JP3730100B2 - 熱型赤外線検出素子およびこれを用いた撮像装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱型赤外線検出素子およびこれを用いた撮像装置に関するものであり、特に、赤外線吸収率が高く、検出感度のバラツキが小さい熱型赤外線検出素子およびこれを用いた撮像装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、赤外線を検出する赤外線検出素子に適用されている赤外線の検出方法には、数多くの方式が存在し、それぞれの方式には、相異なる赤外線の検出原理が用いられている。中でも、感度がよく、応答が速いことから、赤外線輻射エネルギーを半導体のバンドギャップを利用して電気信号に変換する方式、すなわち赤外線輻射エネルギーの光量子効果を捉える方式を採用した量子型赤外線検出素子が一般的に使用されてきた。
【０００３】
ところが、この量子型赤外線検出素子は、上記の利点を有するものの、使用できる波長範囲が狭く、長波長の赤外線のように赤外線輻射エネルギーが非常に小さい赤外線を検出するには、赤外線の検出に用いられる半導体材料を極低温に冷却維持する必要がある。たとえば、上記量子型赤外線検出素子では、液体窒素を用いて、約７７Ｋ前後、すなわち約−１９６℃付近の温度域に維持される必要が生じる。そのため、赤外線検出装置そのものの取扱性が煩雑になる上、冷却手段が液体窒素などを用いているため、装置の小型化も困難となっていた。
【０００４】
また、他の赤外線の検出原理を適用した赤外線検出素子としては、赤外線輻射エネルギーを熱に変化させることにより赤外線を検出する熱型赤外線検出素子が挙げられる。この熱型赤外線検出素子は、検出材料に吸収された赤外線輻射エネルギーを熱に変化させることによって該検出材料の温度を上昇させ、この温度上昇によって得られる該検出材料の物理的性質（電気抵抗や焦電性など）の変化を検出するものである。
【０００５】
そのため、熱型赤外線検出素子では、量子型赤外線検出素子のように、赤外線の検出に用いられる半導体材料を上記のような非常に低い温度域に維持する必要がない。それゆえ、常温での使用が可能になるとともに、冷却手段が必要ないために装置の小型化も図ることができるので、近年、実用性が高いものとして注目されている。
【０００６】
ここで、上記熱型赤外線検出素子では、検出対象物によっては、得られる温度上昇値が０．０１℃以下と非常に小さく、赤外線の検出が困難になる場合がある。そのため、上記熱型赤外線検出素子では、赤外線の検出感度を向上させるために、赤外線吸収率のより大きい構造を採用することによって少しでも温度上昇値を大きくさせ、赤外線の検出感度を上昇させるようにしている。
【０００７】
このような問題点を解消するために、上記熱型赤外線検出素子では、一般に、赤外線を感知するダイアフラム構造体と、該ダイアフラム構造体と配線金属によって電気的に接続された集積回路が形成された半導体基板とが所定の空間を有して分離してなるダイアフラム構造が採用されている。この構成では、赤外線を感知する赤外線受光部と、集積回路が形成された半導体基板との断熱性が高まるため、高感度で赤外線を検出することができる。
【０００８】
さらに、上記ダイアフラム構造の熱型赤外線検出素子では、より高い赤外線吸収率を得るために、通常、▲１▼高効率で赤外線を吸収する材料を選択する手法か、▲２▼赤外線の多重反射を利用する手法の何れか一方の手法が採用される。上記▲１▼の手法では、ダイアフラム構造の表面に赤外線吸収率が高い材料からなる薄膜（赤外線吸収膜）を形成する構成ａが採用される。これに対して、上記▲２▼の手法では、構成ａに加えて、ダイアフラム構造の下層の半導体基板上に赤外線反射膜を形成する構成ｂが採用される。
【０００９】
上記▲１▼の手法を採用した熱型赤外線検出素子は、図９（ａ）・（ｂ）に示すように、表面に集積回路（図示せず）が形成された半導体基板１０８上にダイアフラム構造体１０１ａが所定の空間を形成するように配置され、さらに、ダイアフラム構造体１０１ａの表面に赤外線吸収膜１０７ａ（構成ａ）を備えてなっている。
【００１０】
一方、上記▲２▼の手法を採用した熱型赤外線検出素子は、図１０（ａ）・（ｂ）に示すように、基本的には、図９（ａ）・（ｂ）に示す熱型赤外線検出素子と同様の構成であるが、さらに半導体基板１０８の表面に赤外線反射膜１０６（構成ｂ）を備えてなっている。
