JP3574368B2 - Infrared solid-state imaging device - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は熱型光検出器を用いた２次元赤外線固体撮像素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
熱型光検出器とは、赤外線が照射されると、赤外線を吸収して温度が上昇し、かつ温度変化を検出するものである。図２１は、温度で抵抗値が変化するボロメータ薄膜を用いた従来の熱型光検出器を用いた２次元固体撮像素子の一個の画素の構造を示す斜視説明図である。図で、９０１はたとえばシリコンなどの半導体からなるシリコン基板であり、９１０は、シリコン基板から空間を隔てて設けられた赤外線検出器部（以下、単に検出器部ともいう）であり、９１１は赤外線検出器部上に形成されたボロメータ薄膜であり、９２１および９２２は、赤外線検出器部９１０をシリコン基板から浮かせて持ち上げるための支持脚であり、９３１および９３２は、ボロメータ薄膜に電流を流すための金属配線であり、９４０は、金属配線９３１および９３２とボロメータ薄膜９１１を通して流れる電流のＯＮ、ＯＦＦを行なうスイッチ・トランジスタであり、９５０は金属配線９３２に接続された信号線であり、９６０は、スイッチ・トランジスタのＯＮ、ＯＦＦを制御するための制御クロック線であり、９７０は、検出器部と光学的共振構造をつくり検出器部９１０での赤外線の吸収を増大させるための金属反射膜である。
【０００３】
図２２は、図２１に示した構造の従来の２次元固体撮像素子の電流経路に沿った断面構造を示す断面説明図であり、図２２において、図２１に示した要素と同じ要素には同じ符号を付し（以下の図においても同様）てあり、９８０は絶縁膜であり、９９０は空洞部であり、９３０および９３３は絶縁膜であり、９２６および９２７はコンタクト部であり、本発明に直接関係のないスイッチ・トランジスタ、信号線、制御クロック線などは省略されている。前述したように検出器部９１０の上にはボロメータ薄膜が形成されており、ボロメータ薄膜には金属配線９３１および９３２が接続され、コンタクト部９２６および９２７を通してシリコン基板上に形成された（図示されていないが）信号読み出し回路と接続している。このボロメータ薄膜９１１と金属配線９３１および９３２は、シリコン酸化膜またはシリコン窒化膜などからなる絶縁膜９３０および９３３によって覆われており、この絶縁膜９３０および９３３が検出器部９１０と支持脚９２１および９２２の機械的構造を形づくっている。絶縁膜９８０はシリコン基板９０１上に形成された信号読み出し回路と金属配線９３１および９３２を絶縁するための絶縁膜であり、この絶縁膜９８０の上の金属反射膜９７０の上に空洞部９９０を介して検出器部９１０が配置されている。金属反射膜９７０の表面には別の絶縁膜が形成される場合もある。
【０００４】
つぎにこの熱型光検出器を用いた２次元赤外線固体撮像素子の動作について説明する。赤外線は検出器部９１０が存在する側から入射し、検出器部９１０で吸収される。入射した赤外線は、金属反射膜９７０の存在により金属反射膜９７０の位置が節となるような定在波ができるので、検出器部と金属酸化反射膜の間隔をうまく設定することによって検出器部９１０における吸収を増大させることができる。検出器部９１０で吸収された赤外線のエネルギーは熱に変換され、検出器部９１０の温度を上昇させる。温度上昇は入射する赤外線の量に依存（入射する赤外線の量は撮像対象物の温度と放射率に依存）する。温度上昇の量はボロメータ薄膜の抵抗値の変化を測定することで知ることができるので、撮像対象物が放射している赤外線の量をボロメータの抵抗値の変化から知ることができる。
【０００５】
ボロメータ薄膜の抵抗温度係数が同じであれば、検出器部の温度上昇が大きいほど同じ量の赤外線入射で得られる抵抗変化が大きくなり、感度が高くなるが、温度上昇を高くするためには検出器部９１０からシリコン基板９０１に逃げる熱をできるだけ小さくすることが効果的であり、このために支持脚９２１および９２２は熱抵抗をできるだけ大きくするように設計される。また、撮像素子のフレーム時間に比べ検出器部９１０の温度時定数が短くなるように検出器部９１０の熱容量を小さくすることも重要である。
【０００６】
赤外線は画素内に全体に入射するが、検出器部９１０の温度上昇に寄与するのは検出器部９１０の部分に入射したものだけ（若干は検出器部９１０に近い支持脚に入射した赤外線も有効ではあるが）であり、それ以外の領域に入射した赤外線は無効となってしまう。このため、感度を高くするには開口率（画素面積に対する検出器部の面積の割合）を大きくすることも有効であることは容易に理解できる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
図２１および図２２に示す従来の構造では、検出器部９１０は少なくとも支持脚９２１および９２２およびこの支持脚とシリコン基板上に形成された読み出し回路を接続するコンタクト部分を除いた領域に形成しなくてはならないため、開口率はこの支持脚とコンタクト部分、およびこれらの部分と検出器部９１０との間隔余裕の設計にしたがった制約を受けており、高感度化を阻害していた。
【０００８】
さらに、この問題は画素が小さくなるほど顕著になり、感度を維持したまま小さな画素を用いて高解像度化してゆくことを難しくしていた。
【０００９】
本発明は前述のような問題点を解消するためになされたものであり、信号読み出し回路と同一基板上に熱型光検出器を形成する２次元赤外線固体撮像素子において、断熱構造を形成する支持脚や金属配線、コンタクト部などの設計に依存せず高い開口率を達成できる画素の構造を有し、高感度化された２次元赤外線固体撮像素子を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかわる熱型光検出器を用いた２次元赤外線固体撮像素子は、赤外線を吸収して検出器部を温度上昇させる赤外線吸収部と、ボロメータ薄膜を形成して温度上昇を検出する温度検出部とを別構造として形成するものである。
【００１１】
本発明にかかわる熱型光検出器を用いた２次元赤外線固体撮像素子は、赤外線吸収部と温度検出部とを別々の構造として形成するので、赤外線吸収部と温度検出部の設計を独立して行なうことができ、実効的に開口率を決める赤外線吸収部の面積を大きくすることができ、高感度化に有効である。
【００１２】
本発明にかかわる２次元赤外線固体撮像素子は、熱型光検出器と、入射赤外線による前記熱型光検出器の特性変化を検出する手段とが集積されてなる温度検出機構が、半導体基板上に各画素ごとに２次元に配列された２次元赤外線固体撮像素子であって、
前記各画素ごとに、前記半導体基板への熱の流出を制御する熱抵抗の大きい材料からなる支持脚によって支えられておりかつ温度検出素子を含む温度検出部と、該温度検出部と少なくとも１本の接合柱で結合された赤外線吸収部とを前記半導体基板上に設け、前記赤外線吸収部は、２次元に配列された前記各画素と実質的に等しい面積を有している。
【００１３】
前記温度検出部が、前記半導体基板中に形成された空洞部の上に設けられてなることが熱抵抗を大きくする点で好ましい。
【００１４】
前記赤外線吸収部の少なくとも一部に反射膜および層間絶縁膜からなる赤外線吸収構造を有してなることが光吸収増大の点で好ましい。
【００１５】
前記赤外線吸収部の少なくとも一部に反射膜、層間絶縁膜および金属赤外線吸収薄膜からなる光学的共振構造を有してなることが光吸収増大の点で好ましい。
【００１６】
前記接合柱の少なくとも一部が前記赤外線吸収部と同一構成部材で形成されてなることが製造工程簡略化の点で好ましい。
【００１７】
前記赤外線吸収部の少なくとも一部に反射膜、層間絶縁膜および金属赤外線吸収薄膜からなる光学的共振構造を有しており、かつ前記接合柱が前記金属赤外線吸収薄膜と一体に形成されてなることが製造工程簡略化の点で好ましい。
【００１８】
前記接合柱の少なくとも一部が前記赤外線吸収部と同一構成部材で形成され、さらに前記赤外線吸収部のうち前記温度検出部に接する部分が除去されてなることが熱容量低減の点で好ましい。
【００１９】
前記赤外線吸収部から前記空洞部に達するエッチングホールが前記空洞部の中心付近に少なくとも１つ設けられてなることが基板の不要なエッチングの減少と製造工程選択のときの自由度拡大との点で好ましい。
【００２０】
前記空洞部の周囲の前記半導体基板中に、前記空洞部を形成する際に用いられるエッチャントに耐性のある材料からなるエッチングストップ層が設けられてなることが基板の不要なエッチングの減少と製造工程選択のときの自由度拡大との点で好ましい。
【００２１】
前記温度検出素子が前記赤外線吸収部の上面に形成されてなることが半導体プロセス中で使用できない材料でボロメータを構成する場合好ましい。
【００２２】
前記温度検出部が、前記半導体基板上に形成された読み出し回路の上方に形成されてなることが、空洞部形成のためのエッチング方法の選択の自由度を広げる点と空洞部下の領域に読み出し回路の構成要素の一部などを配置して面積の有効利用をする点で好ましい。
【００２３】
前記赤外線吸収部の少なくとも一部に反射膜および層間絶縁膜からなる赤外線吸収構造を有してなることが光吸収増大の点で好ましい。
【００２４】
前記赤外線吸収部の少なくとも一部に反射膜、層間絶縁膜および金属赤外線吸収薄膜からなる光学的共振構造を有してなることが光吸収増大の点で好ましい。
【００２５】
前記接合柱の少なくとも一部が前記赤外線吸収部と同一構成部材で形成されてなることが製造工程簡略化の点で好ましい。
【００２６】
前記赤外線吸収部の少なくとも一部に反射膜、層間絶縁膜および金属赤外線吸収薄膜からなる光学的共振構造を有しており、かつ前記接合柱が前記金属赤外線吸収薄膜と一体に形成されてなることが製造工程簡略化の点で好ましい。
【００２７】
前記温度検出素子としてボロメータ薄膜が用いられてなることが温度変化を効果的に検出する点で好ましい。
【００２８】
前記温度検出素子として焦電効果を有する強誘電体が用いられてなることが温度変化を効果的に検出する点で好ましい。
【００２９】
前記温度検出素子としてサーモパイルが用いられてなることが温度変化を効果的に検出する点で好ましい。
【００３０】
前記接合柱が、前記赤外線吸収部の重心に隣接した位置の下に配設されてなることが検出器部分の温度の均一性の点で好ましい。
【００３１】
前記接合柱の熱抵抗が、前記支持脚の熱抵抗よりも小さいことが好ましい。
【００３２】
本発明にかかわる２次元赤外線固体撮像素子の製法は、
ａ）半導体基板上に信号読み出し回路を形成したのち、絶縁膜、コンタクト部を形成し、さらに金属配線および温度検出素子を形成し、保護絶縁膜で全体を覆う工程、
ｂ）前記保護絶縁膜上に犠牲層を形成し、該犠牲層のうち、のちに接合柱を形成する領域を写真製版技術で除去したのち、除去した部分に前記接合柱となる材料を埋め込む工程、
ｃ）前記犠牲層および前記接合柱の上に赤外線吸収部となる薄膜を形成し、各画素ごとに赤外線吸収部が分離されるようにパターニングする工程、
ｄ）前記犠牲層をエッチングして除去する工程、および
ｅ）前記シリコン基板をエッチングして、該シリコン基板中に空洞部を形成する工程
からなることを特徴とする。
【００３３】
前記ｂ）工程ののち、さらに、前記犠牲層および前記接合柱の表面をエッチバックして平坦にする工程を含むことが赤外線吸収部の形成を容易にする点で好ましい。
【００３４】
前記ｅ）工程において、前記半導体基板を異方性エッチングして前記空洞部を形成することが空洞部の大きさを制御性よく製造する点で好ましい。
【００３５】
水酸化カリウムおよび水酸化テトラメチルアンモニウムのうちのいずれか一方を用いて異方性エッチングすることが充分なエッチング速度を得る点で好ましい。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図を参照しつつ説明する。
【００３７】
実施の形態１
図１は、本発明の実施の形態１にかかわる熱型光検出器を用いた２次元赤外線固体撮像素子の１個の画素の電流経路に沿った断面構造を示す断面説明図である。図で簡単のために本発明と直接関係のない、シリコン基板１上に設けられた信号読み出し回路は省略している。図１において、１は半導体基板としてのシリコン基板であり、１１は温度変化を検出する温度検出素子としてのボロメータ薄膜である。２１および２２は支持脚であり、この支持脚はシリコン基板１の中に形成した空洞部２００の上にあり、かつ、ボロメータ薄膜を含む温度検出部３００を浮かしている。３１および３２は金属配線であり、この金属配線はたとえばアルミニウム、チタン、タングステンおよび窒化チタンなどからなり、ボロメータ薄膜１１と読み出し回路を接続している。１００は絶縁膜（保護絶縁膜）であり、１１０は絶縁膜であり、この２つの絶縁膜は、シリコン基板への熱の流出を制御する熱抵抗の大きい材料であるシリコン酸化膜、シリコン窒化膜などからなり、かつ前記２つの絶縁膜は、支持脚２１および２２ならびに温度検出部３００の機械的構造を構成して温度検出部を支えている。１２１および１２２は、金属配線３１および３２と信号読み出し回路とを接続するコンタクト部であり、アルミニウムやタングステンなどを用いてスパッタ法やＣＶＤ法などにより形成することができる。１３０は、赤外線を吸収して熱に変換する赤外線吸収部であり、酸化シリコン（ＳｉＯ２）や窒化シリコン（ＳｉＮ）などを用いてＣＶＤ法などで形成することができる。さらに、赤外線吸収部は、これら酸化シリコンや窒化シリコンの積層膜として構成することもできる。１４０は接合柱であり、この接合柱は、赤外線吸収部を温度検出部３００から離して保持するとともに赤外線吸収部１３０と温度検出部３００を熱的に結合しており、酸化シリコンや窒化シリコンなどを用いてＣＶＤ法などで形成することができる。さらに、接合柱は、これら酸化シリコンや窒化シリコンの積層膜として構成することもできる。２００はシリコン基板１の中に形成した空洞部であり、３００は温度検出部である。ここで、熱型光検出器は、従来と同様に、赤外線が照射されると赤外線を吸収し、温度が上昇して、かつ温度変化を検出するものであり、本発明においては赤外線吸収部と温度検出素子とで構成される。温度検出素子は、入射赤外線によって赤外線吸収部に生じる温度変化が接合柱を介して伝えられ、たとえば電気抵抗の変化などの特性変化が検出されることによって温度変化を検出するものである。温度検出素子に生じた特性変化を検出する手段は、金属配線、信号読み出し回路およびコンタクト部からなる。本発明においては、温度検出素子として用いられる材料には、ボロメータ薄膜、焦電効果を有する強誘電体またはサーモパイルなどをあげることができる。ここで、ボロメータ薄膜の材料の例としては、酸化バナジウム、ポリシリコン、アモルファスシリコンなどをあげることができる。また、焦電効果を有する強誘電体の例としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸鉛（ＰＴ）およびチタン酸バリウム・ストロンチウム（ＢＳＴ）をあげることができる。また、サーモパイルの材料の例としては、ｐ型ポリシリコンとｎ型ポリシリコンの接合や、ポリシリコンとアルミニウムの接合などをあげることができる。さらに、本発明にかかわる２次元赤外線固体撮像素子においては、前記熱型光検出器と、前記入射赤外線による熱型光検出器の特性変化を検出する手段とが集積されて温度検出機構を構成しており、該温度検出機構がシリコン基板上で各画素ごとに２次元に配列される。
【００３８】
