JP3684149B2 - 熱型赤外線検出器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、赤外線固体撮像素子に用いられる熱型の赤外線検出器に関し、特にＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板上に形成されたＰＮ接合ダイオードを利用する熱型検出器のダイオード特性の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年のシリコン（Ｓｉ）ＬＳＩ技術の進歩にともない、半導体基板上に多数の光検出器をアレイ状に配置し、同一基板上に信号電荷の読出回路や出力アンプ等を形成した固体撮像素子が多数開発されている。このうち光検出器として赤外線検出器を用いた赤外線固体撮像素子は、赤外線レンズ、駆動回路、信号処理回路などと組み合わせて赤外線カメラとして実用化されており、防犯、報道、計測、リモートセンシングなどの様々な分野で利用されている。赤外線検出器は、その光検出機構によって量子型検出器と熱型検出器とに大別される。
【０００３】
量子型検出器としては、バンド間遷移を利用する化合物半導体系の検出器や、金属／半導体接合からなるショットキダイオード等が利用され、熱型検出器に比べて感度が高く、応答速度が早いといった長所がある。ただし、これらの量子型検出器は動作温度が−２００℃程度と極めて低温なため、撮像には素子冷却が必要であり、撮像装置が大型かつ高価になる。
【０００４】
一方、熱型検出器は素子冷却が不要なため、撮像装置の小型化、低価格化に適しており、シリコンマイクロマシーニング技術の進歩とともに、急速に開発が進められるようになってきた。熱型検出器は、半導体基板上方に基板と熱的に分離した中空構造体を形成し、被写体が放出する赤外線を受けたときの中空構造体の温度変化を検知するものである。その温度変化を検知する手段としては、中空構造体上にボロメータを形成して抵抗変化を検知するボロメータ方式や、中空構造体上にダイオードを形成して、順方向電流を流したときの電圧変化を検知するダイオード方式等が提案されている。このうち、半導体基板としてＳＯＩ基板を用いて中空構造体を形成し、検知部としてＰＮ接合ダイオードを用いたＳＯＩダイオード方式の熱型検出器は、通常のシリコンＬＳＩプロセスを用いて検出器と信号読出回路とをモノリシックに形成することが可能なため、量産化が容易で、素子の低価格化に適している。
【０００５】
図１２は、従来のＳＯＩダイオード方式の熱型検出器の中空断熱構造を示す検出器の断面図である。図１２に示すように、ＳＯＩ基板のバルクＳｉ１において、ＳＯＩ基板のボックス酸化膜２、２’、ＳＯＩ基板の上層シリコン薄膜３、絶縁膜からなる保護膜４が設けられている。ＰＮ接合ダイオードは上層シリコン薄膜３中に形成される。このとき、ボックス酸化膜２の下方にはシリコンマイクロマシーニング技術を用いて空隙５が形成されており、ボックス酸化膜２と上層シリコン薄膜３と保護膜４とで構成される中空構造体６が、下地のバルクＳｉ１と熱的に分離されている。空隙５は、エッチング孔７を通して下地のバルクＳｉの一部が除去されることにより形成されている。また、ＳＯＩ基板のボックス酸化膜２、２’上にＴｉＮなどからなる薄膜配線８、Ａlなどからなる金属配線９がそれぞれ設けられている。ボックス酸化膜２と薄膜配線８と保護膜４とで構成される支持脚１１が中空構造体６とバルクＳｉ１とを機械的に結合し、さらに薄膜配線８が上層シリコン薄膜３中のＰＮ接合ダイオードと金属配線９とを電気的に結合している。
【０００６】
図１３は、図１２に示した従来のＳＯＩダイオード方式の熱型検出器の平面図である。図１３におけるＡ−Ａ’断面が、図１２の検出器の断面図に相当する。図１３に示すように、熱型検出器には、中空構造体６、エッチング孔７、金属配線９、１０、中空構造体６を機械的に支持するための支持脚１１、上層シリコン薄膜３中に形成され、不純物が高濃度ドープされた高濃度Ｐ型Ｓｉ領域１２、上層シリコン薄膜３中に形成され、不純物が低濃度ドープされた低濃度Ｎ型Ｓｉ領域１３、上層シリコン薄膜３を熱酸化して形成される分離用のフィールド酸化膜１４が設けられている。このとき、１つの高濃度Ｐ型Ｓｉ領域１２と、１つの低濃度Ｎ型Ｓｉ領域１３との接合によって１つのダイオードＤ１１が形成される。高濃度Ｐ型Ｓｉ領域１２と低濃度Ｎ型Ｓｉ領域１３とが交互に連なった一連のＳｉ領域によって複数個のダイオードが形成される。また、薄膜配線によるコンタクト１４を介して複数個のダイオードが電気的に直列接続される。なお、図１３では１個の検出器あたりにダイオード６個を直列に配置した場合を示している。また、コンタクト１６は薄膜配線８と金属配線９、１０とを電気的に接続するためのものである。検出器１個（＝画素）の境界は外枠１７で模式的に示されている。
【０００７】
次に、図１２および図１３を用いて、従来のＳＯＩダイオード方式の熱型検出器の赤外線検出動作について説明する。被写体から放出された赤外線は、光学レンズ等によって集光されて各画素１７に入射し、ここで吸収される。このとき、画素の中空構造体６は断熱構造となっているため、吸収された赤外線エネルギに応じて中空構造体６の温度が変化する。基板のバルクＳi１の温度を一定に保つ場合、中空構造体６で吸収される赤外線エネルギがΔＰだけ変化したときの中空構造体６の温度変化ΔＴｄは、熱平衡状態においては近似的に次の関係を満たす。
ΔＰ＝Ｇｔ・ΔＴｄ （１）
ここで、Ｇｔは支持脚１１の熱コンダクタンスである。Ｇｔが小さいほど入射赤外線強度の変化に対する中空構造体６の温度変化が大きくなるため、支持脚１１は細長く形成するなどして熱コンダクタンスを小さくすることで、赤外線検出感度の向上を図ることができる。
【０００８】
熱型検出器はこの中空構造体６の温度変化を検出するものであり、ＳＯＩダイオード方式の熱型検出器では、ＳＯＩ基板上に形成したＰＮ接合ダイオードの順方向ＩＶ（電流−電圧）特性の温度変化によってこれを検出する。一般的に、１個のＰＮ接合ダイオードの順方向ＩＶ特性は次式で与えられる。
Ｉｆ＝Ｉｏ・ｅｘｐ（ｑ・Ｖｆ／ｎ／ｋ／Ｔｄ） （２）
ここで、Ｉｆはダイオードを流れる順方向電流、ＶｆはＰＮ接合界面に印加される順方向電圧、Ｉｏは飽和電流、ｑは素電荷、ｎはダイオードの理想係数、ｋはボルツマン定数、Ｔｄはダイオードの温度である。飽和電流Ｉｏも温度依存性を有するため、式（２）に示すようにダイオードの順方向ＩＶ特性は温度によって変化する。従って、ダイオードの両端に一定の順方向電圧を印加したときの電流値の変化を計測する（定電圧駆動）か、あるいは一定の順方向電流を流したときにダイオードの両端に発生する電圧の変化を計測する（定電流駆動）ことにより、ダイオードの温度変化、すなわち入射赤外線の強度変化を検出することができる。
【０００９】
複数個の熱型検出器をアレイ状に配置して赤外線固体撮像素子を形成する場合、定電圧駆動を行おうとすると、各検出器への配線長は各々異なり、配線による電圧降下分が検出器ごとに異なったものとなるため、各検出器に印加する順方向電圧を揃えることが難しい。そのため、ＳＯＩダイオード方式の赤外線固体撮像素子では、定電流駆動によって温度変化を検出するのが一般的である。定電流駆動の場合、１つの検出器内にｍ個（ｍ＞１）のダイオードを形成し、これらを直列に接続すると、ダイオードの温度変化に対する電圧の変化分がトータルでｍ倍に増大する。つまり、定電流駆動の場合、複数個のダイオードを直列接続することで赤外線検出感度の向上が図られている。
【００１０】
また、図１４は、従来のＳＯＩダイオード方式の赤外線固体撮像素子の構成を示す素子ブロック図である。図１４に示すように、図１２および図１３に示した熱型検出器からなる画素１７が二次元アレイ状に配置されている。また赤外線固体撮像素子は、複数個が直列に接続されたＰＮ接合ダイオード１８、垂直信号線９、垂直選択線１０、垂直走査回路１９、水平走査回路２０、垂直信号線９の一端に接続されたＭＯＳトランジスタからなる定電流源２１、垂直信号線に接続された積分増幅回路２２、水平走査回路２０によって制御される水平選択トランジスタ２３、水平信号線２４及びソースフォロアアンプなどからなる出力アンプ２５を有する。
【００１１】
次に、図１４を用いて、従来のＳＯＩダイオード方式の赤外線固体撮像素子の動作について説明する。まず、垂直走査回路１９により１つの垂直選択線１０が選択され、選択された行のダイオード１８のアノードに電圧Ｖが印加される。各ダイオードを流れる順方向電流は、定電流源２１の作用によって一定値に制御される。このとき、赤外線入射によって決まるダイオードの温度に応じて複数個が直列接続されたダイオードの両端に電位差Ｖｄを生じるため、垂直信号線９の電位は各々Ｖ−Ｖｄとなる。なお、非選択行の垂直選択線１０の電位は０Ｖであり、非選択行のダイオード１８の両端には−（Ｖ−Ｖｄ）の逆方向電圧が印加されるため、ダイオードの整流作用によって非選択行のダイオードに電流が流れることはない。各垂直信号線９の電位変化分は、各列ごとに設けられた積分増幅回路２２によって増幅される。次に、水平走査回路２０によって１個の水平選択トランジスタ２３が選択されると、対応した列の積分増幅回路２２の出力が水平信号線２４および出力アンプ２５を介して素子外部へと出力される。以上の一連の動作が垂直走査回路１９と水平走査回路２０を走査することによって繰り返され、アレイ状に配置された各画素からの出力を時系列に読み出すことで、二次元の赤外線画像情報を得る。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のＳＯＩダイオード方式の熱型検出器では以下のような問題があった。図１５は、従来の熱型検出器において複数個のダイオードを直列接続する場合の連結方向に沿った断面図である。図１５に示す例では、２個のダイオードを直列に接続した場合を示しているが、３個以上の場合も同様である。図１５に示すように、ＳＯＩ基板のバルクＳｉ１上に、ボックス酸化膜２、断熱構造とするために形成された空隙５、ＳＯＩの上層シリコン薄膜中に形成された高濃度Ｐ型Ｓｉ領域１２、上層シリコン薄膜中に形成された低濃度Ｎ型Ｓｉ領域１３、分離用のフィールド酸化膜１４、酸化膜などの層間絶縁膜２６、及び、保護膜４が設けられている。また、コンタクト２７、２９は直列接続された複数個のダイオードの両端におけるコンタクトであり、コンタクト２８は各々のダイオードを直列に接続するためのダイオード間のコンタクトである。なお、同図には示していないが、低濃度のＮ型Ｓｉ領域１３にコンタクト２８、２９が接する箇所では、良好なコンタクト特性を得るため、コンタクトホール直下のＮ型Ｓｉ領域の不純物濃度が高められている。
【００１３】
図１５に示した従来の熱型検出器を定電流駆動する場合、その動作は以下のようになる。まず、垂直走査によって１行の画素が選択されると、コンタクト２７を介してダイオードの一端（Ｐ側）に電圧Ｖが印加され、ダイオードに定電流Ｉｆが流れる。このとき、式（２）に従ってダイオード１個あたりＶｆの電圧降下を生じ、ダイオードをｍ個連結した場合には両端でＶｄ（＝ｍ・Ｖｆ）の電圧降下を生じる。すなわち、ダイオード他端（Ｎ側）のコンタクト２９の電位はＶ−Ｖｄとなる。入射赤外線強度に応じてダイオード温度が変化するとＶｄの値が変化するため、コンタクト２９を介してその変化分を読み出すことで赤外線を検知する。
【００１４】
ところが、図１５に示した従来の熱型検出器では、複数個のダイオードを連結する場合に高濃度Ｐ型Ｓｉ領域１２と低濃度Ｎ型Ｓｉ領域１３とが交互に連なって形成されている。ここで、バルクＳｉ／ボックス酸化膜／ＳＯＩの上層シリコン薄膜で構成される構造は、いわばＭＯＳトランジスタを基板の裏側に形成しているのと同様の構造をしている。このため、一連の高濃度Ｐ型Ｓｉ領域１２／低濃度Ｎ型Ｓｉ領域１３／高濃度Ｐ型Ｓｉ領域１２で構成されたＰ／Ｎ／Ｐ構造の部分が寄生的なＰＭＯＳトランジスタを、一連の低濃度Ｎ型Ｓｉ領域１３／高濃度Ｐ型Ｓｉ領域１２／低濃度Ｎ型Ｓｉ領域１３で構成されたＮ／Ｐ／Ｎ構造の部分が寄生的なＮＭＯＳトランジスタをなす。定電流駆動動作において選択画素のダイオードには（Ｖ−Ｖｄ）〜Ｖの正電圧が印加されるが、一方、バルクＳｉ１の基板電位は０Ｖである。このため、駆動時には寄生ＭＯＳトランジスタのゲート（＝基板）に相対的に負電圧を印加した状態になる。その場合、二種類の寄生ＭＯＳトランジスタのうち寄生ＮＭＯＳトランジスタは電流を遮断する方向に作用するが、一方、寄生ＰＭＯＳトランジスタはより電流を流す方向に作用する。その結果、定電流駆動時に検出器を流れる電流が、ダイオードの順方向電流と寄生ＰＭＯＳトランジスタを流れるリーク電流との和となり、検出器のＩＶ特性を著しく劣化させるという問題があった。