【００１１】
上記各熱型赤外線検出素子の構成の概要を説明すると、まず、ダイアフラム構造体１０１ａまたは１０１ｂは、所定の形状にパターニングされた第２の酸化シリコン膜１０２上に熱抵抗変化膜１０３と配線金属膜１０４とが形成され、これらを覆うようにして第３の酸化シリコン膜１０５が形成されてなっている。そして、▲１▼および▲２▼の何れの手法を用いた場合であっても、さらに上記第３の酸化シリコン膜１０５上に、上記構成ａとして、高い赤外線吸収率を有する材料からなる赤外線吸収膜１０７ａまたは１０７ｂが形成されている。
【００１２】
一方、図示しない集積回路をその表面に形成してなる半導体基板１０８上には第１の酸化シリコン膜１０９が形成されている。ここで▲２▼の手法を用いた場合には、さらに、上記構成ｂとして、上記第１の酸化シリコン膜１０９上であり、かつダイアフラム構造体１０１ｂの形状に対応する領域に、赤外線をほぼ完全に反射することが可能な材質からなる赤外線反射膜１０６が形成されている。なお、ダイアフラム構造体１０１ａおよび１０１ｂの何れも、図９（ａ）および図１０（ａ）に示すように、配線金属膜１０４を含む脚部１１０によって支持されるとともに、半導体基板１０８に電気的に接続されている。
【００１３】
上記各構成の熱型赤外線検出素子では、ダイアフラム構造体１０１ａまたは１０１ｂの上部から入射した光は上記赤外線吸収膜１０７ａまたは１０７ｂに照射される。このとき、▲１▼の手法の場合では、赤外線吸収膜１０７ａの膜厚を十分に厚くすることにより、ほぼ完全に赤外線を吸収することができる。
【００１４】
一方、▲２▼の手法の場合では、該赤外線の一部は赤外線吸収膜１０７ｂにより反射し、一部は該赤外線吸収膜１０７ｂを透過し、残りは該赤外線吸収膜１０７ｂの電気抵抗によってジュール熱として吸収される。そして上記赤外線吸収膜１０７ｂを透過した赤外線は、ダイアフラム構造体１０１ｂを透過して赤外線反射膜１０６に到達する。この赤外線反射膜１０６では、赤外線は位相がπずれた状態でほとんど全てダイアフラム構造体１０１ｂ側に反射される。この反射された赤外線は、上記と同じくダイアフラム構造体１０１ｂを透過して最上面の赤外線吸収膜１０７ｂにおいて再び反射・透過・吸収される。
【００１５】
このように、ダイアフラム構造体１０１ｂに入射された赤外線は、該ダイアフラム構造体１０１ｂ内で多重反射されて外部には漏れることがないので、熱型赤外線検出素子における赤外線吸収率を向上させることができる。
【００１６】
このようなダイアフラム構造体１０１ｂを用いた具体的な技術としては、たとえば特開平１０−１１１１７８号公報の技術が挙げられる。この技術では、赤外線吸収膜の下方に、所定膜厚の中間膜を１枚以上介して反射膜を形成することで、赤外線吸収膜と反射膜とを所定間隔で隔てるようにしている。しかもこの技術では、上記所定間隔をｄとした場合、ｄ＝（２Ｎ−１）×λ／（４ｎ）に設定している。ここでＮは正の整数であり、λは検知された赤外線の波長であり、ｎは上記所定膜厚の膜の屈折率である。
【００１７】
このような構成とすることによって、反射膜と赤外線吸収膜との間隔を一定間隔に保つことができるとともに、上記中間膜の屈折率を大きくすれば所定間隔をより小さくできることになるので、ダイアフラム構造体１０１ｂを薄くして感度を上昇させることができる。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記▲１▼の手法の熱型赤外線検出素子では、その構造やその製造プロセスが複雑となって歩留りが低下したり製造コストが上昇するなどの問題点が発生する上に、素子の体積が大きくなって熱容量が増加してしまうため、応答速度が低下するという問題点を招来している。その結果、上記熱型赤外線検出素子を用いてたとえば赤外線撮像素子を製造しても、該赤外線撮像素子の性能が低下してしまう。
【００１９】
具体的には、上記▲１▼の手法では、構成ａである赤外線吸収膜１０７ａは、金ブラックや有機物などの高効率で赤外線を吸収する材料を用いて形成されることになるが、これら材料は薄膜形成することが非常に難しい。さらに上記材料を用いて８０％以上の赤外線吸収率を有する赤外線吸収膜１０７ａを得るためには、該材料を薄膜化したとしても、少なくとも数μｍ程度の厚さが必要となる。そのため、赤外線検出素子の熱容量が非常に大きくなって応答速度が低下してしまう。したがって、上記▲１▼の手法を採用した熱型赤外線検出素子を用いた赤外線撮像素子では、高速な撮影が困難となるため、ほとんど使用されることがない。