図２は、図１に示した構造の２次元赤外線固体撮像素子の１個の画素の赤外線吸収部１３０を除いた部分の平面レイアウトを示す平面説明図である。図２において、１０００は１個の画素全体を示しており、４００は、画素部分に設置したＭＯＳトランジスタやダイオードなどからなる信号読み出し回路の一部であり、５００は信号を読み出すための信号線であり、６００は信号読み出し回路４００を制御する制御クロックバスラインであり、３３は信号読み出し回路４００と制御クロックバスライン６００を接続する金属配線であり、１２３および１２４は、金属配線３３と信号読み出し回路４００と制御クロックバスライン６００を接続するコンタクト部である。その他の部分は図１に示した符号と同じ符号は同じものを表わしている。
【００３９】
本発明にかかわる２次元赤外線固体撮像素子においては、入射赤外線による熱型光検出器の特性変化を検出する手段は、前述したように金属配線、信号読み出し回路およびコンタクト部からなるが、前記手段と熱型光検出器が集積されて各画素に設けられ、半導体基板としてのシリコン基板上に各画素ごとに２次元に配列される。温度検出部３００は、２つの絶縁膜１００および１１０ならびにボロメータ薄膜１１からなり、該ボロメータ薄膜は、その上層に絶縁膜１００および下層に絶縁膜１１０を配した構成によって機械的構造体として支えられている。さらに温度検出部は絶縁膜１００上に接合柱が形成されており、該接合柱を介して赤外線吸収部１３０からの熱を受け、該熱によるボロメータ薄膜の抵抗変化は、金属配線３１およびコンタクト部１２１を介した信号線５００と、金属配線３２およびコンタクト部１２２を介した信号読み出し回路４００とのあいだで生じる。支持脚２１は２つの絶縁膜１００および１１０が金属配線３１をはさんだ形態の機械的構造体とされ、かつ、支持脚２２も支持脚２１と同様の機械的構造体とされていて、たとえば各々厚さ数百ｎｍの絶縁膜が幅１〜３μｍ程度、厚さの合計が１μｍ程度という形状に形成されている。このようにして２つの支持脚２１および２２が、温度検出部３００ならびに金属配線３１および３２を支持しており、空洞部２００上で浮かせた構造となっている。２つの絶縁膜１００および１１０からなる支持脚２１および２２が支える機械的構造体としての温度検出部３００は、ボロメータ薄膜１１、支持柱１４０、および支持柱１４０によって支えられる赤外線吸収部を支持している。また、支持脚２１および２２は、前述したように、シリコン基板への熱の流出を制御する熱抵抗の大きい材料からなる絶縁膜によって構成されているが、さらに熱抵抗を大きくするために図に示すように金属配線３１および３２とともに蛇行させて長さをかせぐことが好ましい。
【００４０】
図３は、図１および図２に示した画素をシリコン基板（図示せず）上に複数個配列した状態を示した平面説明図であり、簡単のために２×４個の画素の配列および、隣接する４個の赤外線吸収部のそれぞれの一部を示している。図３において、破線で示した長方形の部分１０００〜１００７はそれぞれ、図２で１０００で示した画素と同じ画素を示しており、画素の中身の構造は、実線で示した接合柱１４０〜１４７以外は省略して示している。また、図３において、実線で示した長方形の部分１３０〜１３７は、図１で１３０で示した赤外線吸収部であり、該赤外線吸収部は、接合柱１４０〜１４７によりシリコン基板とは離れて支持されている。シリコン基板面に形成された画素１０００〜１００７と赤外線吸収部１３０〜１３７は、平面的にみて重なる同一領域に形成される必要はなく、図に示すようにずれていてもかまわない。図で明らかなように赤外線吸収部１３０〜１３７の各々の面積は画素面積から赤外線受光素子間のわずかな間隔を除いた面積となっており、この部分の開口率は非常に大きくなっている。したがって、従来は赤外線吸収部と、温度検出部とが一体であったために、赤外線吸収部の面積が大きくできない制約があったが、本発明により、赤外線吸収部の面積を大きくすることができた。
【００４１】
つぎに本発明による熱型光検出器を用いた２次元赤外線固体撮像素子の画素の動作について説明する。赤外線は赤外線吸収部１３０側から入射する。入射した赤外線は赤外線吸収部１３０で吸収され、赤外線吸収部１３０の温度を上昇させる。赤外線吸収部１３０の温度変化は接合柱１４０を通して温度検出部３００に伝わり、温度検出部３００の温度を上昇させる。接合柱１４０の熱抵抗は支持脚２１、２２の熱抵抗に比べて、より小さく設計されており、温度検出部３００、接合柱１４０、赤外線吸収部１３０の３つの構造体を合計した熱容量と、支持脚２１、２２の熱抵抗で決まる時定数は、フレーム時間（１画面分に相当する信号を全て読み出すのに要する時間または、固体撮像素子の全画素の信号を読み出すのに要する時間）よりも短かくなるように設計されているので、温度検出部３００の温度上昇は赤外線吸収部１３０の温度上昇とほとんど同じになる。したがって、実効的な開口率は赤外線吸収部１３０の面積で決まっているので、前述に説明したように開口率を非常に大きくすることができる。
【００４２】
つぎに、この実施の形態にかかわる構造の２次元赤外線固体撮像素子の製法について説明する。図４および５は、本実施の形態にかかわる２次元赤外線固体撮像素子の１個の画素についてみた工程断面説明図である。図４（ａ）では、シリコン基板１の上に信号読み出し回路（図示していない）を形成したあと、絶縁膜１１０、コンタクト部１２１および１２２を形成したのち、金属配線３１および３２ならびにボロメータ薄膜１１を形成し、最後に絶縁膜（保護絶縁膜）１００で表面を覆った状態を示している。ここまでの構造は通常の半導体製造プロセスで用いられる技術を利用して容易に作ることができる。
【００４３】
図４（ｂ）では、図４（ａ）の構造の上に、あとの工程で除去する犠牲層１７０を形成し、犠牲層１７０のうち接合柱を形成する部分を写真製版技術で除去し、接合柱となる材料で除去した部分を埋め込んでいる。犠牲層に用いられる材料は、接合柱を形成するうえで、接合柱をエッチングしにくいエッチャントで容易にエッチングできるものなら何でもよく、たとえば接合柱が酸化シリコン（ＳｉＯ ２ ）の場合ならば、犠牲層はポリシリコンなどをあげることができる。また、犠牲層の厚さは、１〜２μｍ程度である。この工程では最表面が平らになるようにエッチバック技術などで平坦化することが好ましい。犠牲層を形成する前に、のちにシリコン基板をエッチングして基板内に空洞部２００を形成するためのエッチング窓を写真製版で絶縁膜１００、１１０を部分的に除去して形成しておく。
【００４４】
図４（ｃ）では、赤外線吸収部１３０となる薄膜を図４（ｂ）の構造の上に形成し、図２に示す平面レイアウトのように各画素毎の赤外線吸収部が分離されるようにパターニングする。
【００４５】
図５（ａ）は、赤外線吸収部１３０の周辺の開口部分から犠牲層１７０をエッチングして赤外線吸収部１３０の下を、接合柱１４０をのこしてシリコン基板１から浮かした状態を示している。
【００４６】
図５（ｂ）は、図１と同じ、最後の工程における本発明にかかわる２次元赤外線固体撮像素子の１個の画素構造を示しており、これより以前の工程で図４（ｂ）の工程で説明したシリコン基板のエッチングホール部分のシリコンが露出するので、この部分からシリコン基板をエッチングし、シリコン基板中に空洞部２００を形成した状態を示している。シリコンのエッチングは水酸化カリウム（ＫＯＨ）や、水酸化テトラメチルアンモニウム（Ｔｅｔｒａｍｅｔｈｙｌ ａｍｍｏｎｉｕｍ ｈｙｄｒｏｘｉｄｅ、略してＴＭＡＨ）などの液を用いることによって、（１１１）結晶面が表面に露出するとエッチング速度が遅くなり、異方性エッチングができる。したがって、一般にＭＯＳ半導体素子やＣＭＯＳ半導体素子に用いられる（１００）結晶面をもったシリコン基板を用いることで空洞部の表面形状を一定の大きさから大きく広げることなく図のような断面形状の空洞部をつくることができる。
【００４７】
本実施の形態では接合柱が１本の場合を説明したが、接合柱は複数であってもよい。この事情は以下に示すすべての実施の形態について共通に言えることである。
【００４８】
また、平面的にみた場合の接合柱の位置は任意であるが、機械構造的に赤外線吸収部を支えることができ、赤外線吸収部に大きな温度分布を生じさせない位置が好ましい。この条件を満たす接合柱の位置としては赤外線吸収部の重心に隣接した位置の下が最適である。この事情は以下に示すすべての実施の形態について共通にあてはまることである。
【００４９】
また、接合柱は太さ数μｍ角程度の大きさで形成されるが、形状は任意であり、赤外線吸収部の温度と温度検出部の温度に大きな差を生じさせないために温度検出部とシリコン基板とを熱的に接続する支持脚の熱抵抗に比べて充分小さな熱抵抗をもつように設計する必要がある。この事情は以下に示すすべての実施の形態について共通にあてはまることである。
【００５０】
実施の形態２
図６は、本発明にかかる熱型光検出器を用いた２次元赤外線固体撮像素子の他の実施の形態を示す１個の画素の断面構造を示す断面説明図である。図において、１５０は反射膜としての金属反射膜であり、１６０は金属赤外線吸収膜である。この構造では、赤外線吸収部１３０の下に薄い金属反射膜１５０を、上に非常に薄い金属赤外線吸収膜１６０を設けて、３層構造の赤外線吸収部として光学的共振構造を形成している。または、図示していないが、金属反射膜１５０を赤外線吸収部１３０の下に設けて２層からなる赤外線吸収構造とすることもできる。本実施例の形態によれば、図１に示した構造の画素に比べて赤外線の吸収がより効率的に行なえる。金属反射膜１５０は、たとえばアルミニウムなどからなり、厚さは数百ｎｍである。金属赤外線吸収膜１６０は、たとえばニッケルクロム合金などからなり、厚さは数ｎｍであり、シート抵抗が３７７Ω程度となるのが好ましい。図示していないが、金属反射膜１５０の下にさらに層間絶縁膜としての他の絶縁膜を形成してもよい。また、金属反射膜１５０の下および金属赤外線吸収膜１６０の上にさらに層間絶縁膜として他の絶縁膜を形成してもよい。他の絶縁膜は犠牲層エッチング時に金属反射膜１５０を保護するという機能を有するものが適しており、たとえば酸化シリコン（ＳｉＯ２）などがあげられる。また、このような２層構造の赤外線吸収構造、または３層構造の光学的共振構造による赤外線の吸収構造を設ける位置は赤外線吸収部の一部のみであってもかまわない。赤外線吸収部に赤外線吸収構造または光学的共振構造を設けることの他は、実施の形態１と同様である。
【００５１】
図２２に示した従来例でも反射膜９７０により光学的共振構造を形づくっている。光学的共振構造の効果は反射膜と吸収体との距離に依存するが、従来の方式ではこの距離が金属反射膜９７０と赤外線検出器部９１０とのあいだの距離となり、支持脚などが膜の内部応力で変形する可能性があり、光学的共振構造による赤外線吸収の効果を制御するのは難しいのに対し、図６に示す構造では光学的共振構造による赤外線吸収の効果は赤外線吸収部１３０の膜厚と金属赤外線吸収膜１６０の膜厚とだけできまるので前記効果を制御しやすい。
【００５２】
実施の形態３
図７は本発明の他の実施の形態にかかわる熱型光検出器を用いた２次元赤外線固体撮像素子の１個の画素の断面構造を示す断面説明図である。図７で、３３０は、実施の形態１における接合柱が赤外線吸収部と同一構成部材で一体に形成されてなる赤外線吸収部である。この実施の形態では、図１に示した接合柱１４０のかわりに赤外線吸収部と温度検出部との接合を、赤外線吸収部３３０として一体に形成された一体構造によって構成している。接合柱を、赤外線吸収部との一体構造としたことの他は、実施の形態１と同様である。
【００５３】
また、図８は、図７に示した赤外線吸収部３３０の一部を除去した実施の形態を示す断面説明図である。図において、３４０は、実施の形態２における赤外線吸収部３３０のうちの一部、すなわち温度検出部に接する部分（温度検出部の中央付近）が除去された赤外線吸収部である。除去する方法としては、写真製版法で除去することができる。この構造では図８に示したように温度検出部３００に接した赤外線吸収部の一部を除去したので赤外線吸収部の熱容量を低減することができた。
【００５４】
実施の形態４
図９は、本発明の他の実施の形態にかかわる熱型光検出器を用いた２次元赤外線固体撮像素子の１個の画素の断面構造を示す断面説明図である。図８において、３３１は赤外線吸収部であり、３５０は金属反射膜であり、３６０は金属赤外線吸収膜である。金属反射膜および金属赤外線吸収膜には、実施の形態２および３に示したものと同様のものを用いることができる。この実施の形態４では実施の形態２における赤外線吸収部１３０、金属反射膜１５０および金属赤外線吸収膜１６０と温度検出部３００との接合を、図６に示した接合柱１４０のかわりに、赤外線吸収部、金属反射膜および金属赤外線吸収膜を用いて、一体に形成した一体構造によって構成したものである。すなわち、接合柱の少なくとも一部が赤外線吸収部と同一の材料で形成されている。このように、赤外線吸収部に光学的共振構造を設けるとともに接合柱を、赤外線吸収部と光学的共振構造との一体構造によって構成したことの他は実施の形態１〜３と同様である。このように赤外線吸収部３３１、金属反射膜３５０および金属赤外線吸収膜３６０を一体構造に形成するには、ＣＶＤ法またはスパッタ法で形成することができる。この構造においても実施の形態３の場合と同様に温度検出部３００に接した赤外線吸収部３３１、金属反射膜３５０および金属赤外線吸収膜３６０の一部を除去した構造とし、温度検出部中央付近をむきだしとすることもできる。また、図示していないが、金属反射膜３５０の下および金属赤外線吸収膜３６０の上に他の絶縁膜（層間絶縁膜）を形成してもよい。また、このような３層構造の光学的共振構造による赤外線の吸収構造を設ける位置は実施の形態２の場合と同様に赤外線吸収部の一部のみであってもかまわない。
【００５５】
実施の形態５
図１０は、実施の形態２における接合柱の材料を変更した２次元赤外線固体撮像素子の１個の画素の断面構造を示す断面説明図である。図１０において、３３５は赤外線吸収部であり、３５５は金属反射膜であり、３６５は金属赤外線吸収膜であり、接合柱が金属反射膜３５５と一体構造として一体に形成されている。この場合金属反射膜３５５は、赤外線吸収部を支持するのに必要な強度を得るために用いられる材料はアルミニウムが好ましく、また、支持柱としての寸法は、太さ数μｍ、長さ１〜２μｍが好ましい。本実施の形態において、金属反射膜を、接合柱と一体構造として形成するには、犠牲層のうち、接合柱を形成する部分を写真製版技術で除去し、この除去した部分を、金属反射膜を形成する材料すなわち、アルミニウムで埋め込んだのち、引き続いて金属反射膜を形成すればよい。このように形成することによって製造工程を簡略化することができる。
【００５６】
実施の形態６
図１１は、実施の形態４における接合柱の形状を変更し、金属反射膜が赤外線吸収部の下にのみ設けられる構造とした２次元赤外線固体撮像素子の１個の画素の断面構造を示す断面説明図である。図１１において、３３６は赤外線吸収部であり、３５６は金属反射膜であり、３６６は金属赤外線吸収膜であり、接合柱が、赤外線吸収部および金属赤外線吸収膜と同一構成部材で形成されている。すなわち、接合柱の少なくとも一部が赤外線吸収部と同一構成部材で形成されている。この場合、赤外線吸収部を支持するのに必要な強度を得るために赤外線吸収部に用いられる材料は酸化シリコン（ＳｉＯ２）もしくは窒化シリコン（ＳｉＮ）またはそれらの積層膜が好ましく、また、支持柱としての寸法は、太さ数μｍ、長さ１〜２μｍが好ましい。本実施の形態において、接合柱を赤外線吸収部および金属赤外線吸収膜と同一構成部材で形成するには、犠牲層のうち、接合柱を形成する部分を写真製版技術で除去し、除去した部分以外の犠牲層上に、金属反射膜を形成したのち、この除去した部分および犠牲層上に金属反射膜および金属赤外線吸収膜を形成すればよい。このように形成することによって製造工程を簡略化することができる。
【００５７】
実施の形態７
