JP3367224B2

JP3367224B2 - 赤外線固体撮像装置

Info

Publication number: JP3367224B2
Application number: JP24487794A
Authority: JP
Inventors: 昌宏正田
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1994-09-14
Filing date: 1994-09-14
Publication date: 2003-01-14
Anticipated expiration: 2018-01-14
Also published as: JPH0888340A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、固体撮像装置に関する
ものであり、特に、波長感度の制御を可能ならしめる構
造を持つ赤外線固体撮像装置に関するものである。さら
に、互いに波長感度の異なる複数の受光素子を持つ赤外
線固体撮像装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】固体撮像素子の一種に、赤外線での撮像
を目的とした赤外線撮像素子がある。温度を持つ物体は
なんらかの赤外線を放出しているので、可視光では撮像
できないような闇夜でも、赤外線固体撮像素子を用いた
赤外線撮像装置ならば、画像撮影が可能であり、監視用
などの用途に使用されている。監視用途では、物体の放
射する赤外線を検出すれば良いため、赤外線に対する感
度が良好ならば、従来の赤外線撮像装置で十分実用にな
っていた。

【０００３】また、物体は、物体の温度に応じた赤外線
を放射しているため、物体を赤外線撮像装置で撮像し受
光した赤外線量を計量すれば、物体の温度を知ることが
できるであろうとの知見から、赤外線撮像素子を用いて
温度計測を行なう赤外線温度計が開発されている。

【０００４】理想的な熱放射体として黒体という概念が
あるが、実在の物体の熱放射量は、同じ温度の黒体より
も小さく、その比率は一般的に放射率と呼ばれている。
従って、個々の物体の放射率が既知であれば、赤外線撮
像装置を用いて物体からの赤外線照射量、即ち熱放射量
を計測すれば真の温度を算出することができる。そこ
で、従来の赤外線温度計では、放射率を指定することが
できるようになっている。

【０００５】ところで、物体からの熱放射において、物
体の温度が変わると、物体から放射されるエネルギーの
波長分布が変わるというプランクの分布則が知られてい
る。例えば、図１２示すように、放射率が１の黒体で
は、温度に応じてそれぞれ異なる分光輻射強度を持つ。
プランクの分布則によれば、物体の温度が高くなるにつ
れて、波長の短い成分のエネルギー放射が多くなる。そ
して、ある温度の物体から放射されるエネルギーは、波
長方向に積分すると、物体の絶対温度の４乗に比例する
というステファンーボルツマンの法則が成り立ってい
る。従来の赤外線温度計は、このステファンーボルツマ
ンの法則に従い、物体からの放射エネルギーを測定し、
その大小により物体の温度を求めようとしたものであ
る。

【０００６】更に、分析科学の分野では、試料の発光あ
るいは吸収スペクトルを赤外線波長域で測定し、物質の
持つ特徴的なスペクトルから、試料の組成あるいは同定
を行なう装置が開発されている。

【０００７】ここで、上記の如き赤外線温度計として用
いられる従来の赤外線撮像装置の一例を図１３に示す。
これは、半導体基板上に形成した光電変換部と、更にそ
の上に光電変換部を透過した光を再び光電変換部に導入
するための反射膜とを有する赤外線固体撮像装置の平面
構成を模式的に示したものである。図１３において、光
電変換部を含む受光素子１０２が半導体基板１０１上に
マトリクス状に配列されて受光部が構成されている。

【０００８】この受光部には、各受光素子１０２毎に発
生した電荷を読み出すために、複数の垂直電荷転送部１
０３が受光素子列に沿って受光素子間の間隔領域に形成
されており、さらにこの複数の垂直電荷転送部１０３に
接続された水平電荷転送部１０４が形成されている。各
受光素子１０２からの電荷は、垂直電荷転送部１０３、
水平電荷転送部１０４を転送され、電荷読み出し回路で
ある出力回路１０５を通して固体撮像装置外へ出力す
る。実際には、電荷を読み出すために、電荷転送部の上
に設けられた転送電極等が必要である。

【０００９】このような固体撮像装置の受光部の一部を
拡大して図１４（ａ）に示した。ここでは、縦横３個の
合計９個分の受光素子を含む受光部表面の一領域を模式
的に示している。該受光部は、例えば、半導体基板１０
１としてＰ型シリコンを用い、この半導体基板１０１に
Ｐｔを披着し、熱処理を加えることによりＰｔとＳｉの
シリサイド層を形成し、該シリサイド層とＰ型シリコン
間で形成するショットキー接合を光電変換部とする受光
素子を用いた赤外線固体撮像装置である。それぞれの光
電変換部（反射膜１０９の下に存在する。）が、ガード
リング領域１０８と分離領域１０７で周囲を囲まれ、ガ
ードリング領域１０８と分離領域１０７を含めた受光素
子を構成し、前記受光素子を２次元マトリクス状に配置
し、受光部を構成している。

【００１０】図１４（ｂ）は、（ａ）の赤外線固体撮像
装置の受光素子のＡーＡ’断面における表面付近の一部
の構造を示したものである。この受光素子において、入
射光はシリコン基板１０１の裏面（図１４（ｂ）におい
ては、図面下方）から入って、一旦光電変換部であるＰ
ｔＳｉシリサイド層１１２を通り、光電変換され信号電
荷を生じさせる。

【００１１】しかし、光電変換されるのは入射光の一部
であり、ＰｔＳｉシリサイド層１１２を透過した光は、
反射膜（金属反射膜）１０９で反射され、再度、受光部
であるＰｔＳｉシリサイド層１１２を通り、光電変換さ
れる。赤外線固体撮像装置においては、一般に、このよ
うな構造をオプティカルキャビティ構造と呼び、このオ
プティカルキャビティ構造を採用することによって赤外
線の検出感度を上げている。そして、従来技術による赤
外線固体撮像装置においては、受光部上の全ての受光素
子で、オプティカルキャビティ構造は同一の設計形状で
あった。即ち、光電変換部と反射膜間の光学的距離は、
全ての受光素子で同じになるよう作られていた。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
如き赤外線撮像装置を用いて温度計測を行なう場合、物
体からの赤外線放射量を計測しようとする方式では、物
体の温度を適切に測定できない場合が多かった。これ
は、全ての物質の放射率が数表として提供されていない
ことから、放射率が未知の場合は、予め、使用者が自ら
実験的に放射率を求めなければならず、これには非常に
時間を要していた。このため、実際には、使用者は、個
々の物体の真の温度とは異なることを承知の上で、放射
率を黒体の放射率と同じ値とし、使用する場合がほとん
どであったためである。このような状況では、意味のあ
る温度計測は不可能であった。