【００１５】
この寄生ＰＭＯＳトランジスタの影響を低減するための１つの方策として、Ｎ型Ｓｉ領域１３の不純物濃度を高めることも考えられるが、この場合にはＰＮ接合の逆方向耐圧が低下する。従来の赤外線固体撮像素子では、非選択の画素にはＶ−Ｖｄの比較的大きな逆方向バイアスが印加される。このため、ある画素の逆方向耐圧が不足した場合には、正常画素の読出動作中でもその不良画素に接続された垂直信号線９の電位が低下してしまい、縦方向のライン欠陥を生じる。すなわち、単純にＮ型Ｓｉ領域１３の不純物濃度を高めるだけでは、寄生ＰＭＯＳトランジスタによるリークを低減させる効果はあるが、他の不良を引き起こすという問題があった。
【００１６】
また、図１２などに示した従来の赤外線検出器では、以下に示す別の問題があった。赤外線固体撮像素子の最も重要な性能である温度分解能は、感度と読出ノイズの比で決定される。このうち読出ノイズに関しては、従来のＳＯＩダイオード方式の赤外線固体撮像素子においてはダイオードが発生する１／ｆノイズが最も大きく、その低減が重要な課題となっていた。従来のＳＯＩダイオード方式の熱型検出器におけるダイオードの１／ｆノイズの発生要因について説明する。
【００１７】
図１６は、従来のＳＯＩダイオード方式の熱型検出器における、ダイオードの連結方向に垂直なＰＮ接合界面での断面図である。同図において、各符号は図１５に示した従来の熱型検出器と同一符号のものを示している。また、同図においてダイオードのＰＮ接合界面３０、及び、ＰＮ接合界面３０とその周囲の酸化膜（ボックス酸化膜２、フィールド酸化膜１４および層間酸化膜２６）とのＳｉ／酸化膜界面付近に存在する界面準位トラップ３１が模式的に表されている。
【００１８】
図１６に示した検出器断面図において、ダイオードに電流が流れるということは、ＰＮ接合界面３０を横切って界面に垂直な方向にキャリアが移動することに相当する。一般に、ＰＮ接合界面から低濃度Ｓｉ側へと広がる空乏層内に結晶欠陥などの何らかのトラップが存在する場合、キャリアが移動中にトラップに遭遇すると、ここでキャリアの捕獲／再放出が起こる。その結果、ダイオードを流れる電流に時間的なゆらぎを生じ、ダイオード両端の電位差Ｖｆにも電圧のゆらぎが発生する。このゆらぎは周波数特性を有し、その大きさが１／ｆ（ｆ：周波数）に依存することから、一般に「１／ｆノイズ」と呼ばれている。ＳＯＩダイオード方式の熱型検出器では、図１６に示したようにＳｉ領域およびＰＮ接合界面３０は酸化膜で囲まれており、その酸化膜との界面近傍には結晶の不連続性のため多数のＳｉ／酸化膜界面準位３１が存在している。このため、ダイオードを流れる電流のうち、特にＳｉ領域の周辺付近を流れる電流は、界面準位トラップ３１と遭遇する確率が高い。また、ＰＮ接合界面３０と接する酸化膜にはボックス酸化膜２、フィールド酸化膜１４および層間酸化膜２６が存在するが、成膜方法の違いのため、このうちフィールド酸化膜１４との界面が最も界面準位密度が高い。以上の点から、従来のＳＯＩダイオード方式の熱型検出器においては、主にフィールド酸化膜１４との界面に存在するＳｉ／酸化膜界面準位にキャリアが捕獲／再放出されることによって１／ｆノイズが発生するものと考えられている。
【００１９】
このように、従来のＳＯＩダイオード方式の熱型検出器ではＰＮ接合近傍のＳｉ領域とフィールド酸化膜界面に存在するＳｉ／酸化膜界面準位が１／ｆノイズの発生要因となっていた。それゆえこの検出器を用いた従来の赤外線固体撮像素子では、１／ｆノイズが他の読出ノイズに比べて極めて大きく、撮像素子としての温度分解能を劣化させるという問題点があった。
【００２０】
さらに、この１／ｆノイズのため、画素の検出器レイアウトを決定する上でも以下のような制約があった。定電流駆動を行う熱型検出器では、１つの画素内に複数個のダイオードを直列接続することで感度を向上できるが、限られた画素サイズ内に多数のダイオードを形成しようとすると、１個あたりのダイオード幅を小さくする必要がある。また、画素数を増加させて画質の向上を図る場合や素子サイズを小さくして撮像装置の小型化を図る場合には画素サイズ自体を小さくしたいという要求があるが、その場合も１個あたりのダイオード幅を小さくする必要がある。ところが、ダイオード幅を小さくすると、Ｓｉ領域内を流れる電流のうちフィールド酸化膜界面近傍を流れる電流の割合が増加し、界面準位との遭遇確率が増す。それゆえ従来の熱型検出器では、ダイオード幅を小さくすると１／ｆノイズがますます増大してしまい、感度向上や画素サイズ縮小などの性能改善を行えないといった問題点があった。
【００２１】
本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、ＳＯＩダイオード方式の熱型検出器において、十分な逆方向耐圧を有し、寄生ＰＭＯＳトランジスタによるリーク電流を低減した良好なダイオード特性を有し、さらに１／ｆノイズを低減した良好な熱型検出器を提供することを目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る第１の熱型赤外線検出器は、半導体基板と、半導体基板と熱的に分離された断熱構造体と、断熱構造体上に形成された複数個のＰＮ接合ダイオードとを有し、各々のダイオードが電気的に直列接続される熱型赤外線検出器である。熱型赤外線検出器において、複数個のＰＮ接合ダイオードを構成するＰ型半導体領域とＮ型半導体領域は交互に配置されて一連の半導体領域を形成する。複数個のＰＮ接合ダイオードには、第１のタイプのダイオードと第２のタイプのダイオードとが含まれる。このとき、第１のタイプのダイオードは、Ｐ型またはＮ型のうちの一の導電型の第１の半導体と、Ｐ型またはＮ型のうちの他の導電型の半導体であって第１の半導体よりも高い不純物濃度を有する第２の半導体とのＰＮ接合によって構成される。第２のタイプのダイオードは、第２の半導体と、一の導電型の半導体であって第１の半導体よりも高い不純物濃度を有する第３の半導体とのＰＮ接合によって構成される。
【００２３】
本発明に係る第２の熱型赤外線検出器は、第１の熱型赤外線検出器において、第３の半導体が上層及び下層の２つの半導体領域からなる。下層の半導体領域は上層の半導体領域よりも高い不純物濃度を有する。
【００２４】
本発明に係る第３の熱型赤外線検出器は、第１の熱型赤外線検出器において、断熱構造体上に形成された複数個のＰＮ接合ダイオードのうち、第１のタイプのダイオードは１つだけ形成する。このとき、その１つのダイオードは複数ダイオードの直列接続の終端に配置される。
【００２６】
本発明に係る第４の熱型赤外線検出器は、半導体基板と、半導体基板と熱的に分離された断熱構造体と、断熱構造体上に形成された複数個のＰＮ接合ダイオードを有し、各々のダイオードが電気的に直列接続される熱型赤外線検出器である。第３の熱型赤外線検出器において、各ダイオードは、第１の導電型の半導体領域と、第１の導電型と異なる第２の導電型の半導体領域とから構成される。各ダイオードにおいて、第１及び第２の導電型の半導体領域は、熱型赤外線検出器の上方から見て、第２の導電型の半導体領域が第１の導電型の半導体領域を囲繞するように形成される。
【００２７】
本発明に係る第５の熱型赤外線検出器は、半導体基板と、半導体基板と熱的に分離された断熱構造体と、断熱構造体上に形成された複数個のＰＮ接合ダイオードとを有し、各々のダイオードが電気的に直列接続される熱型赤外線検出器である。各ダイオードは、第１の導電型の半導体領域と、第１の導電型と異なる第２の導電型の半導体領域とから構成される。各ダイオードにおいて、第１及び第２の導電型の半導体領域は、第２の導電型の半導体領域が第１の導電型の半導体領域を熱型赤外線検出器の上面を除いて三次元的に内包するように形成される。
【００２８】
本発明に係る第６の熱型赤外線検出器は、第４または第５の熱型赤外線検出器において、各ダイオードにおける第１の導電型の半導体領域と第２の導電型の半導体領域との接合面の形状をなめらかな曲面状に形成する。
【００２９】
本発明に係る第７の熱型赤外線検出器は、第４ないし第６の熱型赤外線検出器のいずれかにおいて、各ダイオードにおける第２の導電型の半導体領域の不純物濃度を、第１の導電型の半導体領域の不純物濃度よりも高くする。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る熱型赤外線検出器の実施の形態について添付の図面を参照して説明する。なお、各図において同一符号は同一または相当する構成要素または部分を表す。
【００３１】
実施の形態１．
図１は、本発明による熱型赤外線検出器の一例である第１の熱型検出器の平面図である。第１の熱型検出器はＳＯＩダイオード方式の熱型検出器である。同図に示すように、第１の熱型検出器には、中空構造体６、エッチング孔７、金属配線（垂直信号線）９、金属配線（垂直選択線）１０、中空構造体６を機械的に支持するための支持脚１１、上層シリコン薄膜３中に形成され、不純物が高濃度ドープされた高濃度Ｐ型Ｓｉ領域１２、上層シリコン薄膜３中に形成され、不純物が低濃度ドープされた低濃度Ｎ型Ｓｉ領域１３、上層シリコン薄膜３を熱酸化して形成される分離用のフィールド酸化膜１４が設けられている。
【００３２】
領域１２はＳＯＩの上層シリコン薄膜中に形成された高濃度Ｐ型Ｓｉ領域である。領域１３はＳＯＩの上層シリコン薄膜中に形成された低濃度Ｎ型Ｓｉ領域である。領域３２はＳＯＩの上層シリコン薄膜中に形成された高濃度Ｎ型Ｓｉ領域である。ここで、高濃度Ｐ型Ｓｉ領域１２及び高濃度Ｎ型Ｓｉ領域３２は、低濃度Ｎ型Ｓｉ領域１３の不純物濃度を基準とし、それよりも高い不純物濃度でドーピングされている（以下の実施形態においても同じ）。ここで、高濃度とは、例えば１×１０18個/cm3程度以上が、低濃度とはそれよりも２桁程度小さい値が一般的に考えられうる。しかし、これらの濃度値に限定されるものではない。１つの高濃度Ｐ型Ｓｉ領域１２と１つの低濃度Ｎ型Ｓｉ領域１３とをＰＮ接合して１つのダイオード（第１のタイプのダイオード）Ｄ１が形成される。また、１つの高濃度Ｐ型Ｓｉ領域１２と１つの高濃度Ｎ型Ｓｉ領域３２とをＰＮ接合して、別のタイプのダイオード（第２のタイプのダイオード）Ｄ２が１つ形成される。図１に示す例では、これらの２種類のダイオードの各々３個ずつ、すなわち、合計６個のダイオードが、交互に異なるタイプが配置されるように直列に接続されている。すなわち、第１のタイプ→第２のタイプ→第１のタイプ→第２のタイプ…となるように、複数のダイオードが直列接続される。直列接続の終端に有るダイオードは配線９ａ、配線８を介してそれぞれ垂直信号線９及び垂直選択線１０に接続される。
【００３３】
図２は、図１に示した第１の熱型検出器を、複数個のダイオードを直列接続するときの連結方向に沿った断面図である。図２の例では、２個のダイオードを直列に接続する場合について示しているが、３個以上の場合も同様である。図２に示すように、ＳＯＩ基板のバルクＳｉ１において、ＳＯＩ基板のボックス酸化膜２、ＳＯＩ基板の上層シリコン薄膜３、絶縁膜からなる保護膜４が設けられている。上層シリコン薄膜３中にＰＮ接合ダイオードが形成されている。このとき、ボックス酸化膜２の下方には空隙５が形成されている。ボックス酸化膜２と上層シリコン薄膜３と保護膜４とが、下地のバルクＳｉ１と熱的に分離される中空構造体を構成する。また、同図には示していないが、低濃度のＮ型Ｓｉ領域１３にコンタクト２９が接する箇所では、良好なコンタクト特性を得るため、コンタクトホール直下のＮ型Ｓｉ領域の不純物濃度が高められている。