図１２は、本発明の他の実施の形態にかかわる熱型光検出器を用いた２次元赤外線固体撮像素子の画素の１個の断面構造を示す断面説明図である。図で簡単のために本発明と直接関係のない、シリコン基板上に設けられた信号読み出し回路は省略している。図１２において、２は半導体基板としてのシリコン基板であり、７１０は温度検出部であり、７１１は温度変化を検出する温度検出素子としてのボロメータ薄膜である。７２１および７２２は支持脚であり、この支持脚はシリコン基板２の上に形成した空洞部７９０の上にあり、かつ、ボロメータ薄膜を含む温度検出部７１０を浮かしており、さらに、温度検出部はシリコン基板上に形成された読み出し回路の上方に位置するように形成されている。７３１および７３２は金属配線であり、この金属配線はボロメータ薄膜７１１と読み出し回路を接続している。７５０は絶縁膜（保護絶縁膜）であり、７６０は絶縁膜であり、この２つの絶縁膜は熱抵抗の大きなシリコン酸化膜、シリコン窒化膜などからなり、かつ前記２つの絶縁膜は、支持脚７２１および７２２ならびに温度検出部７１０の機械的構造を構成して温度検出部を支えている。７７１および７７２は、金属配線７３１および７３２と信号読み出し回路とを接続するコンタクト部であり、１３０は赤外線を吸収して熱に変換する赤外線吸収部である。１４０は接合柱であり、この接合柱は、赤外線吸収部を温度検出部７１０から離して保持するとともに赤外線吸収部１３０と温度検出器部７１０を熱的に結合している。７８０は絶縁膜であり、７９０はシリコン基板２の上に形成した空洞部である。それぞれの部分に用いられる材料および形成方法などは実施の形態１〜６と同様である。ここで、入射赤外線による熱型光検出器の特性変化を検出する手段は、金属配線、信号読み出し回路およびコンタクト部からなる点は実施の形態１〜６の場合と同じである。また、温度検出部７１０が、２つの絶縁膜７５０および７６０ならびにボロメータ薄膜７１１からなり、該ボロメータ薄膜は、その上に絶縁膜７５０および下に絶縁膜７６０を配した構成によって機械的構造体として支えられている点も、実施の形態１〜６の場合と同じである。このように、本実施の形態にかかわる２次元赤外線固体撮像素子は、図２２に示した従来の２次元赤外線固体撮像素子の構造のうち、金属反射膜９７０を除いた構造の上に接合柱１４０を介して実施の形態１において示した赤外線吸収部１３０を設けた構造となっており、その他は実施の形態１〜６と同様である。また、このように、赤外線吸収部および接合柱を形成するには、実施の形態１の場合と同様に行うことができる。
【００５８】
実施の形態８
図１３は、本発明の他の実施の形態にかかわる熱型光検出器を用いた２次元赤外線固体撮像素子の１個の画素の断面構造を示す断面説明図である。本実施の形態にかかわる２次元赤外線固体撮像素子は、図２２に示した従来の２次元赤外線固体撮像素子の構造（金属反射膜９７０を除く）の上に、図１２に示した接合柱１４０のかわりに赤外線吸収部１３０と温度検出部３００との接合を赤外線吸収部１３０と同一構成部材で一体に形成された一体構造の赤外線吸収部３３０を設けた構造となっており、その他は実施の形態７と同様である。また、このように、接合柱を赤外線吸収部と一体構造に形成するには、実施の形態３の場合と同様に行うことができる。
【００５９】
実施の形態９
図１４は、本発明の他の実施の形態にかかわる熱型光検出器を用いた２次元赤外線固体撮像素子の１個の画素の断面構造を示す断面説明図である。本実施の形態にかかわる２次元赤外線固体撮像素子は、図２２に示した従来の２次元赤外線固体撮像素子の構造の上に接合柱１４０ならびに該接合柱を介して赤外線吸収部１３０、金属反射膜１５０および金属赤外線吸収膜１６０を設けて、３層構造の赤外線吸収部として光学的共振構造を形成した構造となっている。または、図示していないが、金属反射膜１５０を赤外線吸収部１３０の下に設けて２層からなる赤外線吸収構造とすることもできる。このように赤外線吸収部に赤外線吸収構造または光学的共振構造を設けたことの他は実施の形態６と同様である。また、図示していないが、赤外線吸収構造の金属反射膜１５０の下に他の絶縁膜を形成してもよく、さらに、光学的共振構造の金属反射膜１５０の下および金属赤外線吸収膜１６０の上に他の絶縁膜を形成してもよい。また、このような２層構造の赤外線吸収構造または３層構造の光学的共振構造による赤外線の吸収構造を設ける位置は赤外線吸収部の一部のみであってもかまわない。
【００６０】
実施の形態１０
図１５は、本発明の他の実施の形態にかかわる熱型光検出器を用いた２次元赤外線固体撮像素子の１個の画素の断面構造を示す断面説明図である。本実施の形態にかかわる２次元赤外線固体撮像素子は、図２２に示した従来の２次元赤外線固体撮像素子の構造（金属反射膜９７０を除く）の上に、赤外線吸収部３３１、金属反射膜３５０および金属赤外線吸収膜３６０を一体に形成した一体構造として設けている。すなわち、接合柱の少なくとも一部が赤外線吸収部と同一の材料で形成され、金属反射膜３５０および金属赤外線吸収膜３６０からなる光学的共振構造付きの赤外線吸収部を設けた構造となっており、その他は実施の形態９と同様である。また、図示していないが、金属反射膜３５０の下および金属赤外線吸収膜３６０の上に他の絶縁膜を形成してもよい。また、３層構造の光学的共振構造による赤外線の吸収構造を設ける位置は赤外線吸収部の一部のみであってもかまわない。
【００６１】
実施の形態１１
図１６は、実施の形態９における接合柱の材料を変更した２次元赤外線固体撮像素子の１個の画素の断面構造を示す断面説明図である。図１６において、図２２に示した従来の２次元赤外線固体撮像素子（金属反射膜９７０を除く）の上に、金属反射膜３５５が接合柱と一体構造として一体に形成されており、このように形成する方法は、実施の形態５の場合と同様であり、その他は、実施の形態９と同じである。また、図示していないが、金属反射膜３５５の下および金属赤外線吸収膜３６５の上に他の絶縁膜を形成してもよい。また、３層構造の光学的共振構造による赤外線の吸収構造を設ける位置は赤外線吸収部の一部のみであってもかまわない。
【００６２】
実施の形態１２
図１７は、実施の形態１０における接合柱の形状を変更し、金属反射膜３５６が赤外線吸収部の下にのみ設けられる構造とした２次元赤外線固体撮像素子の１個の画素の断面構造を示す断面説明図である。図１７において、接合柱が赤外線吸収部および金属赤外線吸収膜３６６と同一構成部材で形成されている。すなわち、接合柱の少なくとも一部が赤外線吸収部と同一の材料で形成されている。このように形成する方法は、実施の形態６の場合と同様であり、その他は実施の形態１０と同じである。また、図示していないが、金属反射膜３５６の下および金属赤外線吸収膜３６６の上に他の絶縁膜を形成してもよい。また、３層構造の光学的共振構造による赤外線の吸収構造を設ける位置は赤外線吸収部の一部のみであってもかまわない。
【００６３】
実施の形態１３
図１８は、図７に示した実施の形態３のボロメータ薄膜の位置を変更した実施の形態の２次元赤外線固体撮像素子の１個の画素の断面構造を示す断面説明図である。図において、１２は温度検出素子としてのボロメータ薄膜であり、１２５、１２６はコンタクト部であり、３３２は接合柱をかねて一体構造として形成された赤外線吸収部である。本実施の形態においては、図７に示す実施の形態のような接合柱１４０のかわりに、赤外線吸収部３３２と温度検出部３００との接合を、赤外線吸収部３３２と同一構成部材で一体に形成された一体構造によって構成しており、ボロメータ薄膜１２が赤外線吸収部３３２の上面に形成され、コンタクト部１２５で金属配線３１と接続し、コンタクト部１２６で金属配線３２と接続した構造となっている。ボロメータ薄膜１２が赤外線吸収部の上面に形成されることの他は実施の形態３に示した場合と同様である。また、この構造でも温度検出部３００に接した赤外線吸収部３３２の一部を除去した構造とすることもできる。
【００６４】
実施の形態１４
図１９は、シリコン基板のエッチング方法として等方性エッチングを採用する場合の２次元赤外線固体撮像素子の１個の画素の断面構造を示す断面説明図である。図において、３は半導体基板としてのシリコン基板であり、１３は温度検出素子としてのボロメータ薄膜であり、１８０はエッチングホールであり、２０１は空洞部であり、３３３は赤外線吸収部であり、４４１は接合柱である。本実施の形態においても、それぞれの部分を形成するために用いられる材料および形成方法などは実施の形態１と同様である。本実施の形態の場合はシリコン基板中に形成する空洞部のほぼ中心付近に位置した部分に、シリコン基板に対する、エッチングホール１８０を設けた構造となっており、エッチングホール１８０は、その直径が数μｍ程度であり、かつ、赤外線吸収部３３３から空洞部２０１に達している。図４で示した犠牲層１７０を除去する前にエッチングホール１８０を通してシリコンをエッチングすると図に示すように等方的にエッチングが進み、図に示すような空洞部２０１が形成できる。等方性エッチングは水酸化カリウムや水酸化テトラメチルアンモニウムによる異方性エッチングによって行うことができる。
【００６５】
図１９は、図１に対応してエッチングホールを設ける構造を示す断面説明図であるが、図６、図７、図８に示した構造に対しても同様なエッチングホールを設ける構造変更が可能である。また、図１９に示した構造では接合柱１４０を貫通してエッチングホール１８０が形成されているが、エッチングホールが接合柱１４０を貫通する必要はなく、たとえば、支持脚が配置された場所以外に設けてもよい。またエッチングホールが空洞部２０１の中心付近に複数個配置されてもかまわない。この場合、基板内に空洞部を形成してから犠牲層１７０を除去することができ、製造工程の選択の自由度が増す。
【００６６】
実施の形態１５
図２０は、シリコン基板のエッチング方法として等方性エッチングを採用する場合の構造を示す断面説明図である。図において、４は半導体基板としてのシリコン基板であり、１９０はエッチングストップ層であり、２０２は空洞部である。図に示すように、空洞部２０２の周囲にエッチングを止めるエッチングストップ層１９０が形成されている。このエッチングストップ層１９０を形成する材料としては、空洞部を形成する際に用いられるエッチャントに耐性のある材料として、たとえばシリコン酸化膜やイオン注入で形成した高濃度のｐ形不純物層等を用いることができ、読み出し回路を作る工程中でシリコン基板中に埋め込んで形成することができる。
【００６７】
なお、これまでに示したすべての実施の形態では温度変化を検出する温度検出素子としてボロメータ薄膜を用いたものを示したが、本発明では温度変化を検出する手段として前述したように焦電体、サーモパイルなどを用いたものでも同様の効果を得る。
【００６８】
本発明の実施の形態のうち、実用上最良の形態は、実施の形態１または１１にもとづいて赤外線吸収部と温度検出部を別々の層に形成した形態である。かかる形態においては、赤外線吸収部は赤外線吸収可能な光学設計のできる材料であるＣＶＤ法などで形成された酸化シリコン（ＳｉＯ２）もしくは窒化シリコンまたはこれらの積層膜によって構成される。接合柱は機械構造的に充分な強度と小さな熱容量が実現できるＣＶＤ法などで形成する酸化シリコンまたは窒化シリコンおよびこれらの積層膜によって構成される。温度検出素子にはボロメータ薄膜が好ましく、ボロメータ薄膜の材料として抵抗温度係数が大きく、高感度化の実現に有利な酸化バナジウム、ポリシリコンまたはアルモファスシリコンなどが用いられる。
【００６９】
このとき赤外線吸収部の面積は、画素の大きさを５０μｍ、写真製版による赤外線吸収部のパターニング抜きの幅を２μｍとすると４８μｍであり、開口率は９２％となっており、従来構造に比べ非常に大きくなっているので、高感度化が達成できる。
【００７０】
【発明の効果】
本発明では、以上のように赤外線吸収部と温度検出部を別の層として形成し、赤外線吸収部と温度検出部を機械的かつ熱的に接合する手段として接合柱を設けたので、温度検出部の設計とは独立に赤外線吸収部を設計することができ、高開口率化、高感度化が実現できる。
【００７１】
本発明にかかわる２次元固体撮像素子は、画素ごとに、半導体基板への熱の流出を制御する熱抵抗の大きい材料からなる支持脚によって支えられておりかつ温度検出素子を含む温度検出部と、該温度検出部と少なくとも１本の接合柱で結合された赤外線吸収部とを前記半導体基板上に設け、温度検出部を機械的かつ熱的に接合する手段として接合柱を設け、前記赤外線吸収部は、２次元に配列された前記各画素と実質的に等しい面積を有するので、温度検出部の設計とは独立に赤外線吸収部を設計することができ、高開口率化、高感度化が実現できる効果を得る。
【００７２】
前記温度検出部が、前記半導体基板中に形成された空洞部の上に設けられるので、熱抵抗を大きくして高感度化する効果を得る。
【００７３】
本発明にかかわる２次元赤外線固体撮像素子は、前記赤外線吸収部の少なくとも一部に反射膜および層間絶縁膜からなる赤外線吸収構造を有しているので、赤外線の吸収が制御しやすく、より効率的に赤外線を吸収して高感度化する効果を得る。
【００７４】
本発明にかかわる２次元赤外線固体撮像素子は、前記赤外線吸収部の少なくとも一部に反射膜、層間絶縁膜および金属赤外線吸収薄膜からなる光学的共振構造を有しているので、赤外線の吸収がさらに制御しやすく、さらに効率的に赤外線を吸収して高感度化する効果を得る。
【００７５】
前記接合柱の少なくとも一部が前記赤外線吸収部と同一構成部材で形成されているので、製造工程を簡略化する効果を得る。
【００７６】
前記赤外線吸収部の少なくとも一部に反射膜、層間絶縁膜および金属赤外線吸収薄膜からなる光学的共振構造を有しており、かつ前記接合柱が前記金属赤外線吸収薄膜と一体に形成されているので、製造工程を簡略化する効果を得る。
【００７７】
前記接合柱の少なくとも一部が前記赤外線吸収部と同一構成部材で形成され、さらに前記赤外線吸収部のうち前記温度検出部に接する部分が除去されているので、前記赤外線吸収部の熱容量を低減して高感度化する効果を得る。
【００７８】
本発明にかかわる２次元赤外線固体撮像素子には、前記赤外線吸収部から前記空洞部に達するエッチングホールが前記空洞部の中心付近に少なくとも１つ設けられているので、基板の不要なエッチングを減少し、製造工程選択のときの自由度を拡大する効果を得る。
【００７９】
本発明にかかわる２次元赤外線固体撮像素子には、前記空洞部の周囲の前記半導体基板中に、前記空洞部を形成する際に用いられるエッチャントに耐性のある材料からなるエッチングストップ層が設けられているので、基板の不要なエッチングを減少し、製造工程選択のときの自由度を拡大する効果を得る。
【００８０】
前記温度検出素子が前記赤外線吸収部の上面に形成されているので、半導体プロセス中で使用できないボロメータ材料による赤外線固体撮像素子の構成を可能にする効果を得る。
【００８１】
本発明にかかわる２次元赤外線固体撮像素子は、前記温度検出部が、前記半導体基板上に形成された読み出し回路の上方に形成されているので、空洞部形成のためのエッチング方法の選択の自由度を広げ、空洞部下の領域に読み出し回路の構成要素の一部などを配置して面積の有効利用する効果を得る。
【００８２】
前記温度検出部が、前記赤外線吸収部の少なくとも一部に反射膜および層間絶縁膜からなる赤外線吸収構造を有しているので、赤外線の吸収が制御しやすく、より効率的に赤外線を吸収して高感度化する効果を得る。
【００８３】
前記温度検出部が、前記赤外線吸収部の少なくとも一部に反射膜、層間絶縁膜および金属赤外線吸収薄膜からなる光学的共振構造を有しているので、赤外線の吸収が制御しやすく、さらに効率的に赤外線を吸収して高感度化する効果を得る。
【００８４】
前記接合柱の少なくとも一部が前記赤外線吸収部と同一構成部材で形成されているので、製造工程を簡略化する効果を得る。
【００８５】