【００１３】一方、物体の放射率は、波長によらず一定
な場合と、波長依存性を有する場合があるが、波長依存
性を有する場合であっても、狭い波長範囲では一定値と
見なせる場合が多いことから、個々の物体の放射率が、
物体により異なるとしても、撮像波長範囲で一定であれ
ば、プランクの分布則から、複数の波長で物体からのエ
ネルギー放射量を測定し、エネルギーの波長分布から、
物体の温度を知ることができる。これを、赤外線撮像素
子を用いた赤外線温度計で実現できれば、非接触で二次
元の温度分布を高速に測定できる優れた温度計測装置を
得ることができることが見出されている。

【００１４】このようなエネルギーの波長分布から物体
の温度を知る赤外線固体撮像装置を用いた赤外線温度計
を実現するには、受光部にていくつかの波長帯に分割し
て撮像する必要が生じるが、それには、所謂可視光にお
ける３原色（赤、緑、青）のカラーフィルタに相当する
赤外域用フィルタの実現が必要不可欠となる。

【００１５】しかしながら、可視光用の固体撮像装置の
場合では、カラーフィルタが有機材料と染料を用いて容
易に形成でき、また、光電変換部上に配置すれば良いの
で容易に固体撮像素子に適用できるのに対して、赤外線
領域においては、有機材料を用いたカラーフィルタは実
現困難であり、特殊な無機材料を数層に蒸着するなどの
方法によらなければ作成できなかった。まして、複数種
のフィルタを非常に小さい各受光素子の受光領域上に配
置することは、非常に困難であった。特に、裏面入射型
の場合、光電変換部とシリコンウエハを隔てて配置する
必要があるため、上記の如きフィルタを配置することは
不可能であった。従って、エネルギーの波長分布から物
体の温度を求める赤外線固体撮像装置を実現することは
できなかった。

【００１６】また、同様に、赤外線領域での吸収あるい
は発光スペクトルから、物質の持つ特徴的なスペクトル
を抽出し、試料の組成あるいは同定を二次元的に行なう
には、赤外線固体撮像装置の受光素子に数種類のフィル
タを設置することが必要となること、さらに、赤外線領
域でのスペクトル測定を行なう場合、分光器あるいはグ
レーティングを用いる必要があり、装置として非常に大
がかりとなるため、マトリクス状に受光素子が配置され
たエリアセンサにおいては、赤外線領域でのスペクトル
分析から試料の同定を行なうことは実現不可能であっ
た。

【００１７】本発明は、かかる問題に鑑み、マトリクス
状に複数の受光素子が配置されてなる受光部をいくつか
の波長帯に分割できるような赤外線領域用の、所謂可視
領域における補色検出機能に相当する機能を持つ赤外線
固体撮像装置を得ることを目的とする。また、赤外線領
域用の補色検出機能によって特定波長の吸収あるいはス
ペクトルを感度良く検出することのできる赤外線固体撮
像装置を得ることを目的とする。さらに、放射率によら
ないで非接触で二次元の温度分布を高速に測定できる優
れた温度計としての赤外線撮像装置を提供することを目
的とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に記載の発明に係る赤外線固体撮像装置で
は、光透過性基板上に複数の受光素子を配列して形成さ
れた受光部を有し、各受光素子は、基板の第１主面上に
形成された光電変換部と、この光電変換部上に透光性絶
縁層を介して形成された反射膜からなるオプティカルキ
ャビティ構造を含み、前記基板の第１主面に対向する第
２主面側から入射して基板を透過した入射光およびこの
入射光のうち前記光電変換部と前記絶縁層を透過して前
記反射膜で反射された反射光を前記光電変換部で電気信
号に変換するようにした赤外線固体撮像装置であって、
前記受光部は、前記光電変換部と反射膜間の光学的距離
が互いに異なるオプティカルキャビティ構造をもつ複数
種の受光素子が配列されており、前記複数種の受光素子
のうち、一種以上の受光素子のオプティカルキャビティ
構造は、それぞれ、その他種の受光素子で光電変換可能
な波長域内の予め定められた特定波長の入射光と反射光
とが互いの強度を弱め合うような光学的距離を有してい
るものである。

【００１９】また、請求項２に記載の発明に係る赤外線
固体撮像装置では、請求項１に記載の赤外線固体撮像装
置において、互いに異なる光学的距離のオプティカルキ
ャビティ構造を有する第１の受光素子と第２の受光素子
と、該第１と第２の受光素子間の電気信号出力の差分を
検出する偏差検出手段とを備えたことものである。

【００２０】また、請求項３に記載の発明に係る赤外線
固体撮像装置では、請求項１に記載の赤外線固体撮像装
置において、互いに異なる光学的距離のオプティカルキ
ャビティ構造を有する第１の受光素子と第２の受光素子
と第３の受光素子と、第１と第２の受光素子間の電気信
号出力の差分、および第２と第３の受光素子間の電気信
号出力の差分を検出する偏差検出手段と、前記両差分間
の比を検出する比率検出手段とを備えたものである。

【００２１】さらに、請求項４に記載の発明に係る赤外
線固体撮像装置では、請求項１、または請求項２、請求
項３に記載の赤外線固体撮像装置において、前記異種受
光素子間の光学的距離の相違は、前記絶縁層の厚さの相
違によって決定されるものである。

【００２２】さらにまた、請求項５に記載の発明に係る
赤外線固体撮像装置では、請求項１、または請求項２、
請求項３に記載の赤外線固体撮像装置において、前記異
種受光素子間の光学的距離の相違は、前記絶縁層の屈折
率の相違によって決定されるものである。

