JP3484354B2 - 熱型赤外線検出器アレイおよびその製造方法 - Google Patents
熱型赤外線検出器アレイおよびその製造方法Info
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Description
数個集積されて成る赤外線検出器アレイ、中でも赤外線
を熱として感知する熱型赤外線検出器アレイに関する。
赤外線検出器アレイは、例えば赤外線固体撮像素子とし
て応用することができる。
激しない物を見ることができ、また対象物の温度を遠方
から非接触で瞬時に測定できるという特徴を備えてお
り、製造ラインの計測・制御や医療・診断装置、人の検
知装置など幅広い産業分野において多種多様な形で使用
されている。
配列された検出器と、その周囲に形成された検出器の信
号を読み出すための信号出力回路より成る。
り、赤外線の光子としての作用を利用する量子型と、赤
外線の熱作用を利用する熱型に大別することができる。
量子型は、高感度、高速応答という利点を有するが、検
出器をマイナス200℃前後に冷却する必要があるため
装置が複雑で高価となる。一方、熱型は、応答速度は劣
るが冷却不要で常温動作可能なため、汎用用途において
は熱型が主流となっている。
ター型と呼ばれる検出器(米国特許第5,260,255号公
報)を使用したものが既に実用化されている。ボロメー
ター型検出器とは、物体から放射される赤外線を、温度
変化に応じて抵抗値が変わる抵抗体によって検出するも
のである。
て図面を参照しつつ説明する。図8はボロメーター型検
出器の一例の斜視図である。図8において、801は抵
抗体、802は配線、803は絶縁部、804は支持基
板を表す。赤外線の照射により抵抗体801の温度が変
化すると、それに応じて抵抗体801の抵抗値が変化す
る。抵抗値の変化は、配線802を通して抵抗体801
に印加されたバイアス電流またはバイアス電圧の変化と
して観察することができる。入射した赤外線による抵抗
体801の温度上昇を効果的に起こすため、抵抗体80
1は脚部801aにより支持され抵抗体801の下部は
中空となっている。脚部801aはマイクロマシニング
技術を用いて形成される。
これまで薄膜状の金属、酸化バナジウム等のセラミック
ス、多結晶シリコン等が使用されている。しかし、いず
れも、これを集積して赤外線検出器アレイとするには、
量産性または性能の上で問題があった。
抗値の温度による変化率(以下抵抗温度係数)が0.5%
/k程度と低いため検出器としての赤外線に対する感度
が不足する。酸化バナジウムを検出器の抵抗体として用
いた場合は、抵抗温度係数が約2.0%/kと高いが、半
導体の製造工程で一般に利用されない材料であるため、
半導体素子よりなる信号出力回路と一貫製造することが
できず、量産性に問題があった。また多結晶シリコンを
検出器の抵抗体として用いれば、信号出力回路と一貫製
造可能であるが、抵抗温度係数を高くして検出器を高感
度とするためには、不純物ドーピング量を減らす必要が
あり、結晶粒界に形成されたトラップ準位による伝導が
支配的となるため抵抗雑音が大きくなり、検出信号のS/
N比が悪くなる問題があった。
て、半導体接合素子を利用した検出器が提案されている
(特開平9−166497号、特開平8−186283
号公報)。半導体接合素子とは単結晶シリコン上に形成
されたpn接合、ショットキー接合ダイオードまたは各
種トランジスタである。
器は、半導体接合素子の電流−電圧特性の温度による変
化を利用して赤外線を検出する。半導体層は不純物が高
濃度にドーピングされており、また半導体層の結晶性が
良いため抵抗雑音が小さい。このため、高S/N比の赤外
線検出信号を得ることができる。
に直接形成すると、シリコンの高い熱伝導係数のため、
半導体接合素子の赤外線による温度上昇が効率良く起き
ず、赤外線に対する十分な感度が得られない。そこで、
半導体接合素子を形成するシリコン層を熱伝導係数の比
較的小さな酸化膜によってシリコン基板と分離した、い
わゆるSOI構造とし、さらにその下部を中空とするこ
とが提案されている(特開平8−186283号公
報)。
述したように、赤外線検出器アレイとするのに必要な要
件を満たす。即ち、半導体工程で製造することができ、
高感度かつ低雑音の信号を得ることができる。
力回路と共に集積し、赤外線検出器アレイを具体的に構
成した例はこれまでになかった。本発明は、従来技術の
このような状況に鑑みてなされたものであり、半導体接
合素子を熱型検出器として使用し、半導体工程で一貫製
造可能で、高感度かつ低雑音な熱型赤外線検出器アレイ
及びその製造方法を提供することを目的としている。