【００２０】
一方、上記▲２▼の手法では、構成ｂを備えることでダイアフラム構造体１０１ｂ内で多重反射が生じるので、赤外線が該ダイアフラム構造体１０１ｂから漏れ出すことが回避される。それゆえ、構成ａにおける赤外線吸収膜１０７ｂの膜厚を数百ｎｍまで薄くして、熱容量を小さくすることが可能である。さらに、構成ａを有するダイアフラム構造体１０１ｂと構成ｂを有する半導体基板１０８との空間の間隔を、吸収される赤外線波長の１／４とし、かつ構成ａの赤外線吸収膜１０７ｂのシート抵抗を３７７Ωとすれば、理論上１００％近くの赤外線吸収率を得ることができる。
【００２１】
ところが、赤外線吸収膜１０７ｂにおける赤外線の吸収原理上、赤外線吸収率は上記赤外線吸収膜１０７ｂ（構成ａ）と赤外線反射膜１０６（構成ｂ）との間隔に影響を受けるため、これら各薄膜間の間隔の制御が重要となる。しかしながら薄膜の応力は、該薄膜の膜厚の制御に比較しても非常に困難である。それゆえ、所望の膜厚の薄膜を形成できたとしても、上記ダイアフラム構造体１０１ｂには容易に反りが発生してしまい、上記間隔にバラツキが発生するため赤外線吸収率が設計値よりも低下してしまう。その結果、赤外線の吸収波長帯域が通常用いられる８〜１２μｍである場合、理論上１００％の赤外線吸収率が実現できるはずであっても、平均的な赤外線吸収率は８０％程度にまで低下してしまう。
【００２２】
その上、上記間隔のバラツキ現象はチップのマトリクス内でランダムに発生するため、上記▲２▼の手法を採用した熱型赤外線検出素子を用いてなる赤外線撮像素子では、画像品質に関わる面内角度バラツキにも対処しなければならなくなるという問題点を招来している。
【００２３】
さらに、上記特開平１０−１１１１７８号公報の技術では、赤外線吸収膜と反射膜とを所定間隔ｄとするために中間膜を１枚以上形成しているので、反射膜と赤外線吸収膜との間隔を一定間隔に保つことは可能となる。ところが、赤外線吸収膜・反射膜・中間膜の少なくとも３種類の膜を形成しなければならない上に、上述したように各膜の膜厚を十分に制御する必要が生じる。そのため、やはり製造工程数が増加する上に、製造コストも上昇するという問題点を招来する。
【００２４】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、製造プロセスにおいて大幅な工程増を伴うことなしに、ダイアフラム構造の熱容量が小さく、かつ赤外線吸収率が大きく、さらにその感度バラツキが小さい熱型赤外線検出素子と、この熱型赤外線検出素子を用いて得られる撮像装置とを提供することにある。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかる熱型赤外線検出素子は、上記の課題を解決するために、高屈折率膜を備えるダイアフラム構造体を有している熱型赤外線検出素子において、上記ダイアフラム構造体が、さらに、高屈折率膜の下層に形成される赤外線反射膜を備えており、上記高屈折率膜では、その屈折率をｎとし、その厚さをｄとし、吸収される赤外線の波長をλとした場合に、次式、
ｄ＝λ×｛１／（４×ｎ）｝
が略成立していることを特徴としている。
【００２６】
上記構成によれば、ダイアフラム構造を採用することによって、熱コンダクタンスが小さい状態となっている上に、ダイアフラム構造体内において上記式が略成立している。そのため、ダイアフラム構造体から赤外線によるジュール熱が逃げない上に、ダイアフラム構造体の表面での赤外線の反射は干渉作用によって打ち消されることになり、赤外線がダイアフラム構造体の外へ漏れることがない。しかも、上記干渉作用において重要な高屈折率膜と反射膜との間隔は、高屈折率膜の膜厚で制御できるため、該間隔にバラツキが発生することがない。
【００２７】