【００２３】

【作用】本発明は、光透過性基板上に、基板の第１主面
上に形成された光電変換部とこの光電変換部上に透光性
絶縁層を介して形成された反射膜とからなるオプティカ
ルキャビティ構造を含む受光素子を複数配列して受光部
を形成し、各受光素子では、基板の第１主面に対向する
第２主面側から入射して基板を透過した入射光およびこ
の入射光のうち光電変換部と絶縁層を透過して反射膜で
反射された反射光を光電変換部で電気信号に変換するよ
うにした赤外線固体撮像装置であり、従来は撮像波長で
の感度向上のために用いられてきた光電変換部と反射膜
間のオプティカルキャビティ（オプティカルキャビテ
ィ）構造に着目して、受光部を、光電変換部と反射膜間
の光学的距離が互いに異なるオプティカルキャビティ構
造をもつ複数種の受光素子が配列されたものとし、これ
ら複数種の受光素子のうち一種以上の受光素子のオプテ
ィカルキャビティ構造を、それぞれ、その他種の受光素
子で光電変換可能な波長域内の予め定められた特定波長
の入射光と反射光とが互いの強度を弱め合うような光学
的距離とすることによって、オプティカルキャビティ構
造を可視領域における補色検出に相当する機能を持ち得
る構成としたものである。

【００２４】ここで、オプティカルキャビティ構造の効
果について、図１０を用いて説明する。図１０は、オプ
ティカルキャビティ構造の要素を示したもので、屈折率
ｎで厚さｄの物質（図１４における絶縁膜１１１に相
当）５１があり、物質５１の一方の面上には赤外光を反
射する反射膜（金属反射膜）５２を設けられたものであ
る。物質５１及び反射膜５２は真空中にあるものとす
る。前記の赤外線固体撮像装置の受光素子においては、
反射膜５２に対向する物質５１の他方の面５３に光電変
換部を形成した構成となる。

【００２５】このようなオプティカルキャビティ構造に
おいて、面５１側から、波長λの赤外光を垂直に入射さ
せたとする。面５１では、入射光Ｉ１と、反射膜５２で
反射されて戻ってきた光Ｉ２が存在する。この入射光Ｉ
１と戻り光Ｉ２は、次の式(1) と式(2) を満たす波長の
とき、面５１において強め合う。 λ＝４・ｎ・ｄ／Ｎ ……………… (1)式Ｎ＝１、３、５・・・ ……………… (2)式また、入射光Ｉ１と戻り光Ｉ２は、式(1) において、Ｎ
が次の式(3) を満たす波長のとき、面５１において弱め
合う。Ｎ＝２、４、６・・・ ……………… (3)式

【００２６】例えば、ＰｔＳｉシリサイドで光電変換部
を構成した赤外線固体撮像装置の受光素子では、波長約
５μｍまでの感度を有し、また、約１μｍ以下の波長に
対しては、シリコン基板での吸収が生じる。従って、前
記赤外線固体撮像装置の受光素子は１〜５μｍの波長の
赤外線に感度を有することとなる。

【００２７】しかし、大気中での炭酸ガスあるいは水蒸
気による吸収があるため、ＰｔＳｉシリサイドで光電変
換部を構成した受光素子を用いた従来の赤外線固体撮像
装置では、一般的には３〜５μｍの波長に対して撮像を
行なっている。そこで、オプティカルキャビティ構造
は、波長４μｍ前後で最適となるよう設定するのが一般
的であった。

【００２８】光電変換部と反射膜の間に、シリコン酸化
膜（絶縁膜）を設置した構造では、ｎ＝１．４、λ＝４
μｍとすると、先の式(1) から、ｄ＝０．７μｍとな
る。従って、波長４μｍ前後で感度を最適にする赤外線
固体撮像装置の受光素子では、０．７〜０．８μｍのシ
リコン酸化膜を光電変換部と反射膜の間に設置すれば良
い。なお、以上のモデルは非常に単純化したもので、実
際の光学特性をシュミレーションするには複雑な計算を
必要とするが、オプティカルキャビティ構造の基本的な
動作、最適化には十分使用できるモデルである。

【００２９】しかし、上記の如き１〜５μｍの波長の赤
外線に感度を有する受光素子において、ある波長の赤外
線においては、上記式(1) および式(3) を満たす、即ち
入射光Ｉ１と戻り光Ｉ２とが面１５において弱め合う条
件となる場合が生じる。例えば、ｄ＝０．７５μｍ、ｎ
＝１．４とした場合のオプティカルキャビティ構造で
は、その分光感度特性を示す図１１（横軸は入射波長
で、縦軸は波長λの光が単位面積あたり何ワット入射し
たときに、単位面積あたり何アンペアの信号電流が得ら
れるかを示したもの）からわかるように、λ＝２．１μ
ｍで感度の谷が生じている。

【００３０】本発明は、このように、オプティカルキャ
ビティ構造の光学的距離を予め設定することにより、従
来は不可能といわれていた特定波長の赤外線に対して所
謂可視領域における補色検出に相当する機能（以下、赤
外域補色検出機能と記す）を備えた赤外線固体撮像装置
を実現したものである。

【００３１】この、赤外域補色検出機能は、オプティカ
ルキャビティ構造において、光電変換部と反射膜間の光
学的距離を変えることによって希望する波長に対応した
ものを形成できる。従って、受光素子単位で光学的距離
を互いに異ならしめることにより、それぞれ異なる特定
波長に対して赤外域補色検出機能を有する複数種の受光
素子が得られ、一つの赤外線固体撮像装置用受光部上で
異なる光学的距離を持つ複数種の受光素子を集積するこ
とによって、受光部をいくつかの波長帯に分割すること
が可能と成る。

【００３２】例えば、請求項２に記載した如く、互いに
異なる光学的距離のオプティカルキャビティ構造を有す
る第１の受光素子と第２の受光素子との２種類の受光素
子で受光部を構成し、偏差検出手段によって第１と第２
の受光素子間の電気信号出力の差分を検出する構成とす
るれば、ある特定波長のみに感度を持つ赤外域補色検出
機構を疑似的に構成することが可能となる。

