JP3461321B2 - 赤外線センサおよびその製造方法 - Google Patents
赤外線センサおよびその製造方法Info
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は赤外線センサおよび
その製造方法に係わるものであり、特に非冷却型の赤外
線センサの画素構造およびその製造方法に係わり、低雑
音、高感度の非冷却型赤外線センサおよびその製造方法
を提供するものである。
その製造方法に係わるものであり、特に非冷却型の赤外
線センサの画素構造およびその製造方法に係わり、低雑
音、高感度の非冷却型赤外線センサおよびその製造方法
を提供するものである。
【０００２】
【従来の技術】赤外線撮像は、昼夜にかかわらず撮像可
能であるとともに、可視光よりも煙、霧に対して透過性
が高いという特長があり、さらに被写体の温度情報をも
得ることができることから、防衛分野をはじめ監視カメ
ラや火災検知カメラとして広い応用範囲を有する。
能であるとともに、可視光よりも煙、霧に対して透過性
が高いという特長があり、さらに被写体の温度情報をも
得ることができることから、防衛分野をはじめ監視カメ
ラや火災検知カメラとして広い応用範囲を有する。
【０００３】近年、従来の主流素子である量子型赤外線
固体撮像装置の最大の欠点である、低温動作のための冷
却機構を必要としない「非冷却型赤外線固体撮像素子」
の開発が盛んになってきている。非冷却型すなわち熱型
の赤外線固体撮像装置においては、波長１０μ程度の入
射赤外線を吸収構造により熱に変換した上で、この微弱
な熱により生じる感熱部の温度変化をなんらかの熱電変
換手段により電気的信号に変換し、この電気的信号を読
み出すことで赤外線画像情報を得ている。
固体撮像装置の最大の欠点である、低温動作のための冷
却機構を必要としない「非冷却型赤外線固体撮像素子」
の開発が盛んになってきている。非冷却型すなわち熱型
の赤外線固体撮像装置においては、波長１０μ程度の入
射赤外線を吸収構造により熱に変換した上で、この微弱
な熱により生じる感熱部の温度変化をなんらかの熱電変
換手段により電気的信号に変換し、この電気的信号を読
み出すことで赤外線画像情報を得ている。
【０００４】熱電変換手段については、ゼーベック効果
により温度差を電位差に変換するサーモパイル（たとえ
ば、 Ｔｏｓｈｉｏ Ｋａｎｎｏ， ｅｔ ａｌ．，
Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ Ｖｏｌ．２２６９， ｐｐ．
４５０−４５９， １９９４）、抵抗体の変化温度に
より温度変化を抵抗変化に変換するボロメータ（たとえ
ば、Ａ．Ｗｏｏｄ， Ｐｒｏｃ． ＩＥＤＭ， ｐ
ｐ．１７５−１７７， １９９３）、焦電効果により
温度変化を電荷に変換する焦電素子（たとえば、Ｃｈａ
ｒｌｅｓ Ｈａｎｓｏｎ， ｅｔ ａｌ．， Ｐｒｏ
ｃ．ＳＰＩＥ Ｖｏｌ．２０２０， ｐｐ．３３０−３
３９， １９９３）、そして、一定の順方向電流により
温度変化を電圧変化に変換するシリコンｐｎ接合（たと
えば、Ｔｏｍｏｈｉｒｏ Ｉｓｈｉｋａｗａ， ｅｔ
ａｌ．， Ｐｒｏｃ． ＳＰＩＥ Ｖｏｌ．３６９８，
１９９９）等が報告されている。
により温度差を電位差に変換するサーモパイル（たとえ
ば、 Ｔｏｓｈｉｏ Ｋａｎｎｏ， ｅｔ ａｌ．，
Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ Ｖｏｌ．２２６９， ｐｐ．
４５０−４５９， １９９４）、抵抗体の変化温度に
より温度変化を抵抗変化に変換するボロメータ（たとえ
ば、Ａ．Ｗｏｏｄ， Ｐｒｏｃ． ＩＥＤＭ， ｐ
ｐ．１７５−１７７， １９９３）、焦電効果により
温度変化を電荷に変換する焦電素子（たとえば、Ｃｈａ
ｒｌｅｓ Ｈａｎｓｏｎ， ｅｔ ａｌ．， Ｐｒｏ
ｃ．ＳＰＩＥ Ｖｏｌ．２０２０， ｐｐ．３３０−３
３９， １９９３）、そして、一定の順方向電流により
温度変化を電圧変化に変換するシリコンｐｎ接合（たと
えば、Ｔｏｍｏｈｉｒｏ Ｉｓｈｉｋａｗａ， ｅｔ
ａｌ．， Ｐｒｏｃ． ＳＰＩＥ Ｖｏｌ．３６９８，
１９９９）等が報告されている。
【０００５】ところで、入射する赤外線の光エネルギー
を吸収構造によって熱エネルギーに変換し、さらにこの
熱エネルギーによる温度変化を上述した熱電変換構造に
よって電気信号に変換するという動作原理からも、その
出力信号である電気的信号は非常に微弱な信号であるこ
とが理解できる。
を吸収構造によって熱エネルギーに変換し、さらにこの
熱エネルギーによる温度変化を上述した熱電変換構造に
よって電気信号に変換するという動作原理からも、その
出力信号である電気的信号は非常に微弱な信号であるこ
とが理解できる。
【０００６】たとえば、特許第２７１０２２８号に記載
されているように、５０μｍ角程度の大きさの画素を考
えた場合、温度差が１［Ｋ］の被写体（ｄＴｓ＝１
［Ｋ］）を撮像する場合に、画素内部の感熱部の温度
差：ｄＴｄは０．００２［Ｋ］程度である。 これを、
チタン材料からなるボロメータにより抵抗値の変化とし
て読み出せば、ボロメータ抵抗：Ｒを１０［ＫΩ］、抵
抗温度係数：αを０．５［％／Ｋ］、バイアス電流：Ｉ
ｂを１［ｍＡ］とすると、 信号電圧：Ｖｓは、Ｖｓ＝
α・Ｒ・ｄＴｄ・Ｉｂ≒１００［μＶ］である。
されているように、５０μｍ角程度の大きさの画素を考
えた場合、温度差が１［Ｋ］の被写体（ｄＴｓ＝１
［Ｋ］）を撮像する場合に、画素内部の感熱部の温度
差：ｄＴｄは０．００２［Ｋ］程度である。 これを、
チタン材料からなるボロメータにより抵抗値の変化とし
て読み出せば、ボロメータ抵抗：Ｒを１０［ＫΩ］、抵
抗温度係数：αを０．５［％／Ｋ］、バイアス電流：Ｉ
ｂを１［ｍＡ］とすると、 信号電圧：Ｖｓは、Ｖｓ＝
α・Ｒ・ｄＴｄ・Ｉｂ≒１００［μＶ］である。
【０００７】また、最も新しいタイプの熱電変換手段で
ある順バイアスしたシリコンｐｎ接合を用いた場合（
Ｔｏｍｏｈｉｒｏ Ｉｓｈｉｋａｗａ， ｅｔ ａ
ｌ．，Ｐｒｏｃ． ＳＰＩＥ Ｖｏｌ．３６９８， １
９９９）には、バイアス電流：Ｉｂを１０［μＡ］とし
て駆動した場合、温度差が１［Ｋ］の被写体（ｄＴｓ＝
１［Ｋ］）を撮像する場合には、信号電圧：Ｖｓとして
８００［μＶ］を得ることが出来る。（図１０） 近年の非冷却赤外線センサへの要求仕様としては、被写
体の温度差として０．１［Ｋ］程度を識別する温度分解
能が要求されつつある。この場合には、上記の２種類の
熱電変換手段による出力電圧は、各々１０［μＶ］、８
０［μＶ］になる。
ある順バイアスしたシリコンｐｎ接合を用いた場合（
Ｔｏｍｏｈｉｒｏ Ｉｓｈｉｋａｗａ， ｅｔ ａ
ｌ．，Ｐｒｏｃ． ＳＰＩＥ Ｖｏｌ．３６９８， １
９９９）には、バイアス電流：Ｉｂを１０［μＡ］とし
て駆動した場合、温度差が１［Ｋ］の被写体（ｄＴｓ＝
１［Ｋ］）を撮像する場合には、信号電圧：Ｖｓとして
８００［μＶ］を得ることが出来る。（図１０） 近年の非冷却赤外線センサへの要求仕様としては、被写
体の温度差として０．１［Ｋ］程度を識別する温度分解
能が要求されつつある。この場合には、上記の２種類の
熱電変換手段による出力電圧は、各々１０［μＶ］、８
０［μＶ］になる。
【０００８】ところで、これらの赤外線センサの性能を
示す指標として、最も重要なものは温度分解能であり、
被写体の温度差が赤外線センサの雑音電圧と等しくなる
温度差であるＮＥＴＤが用いられることが多い。したが
って、信号電圧を大きくすることと全く同様に、雑音電
圧を低減することが重要であり、上述したＮＥＴＤ＝
０．１［Ｋ］という素子仕様を満たすためには、雑音電
圧として各々１０［μＶ］、８０［μＶ］に抑制するこ
とが必要となる。
示す指標として、最も重要なものは温度分解能であり、
被写体の温度差が赤外線センサの雑音電圧と等しくなる
温度差であるＮＥＴＤが用いられることが多い。したが
って、信号電圧を大きくすることと全く同様に、雑音電
圧を低減することが重要であり、上述したＮＥＴＤ＝
０．１［Ｋ］という素子仕様を満たすためには、雑音電
圧として各々１０［μＶ］、８０［μＶ］に抑制するこ
とが必要となる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】信号出力が大きい順バ
イアスｐｎ接合型の熱電変換手段について、発生する雑
音には以下の種類のものがある。ここでは、一定電流バ
イアス・電圧出力型について考える。
イアスｐｎ接合型の熱電変換手段について、発生する雑
音には以下の種類のものがある。ここでは、一定電流バ
イアス・電圧出力型について考える。
【００１０】まず、入射赤外線の光子数のゆらぎに起因
する光ショット雑音：Ｎｐ。
する光ショット雑音：Ｎｐ。
【００１１】つぎに、熱電変換部の温度のゆらぎに起因
する温度ゆらぎ雑音：Ｎｔ。
する温度ゆらぎ雑音：Ｎｔ。
【００１２】そして、熱電変換部全体の抵抗の両端に発
生する熱雑音（ジョンソン雑音）：Ｎｊ。
生する熱雑音（ジョンソン雑音）：Ｎｊ。
【００１３】最後に、バイアス電流の電子数のゆらぎに
起因する電流ショット雑音：Ｎｓ。
起因する電流ショット雑音：Ｎｓ。
【００１４】実際には、さらに、熱電変換手段以降の出
力回路等の雑音を考慮することが必要であるが、理想系
として後段の雑音は無いものとして考える。
力回路等の雑音を考慮することが必要であるが、理想系
として後段の雑音は無いものとして考える。
【００１５】光ショット雑音は、非冷却型赤外線センサ
においては入射光子数が多いために、他の雑音成分と比
較して十分低いので全く無視できる。また、ｐｎ接合型
の熱電変換部は一般にその熱容量：Ｃｔｈが大きい。し
たがって熱電変換部の温度ゆらぎ：δＴ＝（４ｋＴ２／
Ｃｔｈ）１／２に起因する雑音出力：ＮｔはＮｊ，Ｎｓ
より一桁程度低く、この温度ゆらぎ雑音を無視しても実
質的に問題は無い。また、仮に、熱容量：Ｃｔｈが相当
量低減されることでＮｔが無視できなくなったとして
も、上記の温度ゆらぎ：δＴは、以下で議論する付加抵
抗：Ｒａおよびバイアス電流：Ｉｂに依存しないことか
ら、以下の議論においてＮｔを無視することに問題は無
い。
においては入射光子数が多いために、他の雑音成分と比
較して十分低いので全く無視できる。また、ｐｎ接合型
の熱電変換部は一般にその熱容量：Ｃｔｈが大きい。し
たがって熱電変換部の温度ゆらぎ：δＴ＝（４ｋＴ２／
Ｃｔｈ）１／２に起因する雑音出力：ＮｔはＮｊ，Ｎｓ
より一桁程度低く、この温度ゆらぎ雑音を無視しても実
質的に問題は無い。また、仮に、熱容量：Ｃｔｈが相当
量低減されることでＮｔが無視できなくなったとして
も、上記の温度ゆらぎ：δＴは、以下で議論する付加抵
抗：Ｒａおよびバイアス電流：Ｉｂに依存しないことか
ら、以下の議論においてＮｔを無視することに問題は無
い。
【００１６】残る２つの雑音電圧：Ｎｊ，Ｎｓは式