前記赤外線吸収部の少なくとも一部に反射膜、層間絶縁膜および金属赤外線吸収薄膜からなる光学的共振構造を有しており、かつ前記接合柱が前記金属赤外線吸収薄膜と一体に形成されているので、製造工程を簡略化する効果を得る。
【００８６】
本発明にかかわる２次元赤外線固体撮像素子には、前記温度検出素子としてボロメータ薄膜が用いられているので、温度変化を効果的に検出し得る。
【００８７】
本発明にかかわる２次元赤外線固体撮像素子には、前記温度検出素子として焦電効果を有する強誘電体が用いられているので、温度変化を効果的に検出し得る。
【００８８】
本発明にかかわる２次元赤外線固体撮像素子には、前記温度検出素子としてサーモパイルが用いられているので、温度変化を効果的に検出し得る。
【００８９】
本発明にかかわる２次元赤外線固体撮像素子においては、前記接合柱が、前記赤外線吸収部の重心に隣接した位置の下に配設されているので、赤外線吸収部を構造的に安定させる効果を得る。
【００９０】
本発明にかかわる２次元赤外線固体撮像素子においては、前記接合柱の熱抵抗が、前記支持脚の熱抵抗よりも小さいので、温度検出部の温度を均一にする効果を得る。
【００９１】
本発明の２次元赤外線固体撮像素子の製法が、
ａ）半導体基板上に信号読み出し回路を形成したのち、絶縁膜、コンタクト部を形成し、さらに金属配線および温度検出素子を形成し、保護絶縁膜で全体を覆う工程、
ｂ）前記保護絶縁膜上に犠牲層を形成し、該犠牲層のうち、のちに接合柱を形成する領域を写真製版技術で除去したのち、除去した部分に前記接合柱となる材料を埋め込む工程、
ｃ）前記犠牲層および前記接合柱の上に赤外線吸収部となる薄膜を形成し、各画素ごとに赤外線吸収部が分離されるようにパターニングする工程、
ｄ）前記犠牲層をエッチングして除去する工程、および
ｅ）前記シリコン基板をエッチングして、該シリコン基板中に空洞部を形成する工程
からなるので、生産性よく製造する効果を得る。
【００９２】
本発明にかかわる製法は、前記ｂ）工程ののち、さらに、前記犠牲層および前記接合柱の表面をエッチバックして平坦にする工程を含むので、赤外線吸収部の形成を容易にする効果を得る。
【００９３】
本発明にかかわる製法は、前記ｅ）工程において、前記半導体基板を異方性エッチングして前記空洞部を形成するので、空洞部の形状を制御性よく製造する効果を得る。
【００９４】
本発明にかかわる製法は、水酸化カリウムおよび水酸化テトラメチルアンモニウムのうちのいずれか一方を用いて異方性エッチングするので、空洞部のエッチングを容易にする効果を得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態にかかわる熱型光検出器を用いた２次元赤外線固体撮像素子の画素の断面説明図である。
【図２】本発明の一実施の形態にかかわる熱型光検出器を用いた２次元赤外線固体撮像素子の画素の赤外線吸収部を除いた平面説明図である。
【図３】本発明の一実施の形態にかかわる熱型光検出器を用いた２次元赤外線固体撮像素子の画素の配列状態を示す平面説明図である。
【図４】本発明の一実施の形態にかかわる熱型光検出器を用いた２次元赤外線固体撮像素子の画素の工程断面説明図である。
【図５】本発明の一実施の形態にかかわる熱型光検出器を用いた２次元赤外線固体撮像素子の画素の工程断面説明図である。
【図６】本発明の他の実施の形態にかかわる熱型光検出器を用いた２次元赤外線固体撮像素子の画素の断面説明図である。
【図７】本発明の他の実施の形態にかかわる熱型光検出器を用いた２次元赤外線固体撮像素子の画素の断面説明図である。
【図８】本発明の他の実施の形態にかかわる熱型光検出器を用いた２次元赤外線固体撮像素子の画素の断面説明図である。
【図９】本発明の他の実施の形態にかかわる熱型光検出器を用いた２次元赤外線固体撮像素子の画素の断面説明図である。
【図１０】本発明の他の実施の形態にかかわる熱型光検出器を用いた２次元赤外線固体撮像素子の画素の断面説明図である。
【図１１】本発明の他の実施の形態にかかわる熱型光検出器を用いた２次元赤外線固体撮像素子の画素の断面説明図である。
【図１２】本発明の他の実施の形態にかかわる熱型光検出器を用いた２次元赤外線固体撮像素子の画素の断面説明図である。
【図１３】本発明の他の実施の形態にかかわる熱型光検出器を用いた２次元赤外線固体撮像素子の画素の断面説明図である。
【図１４】本発明の他の実施の形態にかかわる熱型光検出器を用いた２次元赤外線固体撮像素子の画素の断面説明図である。
【図１５】本発明の他の実施の形態にかかわる熱型光検出器を用いた２次元赤外線固体撮像素子の画素の断面説明図である。
【図１６】本発明の他の実施の形態にかかわる熱型光検出器を用いた２次元赤外線固体撮像素子の画素の断面説明図である。
【図１７】本発明の他の実施の形態にかかわる熱型光検出器を用いた２次元赤外線固体撮像素子の画素の断面説明図である。
【図１８】本発明の他の実施の形態にかかわる熱型光検出器を用いた２次元赤外線固体撮像素子の画素の断面説明図である。
【図１９】本発明の他の実施の形態にかかわる熱型光検出器を用いた２次元赤外線固体撮像素子の画素の断面説明図である。
【図２０】本発明の他の実施の形態にかかわる熱型光検出器を用いた２次元赤外線固体撮像素子の画素の断面説明図である。
【図２１】従来の熱型光検出器を用いた２次元赤外線固体撮像素子の画素の構造を示す斜視説明図である。
【図２２】従来の熱型光検出器を用いた２次元赤外線固体撮像素子の画素の構造を示す断面説明図である。
【符号の説明】
１、２、３、４ シリコン基板、１１、１２、７１１ ボロメータ薄膜、２１、２２、７２１、７２２ 支持脚、３１、３２、７３１、７３２ 金属配線、 １００、１１０、７５０、７６０ 絶縁膜、１２１〜１２６、７７１、７７２ コンタクト部、１３０〜１３７、３３０、３３１、３３２、３３３、３３５、３３６、３４０ 赤外線吸収部、１４０〜１４７、４４１ 接合柱、１５０、３５０、３５５、３５６ 金属反射膜、１６０、３６０、３６５、３６６ 金属赤外線吸収膜、１７０ 犠牲層、１８０ エッチングホール、１９０ エッチングストップ層、２００、２０１、２０２ 空洞部、３００ 温度検出部、４００ 信号読み出し回路、５００ 信号線、１０００〜１００７ 画素。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a two-dimensional infrared solid-state imaging device using a thermal photodetector.
[0002]
[Prior art]
The thermal-type light detector absorbs infrared rays when irradiated with infrared rays, increases the temperature, and detects a temperature change. FIG. 21 is a perspective explanatory view showing a structure of one pixel of a two-dimensional solid-state imaging device using a conventional thermal photodetector using a bolometer thin film whose resistance value changes with temperature. In the figure, reference numeral 901 denotes a silicon substrate made of a semiconductor such as silicon, for example; 910, an infrared detector unit (hereinafter simply referred to as a detector unit) provided with a space from the silicon substrate; A bolometer thin film formed on the detector section, 921 and 922 are supporting legs for lifting the infrared detector section 910 from the silicon substrate, and 931 and 932 are for flowing a current through the bolometer thin film. 940 is a switch transistor for turning on and off a current flowing through the metal wirings 931 and 932 and the bolometer thin film 911, 950 is a signal line connected to the metal wiring 932, and 960 is a switch. A control clock line for controlling ON / OFF of the transistor; A metal reflective layer to increase the absorption of infrared radiation at the detector unit 910 make can portion and the optical resonant structure.
[0003]
FIG. 22 is a cross-sectional explanatory view showing a cross-sectional structure along a current path of the conventional two-dimensional solid-state imaging device having the structure shown in FIG. 21. In FIG. 22, the same elements as those shown in FIG. Reference numerals (the same applies to the following drawings), 980 is an insulating film, 990 is a hollow portion, 930 and 933 are insulating films, 926 and 927 are contact portions. Switch transistors, signal lines, control clock lines, and the like, which are not directly related, are omitted. As described above, the bolometer thin film is formed on the detector unit 910, the metal wires 931 and 932 are connected to the bolometer thin film, and the bolometer thin film is formed on the silicon substrate through the contact units 926 and 927 (shown in FIG. It is connected to the signal readout circuit. The bolometer thin film 911 and the metal wirings 931 and 932 are covered with insulating films 930 and 933 made of a silicon oxide film or a silicon nitride film, and the insulating films 930 and 933 serve as the detector unit 910 and the support legs 921 and 922. The mechanical structure is shaped. The insulating film 980 is an insulating film for insulating the signal readout circuit formed on the silicon substrate 901 from the metal wirings 931 and 932. The insulating film 980 is formed on the metal reflecting film 970 on the insulating film 980 via the cavity 990. The detector section 910 is disposed. Another insulating film may be formed on the surface of the metal reflection film 970 in some cases.
[0004]
Next, the operation of the two-dimensional infrared solid-state imaging device using the thermal photodetector will be described. Infrared rays enter from the side where the detector unit 910 exists, and are absorbed by the detector unit 910. The incident infrared rays form a standing wave such that the position of the metal reflection film 970 becomes a node due to the presence of the metal reflection film 970. Therefore, by properly setting the distance between the detector and the metal oxide reflection film, the detector can be used. The absorption at 910 can be increased. The infrared energy absorbed by the detector unit 910 is converted into heat, and the temperature of the detector unit 910 is increased. The temperature rise depends on the amount of incident infrared light (the amount of incident infrared light depends on the temperature and emissivity of the imaging target). Since the amount of temperature rise can be known by measuring the change in the resistance value of the bolometer thin film, the amount of infrared radiation emitted by the imaging object can be known from the change in the resistance value of the bolometer.
