１５０オングストロームより薄いと均一な膜にはなら
ず、かつ膜厚が２０００オングストローム以上では使用
する波長の屈折・吸収等がおこってしまうために好まし
くない。
【００１９】更に、赤外線に感度のある領域の画素と感
度のない領域の画素の熱時定数を同じにできるため、パ
ルスバイアス印加による画素信号の読み出しの際、パル
スバイアスに起因するジュール熱による各画素の瞬時の
温度上昇を相殺でき、固定パターンノイズが殆どない赤
外画像を得ることができる。
度のない領域の画素の熱時定数を同じにできるため、パ
ルスバイアス印加による画素信号の読み出しの際、パル
スバイアスに起因するジュール熱による各画素の瞬時の
温度上昇を相殺でき、固定パターンノイズが殆どない赤
外画像を得ることができる。
【００２０】
［実施例１］本発明の構成を図１（ａ）と（ｂ）に示
す。図１（ａ）は平面図、（ｂ）は図１（ａ）のＸ−
Ｘ′での断面図である。ここでは主に図１（ｂ）を用い
て説明する。図１（ｂ）の左半分は、複数の赤外線検出
素子において赤外線に感度のある画素６の断面図、同図
の右半分は赤外線に感度のない画素７の断面図である。
同図においてＳｉウェハー１には一般に読出回路が集積
されている。同読出回路は平坦化された絶縁膜２（例、
ＢＰＳＧ膜（Ｂｏｒｏｎ ｐｈｏｓｐｈｅｒｏｕｓｓｉ
ｌｉｃａ ｇｌａｓｓ））で覆われている。
す。図１（ａ）は平面図、（ｂ）は図１（ａ）のＸ−
Ｘ′での断面図である。ここでは主に図１（ｂ）を用い
て説明する。図１（ｂ）の左半分は、複数の赤外線検出
素子において赤外線に感度のある画素６の断面図、同図
の右半分は赤外線に感度のない画素７の断面図である。
同図においてＳｉウェハー１には一般に読出回路が集積
されている。同読出回路は平坦化された絶縁膜２（例、
ＢＰＳＧ膜（Ｂｏｒｏｎ ｐｈｏｓｐｈｅｒｏｕｓｓｉ
ｌｉｃａ ｇｌａｓｓ））で覆われている。
【００２１】ＭＯＳＦＥＴ等を含む読出回路が形成され
たＳｉウェハー１上にＢＰＳＧ膜をＣＶＤで１μm ほど
成膜し更にＷＳｉのような赤外で反射率が高い金属を約
２０００オングストロームスパッター成膜する（完全反
射膜の形成）。次に露光・現像を行い、赤外線に感じる
領域に対しては同完全反射膜を残し、赤外線に感じない
領域に対しては同完全反射膜を除去するようにプラズマ
エッチングする。そしてＳｉＯ2 膜のような保護膜４を
減圧ＣＶＤで成膜する。同保護膜に上には多結晶シリコ
ン膜５を形成する。同膜は後の犠牲層エッチング工程に
より空洞となる。このような工程を経るため同多結晶シ
リコン膜は犠牲層と呼ばれる。尚、同多結晶シリコン膜
も露光・現像・エッチング工程により配線等の領域以外
に形成される。さて同犠牲層の上には支持膜８を形成し
なければならない。同支持膜については、ＳｉＮ膜やＳ
ｉＯ2 膜のような絶縁膜をプラズマＣＶＤで形成する。
次に熱伝導率が小さい金属、例えばＴｉを同支持膜上に
スパッター成膜し、露光・現像・エッチング工程により
配線パターンを形成する。このような構造の上に酸素ガ
スを導入した反応性スパッターにより金属酸化物薄膜を
成膜し、熱−抵抗値変換材料薄膜１０とする。同薄膜も
露光・現像・エッチング工程により所望の形状にパター
ニングされる。同熱−抵抗値変換材料薄膜は、プラズマ
ＣＶＤで成膜したＳｉＮ膜やＳｉＯ2 膜のような絶縁保
護膜１１により後工程に耐えられるよう保護される。そ
の後窒素ガスを導入した反応性スパッターによりＴｉＮ
のような赤外吸収薄膜１２を露光・現像・エッチング工
程を通して形成する。その結果、赤外線に感じる領域に
は同赤外吸収薄膜を残し、赤外線に感じない領域には同
赤外吸収薄膜をなくすようにすることができる。ここで
空洞形成工程つまり犠牲層エッチング工程について述べ
ておく。赤外吸収薄膜形成後、エッチング開口３８をプ