【００３３】即ち、例えば、ある波長域の赤外線に対し
て感度を有する第１の受光素子と、第１の受光素子とほ
ぼ同じ波長域の赤外線に対して感度を有すると共に該波
長域中の特定波長の赤外線に対して低い感度を有する第
２の受光素子で受光部を構成した場合、第１の受光素子
からの電気信号出力と第２の受光素子からの電気信号出
力の差分を求めるということは、第１の受光素子によっ
て受光された赤外線の内、ほぼ前記特定波長（第２の受
光素子では感度が低い波長）の赤外線のみが検知される
こととなり、従って、赤外線撮像装置全体では、該特定
波長の赤外線に対して感度を持つということになる。こ
の特定波長部分の受光赤外線に相当する電気信号出力
（差分）を検出するための偏差検出は、アナログ的に演
算することによって、また一旦デジタル信号に変えた後
で数値計算することによって行なっても良い。

【００３４】また、請求項３に記載したように、互いに
異なる光学的距離のオプティカルキャビティ構造を有す
る第１の受光素子と第２の受光素子と第３の受光素子と
の３種類の受光素子から受光部を構成し、偏差検出手段
により第１と第２の受光素子間の電気信号出力の差分、
および第２と第３の受光素子間の電気信号出力の差分を
検出し、比率検出手段によって前記両差分間の比を検出
することにより、撮像した物体の絶対的な温度を、放射
率に影響されることなく求めることが可能となる。

【００３５】即ち、このような構成においては、上記の
如き感度の低い特定波長を２つ設定できるため、これら
２種の電気信号出力の差分を検出するということは、受
光部全体として２つの異なる特定波長に対して感度を持
つことになる。同じ物体においては、この２つの差分の
比率と温度との間の一定の関係がわかれば、この比率を
求めることによって物体の温度を正確に求めることがで
きる。

【００３６】なお、本発明は、受光部を、互いにオプテ
ィカルキャビティ構造の光学的距離が異なる２種あるい
は３種類の受光素子から構成するものに限らず、同様
に、例えば、４種類の受光素子から、受光部を構成し、
３つの差分を検出することによって３つの特定波長に対
して感度を有する固体撮像装置も構成でき、もちろん、
場合に応じて多種類（４種以上）の受光素子で受光部を
構成することも可能である。

【００３７】また、本発明による赤外線固体撮像装置
は、図１３に示すようなインターライントランスファー
型ＣＣＤに限られるものではなく、受光部で発生した信
号電荷を固体撮像装置外部に取り出す手段、即ち、信号
の転送・読み出し手段は、いかなる方式でも使用可能で
あり、例えば、ＣＣＤ（電荷結合素子）方式、ＣＳＤ
（電荷掃き寄せ素子）方式、ＭＯＳ型などの方式が採用
できる。

【００３８】また、上記の如きオプティカルキャビティ
構造で構成した赤外域補色検出機能は、式(1) 及び式
(3) で表したように周期性を有しているため、受光部が
感度を有する波長域内において、不要な感度低下部分が
生じる場合がある。このような場合、撮像光が受光部に
入射する前に、一旦、波長制限をかけるように、固体撮
像装置の裏面に、あるいは該撮像装置を組み込む光学系
内に光学フィルタを設けることによって、不要な感度低
下部分の感度特性を除くことが可能となる。

【００３９】以上のように、互いに異なるオプティカル
キャビティ構造を構成するためには、各々異種受光素子
間で光電変換部と反射膜間の光学的距離を相違させなけ
ればならない。具体的には、例えば請求項４に記載した
ように、光電変換部と反射膜間の絶縁層の厚さ（(1) 式
のｄ）を相違させることによって光学的距離を相違させ
られる。このように、光学的距離の違いを絶縁層の厚さ
の違いで決定する場合、複数の受光素子の製造にあたっ
ては、同一部材（絶縁層）で成膜時の膜厚を調整するだ
けで良いため、簡便である。

【００４０】また、その他、異種受光素子間で光電変換
部と反射膜間の光学的距離を相違させるための方法とし
て、請求項５に記載したように、各絶縁層の屈折率
（(1) 式のｎ）を異ならしめる方法がある。即ち、絶縁
層として異なる物質を用いれば良い。絶縁層に使用可能
な物質としては、目的とする波長域の赤外線に対して透
過性を有するものであれば良い。もちろん、絶縁層の厚
さ、及び屈折率の組み合わせを調節することによっても
希望する波長に対応した光学的距離を設定することがで
きる。

【００４１】

【実施例】以下に、実施例を以て本発明を更に詳しく説
明する。（実施例１）まず、本発明の第一の実施例として、水分
による波長１．８μｍでの吸収帯を利用して気体中や物
体の水分含有率等を計測するような水分計に用いる、互
いに光学的距離が異なる２種類の受光素子からなる受光
部を持つ赤外線固体撮像装置を、図１〜３を以て説明す
る。本実施例による赤外線固体撮像装置は、図１（ａ）
に示すように、結像光学系１、波長１．６μｍ以上の波
長光を透過する光学フィルタ２、駆動回路３からの信号
に応じて駆動する受光部４、偏差検出手段としての信号
読みだし演算回路５が配置されたものである。

【００４２】ここで用いる受光部４は、図１（ｂ）の概
念図に示すように、互いにオプティカルキャビティの光
学的距離が異なる第１の受光素子６と第２の受光素子７
とが、同種どうしで隣り合わないように光透過性基板上
にマトリクス状に配置されてなるものである。

【００４３】第１の受光素子６は、その断面図を図２
（ａ）に示すように、光透過性基板１１の第１主面上に
形成された光電変換部であるＰｔＳｉシリサイド層１２
と、該ＰｔＳｉシリサイド層１２上に、厚さ０．４６μ
ｍのシリコン酸化膜（屈折率１．４）１３を介して形成
された反射膜１４とから構成されるオプティカルキャビ
ティ構造を有するものである。また、第２の受光素子７
は、その断面図を図２（ｂ）に示すように、光透過性基
板１１上の第１主面上に形成された光電変換部であるＰ
ｔＳｉシリサイド層２２と、該ＰｔＳｉシリサイド層２
２上に、厚さ０．６１μｍのシリコン酸化膜（屈折率
１．４）２３を介して形成された反射膜２４とから構成
されるオプティカルキャビティ構造を有するものであ
る。