[0005]
If the resistance temperature coefficient of the bolometer thin film is the same, the larger the temperature rise of the detector unit, the larger the resistance change obtained by the same amount of incident infrared rays and the higher the sensitivity, but the higher the temperature rise, the higher the temperature rise. It is effective to minimize the heat that escapes from the container section 910 to the silicon substrate 901, and for this purpose, the support legs 921 and 922 are designed to increase the thermal resistance as much as possible. It is also important to reduce the heat capacity of the detector unit 910 so that the temperature time constant of the detector unit 910 is shorter than the frame time of the image sensor.
[0006]
Infrared rays are entirely incident on the pixel, but only those incident on the detector section 910 contribute to the rise in temperature of the detector section 910 (some infrared rays incident on the support legs near the detector section 910 are also included). Although it is effective), infrared rays incident on other areas are invalidated. Therefore, it can be easily understood that increasing the aperture ratio (the ratio of the area of the detector unit to the pixel area) is effective for increasing the sensitivity.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional structure shown in FIGS. 21 and 22, the detector section 910 is not formed in an area except at least the support legs 921 and 922 and a contact portion connecting the support legs and a readout circuit formed on the silicon substrate. Therefore, the aperture ratio is restricted according to the design of the supporting leg and the contact portion, and the allowance for the space between these portions and the detector portion 910, which hinders high sensitivity.
[0008]
Furthermore, this problem becomes more remarkable as the size of the pixel becomes smaller, and it has been difficult to increase the resolution using small pixels while maintaining the sensitivity.
[0009]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-described problems, and a two-dimensional infrared solid-state imaging device in which a thermal-type photodetector is formed on the same substrate as a signal readout circuit is provided. It is an object of the present invention to provide a two-dimensional infrared solid-state imaging device having a highly sensitive pixel structure having a pixel structure capable of achieving a high aperture ratio without depending on the design of a leg, a metal wiring, a contact portion, and the like.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
A two-dimensional infrared solid-state imaging device using a thermal-type photodetector according to the present invention includes an infrared-absorbing portion that absorbs infrared rays to raise the temperature of a detector portion, and a temperature detection device that forms a bolometer thin film and detects a temperature rise. The part is formed as a separate structure.
[0011]
In the two-dimensional infrared solid-state imaging device using the thermal photodetector according to the present invention, since the infrared absorption section and the temperature detection section are formed as separate structures, the design of the infrared absorption section and the temperature detection section can be independently performed. It is possible to increase the area of the infrared absorbing portion that determines the aperture ratio effectively, which is effective for increasing the sensitivity.
[0012]
The two-dimensional infrared solid-state imaging device according to the present invention has a temperature detecting mechanism in which a thermal-type photodetector and means for detecting a change in characteristics of the thermal-type photodetector due to incident infrared rays are integrated on a semiconductor substrate. A two-dimensional infrared solid-state imaging device arranged two-dimensionally for each pixel,
For each of the pixels, a temperature detecting unit supported by supporting legs made of a material having a large thermal resistance for controlling the flow of heat to the semiconductor substrate and including a temperature detecting element, and at least one of the temperature detecting unit And an infrared-absorbing portion coupled by the bonding column of the above is provided on the semiconductor substrate, and the infrared-absorbing portion has an area substantially equal to each of the pixels arranged two-dimensionally.
[0013]
It is preferable that the temperature detecting section is provided on a cavity formed in the semiconductor substrate, from the viewpoint of increasing thermal resistance.
[0014]
It is preferable that at least a part of the infrared absorbing portion has an infrared absorbing structure including a reflective film and an interlayer insulating film from the viewpoint of increasing light absorption.
[0015]
It is preferable that at least a part of the infrared absorbing portion has an optical resonance structure including a reflection film, an interlayer insulating film, and a metal infrared absorbing film from the viewpoint of increasing light absorption.
[0016]
It is preferable that at least a part of the joining column is formed of the same constituent member as the infrared absorbing portion from the viewpoint of simplifying a manufacturing process.
[0017]
At least a part of the infrared absorbing portion has an optical resonance structure including a reflective film, an interlayer insulating film, and a metal infrared absorbing thin film, and the bonding column is formed integrally with the metal infrared absorbing thin film. Is preferred in terms of simplifying the manufacturing process.
[0018]
It is preferable that at least a part of the joining column is formed of the same constituent member as the infrared absorbing portion, and a portion of the infrared absorbing portion that is in contact with the temperature detecting portion is removed from the viewpoint of reducing heat capacity.
[0019]
The fact that at least one etching hole reaching the cavity from the infrared absorbing portion is provided in the vicinity of the center of the cavity in terms of reducing unnecessary etching of the substrate and increasing the degree of freedom in selecting a manufacturing process. preferable.
[0020]
An etching stop layer made of a material that is resistant to an etchant used when forming the cavity is provided in the semiconductor substrate around the cavity, thereby reducing unnecessary etching of the substrate and a manufacturing process. This is preferable in that the degree of freedom at the time of selection is increased.
[0021]
It is preferable that the bolometer is made of a material that cannot be used in a semiconductor process, in which the temperature detecting element is formed on the upper surface of the infrared absorbing section.
[0022]
The fact that the temperature detector is formed above a readout circuit formed on the semiconductor substrate increases the degree of freedom in selecting an etching method for forming a cavity, and the readout circuit is formed in a region below the cavity. This is preferable in that part of the constituent elements and the like are arranged to make effective use of the area.
[0023]
It is preferable that at least a part of the infrared absorbing portion has an infrared absorbing structure including a reflective film and an interlayer insulating film from the viewpoint of increasing light absorption.
[0024]
It is preferable that at least a part of the infrared absorbing portion has an optical resonance structure including a reflection film, an interlayer insulating film, and a metal infrared absorbing film from the viewpoint of increasing light absorption.
[0025]
It is preferable that at least a part of the joining column is formed of the same constituent member as the infrared absorbing portion from the viewpoint of simplifying a manufacturing process.
[0026]
At least a part of the infrared absorbing portion has an optical resonance structure including a reflective film, an interlayer insulating film, and a metal infrared absorbing thin film, and the bonding column is formed integrally with the metal infrared absorbing thin film. Is preferred in terms of simplifying the manufacturing process.
[0027]
It is preferable that a bolometer thin film is used as the temperature detecting element in order to effectively detect a temperature change.
[0028]
It is preferable to use a ferroelectric substance having a pyroelectric effect as the temperature detecting element in order to effectively detect a temperature change.
[0029]
It is preferable that a thermopile is used as the temperature detecting element in order to effectively detect a temperature change.
[0030]
It is preferable that the joining column is disposed below a position adjacent to the center of gravity of the infrared absorbing section from the viewpoint of temperature uniformity of the detector portion.
[0031]
It is preferable that a thermal resistance of the joining column is smaller than a thermal resistance of the support leg.
[0032]
The manufacturing method of the two-dimensional infrared solid-state imaging device according to the present invention is as follows.
a) forming a signal readout circuit on a semiconductor substrate, forming an insulating film and a contact portion, further forming a metal wiring and a temperature detecting element, and covering the whole with a protective insulating film;
b) forming a sacrifice layer on the protective insulating film, removing a region of the sacrifice layer where a bonding pillar will be formed later by photolithography, and embedding the material to be the bonding pillar in the removed portion; ,
c) forming a thin film as an infrared absorbing portion on the sacrificial layer and the bonding column, and patterning the infrared absorbing portion so that the infrared absorbing portion is separated for each pixel;
d) removing the sacrificial layer by etching;
e) etching the silicon substrate to form a cavity in the silicon substrate
It is characterized by comprising.
[0033]
After the step b), it is preferable that the method further includes a step of etching back the surfaces of the sacrificial layer and the bonding columns to flatten the surfaces, so as to facilitate the formation of the infrared absorbing portion.
[0034]
In the step e), it is preferable to form the cavity by anisotropically etching the semiconductor substrate from the viewpoint of controlling the size of the cavity with good controllability.
[0035]
Anisotropic etching using either one of potassium hydroxide and tetramethylammonium hydroxide is preferable from the viewpoint of obtaining a sufficient etching rate.
[0036]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
[0037]
Embodiment 1
FIG. 1 is an explanatory cross-sectional view showing a cross-sectional structure along a current path of one pixel of a two-dimensional infrared solid-state imaging device using a thermal photodetector according to Embodiment 1 of the present invention. For the sake of simplicity, a signal readout circuit provided on the silicon substrate 1, which is not directly related to the present invention, is omitted in FIG. In FIG. 1, 1 is a silicon substrate as a semiconductor substrate, and 11 is a bolometer thin film as a temperature detecting element for detecting a temperature change. Reference numerals 21 and 22 denote support legs, which are above a cavity 200 formed in the silicon substrate 1 and float a temperature detection unit 300 including a bolometer thin film. Reference numerals 31 and 32 denote metal wirings, which are made of, for example, aluminum, titanium, tungsten, and titanium nitride, and connect the bolometer thin film 11 to the readout circuit. Reference numeral 100 denotes an insulating film (protective insulating film), 110 denotes an insulating film, and the two insulating films are a silicon oxide film and a silicon nitride film which are materials having a high thermal resistance for controlling the outflow of heat to the silicon substrate. The two insulating films support the temperature detecting unit by constituting the mechanical structure of the support legs 21 and 22 and the temperature detecting unit 300. 121 and 122 are contact portions for connecting the metal wirings 31 and 32 and the signal readout circuit, and can be formed by sputtering or CVD using aluminum, tungsten, or the like. Reference numeral 130 denotes an infrared absorbing unit that absorbs infrared rays and converts the infrared rays into heat.2) Or silicon nitride (SiN) by a CVD method or the like. Further, the infrared absorbing section may be configured as a stacked film of silicon oxide and silicon nitride. Reference numeral 140 denotes a joining column that holds the infrared absorbing section away from the temperature detecting section 300 and thermally couples the infrared absorbing section 130 to the temperature detecting section 300, such as silicon oxide or silicon nitride. Can be formed by a CVD method or the like. Further, the bonding pillar can be configured as a laminated film of silicon oxide and silicon nitride. 200 is a cavity formed in the silicon substrate 1, and 300 is a temperature detector. Here, the thermal type photodetector absorbs infrared rays when irradiated with infrared rays, increases the temperature, and detects a temperature change, as in the related art. And a temperature detecting element. The temperature detecting element detects a temperature change by transmitting a temperature change generated in an infrared absorbing portion by incident infrared rays through a bonding column and detecting a characteristic change such as a change in electric resistance, for example. The means for detecting a change in the characteristics of the temperature detecting element includes a metal wiring, a signal readout circuit, and a contact portion. In the present invention, examples of the material used as the temperature detecting element include a bolometer thin film, a ferroelectric substance having a pyroelectric effect, and a thermopile. Here, examples of the material of the bolometer thin film include vanadium oxide, polysilicon, amorphous silicon, and the like. Examples of the ferroelectric substance having a pyroelectric effect include lead zirconate titanate (PZT), lead titanate (PT), and barium strontium titanate (BST). Examples of thermopile materials include a junction between p-type polysilicon and n-type polysilicon, a junction between polysilicon and aluminum, and the like. Further, in the two-dimensional infrared solid-state imaging device according to the present invention, the thermal-type photodetector and a unit for detecting a change in characteristics of the thermal-type photodetector due to the incident infrared ray are integrated to constitute a temperature detecting mechanism. The temperature detection mechanism is two-dimensionally arranged for each pixel on the silicon substrate.
[0038]
FIG. 2 is an explanatory plan view showing a plane layout of a portion of one pixel of the two-dimensional infrared solid-state imaging device having the structure shown in FIG. 1 excluding the infrared absorption section 130. In FIG. 2, reference numeral 1000 denotes an entire pixel, reference numeral 400 denotes a part of a signal readout circuit including a MOS transistor and a diode provided in the pixel portion, and reference numeral 500 denotes a signal line for reading out a signal. Reference numeral 600 denotes a control clock bus line for controlling the signal readout circuit 400, reference numeral 33 denotes a metal wiring connecting the signal readout circuit 400 and the control clock bus line 600, and reference numerals 123 and 124 denote a metal wiring 33 and the signal readout circuit. This is a contact portion that connects the control clock bus line 400 to the control clock bus line 600. In other parts, the same reference numerals as those shown in FIG. 1 represent the same parts.
[0039]
In the two-dimensional infrared solid-state imaging device according to the present invention, the means for detecting a change in the characteristics of the thermal photodetector due to incident infrared rays includes metal wiring, a signal readout circuit, and a contact portion as described above. Thermal photodetectors are integrated and provided for each pixel, and are arranged two-dimensionally for each pixel on a silicon substrate as a semiconductor substrate. The temperature detecting unit 300 is composed of two insulating films 100 and 110 and a bolometer thin film 11, and the bolometer thin film is supported as a mechanical structure by a structure in which the insulating film 100 is disposed on the upper layer and the insulating film 110 is disposed on the lower layer. I have. Further, the temperature detection unit has a bonding column formed on the insulating film 100, receives heat from the infrared absorbing unit 130 through the bonding column, and changes the resistance of the bolometer thin film due to the heat. This occurs between the signal line 500 via 121 and the signal readout circuit 400 via the metal wiring 32 and the contact portion 122. The support leg 21 has a mechanical structure in which the two insulating films 100 and 110 sandwich the metal wiring 31, and the support leg 22 has the same mechanical structure as the support leg 21. An insulating film having a thickness of several hundred nm is formed to have a width of about 1 to 3 μm and a total thickness of about 1 μm. Thus, the two support legs 21 and 22 support the temperature detection unit 300 and the metal wirings 31 and 32, and have a structure floating above the cavity 200. The temperature detecting section 300 as a mechanical structure supported by the supporting legs 21 and 22 composed of the two insulating films 100 and 110 supports the bolometer thin film 11, the supporting column 140, and the infrared absorbing section supported by the supporting column 140. I have. Further, as described above, the support legs 21 and 22 are formed of an insulating film made of a material having a large thermal resistance for controlling the outflow of heat to the silicon substrate. As shown, it is preferable to increase the length by meandering with the metal wirings 31 and 32.