ラズマエッチャーまたはイオンミリングにより形成し、
ヒドラジン等の薬品により犠牲層をウェットエッチング
する。この工程により宙に浮いた構造を形成することが
できる。
たＳｉウェハー１上にＢＰＳＧ膜をＣＶＤで１μm ほど
成膜し更にＷＳｉのような赤外で反射率が高い金属を約
２０００オングストロームスパッター成膜する（完全反
射膜の形成）。次に露光・現像を行い、赤外線に感じる
領域に対しては同完全反射膜を残し、赤外線に感じない
領域に対しては同完全反射膜を除去するようにプラズマ
エッチングする。そしてＳｉＯ2 膜のような保護膜４を
減圧ＣＶＤで成膜する。同保護膜に上には多結晶シリコ
ン膜５を形成する。同膜は後の犠牲層エッチング工程に
より空洞となる。このような工程を経るため同多結晶シ
リコン膜は犠牲層と呼ばれる。尚、同多結晶シリコン膜
も露光・現像・エッチング工程により配線等の領域以外
に形成される。さて同犠牲層の上には支持膜８を形成し
なければならない。同支持膜については、ＳｉＮ膜やＳ
ｉＯ2 膜のような絶縁膜をプラズマＣＶＤで形成する。
次に熱伝導率が小さい金属、例えばＴｉを同支持膜上に
スパッター成膜し、露光・現像・エッチング工程により
配線パターンを形成する。このような構造の上に酸素ガ
スを導入した反応性スパッターにより金属酸化物薄膜を
成膜し、熱−抵抗値変換材料薄膜１０とする。同薄膜も
露光・現像・エッチング工程により所望の形状にパター
ニングされる。同熱−抵抗値変換材料薄膜は、プラズマ
ＣＶＤで成膜したＳｉＮ膜やＳｉＯ2 膜のような絶縁保
護膜１１により後工程に耐えられるよう保護される。そ
の後窒素ガスを導入した反応性スパッターによりＴｉＮ
のような赤外吸収薄膜１２を露光・現像・エッチング工
程を通して形成する。その結果、赤外線に感じる領域に
は同赤外吸収薄膜を残し、赤外線に感じない領域には同
赤外吸収薄膜をなくすようにすることができる。ここで
空洞形成工程つまり犠牲層エッチング工程について述べ
ておく。赤外吸収薄膜形成後、エッチング開口３８をプ
ラズマエッチャーまたはイオンミリングにより形成し、
ヒドラジン等の薬品により犠牲層をウェットエッチング
する。この工程により宙に浮いた構造を形成することが
できる。
【００２２】赤外線に感度のある画素の場合、同絶縁膜
上には完全反射膜３（例、ＷＳｉ膜）と絶縁保護膜４
（例、ＳｉＯ2 膜）、素子製造工程のほぼ最終段階でエ
ッチングされ空洞５となる犠牲層（例、多結晶シリコン
膜）、絶縁支持膜８（例、ＳｉＯ2 膜やＳｉＮ膜）が形
成されており、空洞５によって熱分離構造となってい
る。また絶縁支持膜８上には受光部の電極９（例、Ｔ
ｉ）が形成される。このような構造の上に熱−抵抗値変
換材料薄膜（ボロメータ薄膜）１０（例、ニッケル、コ
バルト、マンガン等の金属の酸化物よりなるＮＴＣ材料
やチタン酸バリウムにストロンチウム等の金属を混合し
たＰＴＣ材料薄膜）が成膜・パターニングされ、その上
に絶縁保護膜１１（例、ＳｉＯ2 膜やＳｉＮ膜）と赤外
線吸収薄膜１２（例、ＴｉＮ１５０オングストローム）
が形成される。同構造で赤外線を吸収するための条件と
して、赤外線１４が完全反射膜３で反射された成分と赤
外線吸収薄膜１２に入射する成分が打ち消し合う干渉条
件を満たす必要がある。そのためには完全反射膜３と赤
外線吸収薄膜１２の実効的な間隔を、検出したい赤外線
の波長の１／４の奇数倍にしなければならない。例え
ば、波長１０μm 帯に的を絞る場合、２．５μm 程度に
設定する。このようにして図１（ｂ）に示したように、
赤外線に感度のある画素領域が形成される。
上には完全反射膜３（例、ＷＳｉ膜）と絶縁保護膜４
（例、ＳｉＯ2 膜）、素子製造工程のほぼ最終段階でエ
ッチングされ空洞５となる犠牲層（例、多結晶シリコン