そのため、従来よりも非常に高い赤外線吸収率を得ることができる上に、赤外線吸収率のバラツキ、すなわち熱型赤外線検出素子における感度バラツキの発生が防止される。さらに、高屈折率膜を用いているのでダイアフラム構造体の厚さを非常に薄くすることができ、熱型赤外線検出素子の熱容量の増大を回避することが可能になる。つまり、従来に比べてダイアフラム構造体の熱容量を大幅に低減することができる。その結果、従来よりも感度に優れ、かつ応答速度の速い素子を得ることができる。
【００２８】
さらに、上記構成では、赤外線吸収膜を形成する必要がない上に、赤外線吸収効率を上昇させるためには、構造的には、高屈折率膜の膜厚を制御するのみでよい。そのため、製造プロセスに対して工程増を伴わなず、逆に赤外線吸収膜を形成しなくてよいことから製造プロセスを簡略化することができ、製造コストの増大を回避して製造コストをより低くすることができる。それゆえ、優れた性能を有する熱型赤外線検出素子をより安価に提供することができる。
【００２９】
本発明にかかる熱型赤外線検出素子は、上記構成に加えて、上記ダイアフラム構造体が、さらに、温度の変化によって電気伝導性が変化する熱抵抗変化膜と、該熱抵抗変化膜と電気的に接続されている配線金属膜とを有していることを特徴としている。
【００３０】
上記構成によれば、高屈折率膜による赤外線吸収機能による温度上昇により、上記熱抵抗変化膜の電気伝導性が変化してその抵抗値も変化する。その結果、高屈折率膜により吸収された赤外線は、熱抵抗変化膜と電気的に接続されている配線金属膜を介して電気的な信号に変換されて効率的に検出されることになるので、赤外線をより一層確実に検出することができる。
【００３１】
本発明にかかる熱型赤外線検出素子は、上記構成に加えて、上記赤外線反射膜と上記熱抵抗変化膜との間に絶縁層が配置されていることを特徴としている。
【００３２】
上記構成によれば、上記赤外線反射膜と上記熱抵抗変化膜との間に絶縁層が介在しているので、熱抵抗変化膜を加熱するための熱が、熱伝導性の高い赤外線反射膜を介して逃げてしまうことが防止される。そのため、効率的に熱抵抗変化膜を加熱することが可能になり、その結果、熱型赤外線検出素子の感度をより向上させることができる。
【００３３】
本発明にかかる熱型赤外線検出素子は、上記構成に加えて、上記高屈折率膜と赤外線反射膜との間に、少なくとも上記熱抵抗変化膜が配置されていることを特徴としている。
【００３４】
上記構成によれば、赤外線吸収機能により熱を発生する高屈折率膜と熱抵抗変化膜とがより近い配置となっているので、高屈折率膜からの熱が、熱抵抗変化膜に到達する前に赤外線反射膜を介して逃げてしまうことが防止される。そのため、効率的に熱抵抗変化膜を加熱することが可能になり、これに伴って熱型赤外線検出素子の感度をより一層向上させることができる。
【００３５】
本発明にかかる熱型赤外線検出素子は、上記構成に加えて、上記赤外線反射膜が配線金属膜を兼ねていることを特徴としている。
【００３６】
上記構成によれば、配線金属膜が赤外線反射膜を兼ねることになるので、赤外線反射膜を成膜し所定形状に加工するための工程を省略することができる。そのため、熱型赤外線検出素子の構成を簡素化し、より一層の製造コストを低減することが可能になる。
【００３７】
本発明にかかる熱型赤外線検出素子は、上記構成に加えて、上記高屈折率膜と赤外線反射膜との間に絶縁層が配置されていることを特徴としている。
【００３８】
上記構成によれば、高屈折率膜と赤外線反射膜とが絶縁されているので、熱抵抗変化膜から高屈折率膜に対してセンス電流が分流することがない。そのため、赤外線吸収に伴う熱抵抗変化膜の抵抗値の変化を効率的に検出することが可能になり、熱型赤外線検出素子の感度をより一層向上させることができる。
【００３９】
また、上記構成によれば、高屈折率膜にセンス電流が分流しないことから、熱抵抗変化膜の比抵抗を大きくして熱抵抗変化率を増大させることが可能になる。その結果、熱型赤外線検出素子の感度をより一層向上させることができる。しかも、高屈折率膜にセンス電流が分流しないということは高屈折率膜そのものの比抵抗を小さくすることができる。それゆえ、高屈折率膜の屈折率が大きくなり、高屈折率膜の膜厚を低減することができる。その結果、熱型赤外線検出素子の時間分解能を向上することができる。
【００４０】
本発明にかかる熱型赤外線検出素子は、上記構成に加えて、さらに、上記ダイアフラム構造体と電気的に接続される半導体基板との間に、所定の空間を確保した状態で該ダイアフラム構造体を支持する支持部とを備えており、上記配線金属膜が、上記支持部にも形成されているとともに、少なくとも該支持部に形成されている配線金属膜を被覆する絶縁層が形成されていることを特徴としている。