[0040]
FIG. 3 is an explanatory plan view showing a state in which a plurality of pixels shown in FIGS. 1 and 2 are arranged on a silicon substrate (not shown). For simplicity, an arrangement of 2 × 4 pixels and And a part of each of the four adjacent infrared absorbing portions. In FIG. 3, rectangular portions 1000 to 1007 indicated by broken lines indicate the same pixels as the pixels indicated by 1000 in FIG. 2, respectively, and the structure of the contents of the pixels is other than the joining columns 140 to 147 indicated by solid lines. Is omitted. In FIG. 3, rectangular portions 130 to 137 indicated by solid lines are infrared absorbing portions indicated by 130 in FIG. 1, and the infrared absorbing portions are supported apart from the silicon substrate by bonding columns 140 to 147. Have been. The pixels 1000 to 1007 formed on the surface of the silicon substrate and the infrared absorbing units 130 to 137 do not need to be formed in the same region overlapping in plan view, and may be shifted as shown in the drawing. As is clear from the figure, the area of each of the infrared absorbing units 130 to 137 is an area obtained by excluding a small interval between the infrared light receiving elements from the pixel area, and the aperture ratio of this part is very large. Therefore, conventionally, since the infrared absorbing section and the temperature detecting section were integrated, there was a restriction that the area of the infrared absorbing section could not be increased. However, according to the present invention, the area of the infrared absorbing section could be increased. .
[0041]
Next, the operation of the pixel of the two-dimensional infrared solid-state imaging device using the thermal photodetector according to the present invention will be described. Infrared rays enter from the infrared absorbing section 130 side. The incident infrared ray is absorbed by the infrared ray absorbing section 130 and raises the temperature of the infrared ray absorbing section 130. The change in the temperature of the infrared absorption unit 130 is transmitted to the temperature detection unit 300 through the joint pillar 140, and increases the temperature of the temperature detection unit 300. The thermal resistance of the joining column 140 is designed to be smaller than the thermal resistance of the supporting legs 21 and 22, and the total heat capacity of the three structures of the temperature detecting unit 300, the joining column 140, and the infrared absorbing unit 130, The time constant determined by the thermal resistance of the support legs 21 and 22 is longer than the frame time (the time required to read all signals corresponding to one screen or the time required to read signals of all pixels of the solid-state imaging device). Since the temperature is designed to be short, the temperature rise of the temperature detection unit 300 is almost the same as the temperature rise of the infrared absorption unit 130. Therefore, since the effective aperture ratio is determined by the area of the infrared absorbing section 130, the aperture ratio can be made extremely large as described above.
[0042]
Next, a method of manufacturing a two-dimensional infrared solid-state imaging device having a structure according to this embodiment will be described. 4 and 5 are process cross-sectional views showing one pixel of the two-dimensional infrared solid-state imaging device according to the present embodiment. In FIG. 4A, after forming a signal reading circuit (not shown) on the silicon substrate 1, an insulating film 110, contact portions 121 and 122 are formed, and then metal wirings 31 and 32 and a bolometer thin film 11 are formed. Is formed, and the surface is finally covered with an insulating film (protective insulating film) 100. The structure up to this point can be easily manufactured by using a technique used in a normal semiconductor manufacturing process.
[0043]
In FIG. 4B, a sacrifice layer 170 to be removed in a later step is formed on the structure of FIG. 4A, and a portion of the sacrifice layer 170 where a bonding pillar is to be formed is removed by photolithography. The removed portions are embedded in the material that will become the joining columns. The material used for the sacrificial layer may be any material that can be easily etched with an etchant that is difficult to etch the bonding pillar in forming the bonding pillar, for example,The bonding column is made of silicon oxide (SiO 2 If), the sacrificial layer is polysiliconAnd so on. The thickness of the sacrificial layer is about 1 to 2 μm. In this step, it is preferable that the outermost surface be flattened by an etch back technique or the like. Before forming the sacrificial layer, an etching window for forming the cavity 200 in the substrate by etching the silicon substrate is formed by partially removing the insulating films 100 and 110 by photolithography.
[0044]
In FIG. 4C, a thin film serving as the infrared absorbing portion 130 is formed on the structure of FIG. 4B so that the infrared absorbing portion of each pixel is separated as in the planar layout shown in FIG. Perform patterning.
[0045]
FIG. 5A shows a state in which the sacrifice layer 170 is etched from the opening around the infrared absorbing section 130 and floats below the infrared absorbing section 130 from the silicon substrate 1 with the bonding pillar 140 extended.
[0046]
FIG. 5B shows one pixel structure of the two-dimensional infrared solid-state imaging device according to the present invention in the last step, which is the same as FIG. Since the silicon in the etching hole portion of the silicon substrate described in (1) is exposed, the silicon substrate is etched from this portion to form a cavity 200 in the silicon substrate. Silicon etching is performed by using a liquid such as potassium hydroxide (KOH) or tetramethyl ammonium hydroxide (abbreviated as TMAH), and when the (111) crystal face is exposed on the surface, the etching rate is reduced. Anisotropic etching can be performed. Therefore, by using a silicon substrate having a (100) crystal plane generally used for a MOS semiconductor device or a CMOS semiconductor device, a cavity having a cross-sectional shape as shown in the figure can be obtained without greatly expanding the surface shape of the cavity from a certain size. You can make a part.
[0047]
In the present embodiment, the case where the number of the joining columns is one has been described, but the number of the joining columns may be plural. This situation is common to all the embodiments described below.
[0048]
In addition, the position of the joining column in plan view is arbitrary, but a position that can support the infrared absorbing portion mechanically and does not cause a large temperature distribution in the infrared absorbing portion is preferable. The position of the joining column satisfying this condition is optimal below the position adjacent to the center of gravity of the infrared absorbing portion. This situation is common to all the embodiments described below.
[0049]
In addition, the joining column is formed with a size of about several μm square, but the shape is arbitrary. In order not to cause a large difference between the temperature of the infrared absorbing section and the temperature of the temperature detecting section, the temperature detecting section and the silicon It is necessary to design so as to have a sufficiently small thermal resistance as compared with the thermal resistance of the supporting leg for thermally connecting the substrate. This situation is common to all the embodiments described below.
[0050]
Embodiment 2
FIG. 6 is a cross-sectional explanatory view showing a cross-sectional structure of one pixel showing another embodiment of a two-dimensional infrared solid-state imaging device using a thermal photodetector according to the present invention. In the figure, 150 is a metal reflection film as a reflection film, and 160 is a metal infrared absorption film. In this structure, a thin metal reflection film 150 is provided below the infrared absorption section 130 and a very thin metal infrared absorption film 160 is provided thereon to form an optical resonance structure as a three-layer infrared absorption section. Alternatively, although not shown, the metal reflection film 150 may be provided below the infrared absorption section 130 to form an infrared absorption structure having two layers. According to the embodiment, the infrared absorption can be performed more efficiently than the pixel having the structure shown in FIG. The metal reflection film 150 is made of, for example, aluminum, and has a thickness of several hundred nm. The metal infrared absorbing film 160 is preferably made of, for example, a nickel-chromium alloy, has a thickness of several nm, and preferably has a sheet resistance of about 377Ω. Although not shown, another insulating film as an interlayer insulating film may be further formed below the metal reflective film 150. Further, another insulating film may be further formed as an interlayer insulating film below the metal reflecting film 150 and on the metal infrared absorbing film 160. As the other insulating film, one having a function of protecting the metal reflective film 150 at the time of etching the sacrificial layer is suitable. For example, silicon oxide (SiO 2)2). Further, the position where such a two-layer infrared absorption structure or an infrared absorption structure by a three-layer optical resonance structure is provided may be only a part of the infrared absorption part. The second embodiment is the same as the first embodiment except that an infrared absorption structure or an optical resonance structure is provided in the infrared absorption unit.
[0051]
Also in the conventional example shown in FIG. 22, an optical resonance structure is formed by the reflection film 970. The effect of the optical resonance structure depends on the distance between the reflection film and the absorber. In the conventional method, this distance is the distance between the metal reflection film 970 and the infrared detector 910, and the support legs and the like are not supported by the film. Although it is difficult to control the effect of infrared absorption by the optical resonance structure due to the possibility of deformation due to internal stress, the effect of infrared absorption by the optical resonance structure is reduced in the structure shown in FIG. Since the thickness can be determined only by the thickness and the thickness of the metal infrared absorbing film 160, the above-described effect can be easily controlled.
[0052]
Embodiment 3
FIG. 7 is an explanatory cross-sectional view showing a cross-sectional structure of one pixel of a two-dimensional infrared solid-state imaging device using a thermal photodetector according to another embodiment of the present invention. In FIG. 7, reference numeral 330 denotes an infrared absorbing section in which the joining column in the first embodiment is formed integrally with the infrared absorbing section using the same constituent member. In this embodiment, instead of the joining column 140 shown in FIG. 1, the joint between the infrared absorbing section and the temperature detecting section is constituted by an integral structure integrally formed as the infrared absorbing section 330. Embodiment 2 is the same as Embodiment 1 except that the joining column has an integral structure with the infrared absorbing section.
[0053]
FIG. 8 is an explanatory cross-sectional view showing an embodiment in which a part of the infrared absorbing section 330 shown in FIG. 7 is removed. In the figure, reference numeral 340 denotes an infrared absorbing unit from which a part of the infrared absorbing unit 330 according to the second embodiment, that is, a part in contact with the temperature detecting unit (near the center of the temperature detecting unit) is removed. As a removing method, it can be removed by a photoengraving method. In this structure, as shown in FIG. 8, since a part of the infrared absorbing section in contact with the temperature detecting section 300 was removed, the heat capacity of the infrared absorbing section could be reduced.
[0054]
Embodiment 4
FIG. 9 is an explanatory cross-sectional view showing a cross-sectional structure of one pixel of a two-dimensional infrared solid-state imaging device using a thermal photodetector according to another embodiment of the present invention. In FIG. 8, reference numeral 331 denotes an infrared absorbing portion, 350 denotes a metal reflection film, and 360 denotes a metal infrared absorbing film. As the metal reflecting film and the metal infrared absorbing film, those similar to those described in Embodiment Modes 2 and 3 can be used. In the fourth embodiment, the infrared absorbing unit 130, the metal reflecting film 150, and the metal infrared absorbing film 160 of the second embodiment are joined to the temperature detecting unit 300 by using the infrared absorbing unit 130 instead of the joining column 140 shown in FIG. It is constituted by an integrated structure integrally formed by using a metal part, a metal reflection film and a metal infrared absorption film. That is, at least a part of the joining column is formed of the same material as the infrared absorbing portion. As described above, Embodiments 1 to 3 are the same as Embodiments 1 to 3 except that the optical resonance structure is provided in the infrared absorption section and the joining column is formed by an integrated structure of the infrared absorption section and the optical resonance structure. As described above, in order to form the infrared absorbing portion 331, the metal reflecting film 350, and the metal infrared absorbing film 360 into an integral structure, they can be formed by a CVD method or a sputtering method. In this structure, as in the case of the third embodiment, the infrared absorption unit 331, the metal reflection film 350, and the metal infrared absorption film 360 that are in contact with the temperature detection unit 300 are partially removed. It can be bare. Although not shown, another insulating film (interlayer insulating film) may be formed below the metal reflecting film 350 and on the metal infrared absorbing film 360. In addition, the position where the infrared absorption structure by such a three-layer optical resonance structure is provided may be only a part of the infrared absorption part as in the case of the second embodiment.
[0055]
Embodiment 5
FIG. 10 is a cross-sectional explanatory view showing a cross-sectional structure of one pixel of a two-dimensional infrared solid-state imaging device in which the material of the bonding column is changed according to the second embodiment. In FIG. 10, reference numeral 335 denotes an infrared absorbing section; 355, a metal reflecting film; 365, a metal infrared absorbing film; and a joining column integrally formed with the metal reflecting film 355 as an integral structure. In this case, the metal reflection film 355 is preferably made of aluminum as a material used to obtain the strength required to support the infrared absorbing portion, and the dimensions of the support pillar are several μm in thickness and 1-2 μm in length. Is preferred. In this embodiment, in order to form the metal reflective film as an integral structure with the bonding column, a portion of the sacrificial layer where the bonding column is formed is removed by photolithography, and the removed portion is replaced with a metal reflective film. , Ie, after embedding with aluminum, a metal reflective film may be subsequently formed. By forming in this manner, the manufacturing process can be simplified.
[0056]
Embodiment 6
FIG. 11 is a cross-sectional view showing a cross-sectional structure of one pixel of a two-dimensional infrared solid-state imaging device in which the shape of a bonding column in the fourth embodiment is changed so that a metal reflection film is provided only below an infrared absorption unit. FIG. In FIG. 11, 336 is an infrared absorbing portion, 356 is a metal reflecting film, 366 is a metal infrared absorbing film, and the joining column is formed of the same constituent members as the infrared absorbing portion and the metal infrared absorbing film. . That is, at least a part of the joining column is formed of the same component as the infrared absorbing section. In this case, the material used for the infrared absorbing portion to obtain the strength required to support the infrared absorbing portion is silicon oxide (SiO 2).2) Or silicon nitride (SiN) or a laminated film thereof is preferable, and the dimensions of the support pillar are preferably several μm in thickness and 1-2 μm in length. In the present embodiment, in order to form the joining column with the same constituent member as the infrared absorbing portion and the metal infrared absorbing film, of the sacrificial layer, the portion where the joining column is formed is removed by photolithography, and the portion other than the removed portion is removed. After forming a metal reflective film on the sacrificial layer, a metal reflective film and a metal infrared absorbing film may be formed on the removed portion and the sacrificial layer. By forming in this manner, the manufacturing process can be simplified.
[0057]
Embodiment 7
FIG. 12 is an explanatory sectional view showing a sectional structure of one pixel of a two-dimensional infrared solid-state imaging device using a thermal photodetector according to another embodiment of the present invention. For the sake of simplicity, a signal readout circuit provided on a silicon substrate and not directly related to the present invention is omitted in FIG. In FIG. 12, reference numeral 2 denotes a silicon substrate as a semiconductor substrate, 710 denotes a temperature detecting unit, and 711 denotes a bolometer thin film as a temperature detecting element for detecting a temperature change. Reference numerals 721 and 722 denote support legs, which are above a cavity 790 formed on the silicon substrate 2 and float a temperature detection unit 710 including a bolometer thin film. It is formed so as to be located above a readout circuit formed on a silicon substrate. Reference numerals 731 and 732 denote metal wirings, which connect the bolometer thin film 711 and the readout circuit. Reference numeral 750 is an insulating film (protective insulating film), 760 is an insulating film, and the two insulating films are made of a silicon oxide film, a silicon nitride film, or the like having a high thermal resistance. The mechanical structures of 721 and 722 and the temperature detection unit 710 are configured to support the temperature detection unit. 771 and 772 are contact portions that connect the metal wirings 731 and 732 to the signal readout circuit, and 130 is an infrared absorbing portion that absorbs infrared light and converts it into heat. Reference numeral 140 denotes a joining column, which holds the infrared absorbing section away from the temperature detecting section 710 and thermally couples the infrared absorbing section 130 to the temperature detecting section 710. 780 is an insulating film, and 790 is a cavity formed on the silicon substrate 2. Materials and forming methods used for each part are the same as those in Embodiments 1 to 6. Here, the means for detecting the change in the characteristics of the thermal photodetector due to the incident infrared light is the same as that in the first to sixth embodiments in that it comprises a metal wiring, a signal readout circuit and a contact portion. Further, the temperature detecting section 710 is composed of two insulating films 750 and 760 and a bolometer thin film 711, and the bolometer thin film is supported as a mechanical structure by a structure in which the insulating film 750 is provided thereon and the insulating film 760 is provided below. This is the same as in the first to sixth embodiments. As described above, the two-dimensional infrared solid-state imaging device according to the present embodiment is different from the conventional two-dimensional infrared solid-state imaging device shown in FIG. , And the structure is the same as that of the first to sixth embodiments. Further, the formation of the infrared absorbing portion and the bonding column can be performed in the same manner as in the first embodiment.