（１）、（２）で表現される。 Ｎｊ＝（４ｋ・Ｔ・Ｒ・Ｂ）１／２…（１） Ｎｓ＝Ｒ（２ｑ・Ｂ・Ｉｂ）１／２…（２） ただし、ｋ：ボルツマン定数。Ｔ：絶対温度。Ｒ：熱電
変換部の抵抗。ｑ：電子電荷。Ｉｂ：バイアス電流。
Ｂ：信号帯域 ところで、Ｎｊ，ＮｓにおけるＲ：熱電変換部の抵抗
は、順バイアスしたｐｎ接合の抵抗：Ｒｐと、ｐｎ接合
に直列的に付加される抵抗：Ｒａからなっており、さら
に、このｐｎ接合の抵抗については、その非線形性か
ら、微分抵抗：Ｒｄ＝ｄＶ／ｄＩを使用することにな
る。したがって、活性化エネルギーの大きい拡散電流が
支配的な領域におけるｐｎ接合の電流−電圧特性の表現
を用いれば（１）（２）式は、以下のようになる。
（１）、（２）で表現される。 Ｎｊ＝（４ｋ・Ｔ・Ｒ・Ｂ）１／２…（１） Ｎｓ＝Ｒ（２ｑ・Ｂ・Ｉｂ）１／２…（２） ただし、ｋ：ボルツマン定数。Ｔ：絶対温度。Ｒ：熱電
変換部の抵抗。ｑ：電子電荷。Ｉｂ：バイアス電流。
Ｂ：信号帯域 ところで、Ｎｊ，ＮｓにおけるＲ：熱電変換部の抵抗
は、順バイアスしたｐｎ接合の抵抗：Ｒｐと、ｐｎ接合
に直列的に付加される抵抗：Ｒａからなっており、さら
に、このｐｎ接合の抵抗については、その非線形性か
ら、微分抵抗：Ｒｄ＝ｄＶ／ｄＩを使用することにな
る。したがって、活性化エネルギーの大きい拡散電流が
支配的な領域におけるｐｎ接合の電流−電圧特性の表現
を用いれば（１）（２）式は、以下のようになる。
【００１７】ただし、熱電変換の感度を向上する手段と
して有効であることが報告（ Ｔｏｍｏｈｉｒｏ Ｉｓ
ｈｉｋａｗａ， ｅｔ ａｌ．， Ｐｒｏｃ． ＳＰＩ
ＥＶｏｌ．３６９８， １９９９）されているｐｎ接合
の直列接続構造を考慮して、直列接続されているｐｎ接
合数：ｎを考慮している。 Ｎｊ＝（４ｋＴ・（Ｒａ＋ｎＲｄ）・Ｂ）１／２ ＝（４ｋＴ・（Ｒａ＋ｎｋＴ／ｑＩｂ）・Ｂ）１／２…（３） Ｎｓ＝（Ｒａ＋Ｒｄ）・（２ｑＢＩｂ）１／２ ＝（Ｒａ＋ｎｋＴ／ｑＩｂ）・（２ｑＢＩｂ）１／２…（４） したがって、全雑音：ＮＴは、（５）式で表現される。 ＮＴ＝（Ｎｊ２＋Ｎｓ２）１／２ ＝（２ｑＢ／Ｉｂ・（ＲａＩｂ＋ｎｋＴ／ｑ）（ＲａＩｂ＋（２＋ｎ）ｋＴ ／ｑ））１／２…（５） この（５）式より、全雑音を最小にするための、最適な
バイアス電流：Ｉｏｐｔが存在することがわかる。
して有効であることが報告（ Ｔｏｍｏｈｉｒｏ Ｉｓ
ｈｉｋａｗａ， ｅｔ ａｌ．， Ｐｒｏｃ． ＳＰＩ
ＥＶｏｌ．３６９８， １９９９）されているｐｎ接合
の直列接続構造を考慮して、直列接続されているｐｎ接
合数：ｎを考慮している。 Ｎｊ＝（４ｋＴ・（Ｒａ＋ｎＲｄ）・Ｂ）１／２ ＝（４ｋＴ・（Ｒａ＋ｎｋＴ／ｑＩｂ）・Ｂ）１／２…（３） Ｎｓ＝（Ｒａ＋Ｒｄ）・（２ｑＢＩｂ）１／２ ＝（Ｒａ＋ｎｋＴ／ｑＩｂ）・（２ｑＢＩｂ）１／２…（４） したがって、全雑音：ＮＴは、（５）式で表現される。 ＮＴ＝（Ｎｊ２＋Ｎｓ２）１／２ ＝（２ｑＢ／Ｉｂ・（ＲａＩｂ＋ｎｋＴ／ｑ）（ＲａＩｂ＋（２＋ｎ）ｋＴ ／ｑ））１／２…（５） この（５）式より、全雑音を最小にするための、最適な
バイアス電流：Ｉｏｐｔが存在することがわかる。
【００１８】雑音電圧のバイアス電流依存性の一例を図
１０に示す。図１０においてｈ、赤外線検出画素内部で
発生した雑音は増幅されており、また読み出し回路にお
ける雑音も含まれているので、定量的には（５）式での
説明はできない。しかしながら、上記の増幅率および読
み出し回路で発生する雑音は、バイアス電流に依存しな
いものであることから、（５）式の表現の妥当性を定性
的に示していると考えてよい。
１０に示す。図１０においてｈ、赤外線検出画素内部で
発生した雑音は増幅されており、また読み出し回路にお
ける雑音も含まれているので、定量的には（５）式での
説明はできない。しかしながら、上記の増幅率および読
み出し回路で発生する雑音は、バイアス電流に依存しな
いものであることから、（５）式の表現の妥当性を定性
的に示していると考えてよい。
【００１９】ここで、バイアス電流：Ｉｏｐｔは（６）
式で表現され、その時に全雑音：Ｎ Ｔは（７）式で表現
される最小値：Ｎｍｉｎをとる。 Ｉｏｐｔ＝（ｎ（ｎ＋２））１／２・（ｋＴ／ｑ）／Ｒａ…（６） Ｎｍｉｎ＝４・（ｎ＋１＋（ｎ（ｎ＋２））１／２）・ｋＴＢＲａ…（７） （７）式からも明らかなように、最小雑音：Ｎｍｉｎは
付加抵抗：Ｒａに比例しており、このＲａを低減するこ
とが低雑音化に有効である。この付加抵抗を構成するの
は、たとえば電気信号を出力するための配線抵抗や、感
熱部を半導体基板上の中空上に支持するための脚部に含
まれる配線部の抵抗、配線同士や配線とｐｎ接合とのコ
ンタクト部のコンタクト抵抗等である。
式で表現され、その時に全雑音：Ｎ Ｔは（７）式で表現
される最小値：Ｎｍｉｎをとる。 Ｉｏｐｔ＝（ｎ（ｎ＋２））１／２・（ｋＴ／ｑ）／Ｒａ…（６） Ｎｍｉｎ＝４・（ｎ＋１＋（ｎ（ｎ＋２））１／２）・ｋＴＢＲａ…（７） （７）式からも明らかなように、最小雑音：Ｎｍｉｎは
付加抵抗：Ｒａに比例しており、このＲａを低減するこ
とが低雑音化に有効である。この付加抵抗を構成するの
は、たとえば電気信号を出力するための配線抵抗や、感
熱部を半導体基板上の中空上に支持するための脚部に含
まれる配線部の抵抗、配線同士や配線とｐｎ接合とのコ
ンタクト部のコンタクト抵抗等である。
【００２０】一方、雑音を最小化する最適なバイアス電
流は、（６）式に示されるように、付加抵抗：Ｒａの低
減に伴い増加する。したがって、低雑音化のためには付
加抵抗：Ｒａの低減とバイアス電流：Ｉｂの増加とを両
立することが必要であることがわかる。
流は、（６）式に示されるように、付加抵抗：Ｒａの低
減に伴い増加する。したがって、低雑音化のためには付
加抵抗：Ｒａの低減とバイアス電流：Ｉｂの増加とを両
立することが必要であることがわかる。
【００２１】バイアス電流：Ｉｂは、ｐｎ接合面積：Ｓ
とｐｎ接合を流れるバイアス電流密度：Ｊｂとの積であ
るが、バイアス電流密度：Ｊｂの増加のみにより高いバ
イアス電流を実現することは困難である。それは、動作
電圧領域の調整によりバイアス電流密度を制御すること
は容易であるが、ｐｎ接合が熱電変換素子であるがゆえ
に、動作電圧領域に対する制約が存在するからである。
すなわち、動作電圧領域については、熱電変換効率の高
い、言い換えれば活性化エネルギーの大きい領域である
必要があり、したがって拡散電流が支配的となるような
電圧領域を使用しなければならない。ｐｎ接合を形成す
る不純物濃度によりその領域は変化するが、その上限の
目安は概ね０．８Ｖ程度であり、それ以上の電圧領域で
は、活性化エネルギーが低い高注入領域となってしま
う。
とｐｎ接合を流れるバイアス電流密度：Ｊｂとの積であ
るが、バイアス電流密度：Ｊｂの増加のみにより高いバ
イアス電流を実現することは困難である。それは、動作
電圧領域の調整によりバイアス電流密度を制御すること
は容易であるが、ｐｎ接合が熱電変換素子であるがゆえ
に、動作電圧領域に対する制約が存在するからである。
すなわち、動作電圧領域については、熱電変換効率の高
い、言い換えれば活性化エネルギーの大きい領域である
必要があり、したがって拡散電流が支配的となるような
電圧領域を使用しなければならない。ｐｎ接合を形成す
る不純物濃度によりその領域は変化するが、その上限の
目安は概ね０．８Ｖ程度であり、それ以上の電圧領域で
は、活性化エネルギーが低い高注入領域となってしま
う。
【００２２】したがって、低雑音化のためにバイアス電
流を増加する場合には、ｐｎ接合面積：Ｓを増加するこ
とが避けられない。特に、低雑音化を目的に、付加抵
抗：Ｒａを大きく低減した場合には、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉ
ｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）層内部にプレーナ
構造のｐｎ接合を形成することでｐｎ接合面積：Ｓを増
加することが必要となる。
流を増加する場合には、ｐｎ接合面積：Ｓを増加するこ
とが避けられない。特に、低雑音化を目的に、付加抵
抗：Ｒａを大きく低減した場合には、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉ
ｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）層内部にプレーナ
構造のｐｎ接合を形成することでｐｎ接合面積：Ｓを増
加することが必要となる。
【００２３】ところで、この順バイアスｐｎ接合を感熱
手段とした赤外線センサにおいては、いわゆるＳＯＩ基
板のＳＯＩ層に熱電変換部を形成し、製造工程の最終段
でバルクシリコン基板をエッチングすることで形成した
中空構造上に支持するという構造を取ることになる。こ
のＳＯＩ層の厚さは、０．０５〜０．２［μｍ］程度と
薄く、通常の単結晶シリコン基板の厚さである５００〜
８００［μｍ］の数千分の一にしかならない。したがっ
て、通常の単結晶シリコン基板を用いて形成したｐｎ接
合と比較して、ＳＯＩ層に大面積のプレーナ構造のｐｎ
接合を形成した場合のｐ領域あるいはｎ領域のいわゆる
シート抵抗が数千倍に増加し、前述の付加抵抗：Ｒａを
大幅に増大してしまう。
手段とした赤外線センサにおいては、いわゆるＳＯＩ基
板のＳＯＩ層に熱電変換部を形成し、製造工程の最終段
でバルクシリコン基板をエッチングすることで形成した
中空構造上に支持するという構造を取ることになる。こ
のＳＯＩ層の厚さは、０．０５〜０．２［μｍ］程度と
薄く、通常の単結晶シリコン基板の厚さである５００〜
８００［μｍ］の数千分の一にしかならない。したがっ
て、通常の単結晶シリコン基板を用いて形成したｐｎ接
合と比較して、ＳＯＩ層に大面積のプレーナ構造のｐｎ
接合を形成した場合のｐ領域あるいはｎ領域のいわゆる
シート抵抗が数千倍に増加し、前述の付加抵抗：Ｒａを
大幅に増大してしまう。
【００２４】赤外線入射側、すなわち表面側の不純物領
域については、その不純物領域を金属配線等で裏打ちす
る、いわゆるシャント配線を形成することで問題を回避
することが可能となる。しかし、バルクシリコン基板
側、すなわち裏面側の不純物領域については適当な問題
回避の手段が無かった。
域については、その不純物領域を金属配線等で裏打ちす
る、いわゆるシャント配線を形成することで問題を回避
することが可能となる。しかし、バルクシリコン基板
側、すなわち裏面側の不純物領域については適当な問題
回避の手段が無かった。
【００２５】したがって、従来の順バイアスｐｎ接合型
の非冷却赤外線センサでは、裏面側不純物領域のシート
抵抗成分の存在により、低雑音化が困難であった。
の非冷却赤外線センサでは、裏面側不純物領域のシート
抵抗成分の存在により、低雑音化が困難であった。
【００２６】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、順バイ