【００３４】
図１および図２に示した第１の熱型検出器の動作を説明する。なお、被写体から放射された赤外線が熱型検出器に入射したとき、これを検出する赤外線検出動作については従来の熱型検出器の場合と同様であるためここでの説明は省略する。
【００３５】
第１の熱型検出器では、前述の様に高濃度Ｐ型Ｓｉと高濃度Ｎ型Ｓｉで構成されるダイオードと、高濃度Ｐ型Ｓｉと低濃度Ｎ型Ｓｉで構成されるダイオードの２種類のダイオードが交互に直列に接続されている。このうち、高濃度Ｐ型Ｓｉと低濃度Ｎ型ＳｉによるダイオードはＰＮ接合の逆方向耐圧が高いため、直列接続されたダイオード全体の逆方向耐圧は十分に高いものとなる。このため、この熱型検出器を用いた赤外線固体撮像素子では、非選択の画素に大きな逆方向バイアスが印加されても、耐圧不足によってライン欠陥が生じるといった不良が発生しない。また、バルクＳｉ／ボックス酸化膜／ＳＯＩの上層シリコン薄膜で構成されて寄生的に生じるＰＭＯＳトランジスタに関しては、Ｎ型Ｓｉ領域３２の不純物濃度を高濃度としたため、この部分での寄生ＰＭＯＳトランジスタの閾値電圧が上昇し、これにより、寄生ＰＭＯＳトランジスタを流れるリーク電流が低減される。なお、２種類のＰＮ接合ダイオードはＮ型Ｓｉ領域の不純物濃度が異なるが、ＰＮ接合界面の面積を同じにすればＩＶ特性は互いに等しくなるため、本実施形態の熱型検出器の赤外線検出感度は従来のものと同一である。
【００３６】
また、熱型検出器において、Ｐ型とＮ型を入れ換えて、第１のタイプのダイオードＤ１を、高濃度Ｎ型Ｓｉ領域と低濃度Ｐ型Ｓｉ領域をＰＮ接合することにより形成してもよい。
【００３７】
実施の形態２．
上記の第１の熱型赤外線検出器の別の例を説明する。図３は、本発明による第２の熱型検出器であってＳＯＩダイオード方式の熱型検出器の、複数個のダイオードの直列接続における連結方向に沿った断面図である。図３の例では、図２の場合と同様に２個のダイオードを直列に接続した場合について示している。
【００３８】
図３に示した第２の熱型検出器は、図２に示した実施の形態１のものと同様に２種類のダイオードが直列に接続されるが、一方のダイオードの構造が図２の場合とは異なっている。すなわち、本実施形態の熱型検出器は、ＳＯＩの上層シリコン薄膜３中の下方に形成された高濃度Ｎ型Ｓｉ領域３２と、ＳＯＩの上層シリコン薄膜３中、その高濃度Ｎ型Ｓｉ領域３２の上方に形成された低濃度Ｎ型Ｓｉ領域１３'とを有する。つまり、実施の形態１において高濃度Ｐ型Ｓｉ（１２）と高濃度Ｎ型Ｓｉ（３２）で構成されるダイオード（図２参照）を、本実施形態では、図３に示すように、高濃度Ｐ型Ｓｉ（１２）と高濃度Ｎ型Ｓｉ（３２）で構成されるダイオードと、高濃度Ｐ型Ｓｉ（１２）と低濃度Ｎ型Ｓｉ（１３'）で構成されるダイオードとの並列回路によって構成する。この場合も、下層のＮ型Ｓｉ領域３２の不純物濃度は、上層の低濃度Ｎ型Ｓｉ領域１３'に比して高濃度とするため、この部分での寄生ＰＭＯＳトランジスタの閾値電圧が上昇し、寄生ＰＭＯＳトランジスタを流れるリーク電流が低減される。その他の動作については、実施の形態１の場合と同様である。
【００３９】
以上のように、上記実施形態による熱型検出器によれば、十分大きな逆方向耐圧を確保した上で寄生ＰＭＯＳトランジスタによるリーク電流を低減でき、ＩＶ特性に優れた熱型検出器を得ることができる。さらに、熱型検出器は、その製造プロセスにおいてＮ型不純物領域の濃度を変更するだけで従来の熱型検出器からの変更が可能である。このため、熱型検出器を用いて従来の赤外線撮像素子の検出器特性を改善する場合には、画素のレイアウト変更は不要で、容易に性能改善が行えるという利点がある。
【００４０】
実施の形態３．
図４は、本発明に係る熱型赤外線検出器の別の例である第３の熱型検出器の平面図である。第３の熱型検出器はＳＯＩダイオード方式の熱型検出器である。図４において、領域３２はＳＯＩの上層シリコン薄膜３中に形成された高濃度Ｎ型Ｓｉ領域である。１つの高濃度Ｐ型Ｓｉ領域１２と１つの高濃度Ｎ型Ｓｉ領域３２とのＰＮ接合により１個のダイオードが形成される。また、１つの高濃度Ｐ型Ｓｉ領域１２と１つの低濃度Ｎ型Ｓｉ領域１３とのＰＮ接合により別の１個のダイオードが形成される。
【００４１】
このとき、第３の熱型検出器では、垂直信号線９の最も近くに配置するダイオードすなわち配線９ａを介して垂直信号線９に接続されたダイオードＤ３を、高濃度Ｐ型Ｓｉ（１２）と低濃度Ｎ型Ｓｉ（１３）で形成する。このように第３の熱型検出器において高濃度Ｐ型Ｓｉ（１２）と低濃度Ｎ型Ｓｉ（１３）で形成されるダイオードはその１つのみであり、残りの複数個のダイオードは全て高濃度Ｐ型Ｓｉ（１２）と高濃度Ｎ型Ｓｉ（３２）で形成される。ここで、垂直信号線９の最も近くのダイオードとは、垂直信号線９との電気的接続関係において近くにあるダイオードのことを意味し、すなわち、一連のダイオード群の終端にあり、垂直信号線９と直接的に電気的に接続される一つのダイオードを指す。
【００４２】
次に、第３の熱型検出器の動作について説明する。第３の熱型検出器では、直列接続された複数個のダイオードを構成する一連のＰＮＰＮ・・・構造において、最も垂直信号線９側にあるＮ型Ｓｉ領域１３の不純物濃度のみが低濃度で、他のＮ型Ｓｉ領域３２の不純物濃度は高濃度としている。すなわち、寄生的に形成されるＰＭＯＳトランジスタのＰ／Ｎ／Ｐ構造において、２つのＰ型Ｓｉ領域１２で挟まれたＮ型Ｓｉ領域３２は全て高濃度となる。このため、全ての寄生ＰＭＯＳトランジスタの閾値電圧が上昇し、これによるリーク電流が大幅に低減される。また、逆方向耐圧に関しては、最も垂直信号線９側に配置された、高濃度Ｐ型Ｓｉ（１２）と低濃度Ｎ型Ｓｉ（１３）からなるＰＮ接合によって、その耐圧が確保される。なお、赤外線検出等のその他の動作については、図２に示した例の場合と同様である。
【００４３】
以上のように、この発明による第３の熱型検出器によれば、比較的大きな逆方向耐圧を確保した上で寄生ＰＭＯＳトランジスタによるリーク電流を大幅に低減でき、ＩＶ特性に優れた熱型検出器を得ることができる。第３の熱型検出器は、この発明による第１の熱型検出器に比べてリーク電流の低減効果が大きいため、１個の高濃度Ｐ型Ｓｉと低濃度Ｎ型Ｓｉの接合だけでも素子駆動に十分な逆方向耐圧が得られる場合には特に有効である。さらに、この発明による第３の熱型検出器は、第１の熱型検出器と同様に、従来の熱型検出器からの変更には画素レイアウトの変更が不要といった利点がある。
【００４４】
実施の形態４．
図５は、本発明に係る熱型赤外線検出器のさらに別の例である第４の熱型検出器の平面図である。第４の熱型検出器はＳＯＩダイオード方式の熱型検出器である。図６は、第４の熱型検出器の、複数個のダイオードの直列接続の連結方向に沿った断面図である。図５及び図６において、Ｐ型Ｓｉ領域１２とＮ型Ｓｉ領域１３とはＰＮ接合され、一対となって１つのダイオードを形成する。Ｐ型Ｓｉ領域１２あるいはＮ型Ｓｉ領域１３には電気的接続を得るためのコンタクト１５が接続され、ダイオード間はそのコンタクト１５を介してＴｉＮ等からなる薄膜配線３３により電気的に接続される。
【００４５】
図５および図６に示した第４の熱型検出器の動作について説明する。第４の熱型検出器では、Ｐ型Ｓｉ領域１２とＮ型Ｓｉ領域１３とのＰＮ接合で構成されるダイオードが複数個配置されるが、各々のダイオード間はフィールド酸化膜１４によって分離されており、薄膜配線３３によって互いに直列接続される。このようにダイオード間をフィールド酸化膜１４で分離したため、従来の熱型検出器で見られた一連のＰ／Ｎ／Ｐ構造もしくはＮ／Ｐ／Ｎ構造が存在せず、寄生ＰＭＯＳトランジスタ及び寄生ＮＭＯＳトランジスタは形成されない。このため、従来の熱型検出器の場合に問題となっていた寄生ＰＭＯＳトランジスタによるリーク電流は完全に解消される。また、耐圧に関しては、各ダイオードが高濃度Ｐ型Ｓｉと低濃度Ｎ型Ｓｉで形成されて大きな逆方向耐圧を有するため、検出器全体として十分に大きな逆方向耐圧を得ることができる。
【００４６】
以上のように、第４の熱型検出器によれば、十分大きな逆方向耐圧を確保した上で寄生ＰＭＯＳトランジスタによるリーク電流を完全に解消でき、ＩＶ特性に極めて優れた熱型検出器を得ることができる。
【００４７】
実施の形態５．
図７は、本発明に係る熱型赤外線検出器のさらに別の例である第５の熱型検出器の平面図である。第５の熱型検出器はＳＯＩダイオード方式の熱型検出器である。図８は、図７に示した第５の熱型検出器の、複数個のダイオードの直列接続の連結方向に沿った断面図である。図７および図８において、高濃度Ｓｉ領域１２は検出器の上方から見て低濃度Ｎ型Ｓｉ領域１３の周囲を取り囲むように形成される。高濃度Ｐ型Ｓｉ領域１２にはコンタクト３４が、低濃度Ｎ型Ｓｉ領域１３にはコンタクト３５がそれぞれ接続され、複数個のダイオード間を電気的に接続するためにＴｉＮ等からなる薄膜配線３３が設けられている。
【００４８】
図７および図８に示す第５の熱型検出器の動作について説明する。第５の熱型検出器では、低濃度Ｎ型Ｓｉ領域１３と、その低濃度Ｎ型Ｓｉ領域１３を取り囲むようにして形成された高濃度Ｐ型Ｓｉ領域１２とにより１つのダイオードが形成される。このとき、各ダイオードについては一連のＰ／Ｎ／Ｐ構造が形成されるが、両側のＰ型Ｓｉ領域１２は同電位のため、これがＰＭＯＳとして作用してリーク電流を生じることはない。また、ダイオード間はフィールド酸化膜１４によって分離されているため、第４の熱型検出器の場合と同様にして、複数個のダイオードを直列接続しても寄生ＰＭＯＳトランジスタによるリーク電流が完全に解消される。また、耐圧に関しては、各ダイオードが高濃度Ｐ型Ｓｉと低濃度Ｎ型Ｓｉで形成されて大きな逆方向耐圧を有するため、検出器全体として十分に大きな逆方向耐圧を得ることができる。さらに、この第５の熱型検出器では、各ダイオードのＰＮ接合界面が周辺のフィールド酸化膜１４に接していない。そのため、ダイオードに電流を流す場合、空乏層中をキャリアが移動する際にＳｉ／フィールド酸化膜界面の界面準位によって捕獲、再放出されるといった問題が回避され、１／ｆノイズの発生が大幅に低減される。
【００４９】
以上のように、この第５の熱型検出器によれば、十分大きな逆方向耐圧を確保した上で寄生ＰＭＯＳトランジスタによるリーク電流を完全に解消でき、ＩＶ特性に優れた熱型検出器が得られるとともに、１／ｆノイズの極めて小さな熱型検出器を得ることができる。なお、本実施形態では、ダイオード形状として低濃度Ｎ型Ｓｉ領域の周囲を高濃度Ｐ型Ｓｉ領域が囲繞する場合について示したが、２つのＳｉ領域の不純物濃度の大小関係を逆にしても同様の作用があり、さらに、Ｐ型Ｓｉ領域の周囲をＮ型Ｓｉ領域が取り囲むようにしても同様である。
【００５０】
実施の形態６．
図９は、本発明に係る熱型赤外線検出器のさらに別の例である第６の熱型検出器の断面図である。第６の熱型検出器はＳＯＩダイオード方式の熱型検出器である。図９は、複数個のダイオードの直列接続における連結方向に沿った断面図である。図９において、高濃度Ｐ型Ｓｉ領域１２は検出器の上方から見て低濃度Ｎ型Ｓｉ領域１３の周囲を取り囲むように形成され、高濃度Ｓｉ領域１２’はＳＯＩの上層シリコン薄膜中で低濃度Ｎ型Ｓｉ領域１３の下方に形成されている。
【００５１】
図９に示す第６の熱型検出器の動作について説明する。第６の熱型検出器において、高濃度Ｐ型Ｓｉ領域１２が検出器上方から見て低濃度Ｎ型Ｓｉ領域１３の周囲を取り囲むように形成されるとともに、低濃度Ｎ型Ｓｉ領域１３の下方にも高濃度Ｐ型Ｓｉ領域（領域１２'）を形成して、上面を除く全ての面でＮ型Ｓｉ領域をＰ型Ｓｉ領域が取り囲むようなダイオード構造（包含型構造）としている。このとき、ダイオードのＰＮ接合界面は、分離用のフィールド酸化膜１４に接しないばかりでなくボックス酸化膜２とも接しない。そのため、ダイオードに電流を流す場合、空乏層中をキャリアが移動する際にＳｉとフィールド酸化膜との界面や、Ｓｉとボックス酸化膜との界面の界面準位によって捕獲、再放出されるといった問題が回避され、１／ｆノイズの発生がますます低減される。さらに、この熱型検出器はダイオードのＰＮ接合面積が大きくなるため、検出器を定電流駆動したときのＰＮ接合界面での電流密度が小さくなる。定電流駆動の場合、ダイオードの温度変化に対する順方向電圧の変化量は電流密度が小さいほど増加するため、この第６の熱型検出器では赤外線検出感度が向上する。また、複数個のダイオードを直列接続する場合の寄生ＰＭＯＳトランジスタによるリーク電流を解消する作用と、大きな逆方向耐圧を得る作用については、前述の第５の熱型検出器の場合と同様である。