【００４４】図１（ｂ）では、それぞれの受光素子を模
式的に四角形で示したが、実際には、各々、反射膜（１
４，２４）下に存在する光電変換部（１２，２２）が、
ガードリング領域（１６，２６）と分離領域（１５，２
５）で周囲を囲まれている。また、各受光素子列間が垂
直電荷転送路となるよう、同一基板１１の、分離領域
（１５，２５）によって光電変換部（１２，２２）と分
離された領域に、それぞれＢＣＣＤ拡散層（１７，２
７）と、該拡散層上にポリシリコンからなるＣＣＤ転送
電極（１８，２８）が形成されている。

【００４５】これら第１の受光素子６およ第２の受光素
子７は、各々のオプティカルキャビティ構造に応じて、
それぞれ図３（ａ），（ｂ）に示すような波長１．５μ
ｍから６μｍまでの赤外線に対する感度特性を有する。
特に、第２の受光素子７は、波長１．８μｍ近傍の赤外
線に対して低い感度を示すものである。

【００４６】このような構成の赤外線固体撮像装置にお
いて、結像光学系１および光学フィルタ２を介して受光
された入射赤外線に応じて、受光部４で電気信号が生
じ、信号読み出し演算回路５において、これらの電気信
号が読み出され、アナログ／デジタル変換され、お互い
に隣接する第１の受光素子６と第２の受光素子７の出力
信号の差が演算される。

【００４７】これは、図３（ａ）に示す分光感度を有す
る受光素子からの出力信号と図３（ｂ）に示す分光感度
を有する受光素子からの出力信号の差分を検出すること
は、図３（ｃ）に示すような特定波長帯域に対して感度
を持つ受光素子によって赤外線を検出することに相当
し、即ち、受光部４による出力信号は、波長１．８μｍ
近傍のみを透過させる帯域の狭いバンドパスフィルタの
特性を持つ受光センサからの出力信号と等価である。こ
こで、実際、最終的に得られる出力信号は、それぞれの
分光感度と分光輻射強度との積によって得られる２つの
分光曲線の面積に相当するものの差分である。

【００４８】本実施例の水分計によれば、例えば図３
（ａ）に示したような感度領域の広い受光素子のみから
なる受光部を持つ従来の赤外線固体撮像装置で波長１．
８μｍの水分による吸収帯を観察するよりも、相対的な
感度を増加させることができ、水分の微妙な変化を吸収
率の変化から求めることができる。

【００４９】更に、上記の如き水分計による検出結果の
表示方式の一例として、例えば、受光部４からの信号の
うち、図３（ｂ）に示す１．８μｍ近傍の波長域に対し
て低い感度特性を持つ第２の受光素子７からの出力信号
のみで画像を表示し、前述の演算回路５において得られ
る第１の受光素子６と第２の受光素子７の出力信号の差
分から算出した水分分布を画像にスーパーインポーズす
ることにより、撮像画像上で水分の濃度分布を表示する
ことができる。

【００５０】（実施例２）次に、本発明の第２の実施例
として、互いにオプティカルキャビティ構造の光学的距
離の異なる３種類の受光素子からなる受光部を備えた赤
外線温度計を図４〜図７を用いて以下に説明する。

【００５１】本実施例の赤外線温度計は、図４（ａ）に
示す如く、結像光学系３１、波長３μｍ以上の波長光を
透過する光学フィルタ３２、駆動回路３３からの信号に
応じて駆動する受光部３４、偏差検出手段および比率検
出手段としての信号読みだし演算回路３５が配置された
ものである。

【００５２】ここで用いる受光部３４は、図４（ｂ）の
概念図に示すように、互いにオプティカルキャビティ構
造の光学的距離が異なる第１の受光素子３６と第２の受
光素子３７と第３の受光素子３８が、同種どうしで隣り
合わないように光透過性基板上にマトリクス状に配置さ
れてなるものである。

【００５３】第１、第２、第３の受光素子（３６，３
７，３８）は、それぞれ実施例１で用いた受光素子（図
２）と同様の構成をもち、光透過性基板の第１主面上に
形成された光電変換部であるＰｔＳｉシリサイド層と、
該ＰｔＳｉシリサイド層上に予め定められた、厚さのシ
リコン酸化膜（屈折率１．４）を介して形成された反射
膜とから構成されるオプティカルキャビティ構造を有す
るものである。

【００５４】また、図４（ｂ）では、それぞれの受光素
子を模式的に四角形で示したが、実際には、各々、反射
膜下に存在する光電変換部が、ガードリング領域と分離
領域で周囲を囲まれており、さらに各受光素子列間が垂
直電荷転送路となるよう、同一基板の、分離領域によっ
て光電変換部と分離された領域に、それぞれＢＣＣＤ拡
散層と、該拡散層上にポリシリコンからなるＣＣＤ転送
電極が形成されている。

【００５５】本実施例においては、オプティカルキャビ
ティ構造となるシリコン酸化膜の厚さを、第１の受光素
子３６では１．２５μｍ、第２の受光素子３７では０．
７５μｍ、第３の受光素子３８では１．７５μｍとし
た。

【００５６】また、第１、第２、第３の受光素子（３
６，３７，３８）は、各オプティカルキャビティ構造の
光学的距離に応じてそれぞれ図５（ａ）、（ｂ）、
（ｃ）に示す分光感度特性を持つ。第１の受光素子３６
は、波長３．５μｍ近傍の赤外線に対して感度が低い特
性を有し、また、第３の受光素子３８は、波長４．７μ
ｍ近傍の赤外線に対して感度が低い特性を有している。

【００５７】そして、演算回路３５は、お互いに隣接す
る第２の受光素子３７と第１の受光素子３６との出力信
号の差分と、お互いに隣接する第２の受光素子３７と第
３の受光素子３８との出力差分とを検出するものであ
る。従って、受光部３４によるる赤外線の検出は、図５
（ｄ）に示すように、波長３．５μｍ近傍の赤外線に対
して感度ピークを示す分光感度特性Ｂと、波長４．７μ
ｍ近傍の赤外線に対して感度ピークを示す分光感度特性
Ｃとを有する受光センサによる検出に相当する。なお、
図５（ｄ）中には、参照のため、第２の受光素子３７の
分光感度特性Ａを同時に示しておいた。