に本発明の熱型赤外線検出器アレイは、複数の熱型赤外
線検出器と、該熱型赤外線検出器から出力される電気信
号を外部に出力する信号出力回路を備えた熱型赤外線検
出器アレイであって、前記熱型赤外線検出器アレイが、
単結晶シリコン基板上に酸化膜を介して設けられた単結
晶シリコン層を備えたSOI構造上に形成されており、
前記熱型赤外線検出器が、前記単結晶シリコン層に1次
元または2次元に配列して形成された半導体接合素子を
含んで成り、前記信号出力回路を構成するトランジスタ
のうち、少なくとも、検出器に印加するバイアス電圧を
決定するトランジスタが、前記単結晶シリコン基板に直
接形成されたことを特徴とする。これにより、信号出力
回路を構成するトランジスタの耐圧が高くなり、検出器
の駆動電圧を上げて高感度化することができる。また、
本発明の別の熱型赤外線検出器アレイは、複数の熱型赤
外線検出器と、該熱型赤外線検出器から出力される電気
信号を外部に出力する信号出力回路を備えた熱型赤外線
検出器アレイであって、前記熱型赤外線検出器アレイ
が、単結晶シリコン基板上に酸化膜を介して設けられた
単結晶シリコン層を備えたSOI構造上に形成されてお
り、前記熱型赤外線検出器が、前記単結晶シリコン層に
1次元または2次元に配列して形成された半導体接合素
子を含んで成り、前記信号出力回路を構成するトランジ
スタのうち、少なくとも、検出器出力信号が通過しアナ
ログ動作するトランジスタが、前記単結晶シリコン基板
に直接形成されたことを特徴とする。これにより、キン
ク現象による検出器出力信号の歪みを抑制することがで
きる。さらに、本発明の熱型赤外線検出器アレイにおい
て、信号出力回路を構成する全てのトランジスタを単結
晶シリコン基板上に形成しても良い。
おいては、半導体接合素子の熱絶縁性を高めるため、前
記半導体接合素子の下部の単結晶シリコン基板が一部除
去されて空洞化しており、その部分において前記半導体
接合素子が前記酸化膜に支持されていることが好まし
い。
において、検出器を構成する半導体接合素子をダイオー
ドとし、ダイオードに一定電流を流す際のバイアス電圧
の温度による変化を読み取ることにより赤外線を検出し
ても良い。
レイにおいて、検出器を構成する半導体接合素子をバイ
ポーラトランジスタ、接合電界効果トランジスタ及びM
OSトランジスタからなる群から選ばれた1つとし、バ
イポーラトランジスタにおいては能動領域の電流の、接
合電界効果トランジスタ及びMOSトランジスタにおい
ては飽和領域の電流の温度による変化を読み取ることに
より赤外線を検出しても良い。
製造方法は、単結晶シリコン基板上に酸化膜を介して単
結晶シリコン層を備えたSOI構造の基板において、
(a)前記信号出力回路を構成するトランジスタを前記
単結晶シリコン基板上に直接形成する領域であるシリコ
ン基板上トランジスタ形成領域の前記単結晶シリコン層
を除去する工程と、(b)前記シリコン基板上トランジ
スタ形成領域の前記酸化膜を除去する工程と、(c)前
記単結晶シリコン層に前記熱型赤外線検出器を構成する
半導体接合素子を形成し、前記酸化膜が除去された前記
シリコン基板上トランジスタ形成領域に、前記信号出力
回路を構成するトランジスタのうち、少なくとも、検出
器に印加するバイアス電圧を決定するトランジスタを形
成する工程とを含むことを特徴とする。尚、工程(c)
において、少なくとも、検出器に印加するバイアス電圧
を決定するトランジスタをシリコン基板上トランジスタ
形成領域に形成する代わりに、少なくとも、検出器出力
信号が通過しアナログ動作するトランジスタをシリコン
基板上トランジスタ形成領域に形成しても良い。このよ
うな方法を用いると、検出器を構成する半導体接合素子
と信号出力回路を構成するトランジスタの同時形成が可
能となる。
製造方法においては、前記シリコン基板上トランジスタ
形成領域の単結晶シリコン層を除去する工程において、
同時に前記半導体接合素子を単結晶シリコン層に形成す
る領域である半導体接合素子形成領域の単結晶シリコン
層を島状にエッチングすることが望ましい。このような
方法を用いるとシリコン基板上トランジスタ形成領域の
処理と同時に半導体接合素子の互いの電気的分離を行う
ことができる。
製造方法においては、(a’)単結晶シリコン基板上に
酸化膜を介して単結晶シリコン層を備えたSOI構造の
基板において、前記信号出力回路を構成するトランジス
タを前記単結晶シリコン基板上に直接形成する領域であ
るシリコン基板上トランジスタ形成領域の前記単結晶シ
リコン層を選択酸化すると同時に、前記熱型赤外線検出
器を構成する半導体接合素子を前記単結晶シリコン層に