アスｐｎ接合型の非冷却赤外線センサの熱電変換部とな
る、ＳＯＩ層に形成されたプレーナ構造のｐｎ接合のバ
ルクシリコン基板側に単結晶シリコン層と積層された金
属シリサイド層が形成されるので、薄いＳＯＩ層におけ
る大面積プレーナ構造ｐｎ接合で問題となっていたシー
ト抵抗成分を大幅に低減することができ、その結果とし
て低雑音・高感度の非冷却赤外線センサを得ることが出
来る。
アスｐｎ接合型の非冷却赤外線センサの熱電変換部とな
る、ＳＯＩ層に形成されたプレーナ構造のｐｎ接合のバ
ルクシリコン基板側に単結晶シリコン層と積層された金
属シリサイド層が形成されるので、薄いＳＯＩ層におけ
る大面積プレーナ構造ｐｎ接合で問題となっていたシー
ト抵抗成分を大幅に低減することができ、その結果とし
て低雑音・高感度の非冷却赤外線センサを得ることが出
来る。
【００２７】また、本発明によれば、順バイアスｐｎ接
合型の非冷却赤外線センサの熱電変換部となる、ＳＯＩ
層に形成されたプレーナ構造のｐｎ接合のバルクシリコ
ン基板側のｐｎ接合面より深い領域に高濃度不純物領域
が形成されるので、薄いＳＯＩ層における大面積プレー
ナ構造ｐｎ接合で問題となっていたシート抵抗成分を大
幅に低減することができ、その結果として低雑音・高感
度の非冷却赤外線センサを得ることが出来る。
合型の非冷却赤外線センサの熱電変換部となる、ＳＯＩ
層に形成されたプレーナ構造のｐｎ接合のバルクシリコ
ン基板側のｐｎ接合面より深い領域に高濃度不純物領域
が形成されるので、薄いＳＯＩ層における大面積プレー
ナ構造ｐｎ接合で問題となっていたシート抵抗成分を大
幅に低減することができ、その結果として低雑音・高感
度の非冷却赤外線センサを得ることが出来る。
【００２８】さらに、本発明によれば、順バイアスｐｎ
接合型の非冷却赤外線センサの熱電変換部となる、ＳＯ
Ｉ層に形成されたプレーナ構造ｐｎ接合のｐｎ接合面よ
り深い領域の高濃度不純物領域を、室温以上の温度環境
下での硼素イオン注入により形成しており、イオン注入
した硼素が室温以上の温度環境でイオン注入と同時に単
結晶シリコンの略格子位置に置換されドーパントとなる
際に、多量の結晶欠陥を形成するので、この結晶欠陥を
再結合中心とした拡散電流が増加し、順バイアスｐｎ接
合の電流値を増加することになり、その結果として低雑
音・高感度の非冷却赤外線センサを得ることが出来る。
接合型の非冷却赤外線センサの熱電変換部となる、ＳＯ
Ｉ層に形成されたプレーナ構造ｐｎ接合のｐｎ接合面よ
り深い領域の高濃度不純物領域を、室温以上の温度環境
下での硼素イオン注入により形成しており、イオン注入
した硼素が室温以上の温度環境でイオン注入と同時に単
結晶シリコンの略格子位置に置換されドーパントとなる
際に、多量の結晶欠陥を形成するので、この結晶欠陥を
再結合中心とした拡散電流が増加し、順バイアスｐｎ接
合の電流値を増加することになり、その結果として低雑
音・高感度の非冷却赤外線センサを得ることが出来る。
【００２９】本発明によれば、低雑音・高感度の非冷却
赤外線センサを得ることが出来る
赤外線センサを得ることが出来る
【００３０】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図を用い
て説明する。
て説明する。
【００３１】図１は本発明の第１の実施例に係わる赤外
線センサの全体構成図である。入射赤外線を電気信号に
変換する赤外線検出画素１が半導体基板上に２次元的に
配置され、画素選択のための垂直アドレス回路および水
平アドレス回路が赤外線検出画素アレイ２に隣接配置さ
れ、選択された画素からの信号を順次出力するための出
力部を有している。図１における赤外線検出画素１は順
バイアスされたｐｎ接合であり、画素のｐｎ接合を順バ
イアスするための定電流源も赤外線検出画素アレイ２に
隣接して配置されている。ここで、図１では赤外線検出
画素アレイ２として２行×２列の４画素のアレイを示し
た。
線センサの全体構成図である。入射赤外線を電気信号に
変換する赤外線検出画素１が半導体基板上に２次元的に
配置され、画素選択のための垂直アドレス回路および水
平アドレス回路が赤外線検出画素アレイ２に隣接配置さ
れ、選択された画素からの信号を順次出力するための出
力部を有している。図１における赤外線検出画素１は順
バイアスされたｐｎ接合であり、画素のｐｎ接合を順バ
イアスするための定電流源も赤外線検出画素アレイ２に
隣接して配置されている。ここで、図１では赤外線検出
画素アレイ２として２行×２列の４画素のアレイを示し
た。
【００３２】垂直アドレス回路により選択された赤外線
検出画素行には、定電流源から供給される順バイアス電
流が、垂直信号線３、選択画素、水平アドレス線４の電
流パスを流れ、垂直信号線３に発生した信号電圧は、水
平アドレス回路により順次選択され出力される。
検出画素行には、定電流源から供給される順バイアス電
流が、垂直信号線３、選択画素、水平アドレス線４の電
流パスを流れ、垂直信号線３に発生した信号電圧は、水
平アドレス回路により順次選択され出力される。
【００３３】図１においては、最も単純な例として、垂
直信号線３に発生した信号電圧を、水平アドレス回路に
より順次選択される列選択トランジスタ５を介して、直
接出力する構造を示しているが、この信号電圧は微弱で
あるので、必要に応じて信号電圧を列単位で増幅する構
造を設けてもよい。
直信号線３に発生した信号電圧を、水平アドレス回路に
より順次選択される列選択トランジスタ５を介して、直
接出力する構造を示しているが、この信号電圧は微弱で
あるので、必要に応じて信号電圧を列単位で増幅する構
造を設けてもよい。
【００３４】図２には、図１の赤外線検出画素の等価回
路を示す。高感度化のためにｐｎ接合はｎ個直列接続さ
れており、ｐｎ接合に直列に付加抵抗：Ｒａが存在して
いる。
路を示す。高感度化のためにｐｎ接合はｎ個直列接続さ
れており、ｐｎ接合に直列に付加抵抗：Ｒａが存在して
いる。
【００３５】付加抵抗：Ｒａは、ｐｎ接合と水平アドレ
ス線４およびｐｎ接合と垂直信号線５との間の画素内部
配線抵抗：Ｒｌ、この配線とｐｎ接合とのコンタクト抵
抗：Ｒｃ、およびｐｎ接合のｐ領域およびｎ領域の抵
抗：Ｒｓとからなっている。ここで、画素内部配線抵
抗：Ｒｌは、センサ部と半導体基板との間の熱分離の要
請とのトレードオフとなっており、高感度化のために必
要な熱抵抗の高抵抗化のために、その電気抵抗を必ずし
も十分に低抵抗化することはできない。
ス線４およびｐｎ接合と垂直信号線５との間の画素内部
配線抵抗：Ｒｌ、この配線とｐｎ接合とのコンタクト抵
抗：Ｒｃ、およびｐｎ接合のｐ領域およびｎ領域の抵
抗：Ｒｓとからなっている。ここで、画素内部配線抵
抗：Ｒｌは、センサ部と半導体基板との間の熱分離の要
請とのトレードオフとなっており、高感度化のために必
要な熱抵抗の高抵抗化のために、その電気抵抗を必ずし
も十分に低抵抗化することはできない。
【００３６】図３は、図２に示す赤外線検出画素の断面
構造と平面構造とを説明するための概略構成図である。
赤外線検出画素は単結晶シリコン支持基板６内部に形成
された中空構造７の上に、赤外線吸収層１８と、熱電変
換のために形成されたＳＯＩ層６内部のｐｎ接合と、こ
のＳＯＩ層６を支持している酸化シリコン層９とから成
るセンサ部１０と、このセンサ部１０を中空構造７上に
支持するとともにセンサ部１０からの電気信号を出力す
るための支持部１１と、このセンサ部１０と垂直信号線
４および水平アドレス線５とを接続する接続部（不図
示）からなっている。センサ部１０および支持部１１が
中空構造７上に設けられることにより、入射赤外線によ
るセンサ部１０の温度の変調を効率良く行う構造になっ
ている。図３では、ｎ＝２の場合の構造を示している。
構造と平面構造とを説明するための概略構成図である。
赤外線検出画素は単結晶シリコン支持基板６内部に形成
された中空構造７の上に、赤外線吸収層１８と、熱電変
換のために形成されたＳＯＩ層６内部のｐｎ接合と、こ
のＳＯＩ層６を支持している酸化シリコン層９とから成
るセンサ部１０と、このセンサ部１０を中空構造７上に
支持するとともにセンサ部１０からの電気信号を出力す
るための支持部１１と、このセンサ部１０と垂直信号線
４および水平アドレス線５とを接続する接続部（不図
示）からなっている。センサ部１０および支持部１１が
中空構造７上に設けられることにより、入射赤外線によ
るセンサ部１０の温度の変調を効率良く行う構造になっ
ている。図３では、ｎ＝２の場合の構造を示している。
【００３７】図３に示す赤外線検出画素の製造工程を、
図４を用いて説明する。
図４を用いて説明する。
【００３８】まず、半導体基板として単結晶シリコン支
持基板６上に酸化シリコン層９、ポリシリコン層１２、
金属シリサイド層１３、単結晶シリコン層８が順次積層
された基板を準備する（図４（ａ））。この基板は、Ｓ
ＭＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−Ｍｅｔａｌ−ｏｎ−Ｉｎ
ｓｕｌａｔｏｒ）基板として知られている（Ｗ．Ｌ．Ｇ
ｏｈ ｅｔ ａｌ．， ＩＥＥＥ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ
Ｄｅｖｉｃｅ Ｌｅｔｔｅｒｓ， Ｖｏｌ．２０， Ｎ
ｏ．５，ｐ．２１２）。
持基板６上に酸化シリコン層９、ポリシリコン層１２、
金属シリサイド層１３、単結晶シリコン層８が順次積層
された基板を準備する（図４（ａ））。この基板は、Ｓ
ＭＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−Ｍｅｔａｌ−ｏｎ−Ｉｎ
ｓｕｌａｔｏｒ）基板として知られている（Ｗ．Ｌ．Ｇ
ｏｈ ｅｔ ａｌ．， ＩＥＥＥ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ
Ｄｅｖｉｃｅ Ｌｅｔｔｅｒｓ， Ｖｏｌ．２０， Ｎ
ｏ．５，ｐ．２１２）。
【００３９】次に、素子分離としてＳＴＩ（Ｓｈａｌｌ
ｏｗ−Ｔｒｅｎｃｈ−Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）と同様の工
程を行う。すなわち、フォトリソグラフィー等の技術を
もちいて素子分離領域を定義し、素子分離領域の単結晶
シリコン層８、金属シリサイド層１３、ポリシリコン層
１２をエッチング除去した後に、酸化シリコン膜１４を
ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ−Ｖａｐｏｒ−Ｄｅｐｏｓｉ
ｔｉｏｎ）等の技術により埋め込み、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍ
ｉｃａｌ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ−Ｐｏｌｉｓｈｉｎ
ｇ）等の技術で平坦化する（図４（ｂ））。このとき、