【００５８】以上の如き構成の赤外線温度計において、
３００Ｋの物体を観察した場合、物体からの赤外線は、
結像光学系３１、光学フィルタ３２を介して受光部３４
に入射する。ここで入射赤外線量に応じた電気出力が生
じ、演算回路３５において、これらの電気信号が読み出
され、アナログ／デジタル変換され、お互いに隣接する
第１の受光素子３６と第２の受光素子３７の出力信号の
差、および第２の受光素子３７と第３の受光素子３８の
出力信号の差が演算される。

【００５９】上記の演算によって得られる出力は、図６
（横軸は波長μｍ、縦軸は任意目盛り）に示される出力
特性となる。これは、図５（ｄ）に示した分光感度特性
Ａ、Ｂ、Ｃを持つ受光部３４において３００Ｋの黒体か
ら輻射される赤外線が光電変換された時に、波長方向に
どのような信号出力が得られるかを相対的に表したもの
であり、実際には分光感度特性Ａ、Ｂ、Ｃに３００Ｋの
黒体からの赤外線の輻射強度（図１２）を掛け合わせた
ものである。従って、分光感度特性Ａ、Ｂ、Ｃを有する
受光部３４からの信号が演算された結果、演算回路３５
において曲線ａ、ｃ、ｂの面積に相当する電流が信号と
して得られることになる。

【００６０】即ち、第２の受光素子３７と第３の受光素
子３８の出力信号の差分である出力（ｃ）が図６中ｃの
面積、第２の受光素子３７と第１の受光素子３６との出
力信号の差分である出力（ｂ）が図６中ｂの面積、ま
た、第２の受光素子３７の出力信号（ａ）が図６中ａの
面積にそれぞれ相当する。

【００６１】次に、得られた出力（ｂ）と出力（ｃ）の
比率（ｂ）／（ｃ）を計算する。同様に、物体の異なる
各絶対温度における（ｂ）／（ｃ）を求めた。その結
果、図７（横軸は物体の絶対温度、縦軸は（ｂ）／
（ｃ））に示す通り、絶対温度と（ｂ）／（ｃ）とでは
一定の関係があった。従って、この関係から、比率
（ｂ）／（ｃ）わかれば、物体の温度を測定できること
がわかる。物体の放射率は、狭い波長範囲では一定値と
見なせる場合が多いので、本実施例の方式によれば、放
射率の値によらず物体の温度を知ることができる。

【００６２】（実施例３）次に、本発明の第３の実施例
として、４種類の受光素子からなる受光部を備えた、赤
外線画像のカラー表示に適した赤外線固体撮像装置につ
いて示す。本実施例の受光部４０は、図８の概念図に示
すように、互いにオプティカルキャビティの光学的距離
が異なる第１の受光素子４１と第２の受光素子４２と第
３の受光素子４３と第４の受光素子４４とが、同種どう
しで隣り合わないように光透過性基板上にマトリクス状
に配置されてなるものである。

【００６３】第１、第２、第３、第４の受光素子（４
１，４２，４３，４４）は、それぞれ実施例１で用いた
受光素子（図２）と同様の構成をもつものであり、光透
過性基板の第１主面上に形成された光電変換部であるＰ
ｔＳｉシリサイド層と、該ＰｔＳｉシリサイド層上に、
予め定められた厚さのシリコン酸化膜（屈折率１．４）
を介して形成された反射膜とから構成されるオプティカ
ルキャビティ構造を有するものである。

【００６４】また図８では、それぞれの受光素子を模式
的に四角形で示したが、実際には、各々反射膜下に存在
する光電変換部が、ガードリング領域と分離領域で周囲
を囲まれており、さらに各受光素子列間が垂直電荷転送
路となるよう、同一基板の、分離領域によって光電変換
部と分離された領域に、それぞれＢＣＣＤ拡散層と、該
拡散層上にポリシリコンからなるＣＣＤ転送電極が形成
されている。

【００６５】本実施例においては、オプティカルキャビ
ティ構造となるシリコン酸化膜の厚さを、第１の受光素
子４１では１．７５μｍ、第２の受光素子４２では０．
７５μｍ、第３の受光素子４３では１．５０μｍ、第４
の受光素子４４では１．２５μｍとした。

【００６６】また、第１、第２、第３、第４の受光素子
（４１，４２，４３，４４）は、各オプティカルキャビ
ティ構造の光学的距離に応じてそれぞれ図９（ａ）、
（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示す分光感度特性を持つ。第
１の受光素子４１は、波長４．７μｍ近傍の赤外線に対
して感度が低い特性を有し、また、第３の受光素子４３
は、波長４．２μｍ近傍の赤外線に対して感度が低い特
性を有し、さらに、第４の受光素子４４は、波長３．５
μｍ近傍の赤外線に対して感度が低い特性を有してい
る。

【００６７】本実施では、受光部４０からの出力信号の
うち、演算回路（不図示）において、互いに隣接する第
２の受光素子４２と第１の受光素子４１との出力信号の
差分と、互いに隣接する第２の受光素子４２と第３の受
光素子４３との出力差分と、第２の受光素子４２と第４
の受光素子４４との出力差分との３つの差分を検出する
ものである。

【００６８】従って、受光部４０による赤外線の検出
は、図９（ｅ）に示すように、波長３．５μｍ近傍の赤
外線に対して感度ピークを示す分光感度特性Ｈと、波長
４．７μｍ近傍の赤外線に対して感度ピークを示す分光
感度特性Ｆと、波長４．２μｍ近傍の赤外線に対して感
度ピークを示す分光感度特性Ｇとを有する受光センサに
よる検出に相当する。なお、図５（ｄ）中には、参照の
ため、第２の受光素子４２の分光感度特性Ｅを同時に示
しておいた。