形成する領域である半導体接合素子形成領域の前記単結
晶シリコン層を互いに一定間隔を空けて選択酸化して、
1次元又は2次元に配列して形成される半導体接合素子
の電気分離を行うフィールド酸化膜を形成する工程と、
(b’)前記シリコン基板上トランジスタ形成領域の選
択酸化された単結晶シリコン層及び前記酸化膜を除去す
る工程と、(c’)前記半導体接合素子形成領域に前記
熱型赤外線検出器を構成する半導体接合素子を形成し、
前記シリコン基板上トランジスタ形成領域に、前記信号
出力回路を構成するトランジスタのうち、少なくとも、
検出器に印加するバイアス電圧を決定するトランジスタ
を形成する工程を含むことを特徴とする。尚、工程
(c’)において、少なくとも、検出器に印加するバイ
アス電圧を決定するトランジスタをシリコン基板上トラ
ンジスタ形成領域に形成する代わりに、少なくとも、検
出器出力信号が通過しアナログ動作するトランジスタを
シリコン基板上トランジスタ形成領域に形成しても良
い。この方法によれば、検出器を構成する半導体接合素
子と信号出力回路を構成するトランジスタの同時形成を
可能にすると共に単結晶シリコン層の端における段差を
緩和することができる。
て、図面を参照しながら説明する。図1(a)及び
(b)は、本発明の熱型赤外線検出器アレイの例を示す
断面概略図及び斜視概略図である。
イは、3行x3列に配列された熱型赤外線検出器103
と、熱型赤外線検出器103から出力される信号出力回
路104を備えている。
ン基板100上に酸化膜101を介して設けられた単結
晶シリコン層102に3行x3列に配列して形成された
半導体接合素子105より成る。ここで、半導体接合素
子105は、pn接合ダイオードであり、105a、1
05bはpn接合ダイオードのp型領域及びn型領域で
ある。尚、本実施の形態においては、半導体接合素子1
05は2次元に配列されているが、これを1次元の配列
としても良い。
ンジスタ106を含んで構成されており、その複数のト
ランジスタ106のうち、一部が単結晶シリコン基板1
00の上に直接形成されている。尚、図1(A)におい
て、106aは信号出力回路を構成するトランジスタ1
06のゲート電極、106bは該トランジスタ106の
ソースまたはドレイン電極である。
07に覆われており、検出器を構成するpn接合ダイオ
ード105の下部には空洞108が形成されている。1
09は空洞形成のためのエッチング孔である。尚図1に
おいては簡単のため、配線、素子分離層、コンデンサ、
抵抗などは省略している。
いて、検出器アレイの上面より入射した赤外線は、pn
接合ダイオード105の温度を上昇させ、電流−電圧特
性を変化させる。pn接合ダイオード105には、一定
電流が流れるよう順方向バイアス電圧が印加されてお
り、電流電圧特性の変化に伴いバイアス電圧が変化す
る。この温度によるバイアス電圧の変化を信号出力回路
104により読み取り、pn接合ダイオード105の各
々に入射する赤外線量を検出することができる。
は簡単のため単一のpn接合として表わしているが、温
度に対する感度、即ち一定電流をpn接合ダイオードに
流すためのバイアス電圧の温度による変化を大きくする
ためには、pn接合を複数個直列に接続した構成とする
ことが望ましい。単独のpn接合におけるバイアス電圧
の温度に対する感度は1.4mV/K程度と小さいが、例えば
n個連結することにより感度をn倍とすることができ
る。したがって、できるだけ多数のpn接合を連結する
方が良いが、必要なバイアス電圧も連結数に比例して大
きくなるため、10個程度の連結数とするのが好まし
い。
ードを用いているが、温度により電気特性の変化する素
子であれば良く、ショットキー接合ダイオード、バイポ
ーラトランジスタ、接合電界効果トランジスタ、MOSト
ランジスタを用いることもできる。ショットキー接合ダ
イオードは、pn接合ダイオードと同じ方法で検出器と
して使用しうる。
れる電流値の変化を出力信号として取り出せば良く、接
合電界効果トランジスタ及びMOSトランジスタにおいて
は飽和領域を流れる電流値の変化を出力信号の変化とし
て取り出せば良い。トランジスタは端子数がダイオード
に比べて増加するため、赤外線を吸収する素子の有効面
積が減少するが、ダイオードよりも低電圧で感度を得る
ことができる利点がある。
n接合ダイオード105の温度上昇を効率よく起こすた
め、pn接合ダイオード105を形成する単結晶シリコ
ン層102は、熱伝導係数の比較的小さな酸化膜101
によって単結晶シリコン基板100と分離されている。
この分離構造は一般にSOI構造と呼ばれるものであ
る。また、さらに熱絶縁性を高めるためpn接合ダイオ