【００５２】
以上のように、この第６の熱型検出器によれば、十分大きな逆方向耐圧を確保した上で寄生ＰＭＯＳトランジスタによるリーク電流を完全に解消でき、ＩＶ特性に優れた熱型検出器が得られるとともに、１／ｆノイズが極めて小さく、赤外線検出感度の高い熱型検出器を得ることができる。なお、本実施形態では、ダイオード形状として低濃度Ｎ型Ｓｉ領域の周囲を高濃度Ｐ型Ｓｉ領域が取り囲む場合について示したが、２つのＳｉ領域の不純物濃度の大小関係を逆にしても同様の作用があり、さらに、Ｐ型Ｓｉ領域の周囲をＮ型Ｓｉ領域が取り囲む場合についても同様である。
【００５３】
実施の形態７．
図１０は、本発明に係る熱型赤外線検出器のさらに別の例である第７の熱型検出器の平面図である。第７の熱型検出器はＳＯＩダイオード方式の熱型検出器である。第７の熱型検出器では、図１０に示すように、各ダイオードのＰＮ接合界面の形状を検出器上面から見て円形としていることが特徴であり、その他については前述の第５の熱型検出器もしくは第６の熱型検出器の場合と同様である。
【００５４】
図１０に示す第７の熱型検出器の動作について説明する。一般に、ＰＮ接合界面が平面的でなく面内に突起などの角が含まれる場合には、その先端部で電界集中が起こり、逆方向耐圧低下やリークによるＩＶ特性不良などの問題が発生しやすい。しかしながら、図１０に示す第７の熱型検出器では、ＰＮ接合界面を上方から見て円形に形成したことにより、ＰＮ接合界面はなめらかな曲面となり、電界集中が抑制される。なお、図１０の例では各ダイオード周辺のフィールド酸化膜１４との界面もなめらかな形状としているが、この部分の形状は任意で従来の方形状のままでも良い。
【００５５】
以上のように、第７の熱型検出器によれば、第５および第６の熱型検出器と同等の作用を有した上で、さらに逆方向耐圧を向上させ、ＩＶ特性に極めて優れた熱型検出器が得られる。なお、本実施形態では、ダイオードのＰＮ接合界面を上方から見て円形に形成しているが、これをなめらかな曲面状に形成するのであればその形状は任意であり、その場合も同様の作用がある。
【００５６】
実施の形態８．
図１１は、本発明に係る熱型赤外線検出器のさらに別の例である第８の熱型検出器の平面図である。第８の熱型検出器はＳＯＩダイオード方式の熱型検出器である。図１１において、領域３６は第１の導電型の高濃度不純物Ｓｉ領域である。領域３７は、第１の導電型の逆の導電型となる第２の導電型の領域であって、領域３６よりも低い不純物濃度を持つ低濃度不純物Ｓｉ領域である。各ダイオードを形成する半導体領域が包含型となる点は、前述の第５ないし第７の熱型検出器の場合と同様である。しかし、第８の熱型検出器では、外側に形成されるＳｉ領域の不純物濃度を高く、内側に形成されるＳｉ領域３７の不純物濃度をそれよりも低くしていることを特徴とする。
【００５７】
図１１に示す第８の熱型検出器の動作について説明する。包含型のダイオードを電気的に接続する場合、レイアウトの点から、２つのＳｉ領域３６、３７へのコンタクト３４、３５からＰＮ接合界面までの長さは、互いに異なるものとなる。すなわち、高濃度のＳｉ領域３６のコンタクト３４からＰＮ接合界面までの長さは相対的に長く、低濃度のＳｉ領域３７のコンタクト３５からＰＮ接合界面までの長さは相対的に短くなる。このとき、高濃度のＳｉ領域３６はチャネル抵抗が低く、一方、低濃度のＳｉ領域３７はチャネル抵抗が高いため、この発明による第８の熱型検出器では、ダイオード全体としての直列抵抗が低減される。ダイオードに電流を流す場合、ここで発生する熱雑音はダイオードの直列抵抗に応じて増加するため、この熱型検出器では直列抵抗が低い分だけ熱雑音が低減される。
【００５８】
このように第８の熱型検出器によれば、第５ないし第７の熱型検出器と同等の作用を有したうえで、さらにダイオードの熱雑音も低減されるといった優れた利点がある。
【００５９】
以上述べたように、本発明に係るＳＯＩダイオード方式の熱型検出器によれば、逆方向耐圧が大きくリーク電流が少ない理想的なＩＶ特性を有し、赤外線検出感度が高く、通電時の１／ｆノイズや熱雑音などの読出ノイズが少ない優れた熱型検出器を得ることができる。そのため、この発明による熱型検出器を用いた赤外線固体撮像素子は、温度分解能が向上するとともに、画素サイズ縮小による撮像装置の小型化や多画素化による高画質化が可能になるといった優れた効果がある。
【００６０】
【発明の効果】
本発明の第１の熱型赤外線検出器によれば、複数個のダイオードのうちの高濃度の一の導電型半導体（例えばＰ型Ｓｉ）と低濃度の他の導電型の半導体（Ｎ型Ｓｉ）とで形成されるダイオードが、検出器全体としての十分大きな逆方向耐圧を確保する。同時に、残りのダイオードは高濃度の一の導電型半導体と高濃度の他の導電型半導体とで形成されるため、複数個のダイオードを直列接続する際に寄生的に形成されるＰＭＯＳの閾値電圧を上昇させ、これによりリーク電流を低減できる。
【００６１】
本発明の第２の熱型赤外線検出器によれば、少なくとも一つのダイオードを構成する一の半導体を不純物濃度の異なる２つの半導体領域で構成し、下層の半導体領域の不純物濃度を上層の半導体領域に比して高濃度とするため、この部分での寄生トランジスタの閾値電圧が上昇し、寄生トランジスタを流れるリーク電流を低減できる。
【００６２】
本発明の第３の熱型赤外線検出器によれば、耐圧を確保するために形成された高濃度の一の導電型半導体（例えばＰ型Ｓｉ）と低濃度の他の導電型の半導体（Ｎ型Ｓｉ）とからなる１つのダイオードをダイオードの直列接続の終端に位置させ、残りのダイオードは高濃度の一の導電型半導体（Ｐ型Ｓｉ）と高濃度の他の導電型（Ｎ型Ｓｉ）の半導体とで構成する。このような配置にしたとき、基板裏面側に寄生的に形成されるＭＯＳトランジスタに関しては、２つの一の導電型（Ｐ型）半導体領域で挟まれた他の導電型（Ｎ型）の半導体領域の不純物濃度は全て高濃度となる。このため、全ての寄生トランジスタは他の導電型（Ｎ型）の不純物濃度の増加によって閾値電圧が上昇し、寄生トランジスタによるリーク電流が大幅に低減される。
【００６４】
本発明の第４の熱型検出器は、ダイオードのＰＮ接合界面が最も界面準位密度の高い半導体とフィールド酸化膜の界面とは接しないような構造（包含型構造）としたため、ダイオードで発生する１／ｆノイズが大幅に低減される。
【００６５】
本発明の第５の熱型検出器は、ダイオードのＰＮ接合界面が半導体とフィールド酸化膜の界面と接しないばかりでなく、半導体とボックス酸化膜界面とも接しないような構造としたため、１／ｆノイズはさらに低減される。同時に、ＰＮ接合界面の面積も増加するため、ダイオード温度変化に対する順方向電圧の変化量が増大して検出器感度が向上する。
【００６６】
本発明の第６の熱型検出器は、上記の包含型構造のダイオードを形成する場合のＰＮ接合界面の形状をなめらかな曲面状としている。ＰＮ接合界面が平面でなく角状の突起部分を含んでいる場合には、その先端部で電界集中が起こり逆方向耐圧低下などの不良が発生しやすい。しかしながら、第６の熱型検出器ではＰＮ接合界面をなめらかに形成したことにより電界集中が抑制され、その結果、十分大きな逆方向対圧が確保される。
【００６７】
本発明の第７の熱型検出器は、包含型構造のダイオードを形成する場合のＰＮ接合の濃度を、内側の半導体領域は低濃度に、外側の半導体領域を高濃度としている。このような包含型構造のダイオードでは、これを電気的に接続する場合、必然的に外側の半導体領域の実効的なチャネル長が長く、内側の半導体領域の実効的なチャネル長が短くなる。このとき、低濃度の半導体領域はチャネル抵抗が高く、高濃度の半導体領域はチャネル抵抗が低くなるため、第７の熱型検出器では、ダイオード全体としての直列抵抗が低減される。ダイオードに電流を流す場合、その熱雑音はダイオードの直列抵抗に応じて増加するため、この熱型検出器では直列抵抗が低い分だけ熱雑音も低減される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る第１の熱型検出器の平面図である。
【図２】 本発明に係る第１の熱型検出器の断面図である。
【図３】 本発明に係る第２の熱型検出器の他の例の出器断面図である。
【図４】 本発明に係る第３の熱型検出器の平面図である。
【図５】 本発明に係る第４の熱型検出器の平面図である。
【図６】 本発明による第４の熱型検出器の断面図である。
【図７】 本発明による第５の熱型検出器の平面図である。
【図８】 本発明による第５の熱型検出器の断面図である。
【図９】 本発明による第６の熱型検出器の断面図である。
【図１０】 本発明による第７の熱型検出器の平面図である。
【図１１】 本発明による第８の熱型検出器の平面図である。
【図１２】 従来のＳＯＩダイオード方式の熱型検出器の断面図である。
【図１３】 従来のＳＯＩダイオード方式の熱型検出器の平面図である。
【図１４】 従来のＳＯＩダイオード方式の赤外線固体撮像素子の素子ブロック図である。
【図１５】 従来の熱型検出器のダイオード連結方向に沿った断面図である。
【図１６】 従来の熱型検出器のＰＮ接合界面における断面図である。
【符号の説明】
１ バルクＳｉ、 ２ ボックス酸化膜、 ３ 上層シリコン薄膜、 ４ 保護膜、 ５ 空隙、 ６ 中空構造体、 ７ エッチング孔、 ８,９ａ 薄膜配線、 ９ 垂直信号線、 １０ 垂直選択線、 １１ 支持脚、 １２ 高濃度Ｐ型Ｓｉ領域、 １３ 低濃度Ｎ型Ｓｉ領域、 １４ フィールド酸化膜、 １５ コンタクト、 １６ コンタクト、 １７ 画素境界、 １８ ＰＮ接合ダイオード、 １９ 垂直走査回路、 ２０ 水平走査回路、 ２１ 定電流源、 ２２ 積分増幅回路、 ２３ 水平選択ＭＯＳトランジスタ、 ２４ 水平信号線、 ２５ 出力アンプ、 ２６ 層間絶縁膜、 ２７ コンタクト、 ２８ コンタクト、 ２９ コンタクト、 ３０ ＰＮ接合界面、 ３１ 界面準位トラップ ３２ 高濃度Ｎ型Ｓｉ領域、 ３３ 薄膜配線、 ３４ コンタクト、 ３５ コンタクト、 ３６ 第１の導電型の高濃度Ｓｉ領域、 ３７ 第２の導電型の低濃度Ｓｉ領域。
【発明の属する技術分野】
本発明は、赤外線固体撮像素子に用いられる熱型の赤外線検出器に関し、特にＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板上に形成されたＰＮ接合ダイオードを利用する熱型検出器のダイオード特性の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年のシリコン（Ｓｉ）ＬＳＩ技術の進歩にともない、半導体基板上に多数の光検出器をアレイ状に配置し、同一基板上に信号電荷の読出回路や出力アンプ等を形成した固体撮像素子が多数開発されている。このうち光検出器として赤外線検出器を用いた赤外線固体撮像素子は、赤外線レンズ、駆動回路、信号処理回路などと組み合わせて赤外線カメラとして実用化されており、防犯、報道、計測、リモートセンシングなどの様々な分野で利用されている。赤外線検出器は、その光検出機構によって量子型検出器と熱型検出器とに大別される。
【０００３】
量子型検出器としては、バンド間遷移を利用する化合物半導体系の検出器や、金属／半導体接合からなるショットキダイオード等が利用され、熱型検出器に比べて感度が高く、応答速度が早いといった長所がある。ただし、これらの量子型検出器は動作温度が−２００℃程度と極めて低温なため、撮像には素子冷却が必要であり、撮像装置が大型かつ高価になる。
【０００４】