膜）、絶縁支持膜８（例、ＳｉＯ2 膜やＳｉＮ膜）が形
成されており、空洞５によって熱分離構造となってい
る。また絶縁支持膜８上には受光部の電極９（例、Ｔ
ｉ）が形成される。このような構造の上に熱−抵抗値変
換材料薄膜（ボロメータ薄膜）１０（例、ニッケル、コ
バルト、マンガン等の金属の酸化物よりなるＮＴＣ材料
やチタン酸バリウムにストロンチウム等の金属を混合し
たＰＴＣ材料薄膜）が成膜・パターニングされ、その上
に絶縁保護膜１１（例、ＳｉＯ2 膜やＳｉＮ膜）と赤外
線吸収薄膜１２（例、ＴｉＮ１５０オングストローム）
が形成される。同構造で赤外線を吸収するための条件と
して、赤外線１４が完全反射膜３で反射された成分と赤
外線吸収薄膜１２に入射する成分が打ち消し合う干渉条
件を満たす必要がある。そのためには完全反射膜３と赤
外線吸収薄膜１２の実効的な間隔を、検出したい赤外線
の波長の１／４の奇数倍にしなければならない。例え
ば、波長１０μm 帯に的を絞る場合、２．５μm 程度に
設定する。このようにして図１（ｂ）に示したように、
赤外線に感度のある画素領域が形成される。
【００２３】赤外線に感度のない画素領域７には、感度
のある画素領域６と異なり完全反射膜と赤外線吸収薄膜
を形成しない。そのため、赤外線１４が画素領域７に入
射したとしても前述の干渉条件を満たさなくなり、赤外
線を吸収せず感度をなくすることができる。
のある画素領域６と異なり完全反射膜と赤外線吸収薄膜
を形成しない。そのため、赤外線１４が画素領域７に入
射したとしても前述の干渉条件を満たさなくなり、赤外
線を吸収せず感度をなくすることができる。
【００２４】なお、上記には使用できる材料の一例のみ
を示したが完全反射膜３としては、Ｗ，Ｔｉ，Ａｌ，Ａ
ｕ，Ｐｔ，ＴｉＮ等が、絶縁膜としては絶縁保護膜４、
絶縁支持膜８等いずれもＳｉＯ2 膜，ＳｉＮ膜等が、犠
牲層としてはＳｉＯ2 膜，感光性ポリイミド，フォトレ
ジスト等を適宜用いることができる。受光部の電極９に
は熱伝導率が悪く低抵抗の材料が好ましく、Ｔｉ以外に
もニクロム等を用いることができる。赤外線吸収薄膜１
２には３７７Ω／□程度の抵抗を持つ薄膜が好ましく、
ＴｉＮ以外にもＶ2 Ｏ3 等の金属薄膜を用いることも可
能である。
を示したが完全反射膜３としては、Ｗ，Ｔｉ，Ａｌ，Ａ
ｕ，Ｐｔ，ＴｉＮ等が、絶縁膜としては絶縁保護膜４、
絶縁支持膜８等いずれもＳｉＯ2 膜，ＳｉＮ膜等が、犠
牲層としてはＳｉＯ2 膜，感光性ポリイミド，フォトレ
ジスト等を適宜用いることができる。受光部の電極９に
は熱伝導率が悪く低抵抗の材料が好ましく、Ｔｉ以外に
もニクロム等を用いることができる。赤外線吸収薄膜１
２には３７７Ω／□程度の抵抗を持つ薄膜が好ましく、
ＴｉＮ以外にもＶ2 Ｏ3 等の金属薄膜を用いることも可
能である。
【００２５】［実施例２］同実施例について、赤外線に
感度のある画素領域の構造は実施例１と同じである。
感度のある画素領域の構造は実施例１と同じである。
【００２６】図２に示すように、赤外線に感度のない画
素領域７′と感度のある画素領域６の構造において唯一
異なる点は、感度のない画素領域７′の最上層に完全反
射膜１３を形成していることである。同反射膜は、赤外
線吸収薄膜１２の厚み（例、ＴｉＮで約１５０オングス
トローム）に比べてかなり厚く且つシート抵抗を小さく
してあるので（例、Ｔｉで約２０００オングストロー
ム）、入射する赤外線を全て反射してしまい感度をなく
することができる。
素領域７′と感度のある画素領域６の構造において唯一
異なる点は、感度のない画素領域７′の最上層に完全反
射膜１３を形成していることである。同反射膜は、赤外
線吸収薄膜１２の厚み（例、ＴｉＮで約１５０オングス
トローム）に比べてかなり厚く且つシート抵抗を小さく
してあるので（例、Ｔｉで約２０００オングストロー