ード105の下部に空洞108が形成され、空洞形成部
においてpn接合ダイオード105は酸化膜101に支
持された構造となっている。
酸素イオン注入を行うことにより作成されるSIMOX
基板や、酸化膜を形成した単結晶シリコン基板に別の単
結晶シリコン基板を貼りあわせて研磨することにより作
成される貼りあわせ基板等のいわゆるSOI基板を用い
て形成する事ができる。
スを適用した場合、信号出力回路104を構成するトラ
ンジスタ106は、pn接合ダイオード105と同じ単
結晶シリコン層102上に形成することとなる。しか
し、信号出力回路104を構成するトランジスタ106
を単結晶シリコン層102上に形成すると、SOI構造
特有の原因により不都合が起きる。このため、本発明に
おいては信号出力回路104を構成するトランジスタの
うち不都合が起きるものを単結晶シリコン基板100の
上に直接形成している。以下この不都合について説明す
る。
いて説明する。図3に、信号出力回路の構成を表すブロ
ック図を示す。図3において、301は垂直シフトレジ
スタ、302は水平シフトレジスタ、303は増幅器、
304は積分器、305はバッファ、306は検出器と
なるpn接合ダイオードである。まず、垂直シフトレジ
スタ301により、マトリックス状に配列されたpn接
合ダイオード306のある行が選択される。選択された
行のpn接合ダイオード306には、垂直シフトレジス
タ301中のアナログスイッチを通して順バイアス電圧
が印加される。垂直シフトレジスタによる1行の選択期
間中に、水平シフトレジスタ302により各列が順次選
択され、選択された行・列のpn接合ダイオード306
からの出力信号が順次読みだされる。読み出された出力
信号は、増幅器303、積分器304、バッファ305
を通して外部に出力される。ここで、増幅器303は出
力信号を増幅する働きをし、積分器304は帯域制限に
より雑音を抑制し、バッファ305は低インピーダンス
化により駆動能力を増大する。
成されるトランジスタの特性について説明する。SOI
基板の単結晶シリコン層は、厚さ1000−2000Å
であり、シリコン基板と酸化膜により電気的に絶縁され
ている。このため、寄生容量が小さくなり低消費電力、
高速動作という利点を有する一方、次の問題点を有す
る。
成されたトランジスタのソース−ドレイン間耐圧が低
い。 寄生バイポーラトランジスタ効果のためソース−ドレイ
ン間耐圧が低く、ソース−ドレイン間電圧5V以上では
動作困難である。
成されたトランジスタの飽和領域電流が不安定。 基板浮遊効果のため、トランジスタの電流電圧特性にキ
ンク現象と呼ばれる異常が起き、本来一定電流となる飽
和領域においてソースドレイン電流がソースドレイン電
圧により変化する。図2にキンク現象を起こしたトラン
ジスタの電流−電圧(IDS-VDS)特性を示す。
ジスタにより構成されており、それらトランジスタが、
SOI基板の単結晶シリコン層に形成された場合次の2
点の不都合が発生する。
足による検出器のバイアス電圧不足。 検出器となるpn接合ダイオード306のバイアス電圧
は、信号出力回路の垂直シフトレジスタ301中のアナ
ログスイッチを通して印加される。アナログスイッチは
トランジスタより成り、当該トランジスタが単結晶シリ
コン層上に形成された場合、トランジスタ耐圧の制約に
より5V程度のバイアス電圧しか印加することができな
い。一方、pn接合ダイオード306は前述の通り高感
度とするためできるだけ多数のpn接合を連結すること
が望ましいが、1個のpn接合につき約0.7Vのバイアス
電圧の印加が必要である。したがって、検出器のpn接
合の連結数が最大でも7個以下となるため、十分な感度
を得ることができない。
歪み。 検出器の出力信号は、信号出力回路の増幅器303、積
分器304、バッファ305を通して外部に出力され
る。この時、これらの回路の内、アナログ動作をするト
ランジスタが単結晶シリコン層に形成されていると、キ
ンク現象により出力信号に歪みが生じる。この原因を、
バッファ305を例に図面を参照しながら説明する。図
7はバッファ305の典型例であるソースフォロワ回路
の回路図である。図7において305a、305bはN
MOSトランジスタである。正常なソースフォロワ回路
の動作は下記の通りである。下段のNMOSトランジス
タ305bは、ゲート電圧が固定されているため、ソー
スドレイン電圧に拠らず一定のソースドレイン電流が流
れる。上段のNMOSトランジスタ305aに流れるソ
ースドレイン電流は下段のNMOSトランジスタ305
bにより規制されて一定となる。このため、NMOSト
ランジスタ305aのゲートソース間の電位が一定に保