支持部１１の領域も素子分離領域として定義され、酸化
シリコン膜１４が埋め込まれることは言うまでも無い。
ｏｗ−Ｔｒｅｎｃｈ−Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）と同様の工
程を行う。すなわち、フォトリソグラフィー等の技術を
もちいて素子分離領域を定義し、素子分離領域の単結晶
シリコン層８、金属シリサイド層１３、ポリシリコン層
１２をエッチング除去した後に、酸化シリコン膜１４を
ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ−Ｖａｐｏｒ−Ｄｅｐｏｓｉ
ｔｉｏｎ）等の技術により埋め込み、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍ
ｉｃａｌ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ−Ｐｏｌｉｓｈｉｎ
ｇ）等の技術で平坦化する（図４（ｂ））。このとき、
支持部１１の領域も素子分離領域として定義され、酸化
シリコン膜１４が埋め込まれることは言うまでも無い。
【００４０】次に、アドレス回路、出力部、定電流源等
の周辺回路のソース・ドレイン領域と同様にセンサ部の
ｐｎ接合のためのｎ型不純物領域１５をフォトリソグラ
フィー技術とイオン注入等のドーピング技術とにより形
成する（図４（ｃ））。
の周辺回路のソース・ドレイン領域と同様にセンサ部の
ｐｎ接合のためのｎ型不純物領域１５をフォトリソグラ
フィー技術とイオン注入等のドーピング技術とにより形
成する（図４（ｃ））。
【００４１】次に、周辺回路およびｐｎ接合の配線のた
めのコンタクトホール１６形成、および金属配線１７形
成の、いわゆるメタライゼーション工程を行う。
めのコンタクトホール１６形成、および金属配線１７形
成の、いわゆるメタライゼーション工程を行う。
【００４２】次に、センサ部には赤外線吸収層を形成す
るが、メタライゼーション工程において形成する層間絶
縁膜およびパッシベーション膜１８を流用することも可
能である（図４（ｄ））。
るが、メタライゼーション工程において形成する層間絶
縁膜およびパッシベーション膜１８を流用することも可
能である（図４（ｄ））。
【００４３】最後に、中空構造を形成するためのエッチ
ングホール１９をＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ−Ｉｏｎ−
Ｅｔｃｈｉｎｇ）等により形成し、このエッチングホー
ル１９を介して単結晶シリコンのエッチャントとして、
たとえばＴＭＡＨ（Ｔｅｔｒａ−Ｍｅｔｈｙｌ−Ａｍｍ
ｏｎｉｕｍ−Ｈｙｄｒｏｘｉｄｅ）等の薬液を用いた単
結晶シリコンの異方性エッチングを行うことで、単結晶
シリコン支持基板６内部に中空構造７を形成し、図３の
赤外線検出画素の構造を得ることができる。
ングホール１９をＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ−Ｉｏｎ−
Ｅｔｃｈｉｎｇ）等により形成し、このエッチングホー
ル１９を介して単結晶シリコンのエッチャントとして、
たとえばＴＭＡＨ（Ｔｅｔｒａ−Ｍｅｔｈｙｌ−Ａｍｍ
ｏｎｉｕｍ−Ｈｙｄｒｏｘｉｄｅ）等の薬液を用いた単
結晶シリコンの異方性エッチングを行うことで、単結晶
シリコン支持基板６内部に中空構造７を形成し、図３の
赤外線検出画素の構造を得ることができる。
【００４４】もちろん、周辺回路で用いるトランジスタ
形成のためのゲート電極形成工程が必要なことは言うま
でも無いが、赤外線検出画素の製造工程とは直接の関係
が無い工程であるので、上記の説明の中では省略してい
る。
形成のためのゲート電極形成工程が必要なことは言うま
でも無いが、赤外線検出画素の製造工程とは直接の関係
が無い工程であるので、上記の説明の中では省略してい
る。
【００４５】図３に示されるように、本実施例のセンサ
構造においては、ＳＯＩ層８の底部に金属シリサイド層
１３が積層形成されているので、センサ部のｐｎ接合に
付加されるｐ領域のシート抵抗は、低抵抗の金属シリサ
イド層１３により裏打ちされることになり、図２に示さ
れる付加抵抗：Ｒａを大幅に低減可能となり、その結果
として大幅な雑音低減が可能となる。
構造においては、ＳＯＩ層８の底部に金属シリサイド層
１３が積層形成されているので、センサ部のｐｎ接合に
付加されるｐ領域のシート抵抗は、低抵抗の金属シリサ
イド層１３により裏打ちされることになり、図２に示さ
れる付加抵抗：Ｒａを大幅に低減可能となり、その結果
として大幅な雑音低減が可能となる。
【００４６】ここで、図３、４に示した金属シリサイド
層１３と酸化シリコン層９との間のポリシリコン層１２
については、ＳＭＩ基板を製造する際に必要とされるも
のであり、本実施例において必ずしも必要な構造ではな
い。
層１３と酸化シリコン層９との間のポリシリコン層１２
については、ＳＭＩ基板を製造する際に必要とされるも
のであり、本実施例において必ずしも必要な構造ではな
い。
【００４７】雑音低減の効果について、その一例を以下
に示す。
に示す。
【００４８】ｐ型にドープされたＳＯＩ層８の不純物濃
度が、アクセプタ密度：Ｎａ＝２×１０１５［ｃ
ｍ−３］で、ＳＯＩ層の厚さが０．１［μｍ］、センサ
部に形成されるｐｎ接合の深さが０．０５［μｍ］とす
る。上記のアクセプタ密度における単結晶シリコンの抵
抗率は約６［Ωｃｍ］であるので、ＳＯＩ底部のｐ領域
のシート抵抗は、６［Ωｃｍ］／０．０５［μｍ］≒１
×１０６［Ω／ｓｑ．］にもなる。この値は、たかだか
数百Ωのコンタクト抵抗：Ｒｃや、数ＫΩの画素内部配
線抵抗：Ｒｌより３桁も高い値であり、付加抵抗：Ｒａ
は、このｐ領域のシート抵抗に支配されてしまう。たと
えば、Ｔ＝３００［Ｋ］、信号帯域：Ｂ＝１０［ＫＨ
ｚ］、Ｒａ＝１［ＭΩ］、ｎ＝８とすれば、最適電流：
Ｉｏｐｔと最小雑音電圧：Ｎｍｉｎは、式（６）、
（７）より各々２．３×１０−７［Ａ］、５．５×１０
−５［Ｖ］になる。すなわち、動作電圧領域やｐｎ接合
面積からの制約により制限されてしまうバイアス電流
が、仮に最適バイアス電流：Ｉｏｐｔに設定できたとし
ても、約５０［μＶ］もの雑音電圧が発生することにな
る。実際には、画素内部における温度揺らぎ雑音や、読
み出し回路において発生する雑音が発生することにな
る。
度が、アクセプタ密度：Ｎａ＝２×１０１５［ｃ
ｍ−３］で、ＳＯＩ層の厚さが０．１［μｍ］、センサ
部に形成されるｐｎ接合の深さが０．０５［μｍ］とす
る。上記のアクセプタ密度における単結晶シリコンの抵
抗率は約６［Ωｃｍ］であるので、ＳＯＩ底部のｐ領域
のシート抵抗は、６［Ωｃｍ］／０．０５［μｍ］≒１
×１０６［Ω／ｓｑ．］にもなる。この値は、たかだか
数百Ωのコンタクト抵抗：Ｒｃや、数ＫΩの画素内部配
線抵抗：Ｒｌより３桁も高い値であり、付加抵抗：Ｒａ
は、このｐ領域のシート抵抗に支配されてしまう。たと
えば、Ｔ＝３００［Ｋ］、信号帯域：Ｂ＝１０［ＫＨ
ｚ］、Ｒａ＝１［ＭΩ］、ｎ＝８とすれば、最適電流：
Ｉｏｐｔと最小雑音電圧：Ｎｍｉｎは、式（６）、
（７）より各々２．３×１０−７［Ａ］、５．５×１０
−５［Ｖ］になる。すなわち、動作電圧領域やｐｎ接合
面積からの制約により制限されてしまうバイアス電流
が、仮に最適バイアス電流：Ｉｏｐｔに設定できたとし
ても、約５０［μＶ］もの雑音電圧が発生することにな
る。実際には、画素内部における温度揺らぎ雑音や、読
み出し回路において発生する雑音が発生することにな
る。
【００４９】一方、ＳＭＩ基板を用いれば、シート抵抗
成分は裏面に形成されている低抵抗の金属シリサイド層
１３のシート抵抗に支配される。たとえば、金属シリサ
イド層１３として、厚さが１２０［ｎｍ］のタングステ
ンシリサイド層を形成すれば、上記のシート抵抗はｐ型
ＳＯＩ層８の不純物濃度やＳＯＩ層の厚さに依らず約
２．５［Ω／ｓｑ．］という非常に低い値となる。した
がって、赤外線センサ画素に含まれる付加抵抗：Ｒａへ
のシート抵抗の影響はほぼ無視できることになり、その
結果センサ画素内部で発生する雑音を大幅に低減するこ
とが可能となる。
成分は裏面に形成されている低抵抗の金属シリサイド層
１３のシート抵抗に支配される。たとえば、金属シリサ
イド層１３として、厚さが１２０［ｎｍ］のタングステ
ンシリサイド層を形成すれば、上記のシート抵抗はｐ型
ＳＯＩ層８の不純物濃度やＳＯＩ層の厚さに依らず約
２．５［Ω／ｓｑ．］という非常に低い値となる。した
がって、赤外線センサ画素に含まれる付加抵抗：Ｒａへ
のシート抵抗の影響はほぼ無視できることになり、その
結果センサ画素内部で発生する雑音を大幅に低減するこ
とが可能となる。
【００５０】すなわち、本実施例に示すように、ＳＭＩ
基板を用いることで、上記のシート抵抗成分を２．５
［Ω／ｓｑ．］にまで低減すれば、付加抵抗：Ｒａは画
素内部配線抵抗：Ｒｌにより支配される。すなわち、Ｒ
ａ≒Ｒｌとなり、その値は数ＫΩに過ぎない。仮に、Ｒ
ａ＝２［ＫΩ］として、その他の温度、信号帯域等を上
記の計算と同一条件として計算すると、最適電流：Ｉｏ
ｐｔと最小雑音電圧：Ｎｍｉｎは、式（６）、（７）よ
り各々１．２×１０−４［Ａ］、２．４×１０
− ６［Ｖ］になる。したがって、従来構造との単純比較
からは、雑音電圧が約１／２０にも低減されている。実
際には、動作電圧範囲とｐｎ接合面積の制約から、バイ
アス電流が最適電流より低くなってしまう場合もある
が、その条件を考慮したとしても、雑音電圧を大幅に低
減可能であることは明らかである。
基板を用いることで、上記のシート抵抗成分を２．５
［Ω／ｓｑ．］にまで低減すれば、付加抵抗：Ｒａは画
素内部配線抵抗：Ｒｌにより支配される。すなわち、Ｒ
ａ≒Ｒｌとなり、その値は数ＫΩに過ぎない。仮に、Ｒ
ａ＝２［ＫΩ］として、その他の温度、信号帯域等を上
記の計算と同一条件として計算すると、最適電流：Ｉｏ
ｐｔと最小雑音電圧：Ｎｍｉｎは、式（６）、（７）よ
り各々１．２×１０−４［Ａ］、２．４×１０
− ６［Ｖ］になる。したがって、従来構造との単純比較
からは、雑音電圧が約１／２０にも低減されている。実
際には、動作電圧範囲とｐｎ接合面積の制約から、バイ
アス電流が最適電流より低くなってしまう場合もある
が、その条件を考慮したとしても、雑音電圧を大幅に低
減可能であることは明らかである。
【００５１】この、ｐｎ接合を構成するｐ型領域あるい
はｎが他領域のシート抵抗成分の影響を低減するため
に、ｐｎ接合をプレーナ構造ではなく横方向のいわゆる
ラテラル構造とする方法があり、その具体的な構造も報
告されている（Ｔｏｍｏｈｉｒｏ Ｉｓｈｉｋａｗａ，
ｅｔ ａｌ．， Ｐｒｏｃ． ＳＰＩＥ Ｖｏｌ．３
６９８， １９９９）（図９）。しかし、ＳＯＩ層内部
に形成したラテラル構造のｐｎ接合においては、ＳＯＩ
層が薄いために、ｐｎ接合面積を拡大することが困難で
あり、したがって雑音電圧を最小化するためのバイアス