ム）、入射する赤外線を全て反射してしまい感度をなく
することができる。
【００２７】［実施例３］同実施例について、赤外線に
感度のある画素領域の構造は実施例１と殆ど同じであ
る。ただ後述の説明で分かるように、絶縁膜２を厚くし
ている。
感度のある画素領域の構造は実施例１と殆ど同じであ
る。ただ後述の説明で分かるように、絶縁膜２を厚くし
ている。
【００２８】図３に示すように、赤外線に感度のない画
素領域７′と感度のある画素領域６の構造において唯一
異なる点は、前述の干渉条件に関して赤外線１４が空洞
５直下の平面で反射された成分と絶縁保護膜１１への入
射成分が強め合う干渉条件を満たすように、両者の実効
的な間隔を検出したい波長の１／２の整数倍に調整する
ことである。このことにより、完全反射膜や赤外線吸収
薄膜が、赤外線に感度のある画素領域のように形成され
たとしても、検出したい波長の赤外線は吸収されず感度
を殆どなくすることができる。感度をより完全になくす
には、完全反射膜も赤外線吸収薄膜も形成しないほうが
よい。
素領域７′と感度のある画素領域６の構造において唯一
異なる点は、前述の干渉条件に関して赤外線１４が空洞
５直下の平面で反射された成分と絶縁保護膜１１への入
射成分が強め合う干渉条件を満たすように、両者の実効
的な間隔を検出したい波長の１／２の整数倍に調整する
ことである。このことにより、完全反射膜や赤外線吸収
薄膜が、赤外線に感度のある画素領域のように形成され
たとしても、検出したい波長の赤外線は吸収されず感度
を殆どなくすることができる。感度をより完全になくす
には、完全反射膜も赤外線吸収薄膜も形成しないほうが
よい。
【００２９】以上説明したように、本発明によれば、複
数の画素からなる熱型赤外線検出素子において、赤外線
に感度のある画素領域と赤外線に感度のない画素領域を
同一チップ上に配置して両者の出力電圧の差を取ること
ができる。そのためチップの動作温度の変動に起因する
信号電圧のドリフトを相殺でき、動作温度の変動に強い
赤外画像を得ることができる。また両領域の画素の熱時
定数を同じにできるため、パルスバイアス印加による画
素信号の読み出しにおいて、パルスバイアスに起因する
ジュール熱による各画素の瞬時の温度上昇を相殺でき、
固定パターンノイズが殆どない赤外画像を得ることがで
きる。
数の画素からなる熱型赤外線検出素子において、赤外線
に感度のある画素領域と赤外線に感度のない画素領域を
同一チップ上に配置して両者の出力電圧の差を取ること
ができる。そのためチップの動作温度の変動に起因する
信号電圧のドリフトを相殺でき、動作温度の変動に強い
赤外画像を得ることができる。また両領域の画素の熱時
定数を同じにできるため、パルスバイアス印加による画
素信号の読み出しにおいて、パルスバイアスに起因する
ジュール熱による各画素の瞬時の温度上昇を相殺でき、
固定パターンノイズが殆どない赤外画像を得ることがで
きる。
【００３０】
【発明の効果】第１の効果は、チップの動作温度の変動
に起因する信号電圧のドリフトを相殺できることであ
る。これにより、動作温度の変動に強い赤外画像を得る
ことができる。その理由は、本発明によれば、複数の画
素からなる熱型赤外線検出素子において、赤外線に感度
のある画素領域と赤外線に感度のない画素領域を同一チ
ップ上に配置して両者の出力電圧の差を取ることができ
るからである。
に起因する信号電圧のドリフトを相殺できることであ
る。これにより、動作温度の変動に強い赤外画像を得る
ことができる。その理由は、本発明によれば、複数の画
素からなる熱型赤外線検出素子において、赤外線に感度
のある画素領域と赤外線に感度のない画素領域を同一チ
ップ上に配置して両者の出力電圧の差を取ることができ
るからである。
【００３１】第２の効果は、パルスバイアス印加による