たれ、信号入力に応じた出力が得られる。ここでNMO
Sトランジスタ305bにキンク現象が起きると本来一
定のソースドレイン電流がソースドレイン電圧により変
動するため、NMOSトランジスタ305aのゲートソ
ース間の電位が変動してしまい、入力信号と出力信号の
比例関係が崩れ、信号に歪みが生じる。これと類似の現
象が増幅器303、積分器304のアナログ動作をする
トランジスタにおいても起こり、各々のトランジスタに
おいて出力信号が歪むこととなる。
態においては、信号出力回路を構成するトランジスタの
うち検出器に印加するバイアス電圧を決定するトランジ
スタ及び検出器出力信号が通過しアナログ動作をするト
ランジスタを直接単結晶シリコン基板上に形成する。
の内上記不都合を生じないトランジスタについては、単
結晶シリコン層に形成して寄生容量低減等の利点を生か
しても良いし、全てのトランジスタを単結晶シリコン基
板上に直接形成しても良い。
第1の製造方法について、図面を参照しながら説明す
る。図4は、本発明の製造方法の1例を示す工程断面図
である。
コン基板400上に酸化膜401を介して単結晶シリコ
ン層402が設けられた基板を準備する。この基板は、
単結晶シリコン基板へ酸素イオン注入を行うことにより
作成されるSIMOX基板や、酸化膜を形成した単結晶
シリコン基板に別の単結晶シリコン基板を貼りあわせて
研磨することにより作成される貼りあわせ基板として入
手可能である。単結晶シリコン層402の厚みは100
0〜2000Å、酸化膜401の厚みは1000から4
000Åの基板が一般に入手可能である。酸化膜401
の厚みは薄すぎてはピンホールなどの問題が起きるが、
薄いほど検出器の熱絶縁が良好となるため1000Å程
度とすることが望ましい。
リコン基板400上に信号出力回路を構成するトランジ
スタを形成する領域であるシリコン基板上トランジスタ
形成領域404aの単結晶シリコン層402をエッチン
グにより除去する。この時、同時に、半導体接合素子を
単結晶シリコン層402に形成する領域である半導体接
合素子形成領域403の単結晶シリコン層402を島状
にエッチングする。またさらに同時に、単結晶シリコン
層402上に信号出力回路を構成するトランジスタを形
成する領域であるシリコン層上トランジスタ形成領域4
04bの単結晶シリコン層402も同様に島状にエッチ
ングする。これらのエッチングにより半導体接合素子及
びを電気的分離するための単結晶シリコン層402の選
択酸化等が不要となる。尚、これら島状のエッチングを
行う代わりに、選択酸化等により素子の電気的分離を行
ってもよい。また、信号出力回路を構成するトランジス
タを全て単結晶シリコン基板400上に直接形成する場
合は、前記シリコン層上トランジスタ形成領域404b
は不要となるため、該領域の島状エッチングも選択酸化
等も不要であることはいうまでもない。
基板上トランジスタ形成領域404aの酸化膜401を
エッチングにより除去する。これにより、シリコン基板
上トランジスタ形成領域404への単結晶シリコン基板
400への直接のトランジスタ形成が可能となる。
基板上トランジスタ形成領域404に形成するトランジ
スタを電気的分離するためのフィールド酸化膜410を
形成する。フィールド酸化膜410の形成には、一般的
な選択酸化の手法を用いることができる。
素子形成領域403に半導体接合素子であるpn接合ダ
イオード405を形成し、これと同時に、シリコン基板
上トランジスタ形成領域404a及びシリコン層上トラ
ンジスタ形成領域404bに信号出力回路を構成するト
ランジスタ406を形成する。形成には一般的なMOS
トランジスタ回路の製造手法を用いることができる。ト
ランジスタ406のゲート電極406aを形成した後、
適当なドーピングを行いダイオード405のpまたはn
型電極405a及びトランジスタのソース、ドレイン電
極406bを形成する。尚、ドーパンドを変える等の理
由のある時は、pn接合ダイオード405とトランジス
タ406別々に形成しても良い。
構成するダイオード405の電極405a、405b、
信号出力回路を構成するトランジスタ406のゲート電
極406a、ソースまたはドレイン電極406bなどの
間を配線411により連結し、保護膜407を形成す
る。配線411及び保護膜407は、いずれも一般的な
MOSトランジスタ回路の製造に用いられる材料、プロ
セスにより形成可能である。
となるダイオード405の下部に空洞408を形成す
る。空洞408は、保護膜407及び酸化膜401に設
けられたエッチング孔409から気体または液体を用い
て単結晶シリコン基板400の一部をエッチングするこ