【００４１】
上記構成によれば、絶縁層によって支持部上の配線金属膜を被覆するので、通常なら露出している支持部上の配線金属膜を保護することが可能になる。その結果、熱型赤外線検出素子の耐環境性を向上することができる。
【００４２】
本発明にかかる熱型赤外線検出素子は、上記構成に加えて、さらに、上記高屈折率膜は、シリコンまたはゲルマニウムを主成分としていることを特徴としている。
【００４３】
上記構成によれば、シリコンまたはゲルマニウムが高屈折率膜の主成分として用いられているので、ダイアフラム構造体の熱容量を大幅に低減することができる。そのため、入射する赤外線に対する応答速度をより一層向上させることが可能になる。また、シリコンやゲルマニウムを用いて高屈折率膜を形成すれば、これら材質を積層するのみで、その膜厚を容易に制御できるので、製造プロセスをより簡素化し、製造コストをより低減することができる。
【００４４】
本発明にかかる他の熱型赤外線検出素子は、上記の課題を解決するために、上記高屈折率膜が熱抵抗変化膜を兼ねていることを特徴としている。
【００４５】
上記構成によれば、高屈折率膜が熱抵抗変化膜を兼ねることになるので、赤外線反射膜を成膜し所定形状に加工するための工程を省略することができる。そのため、熱型赤外線検出素子の構成を簡素化し、より一層の製造コストを低減することが可能になる。
【００４６】
本発明にかかる熱型赤外線検出素子は、上記構成に加えて、さらに、上記高屈折率膜がシリコンを主成分としていることを特徴としている。
【００４７】
上記構成によれば、シリコンが高屈折率膜の主成分として用いられているので、ダイアフラム構造体の熱容量を大幅に低減することができる。そのため、入射する赤外線に対する応答速度をより一層向上させることが可能になる。また、シリコンを用いて高屈折率膜を形成すれば、シリコンを積層するのみで、その膜厚を容易に制御できるとともに、ドープされるドーパントの量を制御することによって、高屈折率膜中のキャリア濃度を制御して比抵抗と熱抵抗変化率を調整することができる。
【００４８】
本発明にかかる撮像装置は、上記構成の熱型赤外線検出素子を用いてなっている。この構成によれば、上述した熱型赤外線検出素子を撮像素子として用いているため、赤外線撮像素子の画素間の赤外線吸収率のバラツキが、従来の赤外線検出素子を用いた撮像装置に比べて非常に小さくなる。その結果、本発明にかかる撮像装置は、画素間の感度のバラツキが抑制されることになり、従来よりも非常に高品位の画像を撮像することが可能になる。
【００４９】
【発明の実施の形態】
〔実施の形態１〕
本発明の実施の一形態について図１ないし図３並びに図１１および図１２に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、本発明はこれに限定されるものではない。
【００５０】
本発明にかかる熱型赤外線検出素子は、赤外線を吸収する赤外線吸収膜として、所定の関係式に基づく膜厚を有する高屈折率膜と、該高屈折率膜の下層に形成される赤外線反射膜とを含むダイアフラム構造体を備えている構成である。
【００５１】
具体的には、本実施の形態にかかる熱型赤外線検出素子は、図１（ａ）に示すように、ダイアフラム構造の赤外線受光部（以下、ダイアフラム構造体１ａとする）を備えてなっている。このダイアフラム構造体１ａは、その表面に集積回路が形成されてなる半導体基板と所定間隔の空間を形成するようにして配置されている。また、ダイアフラム構造体１ａの表面ほぼ全面が赤外線受光領域に相当する。
【００５２】
上記ダイアフラム構造体１ａの構成においては、図１（ｂ）に示すように、所定の形状にパターニングされた第２の酸化シリコン膜２上に熱抵抗変化膜３と配線金属膜４とが形成されており、これらを覆うようにして第３の酸化シリコン膜５が形成されている。図１（ａ）に示すように、熱抵抗変化膜３は、ダイアフラム構造体１ａの中央部、すなわち照射された赤外線を受光する部位に形成されており、その周囲の少なくとも一部に配線金属膜４が形成されている。
【００５３】