【００６９】このような、３つの波長帯域に対する感度
を示す受光領域は、等価的に、可視用の固体撮像素子で
用いられている補色市松フィルタと同じ配置にすること
ができるので、受光部４０からの３種類の差分出力を各
々可視用の３種の補色に対応させれば、特別な信号処理
回路を用いずに、波長３μｍから波長６μｍまでの赤外
線像を簡便にカラー表示することができる。

【００７０】なお、以上の実施例で用いた受光部の異な
る受光素子の配置は、それぞれ、一例であって、他の配
置であっても本発明の効果を得ることができるのは言う
までもない。

【００７１】ここで、上記実施例１〜３で用いた複数種
類の受光素子からなる受光部の製造方法の概略を、図２
を用いて説明する。まず最初に、従来から良く知られて
いるＬＯＣＯＳ分離法（選択酸化分離法）によってシリ
コン基板１１上に比較的厚い熱酸化膜からなる分離領域
（１５，２５）を形成する。

【００７２】次に、電荷転送部にＢＣＣＤ拡散層（１
７，２７）を形成し、この拡散層（１７，２７）上にポ
リシリコンからなるＣＣＤ転送電極（１８，２８）を形
成する。そのほか、ガードリング領域となるＮ型不純物
拡散層（１６，２６）、また、図には示されていない
が、電荷転送部出力部分のＭＯＳトランジスタを構成す
るソース・ドレイン拡散層を初めとする、種々の熱拡散
層の全て、及び全てのポリシリコン電極を形成する。

【００７３】次いで、光電変換部を形成するためのフォ
トリソグラフィ工程を行なう。即ち、上記電極を形成
後、基板１１表面にレジストを塗布し、引き続いて露光
・現像を行ないレジストをパターニングすることによっ
て、各受光素子の有効受光領域となる活性領域以外をレ
ジストで保護する。

【００７４】続いて、ウエットエッチング法により、レ
ジストパターン以外の領域の酸化膜に穴をあけ、素子活
性領域のシリコン基板１１の表面を露出させた後、レジ
ストの剥離・洗浄を行なう。引き続き光電変換部（１
２，２２）の形成を行なう。光電変換部（１２，２２）
の形成工程においては、まず初めに、シリコン基板１１
の露出表面にＰｔを披着し、次いで熱処理によってＰｔ
Ｓｉ層を形成する。これによって、ショットキーバリア
ダイオードからなる光電変換部（１２，２２）が形成さ
れる。

【００７５】次に、５００℃程度以下の比較的低温で得
られる厚さ０．４６μｍの絶縁膜１３を全面に形成す
る。この絶縁膜１３は、常圧ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ
法、減圧ＣＶＤ法、又はスパッタ法などによる酸化膜、
酸化窒化膜、又は窒化膜など、種々のものから適宜選択
できる。但し、絶縁膜１３はその種類によって屈折率が
異なるため、そのオプティカルキャビティ構造が希望す
る光学的距離になるように膜厚を設定する。

【００７６】絶縁膜１３形成後、図１（ｂ）の受光素子
６に相当する位置の光電変換部１２上の絶縁膜１３の表
面に、例えばアルミニウムまたはアルミニウム合金など
によって反射膜１４を形成することにより、図２（ａ）
に示す断面構造を持つオプティカルキャビティ構造が得
られる。

【００７７】続いて、５００℃程度以下の比較的低温で
得られる厚さ０．１５μｍの絶縁膜１９を全面に追加形
成する。この時、図１（ｂ）の受光素子７に相当する領
域上には、絶縁膜１３と合わせて厚さ０．６１μｍの絶
縁膜２３が形成されている。この追加形成した絶縁膜１
９は、絶縁膜１３と同様に形成することができる。

【００７８】その後、光電変換部２２上の絶縁膜２３の
表面に、例えばアルミニウムまたはアルミニウム合金な
どによって反射膜２４を形成することにより、図２
（ｂ）に示す断面構造を持つオプティカルキャビティ構
造が得られる。最後に、表面保護用の絶縁膜２９や、必
要に応じて金属配線を形成し、赤外線固体撮像装置を構
成することができる。

【００７９】互いに異なるオプティカルキャビティ構造
の光学的距離を持つ複数種の受光素子からなる受光部を
形成するには、光学的距離を異ならしめるのに光電変換
部と反射膜間の幾何学的距離の違いによる場合、上記の
製造方法のように、設定膜厚の小さい順に絶縁膜とその
上の反射膜の形成、および追加絶縁膜の形成を繰り返せ
ばよい。

【００８０】なお、以上の実施例では、オプティカルキ
ャビティ構造の光学的距離を、光電変換部と反射膜間の
絶縁膜の膜厚によって決定したが、本発明は、これに限
るものではなく、光電変換部と反射膜間の物質（絶縁
膜）の屈折率、あるいは膜厚と屈折率との組合せによっ
て決定することも可能である。例えば、屈折率ｎ＝１．
４のシリコン酸化膜に対して、シリコン窒化膜を使用す
ると、これは屈折率ｎ＝２であるため、光電変換部と反
射膜間の幾何学的距離を大きくしなくても、光学的距離
を１．４倍に稼ぐことができる。

【００８１】また、以上に説明した赤外線固体撮像装置
の受光部では、光透過性基板としてのシリコン半導体
と、該シリコン半導体にＰｔを反応させて生じるＰｔＳ
ｉシリサイド間のショットキー接合を光電変換部とした
が、本願発明はこのような構成に限らず、例えばシリサ
イドとしてはＰｔＳｉ以外にもＰｄ₂ ＳｉやＩｒＳｉな
ど、またパラジウムシリサイドも使用できる。さらに、
光電変換部は必ずしもショットキー接合に限定されるも
のではなく、図１０で説明したようなオプティカルキャ
ビティ構造を有する受光素子からなる受光部を用いる場
合に、本願発明は有効である。

【００８２】

【発明の効果】以上説明したとおり、本発明によれば、
赤外線固体撮像装置の受光部を構成する受光素子に、従
来は不可能であった所謂可視領域における補色検出に相
当する機能を赤外線領域に対して持たせることが可能と
なった。これにより、特定波長の吸収あるいは発光スペ
クトルを感度良く検出することができ、また、放射率に
よらないで物体の絶対的な温度を正確に計測できる赤外
線温度計を構成できるという効果がある。