とにより設けられる。エッチングには異方性エッチング
及び等方性エッチングが使用できる。異方性エッチング
に用いられるエッチング溶液の例としては、水酸化カリ
ウム溶液、ヒドラジン溶液、エチレンジアミン−ピロカ
テコール−水(EPW)溶液または水酸化テトラメチル
アンモニウム(TMAH)溶液がある。毒性がない点で
水酸化カリウム溶液およびTMAH溶液が好ましい。ま
た、等方性エッチングには、エッチング溶液としては弗
化水素溶液が用いられ、エッチングガスとしては四弗化
炭素ガスと酸素ガスの混合ガス、六弗化イオウガスと酸
素ガスの混合ガスまたは二弗化キセノンガスが使用され
うる。
結晶シリコン層402上への検出器を構成する半導体接
合素子405の形成と、単結晶シリコン基板400への
信号出力回路を構成するトランジスタ406の形成を同
時に行うことができるため、本発明の熱型赤外線検出器
を、簡略なプロセスで製造可能である。尚、ここでは半
導体接合素子405をpn接合ダイオードとして説明し
たが、ショットキー接合ダイオード、バイポーラトラン
ジスタ、接合型電界効果トランジスタ、MOSトランジ
スタである場合も同様の方法で製造可能である。
製造方法を示す工程断面図である。
様に単結晶シリコン基板600上に酸化膜601を介し
て単結晶シリコン層602が設けられた基板を準備す
る。
回路を構成するトランジスタを単結晶シリコン基板60
0上に直接形成する領域であるシリコン基板上トランジ
スタ形成領域604aの単結晶シリコン層602を選択
酸化すると同時に、熱型赤外線検出器を構成する半導体
接合素子を単結晶シリコン層602に形成する領域であ
る半導体接合素子形成領域603の単結晶シリコン層を
一定間隔を空けて選択酸化する。また同時に、単結晶シ
リコン層602上に信号出力回路を構成するトランジス
タを形成する領域であるシリコン層上トランジスタ形成
領域604bの単結晶シリコン層602も同様に一定間
隔を空けて選択酸化する。選択酸化された領域にはフィ
ールド酸化膜612が形成される。尚、信号出力回路を
構成するトランジスタを全て単結晶シリコン基板600
上に直接形成する場合は、前記シリコン層上トランジス
タ形成領域604bは不要となるため、該領域の選択酸
化が不要であることはいうまでもない。
上トランジスタ形成領域604aの選択酸化により形成
されたフィールド酸化膜612及び酸化膜601をエッ
チングにより除去する。これにより、単結晶シリコン基
板600への直接のトランジスタ形成が可能となる。
基板上トランジスタ形成領域604aにおいて、個々の
トランジスタを電気的分離するためのフィールド酸化膜
610を形成する。フィールド酸化膜610の形成に
は、一般的な選択酸化の手法を用いることができる。
から(c)と同一の工程を適用することにより、本発明
の熱型赤外線検出器アレイを製造することができる。
シリコン層602上への検出器を構成する半導体接合素
子の形成と、単結晶シリコン基板600への信号出力回
路のを構成するトランジスタ形成を同時に行うことがで
きる。また単結晶シリコン層602の端部の段差を平坦
化することができるため、段差部の膜のエッチング残り
や、配線の断線などのプロセス上の問題発生を抑制する
ことができる。
ているので、以下に記載されるような効果を奏する。
半導体接合素子を検出器として使用するため、検出器及
び信号出力回路が一貫製造可能であり、検出器からの出
力信号のS/N比が高く、また信号出力回路中のトラン
ジスタが単結晶シリコン基板上に形成されているため、
検出器への印加電圧を上げて高感度化し、検出器からの
出力信号を歪みなく外部に出力することができる。
おいては、前記半導体接合素子の下部の単結晶シリコン
基板が一部除去して空洞化し、前記半導体接合素子を前
記酸化膜のみに支持されている構造とすることにより、
半導体接合素子の熱絶縁性が良好となり、赤外線に対す
る感度を高めることができる。
において、検出器を構成する半導体接合素子をダイオー
ドとすることにより、検出器の製造プロセスが簡略とな
り、必要な端子数が少ない分赤外線を吸収する有効面積
を拡大して高感度とすることができる。
レイにおいて、検出器を構成する半導体接合素子をバイ
ポーラトランジスタ、接合電界効果トランジスタ及びM
OSトランジスタからなる群から選ばれた1つとするこ
とにより、熱型赤外線検出器アレイを低電圧で駆動する
ことが可能となる。
製造方法によれば、単結晶シリコン層上への半導体接合
素子の形成と、単結晶シリコン基板上への信号出力回路
を構成するトランジスタの形成を同時に行うことができ
るため、本発明の熱型赤外線検出器アレイを、簡略なプ
ロセスで製造可能である。