上記熱抵抗変化膜３は、温度の変化によって電気伝導性が変化するものであり、上記配線金属膜４は、該熱抵抗変化膜３と電気的に接続されており、熱抵抗変化膜３の電気伝導性の変化による抵抗値の変化を検出するために用いられるものである。また、熱抵抗変化膜３が形成されている面積は、上記赤外線受光領域にほぼ相当する面積となっている。
【００５４】
なお、図１（ａ）では、略正方形状に形成されてなる熱抵抗変化膜３において、互いに対向する二組の平行な二辺のうち、一つの組の二辺のみに配線金属膜４が形成されているが、この配線金属膜４の形成パターンについてはこれに限定されるものではない。
【００５５】
さらに、上記第３の酸化シリコン膜５上には、図１（ｂ）に示すように、照射された赤外線をほぼ完全に反射することが可能な赤外線反射膜６が形成されており、この赤外線反射膜６上に高屈折率膜７が形成されている。これら赤外線反射膜６および高屈折率膜７が形成されている面積も上記赤外線受光領域にほぼ相当する面積となっている。上記高屈折率膜７では、その屈折率をｎとし、その膜厚をｄとし、吸収される赤外線の波長をλとした場合に、次式（１）が略成立している。
【００５６】
ｄ＝λ×｛１／（４×ｎ）｝・・・・・（１）
なお、上記式（１）については後に具体例を挙げて詳述する。また、図１（ａ）では、説明の便宜上、最上層の高屈折率膜７とその下層の赤外線反射膜６とを省略している。
【００５７】
一方、図１（ｂ）に示すように、上記ダイアフラム構造体１ａと所定間隔の空間を形成して配置されている半導体基板８の表面には、図示しない集積回路が形成されており、さらにその上には、第１の酸化シリコン膜９が形成されている。従来では、この第１の酸化シリコン膜９上に赤外線反射膜６が形成されていたが、本発明では、赤外線反射膜６は上述したようにダイアフラム構造体１ａ内において、高屈折率膜７の下層に設けられている。
【００５８】
また、図２に示すように、ダイアフラム構造体１ａは、上記配線金属膜４を介して半導体基板８との間に所定の空間を形成するようにして半導体基板８に電気的に接続されている。配線金属膜４は、図１（ａ）に示すように、ダイアフラム構造体１ａを支えるための脚部１０を構成しており、接曲部４ａによって、半導体基板８との間に所定の空間が形成されることになる。また、半導体基板８と配線金属膜４とは、略平板状の接続部（接続電極）１１により電気的に接続されている。なお、図１（ｂ）では、金属配線膜４におけるダイアフラム構造体１ａと半導体基板８とを接続する部位については、説明の便宜上、省略している。
【００５９】
上記熱抵抗変化膜３は、熱によりその抵抗値が変化する膜であれば特に限定されるものではないが、たとえば、チタン酸化物やバナジウム酸化物などが好適に用いられる。
【００６０】
上記配線金属膜４は、上記熱抵抗変化膜３に電気的に接続されている。この配線金属膜４の材質としては特に限定されるものではないが、たとえばチタン（Ｔｉ）やアルミニウム（Ａｌ）などの金属を挙げることができるが、熱コンダクタンスを小さくするためには、熱伝導率の小さいチタンがより好ましい。
【００６１】
上記赤外線反射膜６としては、照射された赤外線を大部分反射できる材質、より好ましくは、ほぼ完全に反射できる材質からなっておれば特に限定されるものではないが、たとえばアルミニウム（Ａｌ）やチタン（Ｔｉ）などの金属を好適に用いることができる。
【００６２】
上記高屈折率膜７の材質としては特に限定されるものではないが、膜厚を薄くするためには、屈折率の非常に高いシリコン（Ｓｉ）やゲルマニウム（Ｇｅ）を主成分としていることが好ましい。ここで、シリコンまたはゲルマニウムを主成分とするとは、高屈折率膜７がシリコンまたゲルマニウムのみからなっていてもよいし、シリコンまたはゲルマニウム以外に他の成分が含まれていてもよいことを示す。
【００６３】
上記シリコンやゲルマニウムなどの半導体材料は、低比熱かつ高屈折率であり好ましくは比抵抗が高いものである。具体的には、シリコンの比熱は０．１６２であり、その屈折率は３．４５であり、その比抵抗は１０⁵ Ω・ｃｍ以上である。またゲルマニウムの比熱は０．０７３であり、その屈折率は４．０９であり、その比抵抗は０．０５Ω・ｃｍである。
【００６４】
これらシリコンやゲルマニウムは、通常用いられる酸化シリコン（ＳｉＯ₂ ）や窒化シリコン（ＳｉＮ）よりも屈折率が高いため、高屈折率膜７の膜厚を１／２以下にすることができる。