画素の駆動において、バイアスに起因するジュール熱に
よる各画素の温度上昇を相殺できることである。これに
より、固定パターンノイズが少ない赤外画像を得ること
ができる。その理由は、本発明によれば、複数の画素か
らなる熱型赤外線検出素子において、赤外線に感度のあ
る領域の画素と赤外線に感度のない領域の画素の熱時定
数を同じにできるからである。
画素の駆動において、バイアスに起因するジュール熱に
よる各画素の温度上昇を相殺できることである。これに
より、固定パターンノイズが少ない赤外画像を得ること
ができる。その理由は、本発明によれば、複数の画素か
らなる熱型赤外線検出素子において、赤外線に感度のあ
る領域の画素と赤外線に感度のない領域の画素の熱時定
数を同じにできるからである。
【図１】本発明の第１の実施例で、感度のある画素に対
して完全反射膜と赤外線吸収薄膜を設けた例を示す図で
ある。
して完全反射膜と赤外線吸収薄膜を設けた例を示す図で
ある。
【図２】本発明の第２の実施例で、感度のない画素に対
して完全反射膜を形成した例を示す図である。
して完全反射膜を形成した例を示す図である。
【図３】本発明の第３の実施例で、感度のない画素下の
空洞の間隔を所望の波長のｍ／（２ｎ）倍に調整した例
を示す図である。
空洞の間隔を所望の波長のｍ／（２ｎ）倍に調整した例
を示す図である。
【図４】従来技術の一例であり、（ａ）はカンパッケー
ジ内の赤外線検出素子と遮光板の配置の断面図、（ｂ）
はボロメータの信号の増幅方法を示す図である。
ジ内の赤外線検出素子と遮光板の配置の断面図、（ｂ）
はボロメータの信号の増幅方法を示す図である。
【図５】図４から容易に類推される従来技術の例であ
り、（ａ）はパッケージ内の赤外線検出素子と遮光板の
配置の断面図、（ｂ）は赤外線検出素子の画素構造の平
面図、（ｃ）は画素構造の断面図である。
り、（ａ）はパッケージ内の赤外線検出素子と遮光板の
配置の断面図、（ｂ）は赤外線検出素子の画素構造の平
面図、（ｃ）は画素構造の断面図である。
【図６】従来技術に記載されている熱分離構造を有する
熱型赤外線検出素子の画素の断面図である。
熱型赤外線検出素子の画素の断面図である。
１ Ｓｉウェハー ２ 絶縁膜 ３ 完全反射膜 ４ 絶縁保護膜 ５ 空洞 ６ 赤外線に感度のある画素 ７，７′，７″ 赤外線に感度のない画素 ８ 絶縁支持膜 ９ 電極 １０ 熱−抵抗値変換材料薄膜 １１ 絶縁保護膜 １２ 赤外線吸収薄膜 １３ 完全反射膜 １４ 赤外線 １５ キャップ １６ サーミスターボロメータ（Ｒｃ） １７ サーミスターボロメータ（Ｒａ） １８ サーミスターボロメータ（Ｒｘ） １９ 遮光板 ２０ 窓 ２１ 素子１８と外部抵抗の間の電圧モニター点 ２２ 素子１６と１７の間の電圧モニター点 ２３ 熱型赤外線２次元アレイセンサ ２４ 遮光板 ２５ 単位画素 ２６ ダイアフラム ２７ 梁 ２８，２８′ ＢＰＳＧ膜 ２９ シリコン窒化膜 ３０ 犠牲層 ３１ 空洞 ３２ シリコン酸化膜 ３３ Ｐ型シリコン膜 ３４ Ｎ型シリコン膜 ３５ 層間絶縁膜 ３６ 保護膜 ３７ 赤外線吸収層 ３８ エッチング開口
Claims (6)
- 【請求項１】赤外線に対して感度を有する第一の画素領
域と、赤外線に対して感度を有さない第二の画素領域を
有し、前記第一及び第二の画素領域は少なくとも読出回
路を有する下層部と、少なくとも絶縁体膜にはさまれた
熱−抵抗値変換を行うボロメータ薄膜を有する上層部と
からなり、前記上層部と下層部とは真空又は封入ガスに
より空間的に隔てられた熱分離構造になっており、かつ
絶縁体膜上または絶縁体膜中の電極膜により電気的に接
続されている熱型赤外線検出素子において、前記第一の
画素領域における前記下層部の最上層に完全反射膜を有
し、前記第一の画素領域における前記上層部の最上層に