1の製造方法において、シリコン基板上トランジスタ形
成領域の単結晶シリコン層を除去する際に半導体接合素
子形成領域の単結晶シリコン層をエッチングすることに
より、半導体接合素子の電気的分離のためのフィールド
酸化膜形成が不要となり、プロセスをより簡略化でき
る。
製造方法によれば、単結晶シリコン層上への半導体接合
素子の形成と、単結晶シリコン基板への信号出力回路を
構成するトランジスタの形成を同時に行うことができる
ため、本発明の熱型赤外線検出器アレイを簡略なプロセ
スで製造可能であると共に、単結晶シリコン層の端部の
段差を平坦化することができるため、段差部の膜のエッ
チング残りや、配線の断線などのプロセス上の問題発生
を抑制することができる
す図面であり、(A)は断面概略図、(B)は斜視概略
図である。
グラフである。
回路の一例を示すブロック図である。
の一例を示す工程断面図である。
の一例を示す工程断面図である。
の一例を示す工程断面図である。
回路中のバッファ回路の一例を示す回路図である。
ロメーター型検出器の一例を示す斜視図である。
1、401及び601酸化膜、102、402及び60
2 単結晶シリコン層、103 検出器、104 信号
出力回路、105及び405 pn接合ダイオード、1
05a、105b、405a及び405b pn接合ダ
イオードのp、n型領域、106及び406 トランジ
スタ、106a及び406a トランジスタのゲート電
極、106b及び406b トランジスタのソースまた
はドレイン電極、107及び407 保護膜、108及
び408 空洞、109及び409 エッチング孔、4
03及び603 半導体接合素子形成領域、404a及
び604a シリコン基板上トランジスタ形成領域、4
04b及び604bシリコン層上トランジスタ形成領
域、410、610及び612 フィールド酸化膜、4
11 配線、301垂直シフトレジスタ、302 水平
シフトレジスタ、303 増幅器、304積分器、30
5 バッファ、305a及び305b NMOSトラン
ジスタ
Claims (11)
- 【請求項1】 複数の熱型赤外線検出器と、該熱型赤外
線検出器から出力される電気信号を外部に出力する信号
出力回路を備えた熱型赤外線検出器アレイであって、 前記熱型赤外線検出器アレイが、単結晶シリコン基板上
に酸化膜を介して設けられた単結晶シリコン層を備えた
SOI構造上に形成されており、 前記熱型赤外線検出器が、前記単結晶シリコン層に1次
元または2次元に配列して形成された半導体接合素子を
含んで成り、 前記信号出力回路を構成するトランジスタのうち、少な
くとも、検出器に印加するバイアス電圧を決定するトラ
ンジスタが、前記単結晶シリコン基板に直接形成された
ことを特徴とする熱型赤外線検出器アレイ。 - 【請求項2】 複数の熱型赤外線検出器と、該熱型赤外
線検出器から出力される電気信号を外部に出力する信号
出力回路を備えた熱型赤外線検出器アレイであって、 前記熱型赤外線検出器アレイが、単結晶シリコン基板上
に酸化膜を介して設けられた単結晶シリコン層を備えた
SOI構造上に形成されており、 前記熱型赤外線検出器が、前記単結晶シリコン層に1次
元または2次元に配列して形成された半導体接合素子を
含んで成り、 前記信号出力回路を構成するトランジスタのうち、少な
くとも、検出器出力信号が通過しアナログ動作するトラ
ンジスタが、前記単結晶シリコン基板に直接形成された
ことを特徴とする熱型赤外線検出器アレイ。 - 【請求項3】 前記信号出力回路を構成する全てのトラ
ンジスタが、前記単結晶シリコン基板に直接形成された
ことを特徴とする請求項乃至3のいずれか1項に記載の
熱型赤外線検出器アレイ。 - 【請求項4】 前記半導体接合素子の下部の単結晶シリ
コン基板が一部除去されて空洞化しており、前記半導体
接合素子が前記酸化膜のみに支持されていることを特徴
とする請求項1又は2記載の熱型赤外線検出器アレイ。 - 【請求項5】 前記半導体接合素子がダイオードである
ことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載
の熱型赤外線検出器アレイ。 - 【請求項6】 前記半導体接合素子がバイポーラトラン
ジスタ、接合電界効果トランジスタ及びMOSトランジ
スタからなる群から選ばれた1つであることを特徴とす
る請求項1乃至4のいずれか1項に記載の熱型赤外線検
出器アレイ。 - 【請求項7】 複数の熱型赤外線検出器と該熱型赤外線
検出器の電気信号を外部に出力する信号出力回路を備え
た熱型赤外線検出器アレイの製造方法であって、 単結晶シリコン基板上に酸化膜を介して単結晶シリコン