電流での動作をおこなうためには、前述した動作電圧範
囲の上限の目安となる０．８［Ｖ］以上の電圧領域での
動作が必要となる。実際に、上記の報告（Ｔｏｍｏｈｉ
ｒｏ Ｉｓｈｉｋａｗａ， ｅｔ ａｌ．， Ｐｒｏ
ｃ． ＳＰＩＥ Ｖｏｌ．３６９８，１９９９）におい
てＦｉｇ．８に示されている雑音電圧と感度のバイアス
電流依存性（図１０）においても、バイアス電流を５０
［μＡ］とした場合に雑音が最小になるにもかかわら
ず、バイアス電流の増加に伴う感度低下のために、バイ
アス電流を１０［μＡ］と設定することでＮＥＴＤを最
小にしている。もちろん、図１０における雑音電圧に
は、センサ部からの信号読み出しに起因する、いわゆる
読み出し雑音も含まれているが、上記の報告において示
される読み出し回路における雑音はバイアス電流に依存
しないことが明らかであるので、上記の議論の内容とは
無関係であることは言うまでも無い。
はｎが他領域のシート抵抗成分の影響を低減するため
に、ｐｎ接合をプレーナ構造ではなく横方向のいわゆる
ラテラル構造とする方法があり、その具体的な構造も報
告されている（Ｔｏｍｏｈｉｒｏ Ｉｓｈｉｋａｗａ，
ｅｔ ａｌ．， Ｐｒｏｃ． ＳＰＩＥ Ｖｏｌ．３
６９８， １９９９）（図９）。しかし、ＳＯＩ層内部
に形成したラテラル構造のｐｎ接合においては、ＳＯＩ
層が薄いために、ｐｎ接合面積を拡大することが困難で
あり、したがって雑音電圧を最小化するためのバイアス
電流での動作をおこなうためには、前述した動作電圧範
囲の上限の目安となる０．８［Ｖ］以上の電圧領域での
動作が必要となる。実際に、上記の報告（Ｔｏｍｏｈｉ
ｒｏ Ｉｓｈｉｋａｗａ， ｅｔ ａｌ．， Ｐｒｏ
ｃ． ＳＰＩＥ Ｖｏｌ．３６９８，１９９９）におい
てＦｉｇ．８に示されている雑音電圧と感度のバイアス
電流依存性（図１０）においても、バイアス電流を５０
［μＡ］とした場合に雑音が最小になるにもかかわら
ず、バイアス電流の増加に伴う感度低下のために、バイ
アス電流を１０［μＡ］と設定することでＮＥＴＤを最
小にしている。もちろん、図１０における雑音電圧に
は、センサ部からの信号読み出しに起因する、いわゆる
読み出し雑音も含まれているが、上記の報告において示
される読み出し回路における雑音はバイアス電流に依存
しないことが明らかであるので、上記の議論の内容とは
無関係であることは言うまでも無い。
【００５２】すなわち、本実施例によれば、感度低下が
発生しない電圧領域において、センサ部で発生する雑音
を最小にすることが可能であり、また、この最小化され
た雑音についても、前述のとおり付加抵抗：Ｒａを十分
に低減しているので、高感度かつ低雑音、すなわち、温
度分解能が高い赤外線センサを得ることができる。
発生しない電圧領域において、センサ部で発生する雑音
を最小にすることが可能であり、また、この最小化され
た雑音についても、前述のとおり付加抵抗：Ｒａを十分
に低減しているので、高感度かつ低雑音、すなわち、温
度分解能が高い赤外線センサを得ることができる。
【００５３】さらに、本実施例の構造によれば、入射赤
外線による温度変化を熱電変換により、電気信号に変換
するセンサ部の温度が均一になるという効果もある。す
なわち、ＳＯＩ層８の底部に熱伝導率が高い金属シリサ
イド層１３が形成されることにより、ｐｎ接合が形成さ
れるＳＯＩ層８の温度が均一になり、複数のＳＯＩ層８
を内包するセンサ部１０の温度も均一となる。その結
果、すべてのＳＯＩ層８の温度が等しくなることにな
る。この温度均一化の効果は、入射赤外線が単位画素の
中心に入射しない場合に有効となる。たとえば、入射赤
外線がセンサ部１０の１／２の領域に入射しているよう
な場合には、赤外線が入射しているＳＯＩ層と、赤外線
が入射していないＳＯＩ層との温度が均一化されている
方が、電気出力が大きくなるからである。
外線による温度変化を熱電変換により、電気信号に変換
するセンサ部の温度が均一になるという効果もある。す
なわち、ＳＯＩ層８の底部に熱伝導率が高い金属シリサ
イド層１３が形成されることにより、ｐｎ接合が形成さ
れるＳＯＩ層８の温度が均一になり、複数のＳＯＩ層８
を内包するセンサ部１０の温度も均一となる。その結
果、すべてのＳＯＩ層８の温度が等しくなることにな
る。この温度均一化の効果は、入射赤外線が単位画素の
中心に入射しない場合に有効となる。たとえば、入射赤
外線がセンサ部１０の１／２の領域に入射しているよう
な場合には、赤外線が入射しているＳＯＩ層と、赤外線
が入射していないＳＯＩ層との温度が均一化されている
方が、電気出力が大きくなるからである。
【００５４】また、本実施例の構造によれば、入射赤外
線をより有効に吸収することが可能となるという効果も
ある。すなわち、入射赤外線のうち、赤外線吸収層１８
を透過した赤外線は、入射赤外線に対して透明なＳＯＩ
層８を透過する。本実施例によれば、ＳＯＩ層８の底部
には、赤外線反射率が高い金属シリサイド層１３が形成
されており、透過した赤外線は金属シリサイド層１３に
より反射され、再度赤外線吸収層１８による吸収を受け
る。したがって、本実施例によれば、入射赤外線に対す
る吸収率を高めることが可能となり、さらに高感度にな
るという効果もある。
線をより有効に吸収することが可能となるという効果も
ある。すなわち、入射赤外線のうち、赤外線吸収層１８
を透過した赤外線は、入射赤外線に対して透明なＳＯＩ
層８を透過する。本実施例によれば、ＳＯＩ層８の底部
には、赤外線反射率が高い金属シリサイド層１３が形成
されており、透過した赤外線は金属シリサイド層１３に
より反射され、再度赤外線吸収層１８による吸収を受け
る。したがって、本実施例によれば、入射赤外線に対す
る吸収率を高めることが可能となり、さらに高感度にな
るという効果もある。
【００５５】次に、本発明の第２の実施例について説明
する。本実施例にかかわる赤外線センサの全体構成、お
よび赤外線検出画素の等価回路は、第１の実施例と同様
に各々図１および図２であり、その説明は省略する。
する。本実施例にかかわる赤外線センサの全体構成、お
よび赤外線検出画素の等価回路は、第１の実施例と同様
に各々図１および図２であり、その説明は省略する。
【００５６】図５は、本実施例にかかわる赤外線検出画
素の断面構造と平面構造とを説明するための概略構造図
である。図５に示した構造は、第１の実施例で示した図
３とほぼ同様のものであるが、ＳＯＩ層８の底部に金属
シリサイド層１３は積層形成されていない。第１の実施
例における金属シリサイド層１３の効果を得るために、
ＳＯＩ層８の底部には高不純物濃度のｐ＋領域２０が形
成されている。
素の断面構造と平面構造とを説明するための概略構造図
である。図５に示した構造は、第１の実施例で示した図
３とほぼ同様のものであるが、ＳＯＩ層８の底部に金属
シリサイド層１３は積層形成されていない。第１の実施
例における金属シリサイド層１３の効果を得るために、
ＳＯＩ層８の底部には高不純物濃度のｐ＋領域２０が形
成されている。
【００５７】図５に示す赤外線検出画素の製造工程を図
６を用いて説明する。
６を用いて説明する。
【００５８】まず、半導体基板として単結晶シリコン支
持基板６上に酸化シリコン層９、単結晶シリコン層８が
順次積層された、いわゆるＳＯＩ基板を準備する（図６
（ａ））。
持基板６上に酸化シリコン層９、単結晶シリコン層８が
順次積層された、いわゆるＳＯＩ基板を準備する（図６
（ａ））。
【００５９】次に素子分離としてＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏ
ｗ−Ｔｒｅｎｃｈ−Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）と同様の工程
を行う。すなわち、フォトリソグラフィー等の技術をも
ちいて素子分離領域を定義し、素子分離領域の単結晶シ
リコン層をエッチング除去した後に、酸化シリコン膜１
４をＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ−Ｖａｐｏｒ−Ｄｅｐｏ
ｓｉｔｉｏｎ）等の技術により埋め込み、ＣＭＰ（Ｃｈ
ｅｍｉｃａｌ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ−Ｐｏｌｉｓｈｉ
ｎｇ）等の技術で平坦化する。素子分離の方法は、特に
ＳＴＩに限定するものでは無く、その他の素子分離方法
として、たとえばＬＯＣＯＳ法を用いることも可能であ
る。
ｗ−Ｔｒｅｎｃｈ−Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）と同様の工程
を行う。すなわち、フォトリソグラフィー等の技術をも
ちいて素子分離領域を定義し、素子分離領域の単結晶シ
リコン層をエッチング除去した後に、酸化シリコン膜１
４をＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ−Ｖａｐｏｒ−Ｄｅｐｏ
ｓｉｔｉｏｎ）等の技術により埋め込み、ＣＭＰ（Ｃｈ
ｅｍｉｃａｌ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ−Ｐｏｌｉｓｈｉ
ｎｇ）等の技術で平坦化する。素子分離の方法は、特に
ＳＴＩに限定するものでは無く、その他の素子分離方法
として、たとえばＬＯＣＯＳ法を用いることも可能であ
る。
【００６０】このとき、支持部１１の領域も素子分離領
域として定義され、酸化シリコン膜１４が埋め込まれる
ことは言うまでも無い。（図６（ｂ）） 次に、アドレス回路、出力部、定電流源等の周辺回路の
ソース・ドレイン領域と同様にセンサ部のｐｎ接合のた
めのｎ型不純物領域１５をフォトリソグラフィー技術と
イオン注入等のドーピング技術とにより形成する。
域として定義され、酸化シリコン膜１４が埋め込まれる
ことは言うまでも無い。（図６（ｂ）） 次に、アドレス回路、出力部、定電流源等の周辺回路の
ソース・ドレイン領域と同様にセンサ部のｐｎ接合のた
めのｎ型不純物領域１５をフォトリソグラフィー技術と
イオン注入等のドーピング技術とにより形成する。
【００６１】たとえば、ＳＯＩ基板としてＳＯＩ層８の
ｐ型不純物濃度が２×１０１５［ｃｍ−３］で、ＳＯＩ
層８の厚さが４００［ｎｍ］の基板を用いて、ｐｎ接合
形成のためのｎ型不純物ドーピング工程として、砒素イ
オンをイオン注入量が５×１０１５［ｃｍ−２］、イオ
ン注入エネルギーが４０［ＫｅＶ］のイオン注入を行
う。
ｐ型不純物濃度が２×１０１５［ｃｍ−３］で、ＳＯＩ
層８の厚さが４００［ｎｍ］の基板を用いて、ｐｎ接合
形成のためのｎ型不純物ドーピング工程として、砒素イ
オンをイオン注入量が５×１０１５［ｃｍ−２］、イオ
ン注入エネルギーが４０［ＫｅＶ］のイオン注入を行
う。
【００６２】このｐｎ接合形成のための不純物ドーピン
グ工程の前後のいずれかの工程において、図５の高不純
物濃度層２０形成のための不純物ドーピングを行う。
グ工程の前後のいずれかの工程において、図５の高不純