一方、熱型検出器は素子冷却が不要なため、撮像装置の小型化、低価格化に適しており、シリコンマイクロマシーニング技術の進歩とともに、急速に開発が進められるようになってきた。熱型検出器は、半導体基板上方に基板と熱的に分離した中空構造体を形成し、被写体が放出する赤外線を受けたときの中空構造体の温度変化を検知するものである。その温度変化を検知する手段としては、中空構造体上にボロメータを形成して抵抗変化を検知するボロメータ方式や、中空構造体上にダイオードを形成して、順方向電流を流したときの電圧変化を検知するダイオード方式等が提案されている。このうち、半導体基板としてＳＯＩ基板を用いて中空構造体を形成し、検知部としてＰＮ接合ダイオードを用いたＳＯＩダイオード方式の熱型検出器は、通常のシリコンＬＳＩプロセスを用いて検出器と信号読出回路とをモノリシックに形成することが可能なため、量産化が容易で、素子の低価格化に適している。
【０００５】
図１２は、従来のＳＯＩダイオード方式の熱型検出器の中空断熱構造を示す検出器の断面図である。図１２に示すように、ＳＯＩ基板のバルクＳｉ１において、ＳＯＩ基板のボックス酸化膜２、２’、ＳＯＩ基板の上層シリコン薄膜３、絶縁膜からなる保護膜４が設けられている。ＰＮ接合ダイオードは上層シリコン薄膜３中に形成される。このとき、ボックス酸化膜２の下方にはシリコンマイクロマシーニング技術を用いて空隙５が形成されており、ボックス酸化膜２と上層シリコン薄膜３と保護膜４とで構成される中空構造体６が、下地のバルクＳｉ１と熱的に分離されている。空隙５は、エッチング孔７を通して下地のバルクＳｉの一部が除去されることにより形成されている。また、ＳＯＩ基板のボックス酸化膜２、２’上にＴｉＮなどからなる薄膜配線８、Ａlなどからなる金属配線９がそれぞれ設けられている。ボックス酸化膜２と薄膜配線８と保護膜４とで構成される支持脚１１が中空構造体６とバルクＳｉ１とを機械的に結合し、さらに薄膜配線８が上層シリコン薄膜３中のＰＮ接合ダイオードと金属配線９とを電気的に結合している。
【０００６】
図１３は、図１２に示した従来のＳＯＩダイオード方式の熱型検出器の平面図である。図１３におけるＡ−Ａ’断面が、図１２の検出器の断面図に相当する。図１３に示すように、熱型検出器には、中空構造体６、エッチング孔７、金属配線９、１０、中空構造体６を機械的に支持するための支持脚１１、上層シリコン薄膜３中に形成され、不純物が高濃度ドープされた高濃度Ｐ型Ｓｉ領域１２、上層シリコン薄膜３中に形成され、不純物が低濃度ドープされた低濃度Ｎ型Ｓｉ領域１３、上層シリコン薄膜３を熱酸化して形成される分離用のフィールド酸化膜１４が設けられている。このとき、１つの高濃度Ｐ型Ｓｉ領域１２と、１つの低濃度Ｎ型Ｓｉ領域１３との接合によって１つのダイオードＤ１１が形成される。高濃度Ｐ型Ｓｉ領域１２と低濃度Ｎ型Ｓｉ領域１３とが交互に連なった一連のＳｉ領域によって複数個のダイオードが形成される。また、薄膜配線によるコンタクト１４を介して複数個のダイオードが電気的に直列接続される。なお、図１３では１個の検出器あたりにダイオード６個を直列に配置した場合を示している。また、コンタクト１６は薄膜配線８と金属配線９、１０とを電気的に接続するためのものである。検出器１個（＝画素）の境界は外枠１７で模式的に示されている。
【０００７】
次に、図１２および図１３を用いて、従来のＳＯＩダイオード方式の熱型検出器の赤外線検出動作について説明する。被写体から放出された赤外線は、光学レンズ等によって集光されて各画素１７に入射し、ここで吸収される。このとき、画素の中空構造体６は断熱構造となっているため、吸収された赤外線エネルギに応じて中空構造体６の温度が変化する。基板のバルクＳi１の温度を一定に保つ場合、中空構造体６で吸収される赤外線エネルギがΔＰだけ変化したときの中空構造体６の温度変化ΔＴｄは、熱平衡状態においては近似的に次の関係を満たす。
ΔＰ＝Ｇｔ・ΔＴｄ （１）
ここで、Ｇｔは支持脚１１の熱コンダクタンスである。Ｇｔが小さいほど入射赤外線強度の変化に対する中空構造体６の温度変化が大きくなるため、支持脚１１は細長く形成するなどして熱コンダクタンスを小さくすることで、赤外線検出感度の向上を図ることができる。
【０００８】
熱型検出器はこの中空構造体６の温度変化を検出するものであり、ＳＯＩダイオード方式の熱型検出器では、ＳＯＩ基板上に形成したＰＮ接合ダイオードの順方向ＩＶ（電流−電圧）特性の温度変化によってこれを検出する。一般的に、１個のＰＮ接合ダイオードの順方向ＩＶ特性は次式で与えられる。
Ｉｆ＝Ｉｏ・ｅｘｐ（ｑ・Ｖｆ／ｎ／ｋ／Ｔｄ） （２）
ここで、Ｉｆはダイオードを流れる順方向電流、ＶｆはＰＮ接合界面に印加される順方向電圧、Ｉｏは飽和電流、ｑは素電荷、ｎはダイオードの理想係数、ｋはボルツマン定数、Ｔｄはダイオードの温度である。飽和電流Ｉｏも温度依存性を有するため、式（２）に示すようにダイオードの順方向ＩＶ特性は温度によって変化する。従って、ダイオードの両端に一定の順方向電圧を印加したときの電流値の変化を計測する（定電圧駆動）か、あるいは一定の順方向電流を流したときにダイオードの両端に発生する電圧の変化を計測する（定電流駆動）ことにより、ダイオードの温度変化、すなわち入射赤外線の強度変化を検出することができる。
【０００９】
複数個の熱型検出器をアレイ状に配置して赤外線固体撮像素子を形成する場合、定電圧駆動を行おうとすると、各検出器への配線長は各々異なり、配線による電圧降下分が検出器ごとに異なったものとなるため、各検出器に印加する順方向電圧を揃えることが難しい。そのため、ＳＯＩダイオード方式の赤外線固体撮像素子では、定電流駆動によって温度変化を検出するのが一般的である。定電流駆動の場合、１つの検出器内にｍ個（ｍ＞１）のダイオードを形成し、これらを直列に接続すると、ダイオードの温度変化に対する電圧の変化分がトータルでｍ倍に増大する。つまり、定電流駆動の場合、複数個のダイオードを直列接続することで赤外線検出感度の向上が図られている。
【００１０】
また、図１４は、従来のＳＯＩダイオード方式の赤外線固体撮像素子の構成を示す素子ブロック図である。図１４に示すように、図１２および図１３に示した熱型検出器からなる画素１７が二次元アレイ状に配置されている。また赤外線固体撮像素子は、複数個が直列に接続されたＰＮ接合ダイオード１８、垂直信号線９、垂直選択線１０、垂直走査回路１９、水平走査回路２０、垂直信号線９の一端に接続されたＭＯＳトランジスタからなる定電流源２１、垂直信号線に接続された積分増幅回路２２、水平走査回路２０によって制御される水平選択トランジスタ２３、水平信号線２４及びソースフォロアアンプなどからなる出力アンプ２５を有する。
【００１１】
次に、図１４を用いて、従来のＳＯＩダイオード方式の赤外線固体撮像素子の動作について説明する。まず、垂直走査回路１９により１つの垂直選択線１０が選択され、選択された行のダイオード１８のアノードに電圧Ｖが印加される。各ダイオードを流れる順方向電流は、定電流源２１の作用によって一定値に制御される。このとき、赤外線入射によって決まるダイオードの温度に応じて複数個が直列接続されたダイオードの両端に電位差Ｖｄを生じるため、垂直信号線９の電位は各々Ｖ−Ｖｄとなる。なお、非選択行の垂直選択線１０の電位は０Ｖであり、非選択行のダイオード１８の両端には−（Ｖ−Ｖｄ）の逆方向電圧が印加されるため、ダイオードの整流作用によって非選択行のダイオードに電流が流れることはない。各垂直信号線９の電位変化分は、各列ごとに設けられた積分増幅回路２２によって増幅される。次に、水平走査回路２０によって１個の水平選択トランジスタ２３が選択されると、対応した列の積分増幅回路２２の出力が水平信号線２４および出力アンプ２５を介して素子外部へと出力される。以上の一連の動作が垂直走査回路１９と水平走査回路２０を走査することによって繰り返され、アレイ状に配置された各画素からの出力を時系列に読み出すことで、二次元の赤外線画像情報を得る。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のＳＯＩダイオード方式の熱型検出器では以下のような問題があった。図１５は、従来の熱型検出器において複数個のダイオードを直列接続する場合の連結方向に沿った断面図である。図１５に示す例では、２個のダイオードを直列に接続した場合を示しているが、３個以上の場合も同様である。図１５に示すように、ＳＯＩ基板のバルクＳｉ１上に、ボックス酸化膜２、断熱構造とするために形成された空隙５、ＳＯＩの上層シリコン薄膜中に形成された高濃度Ｐ型Ｓｉ領域１２、上層シリコン薄膜中に形成された低濃度Ｎ型Ｓｉ領域１３、分離用のフィールド酸化膜１４、酸化膜などの層間絶縁膜２６、及び、保護膜４が設けられている。また、コンタクト２７、２９は直列接続された複数個のダイオードの両端におけるコンタクトであり、コンタクト２８は各々のダイオードを直列に接続するためのダイオード間のコンタクトである。なお、同図には示していないが、低濃度のＮ型Ｓｉ領域１３にコンタクト２８、２９が接する箇所では、良好なコンタクト特性を得るため、コンタクトホール直下のＮ型Ｓｉ領域の不純物濃度が高められている。
【００１３】
図１５に示した従来の熱型検出器を定電流駆動する場合、その動作は以下のようになる。まず、垂直走査によって１行の画素が選択されると、コンタクト２７を介してダイオードの一端（Ｐ側）に電圧Ｖが印加され、ダイオードに定電流Ｉｆが流れる。このとき、式（２）に従ってダイオード１個あたりＶｆの電圧降下を生じ、ダイオードをｍ個連結した場合には両端でＶｄ（＝ｍ・Ｖｆ）の電圧降下を生じる。すなわち、ダイオード他端（Ｎ側）のコンタクト２９の電位はＶ−Ｖｄとなる。入射赤外線強度に応じてダイオード温度が変化するとＶｄの値が変化するため、コンタクト２９を介してその変化分を読み出すことで赤外線を検知する。
【００１４】
ところが、図１５に示した従来の熱型検出器では、複数個のダイオードを連結する場合に高濃度Ｐ型Ｓｉ領域１２と低濃度Ｎ型Ｓｉ領域１３とが交互に連なって形成されている。ここで、バルクＳｉ／ボックス酸化膜／ＳＯＩの上層シリコン薄膜で構成される構造は、いわばＭＯＳトランジスタを基板の裏側に形成しているのと同様の構造をしている。このため、一連の高濃度Ｐ型Ｓｉ領域１２／低濃度Ｎ型Ｓｉ領域１３／高濃度Ｐ型Ｓｉ領域１２で構成されたＰ／Ｎ／Ｐ構造の部分が寄生的なＰＭＯＳトランジスタを、一連の低濃度Ｎ型Ｓｉ領域１３／高濃度Ｐ型Ｓｉ領域１２／低濃度Ｎ型Ｓｉ領域１３で構成されたＮ／Ｐ／Ｎ構造の部分が寄生的なＮＭＯＳトランジスタをなす。定電流駆動動作において選択画素のダイオードには（Ｖ−Ｖｄ）〜Ｖの正電圧が印加されるが、一方、バルクＳｉ１の基板電位は０Ｖである。このため、駆動時には寄生ＭＯＳトランジスタのゲート（＝基板）に相対的に負電圧を印加した状態になる。その場合、二種類の寄生ＭＯＳトランジスタのうち寄生ＮＭＯＳトランジスタは電流を遮断する方向に作用するが、一方、寄生ＰＭＯＳトランジスタはより電流を流す方向に作用する。その結果、定電流駆動時に検出器を流れる電流が、ダイオードの順方向電流と寄生ＰＭＯＳトランジスタを流れるリーク電流との和となり、検出器のＩＶ特性を著しく劣化させるという問題があった。
【００１５】
この寄生ＰＭＯＳトランジスタの影響を低減するための１つの方策として、Ｎ型Ｓｉ領域１３の不純物濃度を高めることも考えられるが、この場合にはＰＮ接合の逆方向耐圧が低下する。従来の赤外線固体撮像素子では、非選択の画素にはＶ−Ｖｄの比較的大きな逆方向バイアスが印加される。このため、ある画素の逆方向耐圧が不足した場合には、正常画素の読出動作中でもその不良画素に接続された垂直信号線９の電位が低下してしまい、縦方向のライン欠陥を生じる。すなわち、単純にＮ型Ｓｉ領域１３の不純物濃度を高めるだけでは、寄生ＰＭＯＳトランジスタによるリークを低減させる効果はあるが、他の不良を引き起こすという問題があった。
【００１６】
また、図１２などに示した従来の赤外線検出器では、以下に示す別の問題があった。赤外線固体撮像素子の最も重要な性能である温度分解能は、感度と読出ノイズの比で決定される。このうち読出ノイズに関しては、従来のＳＯＩダイオード方式の赤外線固体撮像素子においてはダイオードが発生する１／ｆノイズが最も大きく、その低減が重要な課題となっていた。従来のＳＯＩダイオード方式の熱型検出器におけるダイオードの１／ｆノイズの発生要因について説明する。