赤外線吸収薄膜を有し、かつ前記完全反射膜と前記赤外
線吸収膜の実効的な距離が、所望の波長の（２ｍ＋１）
／（４ｎ）倍［ｍ＝０，１，２，・・・（整数），ｎは
両膜間の実効的な屈折率］であることを特徴とする熱型
赤外線検出素子。 - 【請求項２】前記第二の画素領域における前記上層部の
最上層に完全反射膜を有することを特徴とする請求項１
記載の熱型赤外線検出素子。 - 【請求項３】前記第二の画素領域における前記下層部の
最上層と前記上層部の最上層間の実効的な距離が、所望
の波長のｍ／（２ｎ）倍［ｍ＝１，２，・・・］である
ことを特徴とする請求項１または２記載の熱型赤外線検
出素子。 - 【請求項４】前記赤外線吸収薄膜が、膜厚１５０〜２０
００オングストロームで比抵抗が０．５〜１０ｍΩcmで
あることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の
熱型赤外線検出素子。 - 【請求項５】前記赤外線吸収薄膜がＴｉＮもしくはＶ2
Ｏ3 よりなることを特徴とする請求項４記載の熱型赤外
線検出素子。 - 【請求項６】読出回路が形成されたＳｉウェハー上に絶
縁膜を形成し、その上に赤外で反射率が高い金属を成膜
して完全反射膜を形成する工程と、 露光・現像を行って赤外線に感度を有する第一の画素領
域に対しては前記完全反射膜を残し、赤外線に感度を有
さない第二の画素領域に対しては前記完全反射膜を除去
した後全面に保護膜を成膜する工程と、 前記保護膜上に犠牲層を成膜してさらにその上に支持膜
を形成する工程と、 熱伝導率が小さい金属を前記支持膜上に成膜して配線パ
ターンを形成し、さらにこの上に熱−抵抗値変換材料薄
膜を成膜してこれを所望の形状にパターニングする工程
と、 前記熱−抵抗値変換材料薄膜上に絶縁保護膜を形成し、
さらに赤外吸収薄膜を成膜して前記第一の画素領域のみ
に残存させる工程と、 前記犠牲層をエッチングして空洞を形成する工程とから
なることを特徴とする熱型赤外線検出素子の製造方法。
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| JP8315985A JP2856180B2 (ja) | 1996-11-27 | 1996-11-27 | 熱型赤外線検出素子とその製造方法 |
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| EP97309603A EP0845664A1 (en) | 1996-11-27 | 1997-11-27 | Thermal infrared detecting device capable of detecting infrared rays without influence of operating temperature |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
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| JPH10163539A JPH10163539A (ja) | 1998-06-19 |
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Family
ID=18071959
Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP8315985A Expired - Lifetime JP2856180B2 (ja) | 1996-11-27 | 1996-11-27 | 熱型赤外線検出素子とその製造方法 |
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