物濃度層２０形成のための不純物ドーピングを行う。
【００６３】赤外線検出画素部を除く領域をフォトレジ
スト等のマスク材により保護した状態で、ｐ型不純物を
イオン注入する。本実施例では、ｐ型不純物として単体
の硼素イオンを室温でイオン注入しており、イオン注入
の加速エネルギーが１３０［ＫｅＶ］、イオン注入量が
８×１０１４［ｃｍ−２］なる条件でのイオン注入を行
う（図６（ｃ））。
スト等のマスク材により保護した状態で、ｐ型不純物を
イオン注入する。本実施例では、ｐ型不純物として単体
の硼素イオンを室温でイオン注入しており、イオン注入
の加速エネルギーが１３０［ＫｅＶ］、イオン注入量が
８×１０１４［ｃｍ−２］なる条件でのイオン注入を行
う（図６（ｃ））。
【００６４】上記の硼素イオン注入の後に、不純物活性
化工程として１０３５［℃］、２０［秒］のＲＴＡ（Ｒ
ａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）をおこなっ
た場合の赤外線検出画素部の不純物プロファイルを図７
に示す。
化工程として１０３５［℃］、２０［秒］のＲＴＡ（Ｒ
ａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）をおこなっ
た場合の赤外線検出画素部の不純物プロファイルを図７
に示す。
【００６５】ｐｎ接合は、表面から深さ約１００［ｎ
ｍ］の位置に形成され、接合部近傍での不純物濃度は約
１０１８［ｃｍ−３］である。
ｍ］の位置に形成され、接合部近傍での不純物濃度は約
１０１８［ｃｍ−３］である。
【００６６】また、ｐｎ接合より深い領域には、ｐ型不
純物濃度が高い領域が形成されており、表面から３００
［ｎｍ］以上の深い領域には、２×１０１９［ｃ
ｍ−３］以上の高不純物濃度領域が形成される。
純物濃度が高い領域が形成されており、表面から３００
［ｎｍ］以上の深い領域には、２×１０１９［ｃ
ｍ−３］以上の高不純物濃度領域が形成される。
【００６７】次に、周辺回路およびｐｎ接合の配線のた
めのコンタクトホール１６形成、および金属配線１７形
成の、いわゆるメタライゼーション工程を行う。
めのコンタクトホール１６形成、および金属配線１７形
成の、いわゆるメタライゼーション工程を行う。
【００６８】次に、センサ部には赤外線吸収層を形成す
るが、メタライゼーション工程において形成する層間絶
縁膜およびパッシベーション膜１８を流用することも可
能である（図６（ｄ））。
るが、メタライゼーション工程において形成する層間絶
縁膜およびパッシベーション膜１８を流用することも可
能である（図６（ｄ））。
【００６９】最後に、中空構造を形成するためのエッチ
ングホール１９をＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ−Ｉｏｎ−
Ｅｔｃｈｉｎｇ）等により形成し、このエッチングホー
ル１９を介して単結晶シリコンのエッチャントとして、
たとえばＴＭＡＨ（Ｔｅｔｒａ−Ｍｅｔｈｙｌ−Ａｍｍ
ｏｎｉｕｍ−Ｈｙｄｒｏｘｉｄｅ）等の薬液を用いた単
結晶シリコンの異方性エッチングを行うことで、単結晶
シリコン支持基板６内部に中空構造７を形成し、図５の
赤外線検出画素の構造を得ることができる（図６
（ｅ）） もちろん、周辺回路で用いるトランジスタ形成のための
ゲート電極形成工程が必要なことは言うまでも無いが、
赤外線検出画素の製造工程とは直接の関係が無い工程で
あるので、上記の説明の中では省略している。
ングホール１９をＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ−Ｉｏｎ−
Ｅｔｃｈｉｎｇ）等により形成し、このエッチングホー
ル１９を介して単結晶シリコンのエッチャントとして、
たとえばＴＭＡＨ（Ｔｅｔｒａ−Ｍｅｔｈｙｌ−Ａｍｍ
ｏｎｉｕｍ−Ｈｙｄｒｏｘｉｄｅ）等の薬液を用いた単
結晶シリコンの異方性エッチングを行うことで、単結晶
シリコン支持基板６内部に中空構造７を形成し、図５の
赤外線検出画素の構造を得ることができる（図６
（ｅ）） もちろん、周辺回路で用いるトランジスタ形成のための
ゲート電極形成工程が必要なことは言うまでも無いが、
赤外線検出画素の製造工程とは直接の関係が無い工程で
あるので、上記の説明の中では省略している。
【００７０】本実施例によれば、図５および図７に示さ
れる、ｐｎ接合より深い領域に形成された高濃度不純物
領域２０の存在により、プレーナ構造のｐｎ接合におけ
るシート抵抗成分を大幅に低減することが可能となり、
その結果として低雑音の赤外線センサを得ることが可能
となる。
れる、ｐｎ接合より深い領域に形成された高濃度不純物
領域２０の存在により、プレーナ構造のｐｎ接合におけ
るシート抵抗成分を大幅に低減することが可能となり、
その結果として低雑音の赤外線センサを得ることが可能
となる。
【００７１】すでに述べた第１の実施例の説明と同様
に、従来構造との比較を行う。
に、従来構造との比較を行う。
【００７２】今回の場合には、ＳＯＩ層８の厚さと、ｐ
ｎ接合の深さを、いずれも本実施例と同一の値として比
較することにする。
ｎ接合の深さを、いずれも本実施例と同一の値として比
較することにする。
【００７３】従来型のプレーナ構造の場合には、ｐ型に
ドープされたＳＯＩ層８の不純物濃度が、アクセプタ密
度：Ｎａ＝２×１０１５［ｃｍ−３］で、ＳＯＩ層８の
厚さが４００［ｎｍ］、センサ部に形成されるｐｎ接合
の深さが１００［ｎｍ］とする。上記のアクセプタ密度
における単結晶シリコンの抵抗率は約６［Ωｃｍ］であ
るので、ＳＯＩ底部のｐ領域のシート抵抗は、６［Ωｃ
ｍ］／０．３［μｍ］≒２×１０５［Ω／ｓｑ．］にも
なる。この値は、たかだか数百Ωのコンタクト抵抗：Ｒ
ｃや、数ＫΩの画素内部配線抵抗：Ｒｌより２桁も高い
値であり、付加抵抗：Ｒａは、このｐ領域のシート抵抗
に支配されてしまう。たとえば、Ｔ＝３００［Ｋ］、信
号帯域：Ｂ＝１０［ＫＨｚ］、そしてｎ＝８とすれば、
最適電流：Ｉｏｐｔと最小雑音電圧：Ｎｍｉｎは、式
（６）、（７）より各々１．２×１０−６［Ａ］、２．
４×１０−５［Ｖ］になる。すなわち、動作電圧領域や
ｐｎ接合面積からの制約により制限されてしまうバイア
ス電流が、仮に最適バイアス電流：Ｉｏｐｔに設定でき
たとしても、２４［μＶ］もの雑音電圧が発生すること
になる。実際には、画素内部における温度揺らぎ雑音
や、読み出し回路において発生する雑音が発生すること
になる。
ドープされたＳＯＩ層８の不純物濃度が、アクセプタ密
度：Ｎａ＝２×１０１５［ｃｍ−３］で、ＳＯＩ層８の
厚さが４００［ｎｍ］、センサ部に形成されるｐｎ接合
の深さが１００［ｎｍ］とする。上記のアクセプタ密度
における単結晶シリコンの抵抗率は約６［Ωｃｍ］であ
るので、ＳＯＩ底部のｐ領域のシート抵抗は、６［Ωｃ
ｍ］／０．３［μｍ］≒２×１０５［Ω／ｓｑ．］にも
なる。この値は、たかだか数百Ωのコンタクト抵抗：Ｒ
ｃや、数ＫΩの画素内部配線抵抗：Ｒｌより２桁も高い
値であり、付加抵抗：Ｒａは、このｐ領域のシート抵抗
に支配されてしまう。たとえば、Ｔ＝３００［Ｋ］、信
号帯域：Ｂ＝１０［ＫＨｚ］、そしてｎ＝８とすれば、
最適電流：Ｉｏｐｔと最小雑音電圧：Ｎｍｉｎは、式
（６）、（７）より各々１．２×１０−６［Ａ］、２．
４×１０−５［Ｖ］になる。すなわち、動作電圧領域や
ｐｎ接合面積からの制約により制限されてしまうバイア
ス電流が、仮に最適バイアス電流：Ｉｏｐｔに設定でき
たとしても、２４［μＶ］もの雑音電圧が発生すること
になる。実際には、画素内部における温度揺らぎ雑音
や、読み出し回路において発生する雑音が発生すること
になる。
【００７４】一方、本実施例によれば、実施にはシート
抵抗に寄与する深さ１００〜３００［ｎｍ］の低不純物
濃度領域の効果を無視して、深さ３００［ｎｍ］以上の
高不純物濃度領域２０のみがシート抵抗に寄与すると仮
定しても、そのシート抵抗は十分に低減される。
抵抗に寄与する深さ１００〜３００［ｎｍ］の低不純物
濃度領域の効果を無視して、深さ３００［ｎｍ］以上の
高不純物濃度領域２０のみがシート抵抗に寄与すると仮
定しても、そのシート抵抗は十分に低減される。
【００７５】すなわち、高不純物濃度のアクセプタ濃度
は、約２×１０１９［ｃｍ−３］として、その抵抗率は
５×１０−３［Ωｃｍ］に低減されることになり、高不
純物濃度領域２０の厚さが１００［ｎｍ］＝０．１［μ
ｍ］であることとあわせて、シート抵抗は、５×１０
−３［Ωｃｍ］／０．１［μｍ］≒５００［Ω／ｓ
ｑ．］になる。この値は、たかだか数百Ωのコンタクト
抵抗：Ｒｃや、数ＫΩの画素内部配線抵抗：Ｒｌとほぼ
同レベルの値である。Ｒｃ＝５００［Ω］、Ｒｌ＝２
［ＫΩ］とすれば、Ｒａ＝３［ＫΩ］になる。ここで、
Ｔ＝３００［Ｋ］、信号帯域：Ｂ＝１０［ＫＨｚ］、そ
してｎ＝８とすれば、最適電流：Ｉｏｐｔと最小雑音電
圧：Ｎｍｉｎは、式（６）、（７）より各々７．７×１
０−５［Ａ］、３．０×１０−６［Ｖ］になる。すなわ
ち、雑音電圧は３［μＶ］と従来構造の約１／８に低減
される。
は、約２×１０１９［ｃｍ−３］として、その抵抗率は
５×１０−３［Ωｃｍ］に低減されることになり、高不
純物濃度領域２０の厚さが１００［ｎｍ］＝０．１［μ
ｍ］であることとあわせて、シート抵抗は、５×１０
−３［Ωｃｍ］／０．１［μｍ］≒５００［Ω／ｓ
ｑ．］になる。この値は、たかだか数百Ωのコンタクト
抵抗：Ｒｃや、数ＫΩの画素内部配線抵抗：Ｒｌとほぼ
同レベルの値である。Ｒｃ＝５００［Ω］、Ｒｌ＝２
［ＫΩ］とすれば、Ｒａ＝３［ＫΩ］になる。ここで、
Ｔ＝３００［Ｋ］、信号帯域：Ｂ＝１０［ＫＨｚ］、そ
してｎ＝８とすれば、最適電流：Ｉｏｐｔと最小雑音電
圧：Ｎｍｉｎは、式（６）、（７）より各々７．７×１
０−５［Ａ］、３．０×１０−６［Ｖ］になる。すなわ
ち、雑音電圧は３［μＶ］と従来構造の約１／８に低減
される。
【００７６】もちろん、実際には、上記の比較で無視し
た低不純物濃度領域のシート抵抗への寄与や、ＳＯＩ層
底部近傍におけるさらに、高濃度なｐ＋不純物領域の効
果があるので、雑音電圧はより低減されることになるの
は言うまでも無く、実際の雑音電圧は約１［μＶ］程度
まで低減することが可能である。
た低不純物濃度領域のシート抵抗への寄与や、ＳＯＩ層
底部近傍におけるさらに、高濃度なｐ＋不純物領域の効
果があるので、雑音電圧はより低減されることになるの
は言うまでも無く、実際の雑音電圧は約１［μＶ］程度
まで低減することが可能である。
【００７７】さらに、本実施例によれば、ＳＯＩ層８底
部に形成される高不純物濃度層２０における赤外線吸収
効果により、入射赤外線の吸収率を高め、その結果とし
て、さらに高感度化できるという効果もある。
部に形成される高不純物濃度層２０における赤外線吸収
効果により、入射赤外線の吸収率を高め、その結果とし
て、さらに高感度化できるという効果もある。