【００１７】
図１６は、従来のＳＯＩダイオード方式の熱型検出器における、ダイオードの連結方向に垂直なＰＮ接合界面での断面図である。同図において、各符号は図１５に示した従来の熱型検出器と同一符号のものを示している。また、同図においてダイオードのＰＮ接合界面３０、及び、ＰＮ接合界面３０とその周囲の酸化膜（ボックス酸化膜２、フィールド酸化膜１４および層間酸化膜２６）とのＳｉ／酸化膜界面付近に存在する界面準位トラップ３１が模式的に表されている。
【００１８】
図１６に示した検出器断面図において、ダイオードに電流が流れるということは、ＰＮ接合界面３０を横切って界面に垂直な方向にキャリアが移動することに相当する。一般に、ＰＮ接合界面から低濃度Ｓｉ側へと広がる空乏層内に結晶欠陥などの何らかのトラップが存在する場合、キャリアが移動中にトラップに遭遇すると、ここでキャリアの捕獲／再放出が起こる。その結果、ダイオードを流れる電流に時間的なゆらぎを生じ、ダイオード両端の電位差Ｖｆにも電圧のゆらぎが発生する。このゆらぎは周波数特性を有し、その大きさが１／ｆ（ｆ：周波数）に依存することから、一般に「１／ｆノイズ」と呼ばれている。ＳＯＩダイオード方式の熱型検出器では、図１６に示したようにＳｉ領域およびＰＮ接合界面３０は酸化膜で囲まれており、その酸化膜との界面近傍には結晶の不連続性のため多数のＳｉ／酸化膜界面準位３１が存在している。このため、ダイオードを流れる電流のうち、特にＳｉ領域の周辺付近を流れる電流は、界面準位トラップ３１と遭遇する確率が高い。また、ＰＮ接合界面３０と接する酸化膜にはボックス酸化膜２、フィールド酸化膜１４および層間酸化膜２６が存在するが、成膜方法の違いのため、このうちフィールド酸化膜１４との界面が最も界面準位密度が高い。以上の点から、従来のＳＯＩダイオード方式の熱型検出器においては、主にフィールド酸化膜１４との界面に存在するＳｉ／酸化膜界面準位にキャリアが捕獲／再放出されることによって１／ｆノイズが発生するものと考えられている。
【００１９】
このように、従来のＳＯＩダイオード方式の熱型検出器ではＰＮ接合近傍のＳｉ領域とフィールド酸化膜界面に存在するＳｉ／酸化膜界面準位が１／ｆノイズの発生要因となっていた。それゆえこの検出器を用いた従来の赤外線固体撮像素子では、１／ｆノイズが他の読出ノイズに比べて極めて大きく、撮像素子としての温度分解能を劣化させるという問題点があった。
【００２０】
さらに、この１／ｆノイズのため、画素の検出器レイアウトを決定する上でも以下のような制約があった。定電流駆動を行う熱型検出器では、１つの画素内に複数個のダイオードを直列接続することで感度を向上できるが、限られた画素サイズ内に多数のダイオードを形成しようとすると、１個あたりのダイオード幅を小さくする必要がある。また、画素数を増加させて画質の向上を図る場合や素子サイズを小さくして撮像装置の小型化を図る場合には画素サイズ自体を小さくしたいという要求があるが、その場合も１個あたりのダイオード幅を小さくする必要がある。ところが、ダイオード幅を小さくすると、Ｓｉ領域内を流れる電流のうちフィールド酸化膜界面近傍を流れる電流の割合が増加し、界面準位との遭遇確率が増す。それゆえ従来の熱型検出器では、ダイオード幅を小さくすると１／ｆノイズがますます増大してしまい、感度向上や画素サイズ縮小などの性能改善を行えないといった問題点があった。
【００２１】
本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、ＳＯＩダイオード方式の熱型検出器において、十分な逆方向耐圧を有し、寄生ＰＭＯＳトランジスタによるリーク電流を低減した良好なダイオード特性を有し、さらに１／ｆノイズを低減した良好な熱型検出器を提供することを目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る第１の熱型赤外線検出器は、半導体基板と、半導体基板と熱的に分離された断熱構造体と、断熱構造体上に形成された複数個のＰＮ接合ダイオードとを有し、各々のダイオードが電気的に直列接続される熱型赤外線検出器である。熱型赤外線検出器において、複数個のＰＮ接合ダイオードを構成するＰ型半導体領域とＮ型半導体領域は交互に配置されて一連の半導体領域を形成する。複数個のＰＮ接合ダイオードには、第１のタイプのダイオードと第２のタイプのダイオードとが含まれる。このとき、第１のタイプのダイオードは、Ｐ型またはＮ型のうちの一の導電型の第１の半導体と、Ｐ型またはＮ型のうちの他の導電型の半導体であって第１の半導体よりも高い不純物濃度を有する第２の半導体とのＰＮ接合によって構成される。第２のタイプのダイオードは、第２の半導体と、一の導電型の半導体であって第１の半導体よりも高い不純物濃度を有する第３の半導体とのＰＮ接合によって構成される。
【００２３】
本発明に係る第２の熱型赤外線検出器は、第１の熱型赤外線検出器において、第３の半導体が上層及び下層の２つの半導体領域からなる。下層の半導体領域は上層の半導体領域よりも高い不純物濃度を有する。
【００２４】
本発明に係る第３の熱型赤外線検出器は、第１の熱型赤外線検出器において、断熱構造体上に形成された複数個のＰＮ接合ダイオードのうち、第１のタイプのダイオードは１つだけ形成する。このとき、その１つのダイオードは複数ダイオードの直列接続の終端に配置される。
【００２６】
本発明に係る第４の熱型赤外線検出器は、半導体基板と、半導体基板と熱的に分離された断熱構造体と、断熱構造体上に形成された複数個のＰＮ接合ダイオードを有し、各々のダイオードが電気的に直列接続される熱型赤外線検出器である。第３の熱型赤外線検出器において、各ダイオードは、第１の導電型の半導体領域と、第１の導電型と異なる第２の導電型の半導体領域とから構成される。各ダイオードにおいて、第１及び第２の導電型の半導体領域は、熱型赤外線検出器の上方から見て、第２の導電型の半導体領域が第１の導電型の半導体領域を囲繞するように形成される。
【００２７】
本発明に係る第５の熱型赤外線検出器は、半導体基板と、半導体基板と熱的に分離された断熱構造体と、断熱構造体上に形成された複数個のＰＮ接合ダイオードとを有し、各々のダイオードが電気的に直列接続される熱型赤外線検出器である。各ダイオードは、第１の導電型の半導体領域と、第１の導電型と異なる第２の導電型の半導体領域とから構成される。各ダイオードにおいて、第１及び第２の導電型の半導体領域は、第２の導電型の半導体領域が第１の導電型の半導体領域を熱型赤外線検出器の上面を除いて三次元的に内包するように形成される。
【００２８】
本発明に係る第６の熱型赤外線検出器は、第４または第５の熱型赤外線検出器において、各ダイオードにおける第１の導電型の半導体領域と第２の導電型の半導体領域との接合面の形状をなめらかな曲面状に形成する。
【００２９】
本発明に係る第７の熱型赤外線検出器は、第４ないし第６の熱型赤外線検出器のいずれかにおいて、各ダイオードにおける第２の導電型の半導体領域の不純物濃度を、第１の導電型の半導体領域の不純物濃度よりも高くする。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る熱型赤外線検出器の実施の形態について添付の図面を参照して説明する。なお、各図において同一符号は同一または相当する構成要素または部分を表す。
【００３１】
実施の形態１．
図１は、本発明による熱型赤外線検出器の一例である第１の熱型検出器の平面図である。第１の熱型検出器はＳＯＩダイオード方式の熱型検出器である。同図に示すように、第１の熱型検出器には、中空構造体６、エッチング孔７、金属配線（垂直信号線）９、金属配線（垂直選択線）１０、中空構造体６を機械的に支持するための支持脚１１、上層シリコン薄膜３中に形成され、不純物が高濃度ドープされた高濃度Ｐ型Ｓｉ領域１２、上層シリコン薄膜３中に形成され、不純物が低濃度ドープされた低濃度Ｎ型Ｓｉ領域１３、上層シリコン薄膜３を熱酸化して形成される分離用のフィールド酸化膜１４が設けられている。
【００３２】
領域１２はＳＯＩの上層シリコン薄膜中に形成された高濃度Ｐ型Ｓｉ領域である。領域１３はＳＯＩの上層シリコン薄膜中に形成された低濃度Ｎ型Ｓｉ領域である。領域３２はＳＯＩの上層シリコン薄膜中に形成された高濃度Ｎ型Ｓｉ領域である。ここで、高濃度Ｐ型Ｓｉ領域１２及び高濃度Ｎ型Ｓｉ領域３２は、低濃度Ｎ型Ｓｉ領域１３の不純物濃度を基準とし、それよりも高い不純物濃度でドーピングされている（以下の実施形態においても同じ）。ここで、高濃度とは、例えば１×１０18個/cm3程度以上が、低濃度とはそれよりも２桁程度小さい値が一般的に考えられうる。しかし、これらの濃度値に限定されるものではない。１つの高濃度Ｐ型Ｓｉ領域１２と１つの低濃度Ｎ型Ｓｉ領域１３とをＰＮ接合して１つのダイオード（第１のタイプのダイオード）Ｄ１が形成される。また、１つの高濃度Ｐ型Ｓｉ領域１２と１つの高濃度Ｎ型Ｓｉ領域３２とをＰＮ接合して、別のタイプのダイオード（第２のタイプのダイオード）Ｄ２が１つ形成される。図１に示す例では、これらの２種類のダイオードの各々３個ずつ、すなわち、合計６個のダイオードが、交互に異なるタイプが配置されるように直列に接続されている。すなわち、第１のタイプ→第２のタイプ→第１のタイプ→第２のタイプ…となるように、複数のダイオードが直列接続される。直列接続の終端に有るダイオードは配線９ａ、配線８を介してそれぞれ垂直信号線９及び垂直選択線１０に接続される。
【００３３】
図２は、図１に示した第１の熱型検出器を、複数個のダイオードを直列接続するときの連結方向に沿った断面図である。図２の例では、２個のダイオードを直列に接続する場合について示しているが、３個以上の場合も同様である。図２に示すように、ＳＯＩ基板のバルクＳｉ１において、ＳＯＩ基板のボックス酸化膜２、ＳＯＩ基板の上層シリコン薄膜３、絶縁膜からなる保護膜４が設けられている。上層シリコン薄膜３中にＰＮ接合ダイオードが形成されている。このとき、ボックス酸化膜２の下方には空隙５が形成されている。ボックス酸化膜２と上層シリコン薄膜３と保護膜４とが、下地のバルクＳｉ１と熱的に分離される中空構造体を構成する。また、同図には示していないが、低濃度のＮ型Ｓｉ領域１３にコンタクト２９が接する箇所では、良好なコンタクト特性を得るため、コンタクトホール直下のＮ型Ｓｉ領域の不純物濃度が高められている。
【００３４】
図１および図２に示した第１の熱型検出器の動作を説明する。なお、被写体から放射された赤外線が熱型検出器に入射したとき、これを検出する赤外線検出動作については従来の熱型検出器の場合と同様であるためここでの説明は省略する。
【００３５】
第１の熱型検出器では、前述の様に高濃度Ｐ型Ｓｉと高濃度Ｎ型Ｓｉで構成されるダイオードと、高濃度Ｐ型Ｓｉと低濃度Ｎ型Ｓｉで構成されるダイオードの２種類のダイオードが交互に直列に接続されている。このうち、高濃度Ｐ型Ｓｉと低濃度Ｎ型ＳｉによるダイオードはＰＮ接合の逆方向耐圧が高いため、直列接続されたダイオード全体の逆方向耐圧は十分に高いものとなる。このため、この熱型検出器を用いた赤外線固体撮像素子では、非選択の画素に大きな逆方向バイアスが印加されても、耐圧不足によってライン欠陥が生じるといった不良が発生しない。また、バルクＳｉ／ボックス酸化膜／ＳＯＩの上層シリコン薄膜で構成されて寄生的に生じるＰＭＯＳトランジスタに関しては、Ｎ型Ｓｉ領域３２の不純物濃度を高濃度としたため、この部分での寄生ＰＭＯＳトランジスタの閾値電圧が上昇し、これにより、寄生ＰＭＯＳトランジスタを流れるリーク電流が低減される。なお、２種類のＰＮ接合ダイオードはＮ型Ｓｉ領域の不純物濃度が異なるが、ＰＮ接合界面の面積を同じにすればＩＶ特性は互いに等しくなるため、本実施形態の熱型検出器の赤外線検出感度は従来のものと同一である。
【００３６】
また、熱型検出器において、Ｐ型とＮ型を入れ換えて、第１のタイプのダイオードＤ１を、高濃度Ｎ型Ｓｉ領域と低濃度Ｐ型Ｓｉ領域をＰＮ接合することにより形成してもよい。
【００３７】