【００６５】
本発明にかかる熱型赤外線検出素子においては、上述したように、ダイアフラム構造体１ａには、高屈折率膜７の下層に形成される赤外線反射膜６が備えられており、かつ、上記高屈折率膜７では、上記式（１）が略成立している。そのため、ダイアフラム構造体１ａに入射した赤外線は、高屈折率膜７表面と赤外線反射膜６表面との反射および干渉によって、赤外線がダイアフラム構造体１ａの外部に漏れることなく該高屈折率膜７に吸収される。
【００６６】
しかも、上記のように高屈折率膜７がシリコンまたはゲルマニウムを主成分としており、その膜厚ｄについて上記式（１）が略成立しておれば、高屈折率膜７の屈折率ｎは大きくなるので、上記式（１）における分母が大きくなり膜厚ｄを薄くすることができる。その結果、ダイアフラム構造体１ａの熱容量を大幅に低減することができる。
【００６７】
さらに、高屈折率膜７としてゲルマニウムを用いた場合、ゲルマニウムの比熱は酸化シリコン（ＳｉＯ₂ ）などの酸化物に比較して約１／２と小さいため、さらにダイアフラム構造体１ａの熱容量の低減を図ることができ、特に、ダイアフラム構造体１ａ全体では、従来の約１／６の熱容量にすることができる。したがって、赤外線撮像素子として用いる場合においても応答速度が速くなり、残像のない良好な画像を得ることができる。
【００６８】
本実施の形態では、高屈折率膜７としてシリコン膜（以下、Ｓｉ膜と略す）を用いている。この場合、該Ｓｉ膜の屈折率ｎがｎ＝３．４５であり、検出される赤外線の波長は、通常８〜１２μｍの範囲内であるので、赤外線の波長λは平均値としてλ＝１０μｍに設定される。上記各値を上記式（１）に当てはめると、高屈折率膜７の膜厚ｄは次のようになる。
【００６９】
ｄ＝１０×｛１／（４×３．４５）｝
＝０．７２５μｍ（７２５ｎｍ）
なお、酸化シリコン（ＳｉＯ₂ ）膜の場合では、ｎ＝１．４５程度となるので、膜厚ｄ＝１．７μｍ以上必要となる。そのため、膜厚ｄ＝０．７２５μｍの上記Ｓｉ膜と比較しても熱容量が約２倍以上になってしまう。したがって、本実施の形態における高屈折率膜７を用いれば、ダイアフラム構造体１ａの熱容量を大幅に低減することができる。
【００７０】
ここで熱型赤外線検出素子としてのトータルの赤外線吸収量においては、フィルファクター（この場合、熱型赤外線検出素子における赤外線吸収のための有効な面積の割合）を考慮する必要がある。本発明にかかる熱型赤外線検出素子の構造では、ダイアフラム構造体１ａ全面で赤外線を吸収することができるため、フィルファクターを向上させることが可能である。それゆえ、トータルの吸収量は５２％以上に達し、従来の吸収量である約４０％に比較しても１０％以上向上させることができる。
【００７１】
上記高屈折率膜７はスパッタ法などにより形成されるため、その膜厚は、スパッタ法におけるシリコンやゲルマニウムの積層時間の調整により制御することができる。そのため、従来の熱型赤外線検出素子の構造における空間の制御と比較しても、その制御が非常に容易となることに加え、熱型赤外線検出素子の製造プロセスにおいて工程増を伴わない。そのため、製造プロセスの煩雑化を回避して製造コストの上昇を防止できる上に、ダイアフラム構造体１ａにおける赤外線吸収率のバラツキ、すなわち赤外線検出の感度バラツキを確実に低減することが可能になる。
【００７２】
上記構成の熱型赤外線検出素子の製造方法について、図３（ａ）〜（ｆ）に基づいて説明する。まず、工程１（以下、工程をＰと略す）として、集積回路を形成した半導体基板８上にカバーとなる第１の酸化シリコン膜９を形成する。次に、Ｐ２として、この第１の酸化シリコン膜９の表面に対してＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing ）あるいは熱処理によるリフローなどによって平坦化処理を施す。次にＰ３として、平坦化された第１の酸化シリコン膜９の全面にポリイミドを塗布する。そしてＰ４として、上記ポリイミドをたとえば３５０℃程度の温度で焼成してポリイミド膜２１を得る。
【００７３】
焼成後に得られる上記ポリイミド膜２１の膜厚は、本実施の形態では約１μｍ程度となるように設定するが、このポリイミド膜２１自体は赤外線の吸収率に全く関与しないので、上記膜厚に限定されるものではなく、ダイアフラム構造の製造プロセスに応じて適宜設定することができる。