[0058]
Embodiment 8
FIG. 13 is an explanatory cross-sectional view illustrating a cross-sectional structure of one pixel of a two-dimensional infrared solid-state imaging device using a thermal photodetector according to another embodiment of the present invention. The two-dimensional infrared solid-state imaging device according to the present embodiment has a structure similar to that of the conventional two-dimensional infrared solid-state imaging device (excluding the metal reflective film 970) shown in FIG. Instead, the infrared absorption unit 130 and the temperature detection unit 300 are joined together with the infrared absorption unit 130 using the same components as the infrared absorption unit 330. Same as 7. Further, in this way, the joint pillar can be formed integrally with the infrared absorbing portion in the same manner as in the third embodiment.
[0059]
Embodiment 9
FIG. 14 is an explanatory sectional view showing a sectional structure of one pixel of a two-dimensional infrared solid-state imaging device using a thermal photodetector according to another embodiment of the present invention. The two-dimensional infrared solid-state imaging device according to the present embodiment includes a bonding column 140 and an infrared absorbing portion 130 and a metal reflection film via the bonding column on the structure of the conventional two-dimensional infrared solid-state imaging device shown in FIG. A structure in which an optical resonance structure is formed as a three-layer infrared absorbing portion by providing a 150 and a metal infrared absorbing film 160 is provided. Alternatively, although not shown, the metal reflection film 150 may be provided below the infrared absorption section 130 to form an infrared absorption structure having two layers. Except for providing the infrared absorbing structure or the optical resonance structure in the infrared absorbing section in this way, it is the same as the sixth embodiment. Although not shown, another insulating film may be formed below the metal reflection film 150 having the infrared absorption structure, and further, under the metal reflection film 150 having the optical resonance structure and the metal infrared absorption film 160. Another insulating film may be formed thereon. In addition, the position where such a two-layer infrared absorption structure or an infrared absorption structure of a three-layer optical resonance structure is provided may be only a part of the infrared absorption part.
[0060]
Embodiment 10
FIG. 15 is an explanatory cross-sectional view showing a cross-sectional structure of one pixel of a two-dimensional infrared solid-state imaging device using a thermal photodetector according to another embodiment of the present invention. The two-dimensional infrared solid-state imaging device according to the present embodiment has an infrared absorbing portion 331 and a metal reflection film 350 on the structure of the conventional two-dimensional infrared solid-state imaging device (excluding the metal reflection film 970) shown in FIG. And a metal infrared absorbing film 360 as an integrated structure. That is, at least a part of the joining column is formed of the same material as the infrared absorbing portion, and has a structure in which an infrared absorbing portion with an optical resonance structure including the metal reflection film 350 and the metal infrared absorbing film 360 is provided. Others are the same as the ninth embodiment. Although not shown, another insulating film may be formed below the metal reflection film 350 and on the metal infrared absorption film 360. Further, the position where the infrared absorption structure by the three-layer optical resonance structure is provided may be only a part of the infrared absorption part.
[0061]
Embodiment 11
FIG. 16 is an explanatory cross-sectional view showing a cross-sectional structure of one pixel of a two-dimensional infrared solid-state imaging device in which the material of the bonding column is changed according to the ninth embodiment. In FIG. 16, on the conventional two-dimensional infrared solid-state imaging device (excluding the metal reflection film 970) shown in FIG. 22, the metal reflection film 355 is formed integrally with the bonding column as an integral structure. The method of forming is the same as that of the fifth embodiment, and the other is the same as the ninth embodiment. Although not shown, another insulating film may be formed below the metal reflection film 355 and on the metal infrared absorption film 365. Further, the position where the infrared absorption structure by the three-layer optical resonance structure is provided may be only a part of the infrared absorption part.
[0062]
Embodiment 12
FIG. 17 shows a cross-sectional structure of one pixel of a two-dimensional infrared solid-state imaging device in which the shape of a bonding column according to the tenth embodiment is changed and a metal reflection film 356 is provided only below an infrared absorption part. It is sectional explanatory drawing. In FIG. 17, the joining column is formed of the same constituent member as the infrared absorbing portion and the metal infrared absorbing film 366. That is, at least a part of the joining column is formed of the same material as the infrared absorbing portion. The method of forming in this manner is the same as in the case of the sixth embodiment, and otherwise is the same as the tenth embodiment. Although not shown, another insulating film may be formed below the metal reflection film 356 and on the metal infrared absorption film 366. Further, the position where the infrared absorption structure by the three-layer optical resonance structure is provided may be only a part of the infrared absorption part.
[0063]
Embodiment 13
FIG. 18 is a cross-sectional explanatory view showing a cross-sectional structure of one pixel of the two-dimensional infrared solid-state imaging device according to the embodiment in which the position of the bolometer thin film according to the third embodiment shown in FIG. 7 is changed. In the figure, 12 is a bolometer thin film as a temperature detecting element, 125 and 126 are contact portions, and 332 is an infrared absorbing portion formed as an integral structure also serving as a bonding column. In the present embodiment, the joint between the infrared absorbing section 332 and the temperature detecting section 300 is formed integrally with the infrared absorbing section 332 using the same constituent member instead of the joining column 140 as in the embodiment shown in FIG. The bolometer thin film 12 is formed on the upper surface of the infrared absorption section 332, connected to the metal wiring 31 at the contact section 125, and connected to the metal wiring 32 at the contact section 126. . Except that the bolometer thin film 12 is formed on the upper surface of the infrared absorbing section, it is the same as the case shown in the third embodiment. In addition, this structure can also be a structure in which a part of the infrared absorption unit 332 in contact with the temperature detection unit 300 is removed.
[0064]
Embodiment 14
FIG. 19 is an explanatory cross-sectional view showing a cross-sectional structure of one pixel of a two-dimensional infrared solid-state imaging device when isotropic etching is employed as a silicon substrate etching method. In the figure, 3 is a silicon substrate as a semiconductor substrate, 13 is a bolometer thin film as a temperature detecting element, 180 is an etching hole, 201 is a cavity, 333 is an infrared absorbing part, and 441 is It is a joining column. Also in the present embodiment, the materials and forming methods used for forming each part are the same as those in the first embodiment. In the case of the present embodiment, an etching hole 180 is provided in the silicon substrate at a position substantially near the center of a cavity formed in the silicon substrate. μm, and reaches the cavity 201 from the infrared absorbing part 333. If silicon is etched through the etching hole 180 before removing the sacrificial layer 170 shown in FIG. 4, the etching proceeds isotropically as shown in the figure, and a cavity 201 as shown in the figure can be formed. The isotropic etching can be performed by anisotropic etching using potassium hydroxide or tetramethylammonium hydroxide.
[0065]
FIG. 19 is a cross-sectional explanatory view showing a structure in which an etching hole is provided corresponding to FIG. 1. However, a structure in which a similar etching hole is provided can be changed to the structures shown in FIGS. 6, 7, and 8. It is. Further, in the structure shown in FIG. 19, the etching hole 180 is formed to penetrate the bonding column 140. However, the etching hole does not need to penetrate the bonding column 140. It may be provided. Further, a plurality of etching holes may be arranged near the center of the cavity 201. In this case, the sacrificial layer 170 can be removed after the cavity is formed in the substrate, and the degree of freedom in the selection of the manufacturing process is increased.
[0066]
Embodiment 15
FIG. 20 is a cross-sectional explanatory view showing a structure in a case where isotropic etching is employed as a method for etching a silicon substrate. In the figure, 4 is a silicon substrate as a semiconductor substrate, 190 is an etching stop layer, and 202 is a cavity. As shown in the figure, an etching stop layer 190 for stopping etching is formed around the cavity 202. As a material for forming the etching stop layer 190, for example, a silicon oxide film or a high-concentration p-type impurity layer formed by ion implantation is used as a material having resistance to an etchant used for forming a cavity. It can be formed by embedding it in a silicon substrate during a process of forming a readout circuit.
[0067]
In all the embodiments described so far, the bolometer thin film is used as the temperature detecting element for detecting the temperature change. However, in the present invention, the pyroelectric element is used as the means for detecting the temperature change as described above. The same effect can be obtained by using a thermopile or the like.
[0068]
Among the embodiments of the present invention, the best mode for practical use is one in which the infrared absorbing section and the temperature detecting section are formed in separate layers based on Embodiment 1 or 11. In such an embodiment, the infrared absorbing portion is made of silicon oxide (SiO 2) formed by a CVD method or the like, which is a material capable of optical design capable of absorbing infrared light.2) Or silicon nitride or a laminated film thereof. The bonding column is made of silicon oxide or silicon nitride formed by a CVD method or the like that can realize sufficient strength and small heat capacity in terms of mechanical structure, and a stacked film of these. A bolometer thin film is preferable for the temperature detecting element, and vanadium oxide, polysilicon, or aluminum silicon which has a large resistance temperature coefficient and is advantageous for realizing high sensitivity is used as a material of the bolometer thin film.
[0069]
At this time, the area of the infrared absorbing portion is 48 μm, where the pixel size is 50 μm, and the width of the infrared absorbing portion after patterning by photolithography is 2 μm, and the aperture ratio is 92%, which is much more than the conventional structure. , It is possible to achieve high sensitivity.
[0070]
【The invention's effect】
In the present invention, the infrared absorption section and the temperature detection section are formed as separate layers as described above, and the joining column is provided as a means for mechanically and thermally joining the infrared absorption section and the temperature detection section. The infrared absorbing unit can be designed independently of the unit design, and high aperture ratio and high sensitivity can be realized.
[0071]
The two-dimensional solid-state imaging device according to the present invention is, for each pixel, supported by supporting legs made of a material having a large thermal resistance that controls the outflow of heat to the semiconductor substrate, and a temperature detection unit including a temperature detection element, The temperature detecting unit and an infrared absorbing unit coupled by at least one joining column are provided on the semiconductor substrate, and a joining column is provided as means for mechanically and thermally joining the temperature detecting unit. Has an area substantially equal to each of the pixels arranged two-dimensionally, so that the infrared absorption unit can be designed independently of the design of the temperature detection unit, realizing high aperture ratio and high sensitivity. Get the effect you can.
[0072]
Since the temperature detecting section is provided on the cavity formed in the semiconductor substrate, an effect of increasing thermal resistance and increasing sensitivity can be obtained.
[0073]
Since the two-dimensional infrared solid-state imaging device according to the present invention has an infrared absorption structure including a reflection film and an interlayer insulating film in at least a part of the infrared absorption portion, it is easy to control absorption of infrared light, and more efficient. The effect of increasing the sensitivity by absorbing infrared rays is obtained.
[0074]
Since the two-dimensional infrared solid-state imaging device according to the present invention has an optical resonance structure including a reflection film, an interlayer insulating film, and a metal infrared absorption thin film in at least a part of the infrared absorption portion, infrared absorption is further improved. It is easy to control and has the effect of absorbing infrared rays more efficiently to increase sensitivity.
[0075]
Since at least a part of the joining column is formed of the same component as the infrared absorbing portion, an effect of simplifying a manufacturing process is obtained.
[0076]
Since at least a part of the infrared absorbing portion has an optical resonance structure including a reflective film, an interlayer insulating film, and a metal infrared absorbing thin film, and the bonding column is formed integrally with the metal infrared absorbing thin film. This has the effect of simplifying the manufacturing process.
[0077]
At least a part of the joining column is formed of the same constituent member as the infrared absorbing section, and a portion of the infrared absorbing section that is in contact with the temperature detecting section is removed, so that the heat capacity of the infrared absorbing section is reduced. To increase the sensitivity.
[0078]
In the two-dimensional infrared solid-state imaging device according to the present invention, since at least one etching hole reaching the cavity from the infrared absorbing portion is provided near the center of the cavity, unnecessary etching of the substrate is reduced. The effect of expanding the degree of freedom when selecting the manufacturing process is obtained.
[0079]
In the two-dimensional infrared solid-state imaging device according to the present invention, an etching stop layer made of a material resistant to an etchant used when forming the cavity is provided in the semiconductor substrate around the cavity. As a result, unnecessary etching of the substrate is reduced, and the effect of increasing the degree of freedom when selecting a manufacturing process is obtained.
[0080]
Since the temperature detecting element is formed on the upper surface of the infrared absorbing section, an effect of enabling the configuration of an infrared solid-state imaging element using a bolometer material that cannot be used in a semiconductor process is obtained.
[0081]
In the two-dimensional infrared solid-state imaging device according to the present invention, since the temperature detection unit is formed above a readout circuit formed on the semiconductor substrate, the degree of freedom in selecting an etching method for forming a cavity is increased. , And a part of the components of the readout circuit is arranged in a region below the hollow portion to obtain an effect of effectively utilizing the area.
[0082]
Since the temperature detecting section has an infrared absorbing structure including a reflective film and an interlayer insulating film on at least a part of the infrared absorbing section, absorption of infrared rays is easy to control, and infrared rays are absorbed more efficiently. The effect of increasing the sensitivity is obtained.
[0083]
Since the temperature detecting section has an optical resonance structure including a reflection film, an interlayer insulating film, and a metal infrared absorbing thin film on at least a part of the infrared absorbing section, it is easy to control the absorption of infrared rays, which is more efficient. The effect of increasing the sensitivity by absorbing infrared rays is obtained.
[0084]
Since at least a part of the joining column is formed of the same component as the infrared absorbing portion, an effect of simplifying a manufacturing process is obtained.
[0085]
Since at least a part of the infrared absorbing portion has an optical resonance structure including a reflective film, an interlayer insulating film, and a metal infrared absorbing thin film, and the bonding column is formed integrally with the metal infrared absorbing thin film. This has the effect of simplifying the manufacturing process.