【００７８】ところで、本実施例の構造よりも単純な構
造として、高シート抵抗の原因となっているＳＯＩ領域
を高不純物濃度化するために、いわゆるウェル構造のよ
うな不純物濃度制御を行う方法を考えることも可能であ
るが、現実のウェル濃度はたかだか２×１０１７［ｃｍ
−３］程度であり、その場合のＳＯＩ基板領域の抵抗率
は０．１［Ωｃｍ］に低減されるに過ぎない。上記の比
較と同様の仮定のもとでは、そのシート抵抗は３０００
［Ω／ｓｑ．］となり、付加抵抗：Ｒａ＝５．５［Ｋ
Ω］、最適バイアス電流：Ｉｏｐｔ＝４．２×１０−５
［Ａ］、最小雑音電圧：Ｎｍｉｎ＝４．０×１０
−６［Ｖ］が得られる。このときの雑音電圧は４［μ
Ｖ］と、従来構造の約１／６程度に雑音が低減されてい
ることになるが、本実施例で約１［μＶ］の低雑音には
及ばない。もちろん、本実施例と同等の雑音低減を図る
ために、ＳＯＩ領域をさらに高不純物濃度化する方法も
考えられるが、その場合には、拡散電流の低下が発生す
るために、低雑音化のために必要な最適バイアス電流を
得ることに関する問題が発生する。すなわち、ｐｎ接合
の拡散電流密度：Ｊｄｉｆ＝Ｊｏ・ｅｘｐ（ｑＶ／ｋ
Ｔ）におけるＪｏは、Ｎｄ＞Ｎａの場合には、Ｊｏ≒
（ｑ・ｎｉ２／Ｎａ）・（Ｄｎ／τｎ）１／２と表現さ
れる。Ｄｎ、τｎは各々ｐ領域における電子の拡散係数
とライフタイムであり、前者はＮａに依存するがその依
存性は弱い。したがって、ＳＯＩ層の全領域におけるＮ
ａの上昇はＪｏの低下を招き、その結果、最適バイアス
電流を所望の電圧領域で得られないことになり、十分な
低雑音化と感度の維持を両立できないことになる。
造として、高シート抵抗の原因となっているＳＯＩ領域
を高不純物濃度化するために、いわゆるウェル構造のよ
うな不純物濃度制御を行う方法を考えることも可能であ
るが、現実のウェル濃度はたかだか２×１０１７［ｃｍ
−３］程度であり、その場合のＳＯＩ基板領域の抵抗率
は０．１［Ωｃｍ］に低減されるに過ぎない。上記の比
較と同様の仮定のもとでは、そのシート抵抗は３０００
［Ω／ｓｑ．］となり、付加抵抗：Ｒａ＝５．５［Ｋ
Ω］、最適バイアス電流：Ｉｏｐｔ＝４．２×１０−５
［Ａ］、最小雑音電圧：Ｎｍｉｎ＝４．０×１０
−６［Ｖ］が得られる。このときの雑音電圧は４［μ
Ｖ］と、従来構造の約１／６程度に雑音が低減されてい
ることになるが、本実施例で約１［μＶ］の低雑音には
及ばない。もちろん、本実施例と同等の雑音低減を図る
ために、ＳＯＩ領域をさらに高不純物濃度化する方法も
考えられるが、その場合には、拡散電流の低下が発生す
るために、低雑音化のために必要な最適バイアス電流を
得ることに関する問題が発生する。すなわち、ｐｎ接合
の拡散電流密度：Ｊｄｉｆ＝Ｊｏ・ｅｘｐ（ｑＶ／ｋ
Ｔ）におけるＪｏは、Ｎｄ＞Ｎａの場合には、Ｊｏ≒
（ｑ・ｎｉ２／Ｎａ）・（Ｄｎ／τｎ）１／２と表現さ
れる。Ｄｎ、τｎは各々ｐ領域における電子の拡散係数
とライフタイムであり、前者はＮａに依存するがその依
存性は弱い。したがって、ＳＯＩ層の全領域におけるＮ
ａの上昇はＪｏの低下を招き、その結果、最適バイアス
電流を所望の電圧領域で得られないことになり、十分な
低雑音化と感度の維持を両立できないことになる。
【００７９】また、本実施例では高濃度不純物領域を形
成するためのイオン注入工程において、単体の硼素イオ
ンを用いたが、ｐ型不純物イオンは特に単体の硼素イオ
ンに限るものでは無い。しかし、単体の硼素イオンを用
いることが、赤外線検出画素の特性を向上するためには
より好ましいと言える。
成するためのイオン注入工程において、単体の硼素イオ
ンを用いたが、ｐ型不純物イオンは特に単体の硼素イオ
ンに限るものでは無い。しかし、単体の硼素イオンを用
いることが、赤外線検出画素の特性を向上するためには
より好ましいと言える。
【００８０】すなわち、硼素はその質量が小さく、イオ
ン注入における単結晶シリコンのシリコン原子へのダメ
ージが低く、室温程度の基板温度でシリコン原子が結晶
性を回復する程度の影響しか及ぼさないことが知られて
いる。しかしながら、この室温における結晶性回復工程
は、硼素のイオン注入によるダメージを受けた領域にお
いて局所的に進行するために、ほかの不純物が高温でダ
メージの無い単結晶シリコン部をシードとした結晶性回
復を行う場合と比較して、単結晶内部に各々の単結晶領
域の境界領域に多数の欠陥がしやすい。特に、１０１４
［ｃｍ−２］以上の高ドーズの硼素イオン注入において
は、その影響が顕著に現れることが知られており、本実
施例では、まさにその影響が現れる領域での工程となっ
ている。ところで、前述のように、ｐｎ接合を順バイア
スして駆動する赤外線検出画素においては、前述したよ
うに順バイアス電流を大きくすることが低雑音化に有効
であり、ｐｎ接合の拡散電流密度：Ｊｄｉｆ＝Ｊｏ・ｅ
ｘｐ（ｑＶ／ｋＴ）におけるＪｏは、Ｎｄ＞Ｎａの場合
には、Ｊｏ≒（ｑ・ｎｉ２／Ｎａ）・（Ｄｎ／τｎ）
１／２と表現される。本実施例で示した高濃度イオン注
入工程によれば、上述したように、ＳＯＩ領域内に多数
の結晶欠陥が発生するために、ｐ領域内部での電子のラ
イフタイム：τｎを短くする効果があり、したがって所
望の順バイアスを容易に得ることが可能であることか
ら、より好ましい製造方法であると言える。
ン注入における単結晶シリコンのシリコン原子へのダメ
ージが低く、室温程度の基板温度でシリコン原子が結晶
性を回復する程度の影響しか及ぼさないことが知られて
いる。しかしながら、この室温における結晶性回復工程
は、硼素のイオン注入によるダメージを受けた領域にお
いて局所的に進行するために、ほかの不純物が高温でダ
メージの無い単結晶シリコン部をシードとした結晶性回
復を行う場合と比較して、単結晶内部に各々の単結晶領
域の境界領域に多数の欠陥がしやすい。特に、１０１４
［ｃｍ−２］以上の高ドーズの硼素イオン注入において
は、その影響が顕著に現れることが知られており、本実
施例では、まさにその影響が現れる領域での工程となっ
ている。ところで、前述のように、ｐｎ接合を順バイア
スして駆動する赤外線検出画素においては、前述したよ
うに順バイアス電流を大きくすることが低雑音化に有効
であり、ｐｎ接合の拡散電流密度：Ｊｄｉｆ＝Ｊｏ・ｅ
ｘｐ（ｑＶ／ｋＴ）におけるＪｏは、Ｎｄ＞Ｎａの場合
には、Ｊｏ≒（ｑ・ｎｉ２／Ｎａ）・（Ｄｎ／τｎ）
１／２と表現される。本実施例で示した高濃度イオン注
入工程によれば、上述したように、ＳＯＩ領域内に多数
の結晶欠陥が発生するために、ｐ領域内部での電子のラ
イフタイム：τｎを短くする効果があり、したがって所
望の順バイアスを容易に得ることが可能であることか
ら、より好ましい製造方法であると言える。
【００８１】以上説明してきた第１および第２の実施例
はいずれも、赤外線検出画素を２次元的にアレイ配置し
て構成された赤外線センサであるが、もちろん赤外線検
出画素を１次元的に配列した１次元センサや、アレイ配
置されない単一の赤外線センサに適用しても、同様の効
果が得られることは言うまでも無い。
はいずれも、赤外線検出画素を２次元的にアレイ配置し
て構成された赤外線センサであるが、もちろん赤外線検
出画素を１次元的に配列した１次元センサや、アレイ配
置されない単一の赤外線センサに適用しても、同様の効
果が得られることは言うまでも無い。
【００８２】その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲
で、種々変形実施可能である。
で、種々変形実施可能である。
【００８３】
【発明の効果】本発明によれば、順バイアスｐｎ接合型
の非冷却赤外線センサの熱電変換部となる、ＳＯＩ層に
形成されたプレーナ構造ｐｎ接合のバルクシリコン基板
側に単結晶シリコン層と積層された金属シリサイド層が
形成されるので、薄いＳＯＩ層における大面積プレーナ
型ｐｎ接合で問題となっていたシート抵抗成分を大幅に
低減することができ、その結果として低雑音・高感度の
非冷却赤外線センサを得ることが出来る。
の非冷却赤外線センサの熱電変換部となる、ＳＯＩ層に
形成されたプレーナ構造ｐｎ接合のバルクシリコン基板
側に単結晶シリコン層と積層された金属シリサイド層が
形成されるので、薄いＳＯＩ層における大面積プレーナ
型ｐｎ接合で問題となっていたシート抵抗成分を大幅に
低減することができ、その結果として低雑音・高感度の
非冷却赤外線センサを得ることが出来る。
【００８４】また、本発明によれば、順バイアスｐｎ接
合型の非冷却赤外線センサの熱電変換部となる、ＳＯＩ
層に形成されたプレーナ構造のｐｎ接合のバルクシリコ
ン基板側のｐｎ接合面より深い領域に高濃度不純物領域
が形成されるので、薄いＳＯＩ層における大面積プレー
ナ型ｐｎ接合で問題となっていたシート抵抗成分を大幅
に低減することができ、その結果として低雑音・高感度
の非冷却赤外線センサを得ることが出来る。
合型の非冷却赤外線センサの熱電変換部となる、ＳＯＩ
層に形成されたプレーナ構造のｐｎ接合のバルクシリコ
ン基板側のｐｎ接合面より深い領域に高濃度不純物領域
が形成されるので、薄いＳＯＩ層における大面積プレー
ナ型ｐｎ接合で問題となっていたシート抵抗成分を大幅
に低減することができ、その結果として低雑音・高感度
の非冷却赤外線センサを得ることが出来る。
【００８５】さらに、本発明によれば、順バイアスｐｎ
接合型の非冷却赤外線センサの熱電変換部となる、ＳＯ
Ｉ層に形成されたプレーナ構造ｐｎ接合のｐｎ接合面よ
り深い高濃度不純物領域を、室温以上の温度環境下での
硼素イオン注入により形成しており、イオン注入した硼
素が室温以上の温度環境でイオン注入と同時に単結晶シ
リコンの略格子位置に置換されドーパントとなる際に、
多量の結晶欠陥を形成するので、この結晶欠陥を再結合
中心とした拡散電流が増加し、順バイアスｐｎ接合の電
流値を増加することになり、その結果として低雑音・高
感度の非冷却赤外線センサを得ることが出来る。
接合型の非冷却赤外線センサの熱電変換部となる、ＳＯ
Ｉ層に形成されたプレーナ構造ｐｎ接合のｐｎ接合面よ
り深い高濃度不純物領域を、室温以上の温度環境下での
硼素イオン注入により形成しており、イオン注入した硼
素が室温以上の温度環境でイオン注入と同時に単結晶シ
リコンの略格子位置に置換されドーパントとなる際に、
多量の結晶欠陥を形成するので、この結晶欠陥を再結合
中心とした拡散電流が増加し、順バイアスｐｎ接合の電
流値を増加することになり、その結果として低雑音・高
感度の非冷却赤外線センサを得ることが出来る。
【００８６】このように、本発明によれば、低雑音・高
感度の非冷却赤外線センサを得ることが出来る。
感度の非冷却赤外線センサを得ることが出来る。
【図１】本発明の第１および第２の実施例に係わる赤外
線センサの全体構成図。
線センサの全体構成図。
【図２】本発明の第１および第２の実施例に係わる赤外
線センサの、赤外線検出画素の等価回路。
線センサの、赤外線検出画素の等価回路。
【図３】本発明の第１の実施例に係わる赤外線センサ