実施の形態２．
上記の第１の熱型赤外線検出器の別の例を説明する。図３は、本発明による第２の熱型検出器であってＳＯＩダイオード方式の熱型検出器の、複数個のダイオードの直列接続における連結方向に沿った断面図である。図３の例では、図２の場合と同様に２個のダイオードを直列に接続した場合について示している。
【００３８】
図３に示した第２の熱型検出器は、図２に示した実施の形態１のものと同様に２種類のダイオードが直列に接続されるが、一方のダイオードの構造が図２の場合とは異なっている。すなわち、本実施形態の熱型検出器は、ＳＯＩの上層シリコン薄膜３中の下方に形成された高濃度Ｎ型Ｓｉ領域３２と、ＳＯＩの上層シリコン薄膜３中、その高濃度Ｎ型Ｓｉ領域３２の上方に形成された低濃度Ｎ型Ｓｉ領域１３'とを有する。つまり、実施の形態１において高濃度Ｐ型Ｓｉ（１２）と高濃度Ｎ型Ｓｉ（３２）で構成されるダイオード（図２参照）を、本実施形態では、図３に示すように、高濃度Ｐ型Ｓｉ（１２）と高濃度Ｎ型Ｓｉ（３２）で構成されるダイオードと、高濃度Ｐ型Ｓｉ（１２）と低濃度Ｎ型Ｓｉ（１３'）で構成されるダイオードとの並列回路によって構成する。この場合も、下層のＮ型Ｓｉ領域３２の不純物濃度は、上層の低濃度Ｎ型Ｓｉ領域１３'に比して高濃度とするため、この部分での寄生ＰＭＯＳトランジスタの閾値電圧が上昇し、寄生ＰＭＯＳトランジスタを流れるリーク電流が低減される。その他の動作については、実施の形態１の場合と同様である。
【００３９】
以上のように、上記実施形態による熱型検出器によれば、十分大きな逆方向耐圧を確保した上で寄生ＰＭＯＳトランジスタによるリーク電流を低減でき、ＩＶ特性に優れた熱型検出器を得ることができる。さらに、熱型検出器は、その製造プロセスにおいてＮ型不純物領域の濃度を変更するだけで従来の熱型検出器からの変更が可能である。このため、熱型検出器を用いて従来の赤外線撮像素子の検出器特性を改善する場合には、画素のレイアウト変更は不要で、容易に性能改善が行えるという利点がある。
【００４０】
実施の形態３．
図４は、本発明に係る熱型赤外線検出器の別の例である第３の熱型検出器の平面図である。第３の熱型検出器はＳＯＩダイオード方式の熱型検出器である。図４において、領域３２はＳＯＩの上層シリコン薄膜３中に形成された高濃度Ｎ型Ｓｉ領域である。１つの高濃度Ｐ型Ｓｉ領域１２と１つの高濃度Ｎ型Ｓｉ領域３２とのＰＮ接合により１個のダイオードが形成される。また、１つの高濃度Ｐ型Ｓｉ領域１２と１つの低濃度Ｎ型Ｓｉ領域１３とのＰＮ接合により別の１個のダイオードが形成される。
【００４１】
このとき、第３の熱型検出器では、垂直信号線９の最も近くに配置するダイオードすなわち配線９ａを介して垂直信号線９に接続されたダイオードＤ３を、高濃度Ｐ型Ｓｉ（１２）と低濃度Ｎ型Ｓｉ（１３）で形成する。このように第３の熱型検出器において高濃度Ｐ型Ｓｉ（１２）と低濃度Ｎ型Ｓｉ（１３）で形成されるダイオードはその１つのみであり、残りの複数個のダイオードは全て高濃度Ｐ型Ｓｉ（１２）と高濃度Ｎ型Ｓｉ（３２）で形成される。ここで、垂直信号線９の最も近くのダイオードとは、垂直信号線９との電気的接続関係において近くにあるダイオードのことを意味し、すなわち、一連のダイオード群の終端にあり、垂直信号線９と直接的に電気的に接続される一つのダイオードを指す。
【００４２】
次に、第３の熱型検出器の動作について説明する。第３の熱型検出器では、直列接続された複数個のダイオードを構成する一連のＰＮＰＮ・・・構造において、最も垂直信号線９側にあるＮ型Ｓｉ領域１３の不純物濃度のみが低濃度で、他のＮ型Ｓｉ領域３２の不純物濃度は高濃度としている。すなわち、寄生的に形成されるＰＭＯＳトランジスタのＰ／Ｎ／Ｐ構造において、２つのＰ型Ｓｉ領域１２で挟まれたＮ型Ｓｉ領域３２は全て高濃度となる。このため、全ての寄生ＰＭＯＳトランジスタの閾値電圧が上昇し、これによるリーク電流が大幅に低減される。また、逆方向耐圧に関しては、最も垂直信号線９側に配置された、高濃度Ｐ型Ｓｉ（１２）と低濃度Ｎ型Ｓｉ（１３）からなるＰＮ接合によって、その耐圧が確保される。なお、赤外線検出等のその他の動作については、図２に示した例の場合と同様である。
【００４３】
以上のように、この発明による第３の熱型検出器によれば、比較的大きな逆方向耐圧を確保した上で寄生ＰＭＯＳトランジスタによるリーク電流を大幅に低減でき、ＩＶ特性に優れた熱型検出器を得ることができる。第３の熱型検出器は、この発明による第１の熱型検出器に比べてリーク電流の低減効果が大きいため、１個の高濃度Ｐ型Ｓｉと低濃度Ｎ型Ｓｉの接合だけでも素子駆動に十分な逆方向耐圧が得られる場合には特に有効である。さらに、この発明による第３の熱型検出器は、第１の熱型検出器と同様に、従来の熱型検出器からの変更には画素レイアウトの変更が不要といった利点がある。
【００４４】
実施の形態４．
図５は、本発明に係る熱型赤外線検出器のさらに別の例である第４の熱型検出器の平面図である。第４の熱型検出器はＳＯＩダイオード方式の熱型検出器である。図６は、第４の熱型検出器の、複数個のダイオードの直列接続の連結方向に沿った断面図である。図５及び図６において、Ｐ型Ｓｉ領域１２とＮ型Ｓｉ領域１３とはＰＮ接合され、一対となって１つのダイオードを形成する。Ｐ型Ｓｉ領域１２あるいはＮ型Ｓｉ領域１３には電気的接続を得るためのコンタクト１５が接続され、ダイオード間はそのコンタクト１５を介してＴｉＮ等からなる薄膜配線３３により電気的に接続される。
【００４５】
図５および図６に示した第４の熱型検出器の動作について説明する。第４の熱型検出器では、Ｐ型Ｓｉ領域１２とＮ型Ｓｉ領域１３とのＰＮ接合で構成されるダイオードが複数個配置されるが、各々のダイオード間はフィールド酸化膜１４によって分離されており、薄膜配線３３によって互いに直列接続される。このようにダイオード間をフィールド酸化膜１４で分離したため、従来の熱型検出器で見られた一連のＰ／Ｎ／Ｐ構造もしくはＮ／Ｐ／Ｎ構造が存在せず、寄生ＰＭＯＳトランジスタ及び寄生ＮＭＯＳトランジスタは形成されない。このため、従来の熱型検出器の場合に問題となっていた寄生ＰＭＯＳトランジスタによるリーク電流は完全に解消される。また、耐圧に関しては、各ダイオードが高濃度Ｐ型Ｓｉと低濃度Ｎ型Ｓｉで形成されて大きな逆方向耐圧を有するため、検出器全体として十分に大きな逆方向耐圧を得ることができる。
【００４６】
以上のように、第４の熱型検出器によれば、十分大きな逆方向耐圧を確保した上で寄生ＰＭＯＳトランジスタによるリーク電流を完全に解消でき、ＩＶ特性に極めて優れた熱型検出器を得ることができる。
【００４７】
実施の形態５．
図７は、本発明に係る熱型赤外線検出器のさらに別の例である第５の熱型検出器の平面図である。第５の熱型検出器はＳＯＩダイオード方式の熱型検出器である。図８は、図７に示した第５の熱型検出器の、複数個のダイオードの直列接続の連結方向に沿った断面図である。図７および図８において、高濃度Ｓｉ領域１２は検出器の上方から見て低濃度Ｎ型Ｓｉ領域１３の周囲を取り囲むように形成される。高濃度Ｐ型Ｓｉ領域１２にはコンタクト３４が、低濃度Ｎ型Ｓｉ領域１３にはコンタクト３５がそれぞれ接続され、複数個のダイオード間を電気的に接続するためにＴｉＮ等からなる薄膜配線３３が設けられている。
【００４８】
図７および図８に示す第５の熱型検出器の動作について説明する。第５の熱型検出器では、低濃度Ｎ型Ｓｉ領域１３と、その低濃度Ｎ型Ｓｉ領域１３を取り囲むようにして形成された高濃度Ｐ型Ｓｉ領域１２とにより１つのダイオードが形成される。このとき、各ダイオードについては一連のＰ／Ｎ／Ｐ構造が形成されるが、両側のＰ型Ｓｉ領域１２は同電位のため、これがＰＭＯＳとして作用してリーク電流を生じることはない。また、ダイオード間はフィールド酸化膜１４によって分離されているため、第４の熱型検出器の場合と同様にして、複数個のダイオードを直列接続しても寄生ＰＭＯＳトランジスタによるリーク電流が完全に解消される。また、耐圧に関しては、各ダイオードが高濃度Ｐ型Ｓｉと低濃度Ｎ型Ｓｉで形成されて大きな逆方向耐圧を有するため、検出器全体として十分に大きな逆方向耐圧を得ることができる。さらに、この第５の熱型検出器では、各ダイオードのＰＮ接合界面が周辺のフィールド酸化膜１４に接していない。そのため、ダイオードに電流を流す場合、空乏層中をキャリアが移動する際にＳｉ／フィールド酸化膜界面の界面準位によって捕獲、再放出されるといった問題が回避され、１／ｆノイズの発生が大幅に低減される。
【００４９】
以上のように、この第５の熱型検出器によれば、十分大きな逆方向耐圧を確保した上で寄生ＰＭＯＳトランジスタによるリーク電流を完全に解消でき、ＩＶ特性に優れた熱型検出器が得られるとともに、１／ｆノイズの極めて小さな熱型検出器を得ることができる。なお、本実施形態では、ダイオード形状として低濃度Ｎ型Ｓｉ領域の周囲を高濃度Ｐ型Ｓｉ領域が囲繞する場合について示したが、２つのＳｉ領域の不純物濃度の大小関係を逆にしても同様の作用があり、さらに、Ｐ型Ｓｉ領域の周囲をＮ型Ｓｉ領域が取り囲むようにしても同様である。
【００５０】
実施の形態６．
図９は、本発明に係る熱型赤外線検出器のさらに別の例である第６の熱型検出器の断面図である。第６の熱型検出器はＳＯＩダイオード方式の熱型検出器である。図９は、複数個のダイオードの直列接続における連結方向に沿った断面図である。図９において、高濃度Ｐ型Ｓｉ領域１２は検出器の上方から見て低濃度Ｎ型Ｓｉ領域１３の周囲を取り囲むように形成され、高濃度Ｓｉ領域１２’はＳＯＩの上層シリコン薄膜中で低濃度Ｎ型Ｓｉ領域１３の下方に形成されている。
【００５１】
図９に示す第６の熱型検出器の動作について説明する。第６の熱型検出器において、高濃度Ｐ型Ｓｉ領域１２が検出器上方から見て低濃度Ｎ型Ｓｉ領域１３の周囲を取り囲むように形成されるとともに、低濃度Ｎ型Ｓｉ領域１３の下方にも高濃度Ｐ型Ｓｉ領域（領域１２'）を形成して、上面を除く全ての面でＮ型Ｓｉ領域をＰ型Ｓｉ領域が取り囲むようなダイオード構造（包含型構造）としている。このとき、ダイオードのＰＮ接合界面は、分離用のフィールド酸化膜１４に接しないばかりでなくボックス酸化膜２とも接しない。そのため、ダイオードに電流を流す場合、空乏層中をキャリアが移動する際にＳｉとフィールド酸化膜との界面や、Ｓｉとボックス酸化膜との界面の界面準位によって捕獲、再放出されるといった問題が回避され、１／ｆノイズの発生がますます低減される。さらに、この熱型検出器はダイオードのＰＮ接合面積が大きくなるため、検出器を定電流駆動したときのＰＮ接合界面での電流密度が小さくなる。定電流駆動の場合、ダイオードの温度変化に対する順方向電圧の変化量は電流密度が小さいほど増加するため、この第６の熱型検出器では赤外線検出感度が向上する。また、複数個のダイオードを直列接続する場合の寄生ＰＭＯＳトランジスタによるリーク電流を解消する作用と、大きな逆方向耐圧を得る作用については、前述の第５の熱型検出器の場合と同様である。
【００５２】
以上のように、この第６の熱型検出器によれば、十分大きな逆方向耐圧を確保した上で寄生ＰＭＯＳトランジスタによるリーク電流を完全に解消でき、ＩＶ特性に優れた熱型検出器が得られるとともに、１／ｆノイズが極めて小さく、赤外線検出感度の高い熱型検出器を得ることができる。なお、本実施形態では、ダイオード形状として低濃度Ｎ型Ｓｉ領域の周囲を高濃度Ｐ型Ｓｉ領域が取り囲む場合について示したが、２つのＳｉ領域の不純物濃度の大小関係を逆にしても同様の作用があり、さらに、Ｐ型Ｓｉ領域の周囲をＮ型Ｓｉ領域が取り囲む場合についても同様である。
【００５３】
実施の形態７．
図１０は、本発明に係る熱型赤外線検出器のさらに別の例である第７の熱型検出器の平面図である。第７の熱型検出器はＳＯＩダイオード方式の熱型検出器である。第７の熱型検出器では、図１０に示すように、各ダイオードのＰＮ接合界面の形状を検出器上面から見て円形としていることが特徴であり、その他については前述の第５の熱型検出器もしくは第６の熱型検出器の場合と同様である。
【００５４】