[0086]
In the two-dimensional infrared solid-state imaging device according to the present invention, a bolometer thin film is used as the temperature detection device, so that a temperature change can be detected effectively.
[0087]
In the two-dimensional infrared solid-state imaging device according to the present invention, since a ferroelectric material having a pyroelectric effect is used as the temperature detecting device, a temperature change can be detected effectively.
[0088]
In the two-dimensional infrared solid-state imaging device according to the present invention, since a thermopile is used as the temperature detecting device, a temperature change can be detected effectively.
[0089]
In the two-dimensional infrared solid-state imaging device according to the present invention, since the joining column is disposed below a position adjacent to the center of gravity of the infrared absorbing portion, an effect of structurally stabilizing the infrared absorbing portion is obtained. .
[0090]
In the two-dimensional infrared solid-state imaging device according to the present invention, since the thermal resistance of the joining column is smaller than the thermal resistance of the support leg, an effect of making the temperature of the temperature detecting unit uniform can be obtained.
[0091]
The manufacturing method of the two-dimensional infrared solid-state imaging device of the present invention is as follows.
a) forming a signal readout circuit on a semiconductor substrate, forming an insulating film and a contact portion, further forming a metal wiring and a temperature detecting element, and covering the whole with a protective insulating film;
b) forming a sacrifice layer on the protective insulating film, removing a region of the sacrifice layer where a bonding pillar will be formed later by photolithography, and embedding the material to be the bonding pillar in the removed portion; ,
c) forming a thin film as an infrared absorbing portion on the sacrificial layer and the bonding column, and patterning the infrared absorbing portion so that the infrared absorbing portion is separated for each pixel;
d) removing the sacrificial layer by etching;
e) etching the silicon substrate to form a cavity in the silicon substrate
Therefore, the effect of manufacturing with high productivity is obtained.
[0092]
Since the manufacturing method according to the present invention further includes a step of flattening the surfaces of the sacrificial layer and the bonding columns by etching back after the step b), an effect of facilitating the formation of the infrared absorbing portion is obtained. .
[0093]
In the manufacturing method according to the present invention, in the step e), the semiconductor substrate is anisotropically etched to form the cavity, so that the effect of manufacturing the shape of the cavity with good controllability is obtained.
[0094]
In the manufacturing method according to the present invention, since anisotropic etching is performed using either potassium hydroxide or tetramethylammonium hydroxide, an effect of facilitating the etching of the cavity is obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory cross-sectional view of a pixel of a two-dimensional infrared solid-state imaging device using a thermal photodetector according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory plan view of a pixel of a two-dimensional infrared solid-state imaging device using a thermal photodetector according to an embodiment of the present invention, excluding an infrared absorption portion;
FIG. 3 is an explanatory plan view showing an arrangement state of pixels of a two-dimensional infrared solid-state imaging device using a thermal photodetector according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is an explanatory cross-sectional view of a pixel of a two-dimensional infrared solid-state imaging device using a thermal photodetector according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is an explanatory process sectional view of a pixel of a two-dimensional infrared solid-state imaging device using a thermal photodetector according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is an explanatory cross-sectional view of a pixel of a two-dimensional infrared solid-state imaging device using a thermal photodetector according to another embodiment of the present invention.
FIG. 7 is an explanatory sectional view of a pixel of a two-dimensional infrared solid-state imaging device using a thermal photodetector according to another embodiment of the present invention.
FIG. 8 is an explanatory cross-sectional view of a pixel of a two-dimensional infrared solid-state imaging device using a thermal photodetector according to another embodiment of the present invention.
FIG. 9 is an explanatory cross-sectional view of a pixel of a two-dimensional infrared solid-state imaging device using a thermal photodetector according to another embodiment of the present invention.
FIG. 10 is an explanatory cross-sectional view of a pixel of a two-dimensional infrared solid-state imaging device using a thermal photodetector according to another embodiment of the present invention.
FIG. 11 is an explanatory cross-sectional view of a pixel of a two-dimensional infrared solid-state imaging device using a thermal photodetector according to another embodiment of the present invention.
FIG. 12 is an explanatory sectional view of a pixel of a two-dimensional infrared solid-state imaging device using a thermal photodetector according to another embodiment of the present invention.
FIG. 13 is an explanatory sectional view of a pixel of a two-dimensional infrared solid-state imaging device using a thermal photodetector according to another embodiment of the present invention.
FIG. 14 is an explanatory cross-sectional view of a pixel of a two-dimensional infrared solid-state imaging device using a thermal photodetector according to another embodiment of the present invention.
FIG. 15 is an explanatory cross-sectional view of a pixel of a two-dimensional infrared solid-state imaging device using a thermal photodetector according to another embodiment of the present invention.
FIG. 16 is an explanatory sectional view of a pixel of a two-dimensional infrared solid-state imaging device using a thermal photodetector according to another embodiment of the present invention.
FIG. 17 is an explanatory cross-sectional view of a pixel of a two-dimensional infrared solid-state imaging device using a thermal photodetector according to another embodiment of the present invention.
FIG. 18 is an explanatory cross-sectional view of a pixel of a two-dimensional infrared solid-state imaging device using a thermal photodetector according to another embodiment of the present invention.
FIG. 19 is an explanatory sectional view of a pixel of a two-dimensional infrared solid-state imaging device using a thermal photodetector according to another embodiment of the present invention.
FIG. 20 is an explanatory sectional view of a pixel of a two-dimensional infrared solid-state imaging device using a thermal photodetector according to another embodiment of the present invention.
FIG. 21 is an explanatory perspective view showing a pixel structure of a two-dimensional infrared solid-state imaging device using a conventional thermal photodetector.
FIG. 22 is an explanatory sectional view showing the structure of a pixel of a two-dimensional infrared solid-state imaging device using a conventional thermal photodetector.
[Explanation of symbols]
1, 2, 3, 4 silicon substrate, 11, 12, 711 bolometer thin film, 21, 22, 721, 722 support leg, 31, 32, 731, 732 metal wiring, 100, 110, 750, 760 insulating film, 121 to 121 126, 771, 772 contact part, 130 to 137, 330, 331, 332, 333, 335, 336, 340 infrared absorbing part, 140 to 147, 441 joining column, 150, 350, 355, 356 metal reflection film, 160, 360, 365, 366 metal infrared absorption film, 170 sacrificial layer, 180 etching hole, 190 etching stop layer, 200, 201, 202 cavity, 300 temperature detector, 400 signal readout circuit, 500 signal line, 1000 to 1007 pixels.

Claims (14)

熱型光検出器と、入射赤外線による前記熱型光検出器の特性変化を検出する手段とが集積されてなる温度検出機構が、半導体基板上に各画素ごとに２次元に配列された２次元赤外線固体撮像素子であって、
前記各画素ごとに、前記半導体基板への熱の流出を制御する材料からなる支持脚によって支えられておりかつ温度検出素子を含む温度検出部と、該温度検出部と少なくとも１本の接合柱で結合された赤外線吸収部とを前記半導体基板上に設け、
前記接合柱の熱抵抗は前記支持脚の熱抵抗よりも小さく、
前記赤外線吸収部は、酸化シリコンまたは窒化シリコンあるいは酸化シリコンと窒化シリコンの積層膜から構成され、２次元に配列された前記各画素と等しく、かつ、画素ごとに等しい面積を有する赤外線固体撮像素子。A two-dimensional temperature detecting mechanism in which a thermal-type photodetector and means for detecting a change in the characteristics of the thermal-type photodetector due to incident infrared rays are integrated is two-dimensionally arranged for each pixel on a semiconductor substrate. An infrared solid-state imaging device,
Wherein for each pixel, the temperature detecting unit including a sustained and has and the temperature detecting element by heat support legs outflow consisting timber fee that control of the semiconductor substrate, the temperature detection unit with at least one junction Providing on the semiconductor substrate an infrared-absorbing portion coupled with a pillar,
The thermal resistance of the joining column is smaller than the thermal resistance of the support leg,
The infrared absorbing section is made up of a multilayer film of silicon or silicon nitride oxide or silicon oxide and silicon nitride, wherein two-dimensionally arrayed pixels and equal properly and, infrared solid-state image having an equal correct area for each pixel element. 前記温度検出部が、前記半導体基板中に形成された空洞部の上に設けられてなる請求項１記載の赤外線固体撮像素子。The infrared solid-state imaging device according to claim 1, wherein the temperature detection unit is provided on a cavity formed in the semiconductor substrate. 前記空洞部の周囲にはエッチングストップ層が設けられてなる請求項２記載の赤外線固体撮像素子。3. The infrared solid-state imaging device according to claim 2, wherein an etching stop layer is provided around the cavity. 熱型光検出器と、入射赤外線による前記熱型光検出器の特性変化を検出する手段とが集積されてなる温度検出機構が、半導体基板上に各画素ごとに２次元に配列された２次元赤外線固体撮像素子であって、
前記各画素ごとに、前記半導体基板への熱の流出を制御する材料からなる支持脚によって支えられておりかつ温度検出素子を含む温度検出部と、該温度検出部と少なくとも１本の接合柱で結合された赤外線吸収部とを前記半導体基板上に設け、
前記接合柱の熱抵抗は前記支持脚の熱抵抗よりも小さく、
前記赤外線吸収部は、
酸化シリコンまたは窒化シリコンあるいは酸化シリコンと窒化シリコンの積層膜から構成され、前記半導体基板中または前記半導体基板上に形成された空洞部の上に設けられ、前記赤外線吸収部は前記空洞部より大きな面積を有する赤外線固体撮像素子。A two-dimensional temperature detecting mechanism in which a thermal-type photodetector and means for detecting a change in the characteristics of the thermal-type photodetector due to incident infrared rays are integrated is two-dimensionally arranged for each pixel on a semiconductor substrate. An infrared solid-state imaging device,
Wherein for each pixel, the temperature detecting unit including a sustained and has and the temperature detecting element by heat support legs outflow consisting timber fee that control of the semiconductor substrate, the temperature detection unit with at least one junction Providing on the semiconductor substrate an infrared-absorbing portion coupled with a pillar,
The thermal resistance of the joining column is smaller than the thermal resistance of the support leg,
The infrared absorbing section,
Silicon oxide or silicon nitride or a stacked film of silicon oxide and silicon nitride is provided in the semiconductor substrate or on a cavity formed on the semiconductor substrate, and the infrared absorbing portion has a larger area than the cavity. Infrared solid-state imaging device having: 前記温度検出部が、前記半導体基板中に形成された空洞部の上に設けられ、該空洞部の周囲にはエッチングストップ層が設けられてなる請求項４記載の赤外線固体撮像素子。The infrared solid-state imaging device according to claim 4, wherein the temperature detection unit is provided on a cavity formed in the semiconductor substrate, and an etching stop layer is provided around the cavity. 前記赤外線吸収部の少なくとも一部に反射膜を有する赤外線吸収構造を備えたことを特徴とする請求項１または４記載の赤外線固体撮像素子。The infrared solid-state imaging device according to claim 1, further comprising an infrared absorption structure having a reflection film on at least a part of the infrared absorption unit. 前記赤外線吸収部の少なくとも一部に赤外線吸収膜を備えたことを特徴とする請求項１または４記載の赤外線固体撮像素子。The infrared solid-state imaging device according to claim 1, wherein an infrared absorbing film is provided on at least a part of the infrared absorbing unit . 前記温度検出部が、前記半導体基板上に形成された読み出し回路の上方に形成されてなる請求項１、４、６、７のいずれかに記載の赤外線固体撮像素子。The temperature detection section, the claim 1 comprising formed above the readout circuit formed on a semiconductor substrate, an infrared solid-state imaging device according to any one of 4, 6, and 7. 前記接合柱の少なくとも一部が前記赤外線吸収部と同一部材で形成されてなる請求項１、４、６のいずれかに記載の赤外線固体撮像素子。The infrared solid-state imaging device according to claim 1, wherein at least a part of the joining column is formed of the same member as the infrared absorbing unit. 前記温度検出素子としてボロメータ薄膜が用いられてなる請求項１または４記載の赤外線固体撮像素子。5. The infrared solid-state imaging device according to claim 1, wherein a bolometer thin film is used as the temperature detection device. 前記温度検出素子として焦電効果を有する強誘電体が用いられてなる請求項１または４記載の赤外線固体撮像素子。The infrared solid-state imaging device according to claim 1, wherein a ferroelectric material having a pyroelectric effect is used as the temperature detection device. 前記温度検出素子としてサーモパイルが用いられてなる請求項１または４記載の赤外線固体撮像素子。5. The infrared solid-state imaging device according to claim 1, wherein a thermopile is used as the temperature detection device. 前記接合柱が、前記赤外線吸収部の重心に隣接した位置の下に配設されてなる請求項１または４記載の赤外線固体撮像素子。The infrared solid-state imaging device according to claim 1, wherein the joining column is disposed below a position adjacent to a center of gravity of the infrared absorbing unit. 請求項３または５記載の赤外線固体撮像素子の製法であって、
ａ）半導体基板上に信号読み出し回路を形成したのち、絶縁膜、コンタクト部を形成し、さらに金属配線および温度検出素子を形成し、保護絶縁膜で全体を覆う工程、
ｂ）前記保護絶縁膜上に犠牲層を形成し、該犠牲層のうち、のちに接合柱を形成する領域を写真製版技術で除去したのち、除去した部分に前記接合柱となる材料を埋め込む工程、
ｃ）前記犠牲層および前記接合柱の上に赤外線吸収部となる薄膜を形成し、各画素ごとに赤外線吸収部が分離されるようにパターニングする工程、
ｄ）前記犠牲層をエッチングして除去する工程、および
ｅ）前記シリコン基板をエッチングストップ層までエッチングして、該シリコン基板中に空洞部を形成する工程
からなる製法。It is a manufacturing method of the infrared solid-state imaging device of Claim 3 or 5, Comprising:
a) forming a signal readout circuit on a semiconductor substrate, forming an insulating film and a contact portion, further forming a metal wiring and a temperature detecting element, and covering the whole with a protective insulating film;
b) forming a sacrifice layer on the protective insulating film, removing a region of the sacrifice layer where a bonding pillar is to be formed later by photolithography, and embedding a material to be the bonding pillar in the removed portion; ,
c) forming a thin film as an infrared absorbing portion on the sacrificial layer and the bonding column, and patterning the infrared absorbing portion so that the infrared absorbing portion is separated for each pixel;
d) a step of removing the sacrificial layer by etching, and e) a step of forming a cavity in the silicon substrate by etching the silicon substrate to an etching stop layer.
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