の、赤外線検出画素の断面構造と平面構造を説明するた
めの図。
の、赤外線検出画素の断面構造と平面構造を説明するた
めの図。
【図４】本発明の第１の実施例に係わる赤外線センサ
の、赤外線検出画素の製造工程を説明するための図。
の、赤外線検出画素の製造工程を説明するための図。
【図５】本発明の第２の実施例に係わる赤外線センサ
の、赤外線検出画素の断面構造と平面構造を説明するた
めの図。
の、赤外線検出画素の断面構造と平面構造を説明するた
めの図。
【図６】本発明の第２の実施例に係わる赤外線センサ
の、赤外線検出画素の製造工程を説明するための図。
の、赤外線検出画素の製造工程を説明するための図。
【図７】本発明の第２の実施例に係わる赤外線センサ
の、赤外線検出画素内部のｐｎ接合を含むＳＯＩ層内部
の不純物プロファイル。
の、赤外線検出画素内部のｐｎ接合を含むＳＯＩ層内部
の不純物プロファイル。
【図８】従来の赤外線センサにおける、赤外線検出画素
の断面構造と平面構造を説明するための図。
の断面構造と平面構造を説明するための図。
【図９】従来の赤外線センサにおける、ラテラル型ｐｎ
接合を用いた赤外線検出画素の構造を説明するための斜
視図。
接合を用いた赤外線検出画素の構造を説明するための斜
視図。
【図１０】赤外線センサにおける、感度と雑音のバイア
ス電流依存性の一例。
ス電流依存性の一例。
１…赤外線検出画素
２…赤外線検出画素アレイ
３…垂直信号線
４…水平アドレス線
５…列選択トランジスタ
６…単結晶シリコン支持基板
７…中空構造
８…単結晶シリコン層
９…酸化シリコン層
１０…センサ部
１１…支持部
１２…多結晶シリコン層
１３…金属シリサイド層
１４…素子分離のためのシリコン酸化膜
１５…Ｎ型不純物領域
１６…コンタクトホール
１７…金属配線
１８…パッシベーション膜
１９…エッチングホール
２０…Ｐ型高不純物濃度領域
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ
Ｈ０１Ｌ 31/02 Ｈ０１Ｌ 27/14 Ａ
Ｈ０４Ｎ 5/33 Ｇ０１Ｖ 9/04 Ｓ
5/335 Ｈ０１Ｌ 31/02 Ａ
(56)参考文献 国際公開99／031471（ＷＯ，Ａ１)
Ｗ．Ｌ．Ｇｏｈ，ｅｔ ａｌ．，ＩＥ
ＥＥ ＥＬＥＣＴＲＯＮ ＤＥＶＩＣＥ
ＬＥＴＴＥＲＳ，1999年 ５月，ＶＯ
Ｌ．20，ＮＯ．５，Ｐ．212−214
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H01L 27/14
G01J 1/02
G01J 5/02
G01V 8/10
H04N 5/33 - 5/335
Claims (5)
- 【請求項１】 中空構造を内部に有する半導体基板およ
びその上に二次元的に配列され、それぞれ入射赤外線光
を吸収し熱に変換するための吸収構造および該吸収構造
で発生した熱による温度変化を電気信号に変換するため
に互いに直列接続された複数個の熱電変換手段とを有す
る複数個の赤外線検出画素と、これらの赤外線検出画素
を選択する画素選択手段と、該画素選択手段により選択
された赤外線検出画素からの電気信号を出力するための
出力手段とを有し、前記熱電変換手段は 、 前記中空構造
上に形成され素子分離領域により互いに分離された第一
導電型の単結晶半導体層と、この単結晶半導体層の赤外
線入射側表面領域に設けられ、前記第一導電型の単結晶
半導体層とｐｎ接合を形成する第二導電型領域と、前記
第一導電型の単結晶半導体層の底面に形成された金属シ
リサイド層とを備えていることを特徴とする赤外線セン
サ。 - 【請求項２】 中空構造を内部に有する半導体基板およ
びその上に二次元的に配列され、それぞれ入射赤外線光
を吸収し熱に変換するための吸収構造および該吸収構造
で発生した熱による温度変化を電気信号に変換するため
に互いに直列接続された複数個の熱電変換手段とを有す
る複数個の赤外線検出画素と、これらの赤外線検出画素
を選択する画素選択手段と、該画素選択手段により選択
された赤外線検出画素からの電気信号を出力するための
出力手段とを有し、前記熱電変換手段は 、 前記中空構造
上に形成され素子分離領域により互いに分離された第一
導電型の単結晶半導体層と、この単結晶半導体層の赤外
線入射側表面領域に設けられ、前記第一導電型の単結晶
半導体層とｐｎ接合を形成する第二導電型領域と、前記
第一導電型の単結晶半導体層の底面に形成され、前記第
一導電型単結晶層の不純物濃度よりも高不純物濃度の第
一導電型層とを備えていることを特徴とする赤外線セン
サ。 - 【請求項３】 中空構造を内部に有する半導体基板およ
びその上に設けられ、それぞれ入射赤外線光を吸収し熱
に変換するための吸収構造と、該吸収構造で発生した熱
による温度変化を電気信号に変換するために互いに直列
接続された複数個の熱電変換手段と、これらの熱電変換
手段により発生する電気的信号を出力するための出力手
段とを有し、前記熱電変換手段は 、 前記中空構造上に形
成され素 子分離領域により互いに分離された第一導電型
の単結晶半導体層と、この単結晶半導体層の赤外線入射
側表面領域に設けられ、前記第一導電型の単結晶半導体
層とｐｎ接合を形成する第二導電型領域と、前記第一導
電型の単結晶半導体層の底面に形成された金属シリサイ
ド層とを備えていることを特徴とする赤外線センサ。 - 【請求項４】 中空構造を内部に有する半導体基板およ
びその上に設けられ、それぞれ入射赤外線光を吸収し熱
に変換するための吸収構造と、該吸収構造で発生した熱
による温度変化を電気信号に変換するために互いに直列
接続された複数個の熱電変換手段と、これらの熱電変換
手段により発生する電気信号を出力するための出力手段
とを有し、前記熱電変換手段は 、 前記中空構造上に形成
され素子分離領域により互いに分離された第一導電型の
単結晶半導体層と、この単結晶半導体層の赤外線入射側
表面領域に設けられ、前記第一導電型の単結晶半導体層
とｐｎ接合を形成する第二導電型領域と、前記第一導電
型の単結晶半導体層の底面に形成され、前記第一導電型
単結晶層の不純物濃度よりも高不純物濃度の第一導電型
層とを備えていることを特徴とする赤外線センサ。 - 【請求項５】 半導体基板上に、少なくとも入射赤外線
光を吸収し熱に変換するための吸収構造と、該吸収構造
で発生した熱による温度変化を電気信号に変換するため
の熱電変換手段と、該熱電変換手段により発生する電気
信号を出力するための出力手段とを有する赤外線センサ
の製造方法であって、前記熱電変換手段は単結晶シリコ
ンのpn接合を備え、前記半導体基板として、単結晶シリ
コン支持基板上に酸化シリコン層を介してｐ型単結晶シ
リコン層が積層された構造のＳＯＩ基板を用いて、該ｐ
型単結晶シリコン層の表面側にｎ型領域を形成し、該ｎ
型領域形成工程の前後いずれかにおいて、室温以上の温
度環境下で棚素のイオン注入を行うことにより、前記ｐ
型単結晶シリコン層内部のｐｎ接合面よりも深い領域に
前記ｐ型単結晶シリコン層の不純物濃度よりも高不純物
濃度のｐ+型領域を形成することを特徴とする赤外線セ
ンサの製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000077214A JP3461321B2 (ja) | 2000-03-17 | 2000-03-17 | 赤外線センサおよびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000077214A JP3461321B2 (ja) | 2000-03-17 | 2000-03-17 | 赤外線センサおよびその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001267542A JP2001267542A (ja) | 2001-09-28 |
| JP3461321B2 true JP3461321B2 (ja) | 2003-10-27 |
Family
ID=18594820
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000077214A Expired - Fee Related JP3461321B2 (ja) | 2000-03-17 | 2000-03-17 | 赤外線センサおよびその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3461321B2 (ja) |
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|---|---|---|---|---|
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| JP4703502B2 (ja) * | 2006-07-05 | 2011-06-15 | 三菱電機株式会社 | 温度センサおよび赤外線固体撮像装置 |
| JP2009085609A (ja) * | 2007-09-27 | 2009-04-23 | Oki Semiconductor Co Ltd | 赤外線検出素子 |
| JP2009222489A (ja) | 2008-03-14 | 2009-10-01 | Oki Semiconductor Co Ltd | 赤外線検出素子およびその製造方法 |
| JP4975669B2 (ja) * | 2008-03-25 | 2012-07-11 | 株式会社東芝 | 赤外線検出器およびこの赤外線検出器を備えた固体撮像素子 |
| JP5264597B2 (ja) * | 2008-04-03 | 2013-08-14 | 三菱電機株式会社 | 赤外線検出素子及び赤外線固体撮像装置 |
| CN102384789B (zh) * | 2010-08-30 | 2013-06-26 | 中国科学院微电子研究所 | 红外焦平面阵列器件及其制作方法 |
-
2000
- 2000-03-17 JP JP2000077214A patent/JP3461321B2/ja not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Ｗ．Ｌ．Ｇｏｈ，ｅｔ ａｌ．，ＩＥＥＥ ＥＬＥＣＴＲＯＮ ＤＥＶＩＣＥ ＬＥＴＴＥＲＳ，１９９９年 ５月，ＶＯＬ．２０，ＮＯ．５，Ｐ．２１２−２１４ |
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| Publication number | Publication date |
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| JP2001267542A (ja) | 2001-09-28 |
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