図１０に示す第７の熱型検出器の動作について説明する。一般に、ＰＮ接合界面が平面的でなく面内に突起などの角が含まれる場合には、その先端部で電界集中が起こり、逆方向耐圧低下やリークによるＩＶ特性不良などの問題が発生しやすい。しかしながら、図１０に示す第７の熱型検出器では、ＰＮ接合界面を上方から見て円形に形成したことにより、ＰＮ接合界面はなめらかな曲面となり、電界集中が抑制される。なお、図１０の例では各ダイオード周辺のフィールド酸化膜１４との界面もなめらかな形状としているが、この部分の形状は任意で従来の方形状のままでも良い。
【００５５】
以上のように、第７の熱型検出器によれば、第５および第６の熱型検出器と同等の作用を有した上で、さらに逆方向耐圧を向上させ、ＩＶ特性に極めて優れた熱型検出器が得られる。なお、本実施形態では、ダイオードのＰＮ接合界面を上方から見て円形に形成しているが、これをなめらかな曲面状に形成するのであればその形状は任意であり、その場合も同様の作用がある。
【００５６】
実施の形態８．
図１１は、本発明に係る熱型赤外線検出器のさらに別の例である第８の熱型検出器の平面図である。第８の熱型検出器はＳＯＩダイオード方式の熱型検出器である。図１１において、領域３６は第１の導電型の高濃度不純物Ｓｉ領域である。領域３７は、第１の導電型の逆の導電型となる第２の導電型の領域であって、領域３６よりも低い不純物濃度を持つ低濃度不純物Ｓｉ領域である。各ダイオードを形成する半導体領域が包含型となる点は、前述の第５ないし第７の熱型検出器の場合と同様である。しかし、第８の熱型検出器では、外側に形成されるＳｉ領域の不純物濃度を高く、内側に形成されるＳｉ領域３７の不純物濃度をそれよりも低くしていることを特徴とする。
【００５７】
図１１に示す第８の熱型検出器の動作について説明する。包含型のダイオードを電気的に接続する場合、レイアウトの点から、２つのＳｉ領域３６、３７へのコンタクト３４、３５からＰＮ接合界面までの長さは、互いに異なるものとなる。すなわち、高濃度のＳｉ領域３６のコンタクト３４からＰＮ接合界面までの長さは相対的に長く、低濃度のＳｉ領域３７のコンタクト３５からＰＮ接合界面までの長さは相対的に短くなる。このとき、高濃度のＳｉ領域３６はチャネル抵抗が低く、一方、低濃度のＳｉ領域３７はチャネル抵抗が高いため、この発明による第８の熱型検出器では、ダイオード全体としての直列抵抗が低減される。ダイオードに電流を流す場合、ここで発生する熱雑音はダイオードの直列抵抗に応じて増加するため、この熱型検出器では直列抵抗が低い分だけ熱雑音が低減される。
【００５８】
このように第８の熱型検出器によれば、第５ないし第７の熱型検出器と同等の作用を有したうえで、さらにダイオードの熱雑音も低減されるといった優れた利点がある。
【００５９】
以上述べたように、本発明に係るＳＯＩダイオード方式の熱型検出器によれば、逆方向耐圧が大きくリーク電流が少ない理想的なＩＶ特性を有し、赤外線検出感度が高く、通電時の１／ｆノイズや熱雑音などの読出ノイズが少ない優れた熱型検出器を得ることができる。そのため、この発明による熱型検出器を用いた赤外線固体撮像素子は、温度分解能が向上するとともに、画素サイズ縮小による撮像装置の小型化や多画素化による高画質化が可能になるといった優れた効果がある。
【００６０】
【発明の効果】
本発明の第１の熱型赤外線検出器によれば、複数個のダイオードのうちの高濃度の一の導電型半導体（例えばＰ型Ｓｉ）と低濃度の他の導電型の半導体（Ｎ型Ｓｉ）とで形成されるダイオードが、検出器全体としての十分大きな逆方向耐圧を確保する。同時に、残りのダイオードは高濃度の一の導電型半導体と高濃度の他の導電型半導体とで形成されるため、複数個のダイオードを直列接続する際に寄生的に形成されるＰＭＯＳの閾値電圧を上昇させ、これによりリーク電流を低減できる。
【００６１】
本発明の第２の熱型赤外線検出器によれば、少なくとも一つのダイオードを構成する一の半導体を不純物濃度の異なる２つの半導体領域で構成し、下層の半導体領域の不純物濃度を上層の半導体領域に比して高濃度とするため、この部分での寄生トランジスタの閾値電圧が上昇し、寄生トランジスタを流れるリーク電流を低減できる。
【００６２】
本発明の第３の熱型赤外線検出器によれば、耐圧を確保するために形成された高濃度の一の導電型半導体（例えばＰ型Ｓｉ）と低濃度の他の導電型の半導体（Ｎ型Ｓｉ）とからなる１つのダイオードをダイオードの直列接続の終端に位置させ、残りのダイオードは高濃度の一の導電型半導体（Ｐ型Ｓｉ）と高濃度の他の導電型（Ｎ型Ｓｉ）の半導体とで構成する。このような配置にしたとき、基板裏面側に寄生的に形成されるＭＯＳトランジスタに関しては、２つの一の導電型（Ｐ型）半導体領域で挟まれた他の導電型（Ｎ型）の半導体領域の不純物濃度は全て高濃度となる。このため、全ての寄生トランジスタは他の導電型（Ｎ型）の不純物濃度の増加によって閾値電圧が上昇し、寄生トランジスタによるリーク電流が大幅に低減される。
【００６４】
本発明の第４の熱型検出器は、ダイオードのＰＮ接合界面が最も界面準位密度の高い半導体とフィールド酸化膜の界面とは接しないような構造（包含型構造）としたため、ダイオードで発生する１／ｆノイズが大幅に低減される。
【００６５】
本発明の第５の熱型検出器は、ダイオードのＰＮ接合界面が半導体とフィールド酸化膜の界面と接しないばかりでなく、半導体とボックス酸化膜界面とも接しないような構造としたため、１／ｆノイズはさらに低減される。同時に、ＰＮ接合界面の面積も増加するため、ダイオード温度変化に対する順方向電圧の変化量が増大して検出器感度が向上する。
【００６６】
本発明の第６の熱型検出器は、上記の包含型構造のダイオードを形成する場合のＰＮ接合界面の形状をなめらかな曲面状としている。ＰＮ接合界面が平面でなく角状の突起部分を含んでいる場合には、その先端部で電界集中が起こり逆方向耐圧低下などの不良が発生しやすい。しかしながら、第６の熱型検出器ではＰＮ接合界面をなめらかに形成したことにより電界集中が抑制され、その結果、十分大きな逆方向対圧が確保される。
【００６７】
本発明の第７の熱型検出器は、包含型構造のダイオードを形成する場合のＰＮ接合の濃度を、内側の半導体領域は低濃度に、外側の半導体領域を高濃度としている。このような包含型構造のダイオードでは、これを電気的に接続する場合、必然的に外側の半導体領域の実効的なチャネル長が長く、内側の半導体領域の実効的なチャネル長が短くなる。このとき、低濃度の半導体領域はチャネル抵抗が高く、高濃度の半導体領域はチャネル抵抗が低くなるため、第７の熱型検出器では、ダイオード全体としての直列抵抗が低減される。ダイオードに電流を流す場合、その熱雑音はダイオードの直列抵抗に応じて増加するため、この熱型検出器では直列抵抗が低い分だけ熱雑音も低減される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る第１の熱型検出器の平面図である。
【図２】 本発明に係る第１の熱型検出器の断面図である。
【図３】 本発明に係る第２の熱型検出器の他の例の出器断面図である。
【図４】 本発明に係る第３の熱型検出器の平面図である。
【図５】 本発明に係る第４の熱型検出器の平面図である。
【図６】 本発明による第４の熱型検出器の断面図である。
【図７】 本発明による第５の熱型検出器の平面図である。
【図８】 本発明による第５の熱型検出器の断面図である。
【図９】 本発明による第６の熱型検出器の断面図である。
【図１０】 本発明による第７の熱型検出器の平面図である。
【図１１】 本発明による第８の熱型検出器の平面図である。
【図１２】 従来のＳＯＩダイオード方式の熱型検出器の断面図である。
【図１３】 従来のＳＯＩダイオード方式の熱型検出器の平面図である。
【図１４】 従来のＳＯＩダイオード方式の赤外線固体撮像素子の素子ブロック図である。
【図１５】 従来の熱型検出器のダイオード連結方向に沿った断面図である。
【図１６】 従来の熱型検出器のＰＮ接合界面における断面図である。
【符号の説明】
１ バルクＳｉ、 ２ ボックス酸化膜、 ３ 上層シリコン薄膜、 ４ 保護膜、 ５ 空隙、 ６ 中空構造体、 ７ エッチング孔、 ８,９ａ 薄膜配線、 ９ 垂直信号線、 １０ 垂直選択線、 １１ 支持脚、 １２ 高濃度Ｐ型Ｓｉ領域、 １３ 低濃度Ｎ型Ｓｉ領域、 １４ フィールド酸化膜、 １５ コンタクト、 １６ コンタクト、 １７ 画素境界、 １８ ＰＮ接合ダイオード、 １９ 垂直走査回路、 ２０ 水平走査回路、 ２１ 定電流源、 ２２ 積分増幅回路、 ２３ 水平選択ＭＯＳトランジスタ、 ２４ 水平信号線、 ２５ 出力アンプ、 ２６ 層間絶縁膜、 ２７ コンタクト、 ２８ コンタクト、 ２９ コンタクト、 ３０ ＰＮ接合界面、 ３１ 界面準位トラップ ３２ 高濃度Ｎ型Ｓｉ領域、 ３３ 薄膜配線、 ３４ コンタクト、 ３５ コンタクト、 ３６ 第１の導電型の高濃度Ｓｉ領域、 ３７ 第２の導電型の低濃度Ｓｉ領域。
Claims (7)
- 半導体基板と、該半導体基板と熱的に分離された断熱構造体と、該断熱構造体上に形成された複数個のＰＮ接合ダイオードとを有し、各々のダイオードが電気的に直列接続される熱型赤外線検出器であって、前記複数個のＰＮ接合ダイオードを構成するＰ型半導体領域とＮ型半導体領域は交互に配置されて一連の半導体領域を形成し、前記複数個のＰＮ接合ダイオードには、第１のタイプのダイオードと第２のタイプのダイオードとが含まれ、前記第１のタイプのダイオードは、Ｐ型またはＮ型のうちの一の導電型の第１の半導体と、Ｐ型またはＮ型のうちの他の導電型の半導体であって前記第１の半導体よりも高い不純物濃度を有する第２の半導体とのＰＮ接合によって構成され、前記第２のタイプのダイオードは、前記第２の半導体と、前記一の導電型の半導体であって前記第１の半導体よりも高い不純物濃度を有する第３の半導体とのＰＮ接合によって構成されることを特徴とする熱型赤外線検出器。
- 請求項１記載の熱型赤外線検出器において、前記第３の半導体は上層及び下層の２つの半導体領域からなり、下層の半導体領域は上層の半導体領域よりも高い不純物濃度を有することを特徴とする熱型赤外線検出器。
- 請求項１記載の熱型赤外線検出器において、前記断熱構造体上に形成された複数個のＰＮ接合ダイオードのうち、前記第１のタイプのダイオードは１つだけ形成され、該１つのダイオードは前記ダイオードの直列接続の終端に配置されることを特徴とする熱型赤外線検出器。
- 半導体基板と、該半導体基板と熱的に分離された断熱構造体と、該断熱構造体上に形成された複数個のＰＮ接合ダイオードを有し、各々のダイオードが電気的に直列接続される熱型赤外線検出器であって、各ダイオードは、第１の導電型の半導体領域と、該第１の導電型と異なる第２の導電型の半導体領域とから構成されており、各ダイオードにおいて、第１及び第２の導電型の半導体領域は、熱型赤外線検出器の上方から見て、第２の導電型の半導体領域が第１の導電型の半導体領域を囲繞するように形成されることを特徴とする熱型赤外線検出器。
- 半導体基板と、該半導体基板と熱的に分離された断熱構造体と、該断熱構造体上に形成された複数個のＰＮ接合ダイオードとを有し、各々のダイオードが電気的に直列接続される熱型赤外線検出器であって、各ダイオードは、第１の導電型の半導体領域と、該第１の導電型と異なる第２の導電型の半導体領域とから構成されており、各ダイオードにおいて、第１及び第２の導電型の半導体領域は、第２の導電型の半導体領域が第１の導電型の半導体領域を熱型赤外線検出器の上面を除いて三次元的に内包するように形成されることを特徴とする熱型赤外線検出器。
- 請求項４または請求項５記載の熱型赤外線検出器において、各ダイオードにおいて第１の導電型の半導体領域と第２の導電型の半導体領域との接合面の形状はなめらかな曲面状であることを特徴とする熱型赤外線検出器。
- 請求項４ないし請求項６のいずれか１つに記載の熱型赤外線検出器において、各ダイオードにおいて第２の導電型の半導体領域は、第１の導電型の半導体領域よりも高い不純物濃度を有することを特徴とする熱型赤外線検出器。
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