【００８３】さらに、赤外線画像を、単なる赤外線量に
応じたカラー表示ではなく、正確な温度分布に応じたカ
ラー表示とすることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例による水分計を示すもの
であり、（ａ）は概略構成図、（ｂ）は本実施例の水分
計に用いる受光部４の平面模式図である。

【図２】図１（ｂ）の受光部４を構成する受光素子の断
面図であり、（ａ）は第１の受光素子６、（ｂ）は第２
の受光素子７を示すものである。

【図３】横軸に波長（μｍ）、縦軸に感度（Ａ／Ｗ）を
とった分光感度特性を表す線図であり、（ａ）は、図２
（ａ）に示した第１の受光素子６の分光感度特性、
（ｂ）は図２（ｂ）に示した第２の受光素子７の分光感
度特性、（ｃ）は、図１の演算回路５によって得られ
る、受光部４の疑似的な分光感度特性、を示すものであ
る。

【図４】本発明の第２の実施例による赤外線温度計を示
すものであり、（ａ）は概略構成図、（ｂ）は本実施例
の赤外線温度計に用いる受光部３４の平面模式図であ
る。

【図５】横軸に波長（μｍ）、縦軸に感度（Ａ／Ｗ）を
とった分光感度特性を表す線図であり、（ａ）は、図４
に示した第１の受光素子３６の分光感度特性、（ｂ）は
図４に示した第２の受光素子３７の分光感度特性、
（ｃ）は図４に示した第３の受光素子の分光感度特性、
（ｄ）は図４の演算回路３５によって得られる、受光部
３４の疑似的な分光感度特性、を示すものである。

【図６】図５（ｄ）の分光感度特性に対応して、演算回
路３５にて得られる分光出力特性を示す線図であり、横
軸に波長（μｍ）を、縦軸に任意目盛りをとったもので
ある。

【図７】実施例２による赤外線温度計の温度特性を示す
線図であり、横軸に温度（Ｋ）を、縦軸に演算回路３５
による２つの差分出力の比率をとったものである。

【図８】本発明の第３の実施例に用いる受光部４０の平
面模式図である。

【図９】横軸に波長（μｍ）、縦軸に感度（Ａ／Ｗ）を
とった分光感度特性を表す線図であり、（ａ）は、図８
に示した第１の受光素子４１の分光感度特性、（ｂ）は
図８に示した第２の受光素子４２の分光感度特性、
（ｃ）は、図８に示した第３の受光素子４３の分好感度
特性、（ｄ）は図８に示した第４の受光素子４４の分光
感度特性、（ｅ）は本実施例の演算回路によって得られ
る受光部４０の疑似的な分光感度特性を示すものであ
る。

【図１０】オプティカルキャビティ構造の働きを説明す
る概念図である。

【図１１】本発明の作用を説明するために用いた赤外線
固体撮像装置用受光部の分光感度特性を示す線図であ
る。

【図１２】黒体の分光輻射強度を示す線図である。

【図１３】一般的な従来の赤外線固体撮像装置の概略構
成図である。

【図１４】図１３に示した装置の受光部を説明するもの
であり、（ａ）は受光部の部分的な平面拡大図、（ｂ）
は受光部を構成する受光素子の断面図である。

【符号の説明】

１，３１：結像光学系２，３２：光学フィルタ３，３３：駆動回路４，３４：受光部５，３５：演算回路６，７，３６，３７，３８，４１，４２，４３，４４：
受光素子１１：基板（シリコン）１２，２２：光電変換部（ＰｔＳｉシリサイド）１３，２３：シリコン酸化膜（絶縁膜）１４，２４：反射膜１５，２５：分離領域１６，２６：ガードリング領域１７，２７：ＢＣＣＤ拡散層１８，２８：ＣＣＤ転送電極１９，２９：シリコン酸化膜

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】光透過性基板上に複数の受光素子を配列
して形成された受光部を有し、各受光素子は、基板の第
１主面上に形成された光電変換部と、この光電変換部上
に透光性絶縁層を介して形成された反射膜からなるオプ
ティカルキャビティ構造を含み、前記基板の第１主面に
対向する第２主面側から入射して基板を透過した入射光
およびこの入射光のうち前記光電変換部と前記絶縁層を
透過して前記反射膜で反射された反射光を前記光電変換
部で電気信号に変換するようにした赤外線固体撮像装置
であって、前記受光部は、前記光電変換部と反射膜間の光学的距離
が互いに異なるオプティカルキャビティ構造をもつ複数
種の受光素子が配列されており、前記複数種の受光素子のうち、一種以上の受光素子のオ
プティカルキャビティ構造は、それぞれ、その他種の受
光素子で光電変換可能な波長域内の予め定められた特定
波長の入射光と反射光とが互いの強度を弱め合うような
光学的距離を有していることを特徴とする赤外線固体撮
像装置。
【請求項２】互いに異なる光学的距離のオプティカル
キャビティ構造を有する第１の受光素子と第２の受光素
子と、該第１と第２の受光素子間の電気信号出力の差分を検出
する偏差検出手段とを備えたことを特徴とする請求項１
に記載の赤外線固体撮像装置。
【請求項３】互いに異なる光学的距離のオプティカル
キャビティ構造を有する第１の受光素子と第２の受光素
子と第３の受光素子と、第１と第２の受光素子間の電気信号出力の差分、および
第２と第３の受光素子間の電気信号出力の差分を検出す
る偏差検出手段と、前記両差分間の比を検出する比率検出手段とを備えたこ
とを特徴とする請求項１に記載の赤外線固体撮像装置。
【請求項４】前記異種受光素子間の光学的距離の相違
は、前記絶縁層の厚さの相違によって決定されることを
特徴とする請求項１、または請求項２、請求項３に記載
の赤外線固体撮像装置。
【請求項５】前記異種受光素子間の光学的距離の相違
は、前記絶縁層の屈折率の相違によって決定されること
を特徴とする請求項１、または請求項２、請求項３に記
載の赤外線固体撮像装置。