層を備えたSOI構造の基板において、前記信号出力回
路を構成するトランジスタを前記単結晶シリコン基板上
に直接形成する領域であるシリコン基板上トランジスタ
形成領域の前記単結晶シリコン層を除去する工程と、 前記シリコン基板上トランジスタ形成領域の前記酸化膜
を除去する工程と、 前記単結晶シリコン層に前記熱型赤外線検出器を構成す
る半導体接合素子を形成し、前記酸化膜が除去された前
記シリコン基板上トランジスタ形成領域に、前記信号出
力回路を構成するトランジスタのうち、少なくとも、検
出器に印加するバイアス電圧を決定するトランジスタを
形成する工程とを含むことを特徴とする熱型赤外線検出
器アレイの製造方法。 - 【請求項8】 複数の熱型赤外線検出器と該熱型赤外線
検出器の電気信号を外部に出力する信号出力回路を備え
た熱型赤外線検出器アレイの製造方法であって、 単結晶シリコン基板上に酸化膜を介して単結晶シリコン
層を備えたSOI構造の基板において、前記信号出力回
路を構成するトランジスタを前記単結晶シリコン基板上
に直接形成する領域であるシリコン基板上トランジスタ
形成領域の前記単結晶シリコン層を除去する工程と、 前記シリコン基板上トランジスタ形成領域の前記酸化膜
を除去する工程と、 前記単結晶シリコン層に前記熱型赤外線検出器を構成す
る半導体接合素子を形成し、前記酸化膜が除去された前
記シリコン基板上トランジスタ形成領域に、前記信号出
力回路を構成するトランジスタのうち、少なくとも、検
出器出力信号が通過しアナログ動作するトランジスタを
形成する工程とを含むことを特徴とする熱型赤外線検出
器アレイの製造方法。 - 【請求項9】 前記シリコン基板上トランジスタ形成領
域の単結晶シリコン層を除去する工程において、同時に
前記半導体接合素子を前記単結晶シリコン層に形成する
領域である半導体接合素子形成領域の前記単結晶シリコ
ン層を島状にエッチングすることを特徴とする請求項7
又は8に記載の熱型赤外線検出器アレイの製造方法。 - 【請求項10】 複数の熱型赤外線検出器と該熱型赤外
線検出器の電気信号を外部に出力する信号出力回路を備
えた熱型赤外線検出器アレイの製造方法であって、 単結晶シリコン基板上に酸化膜を介して単結晶シリコン
層を備えたSOI構造の基板において、前記信号出力回
路を構成するトランジスタを前記単結晶シリコン基板上
に直接形成する領域であるシリコン基板上トランジスタ
形成領域の前記単結晶シリコン層を選択酸化すると同時
に、前記熱型赤外線検出器を構成する半導体接合素子を
前記単結晶シリコン層に形成する領域である半導体接合
素子形成領域の前記単結晶シリコン層を互いに一定間隔
を空けて選択酸化して、1次元又は2次元に配列して形
成される半導体接合素子の電気分離を行うフィールド酸
化膜を形成する工程と、 前記シリコン基板上トランジスタ形成領域の選択酸化さ
れた単結晶シリコン層及び前記酸化膜を除去する工程
と、 前記半導体接合素子形成領域に前記熱型赤外線検出器を
構成する半導体接合素子を形成し、前記シリコン基板上
トランジスタ形成領域に、前記信号出力回路を構成する
トランジスタのうち、少なくとも、検出器に印加するバ
イアス電圧を決定するトランジスタを形成する工程を含
むことを特徴とする熱型赤外線検出器アレイの製造方
法。 - 【請求項11】 複数の熱型赤外線検出器と該熱型赤外
線検出器の電気信号を外部に出力する信号出力回路を備
えた熱型赤外線検出器アレイの製造方法であって、 単結晶シリコン基板上に酸化膜を介して単結晶シリコン
層を備えたSOI構造の基板において、前記信号出力回
路を構成するトランジスタを前記単結晶シリコン基板上
に直接形成する領域であるシリコン基板上トランジスタ
形成領域の前記単結晶シリコン層を選択酸化すると同時
に、前記熱型赤外線検出器を構成する半導体接合素子を
前記単結晶シリコン層に形成する領域である半導体接合
素子形成領域の前記単結晶シリコン層を互いに一定間隔
を空けて選択酸化して、1次元又は2次元に配列して形
成される半導体接合素子の電気分離を行うフィールド酸
化膜を形成する工程と、 前記シリコン基板上トランジスタ形成領域の選択酸化さ
れた単結晶シリコン層及び前記酸化膜を除去する工程
と、 前記半導体接合素子形成領域に前記熱型赤外線検出器を
構成する半導体接合素子を形成し、前記シリコン基板上
トランジスタ形成領域に、前記信号出力回路を構成する
トランジスタのうち、少なくとも、検出器出力信号が通
過しアナログ動作するトランジスタを形成する工程を含
むことを特徴とする熱型赤外線検出器アレイの製造方
法。
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