【００７４】
次に、図３（ａ）に示すように、Ｐ５として、ポリイミド膜２１の全面にレジスト２２を塗布し、Ｐ６として該レジスト２２に対してフォトリソグラフィにより所望の領域にパターンを形成する（図示せず）。その後Ｐ７として、１５０℃程度の温度でベーク処理を実施する。なお、梁の接地部には斜面形状を形成しておく。この梁とは、図１（ａ）および図２における脚部１０に相当し、図２に示す配線金属膜４の接曲部４ａを形成するためのものである。
【００７５】
次に、Ｐ８として、パターニングされたレジスト２２全面にドライエッチング加工を施し、該レジスト２２のパターンをポリイミド膜２１に転写した後、Ｐ９として、剥離液でレジスト２２を除去する。そして、Ｐ１０として、ポリイミド膜２１全面に第２の酸化シリコン膜２を、Ｐ−ＣＶＤ（Plasma-Chemical Vapor Deposition）法によって約２００ｎｍ程度の膜厚となるように形成する。この時点で、図３（ｂ）に示す構造が得られる。
【００７６】
そして図３（ｃ）に示すように、Ｐ１１として、第２の酸化シリコン膜２上に、所定の形状となるように（図１（ａ）参照）熱抵抗変化膜３と配線金属膜４とを形成する。熱抵抗変化膜３としては膜厚約１００ｎｍのチタン酸化物またはバナジウム酸化物をスパッタ法により形成する。また配線金属膜４としては、膜厚約３５ｎｍのチタン膜をスパッタ法により形成する。その後、Ｐ１２として、図３（ｄ）に示すように、絶縁のために、これら熱抵抗変化膜３および配線金属膜４を覆うようにして第３の酸化シリコン膜５を形成する。
【００７７】
さらに、図３（ｅ）に示すように、Ｐ１３として、この第３の酸化シリコン膜５の上層で、かつ赤外線受光領域である熱抵抗変化膜３および配線金属膜４に対応する領域に、アルミニウムまたはチタンからなる膜厚１００ｎｍ程度の赤外線反射膜６をスパッタ法やＥ／Ｂ蒸着法により形成する。そして、Ｐ１４として、この赤外線反射膜６を覆うようにして、さらに、シリコンまたはゲルマニウムからなる高屈折率膜７をスパッタ法などにより形成する。この高屈折率膜７は、上述した式（１）が略成立するように、７２５ｎｍ程度の膜厚となっている。
【００７８】
その後、Ｐ１５として、ダイアフラム構造のアライメントを実施し、Ｐ１６として、ドライエッチング法により、熱抵抗変化膜３および配線金属膜４に対応する所定領域を除いた領域の高屈折率膜７および第３の酸化シリコン膜５を除去する。最後に、Ｐ１７として、ドライエッチング法、特に酸素によるアッシングによってポリイミド膜２１を除去して、図３（ｆ）に示すダイアフラム構造体１ａを得る。
【００７９】
このように、上記構成を有する本発明にかかる熱型赤外線検出素子では、構造上、高屈折率膜７の膜厚ｄを規定するのみで、赤外線吸収率を向上させることができる。つまり、上記式（１）で規定された膜厚ｄを有する高屈折率膜７を用いるのみで、ダイアフラム構造体１ａの熱容量を大幅に低減することができる。そのため、熱型赤外線検出素子の製造においても、高屈折率膜７を所定の膜厚に形成するのみでよい。それゆえ、製造工程が簡素化し、しかも製造コストの上昇も抑制することができる。
【００８０】
しかも、本発明にかかる熱型赤外線検出素子では、特に、高屈折率膜７の下層に赤外線反射膜６が形成されており、さらに高屈折率膜７の膜厚ｄは上記式（１）が略成立するように制御される。
【００８１】
そのため、赤外線反射膜６により反射された赤外線は、ダイアフラム構造体１ａの表面に位置する高屈折率膜７表面に到達しても、干渉作用によって反射が打ち消されることになり、赤外線がダイアフラム構造体１ａの外へ漏れることがない。しかも、高屈折率膜７と赤外線反射膜６とが隣接しているため、赤外線反射膜６の表面と高屈折率膜７の表面との間隔は、高屈折率膜７の膜厚ｄにより規定されることになる。それゆえ、上記各薄膜表面の間隔にバラツキが生じることがなく、上記干渉作用が乱れない。
【００８２】
その結果、従来よりも非常に高い赤外線吸収率を得ることができる上に、赤外線吸収率のバラツキ、すなわち熱型赤外線検出素子における感度バラツキの発生が防止される。それゆえ、非常に優れた感度を有する熱型赤外線検出素子を提供することができる。また、この熱型赤外線検出素子を用いてなる赤外線撮像素子では、画像品質に関わる面内角度バラツキの発生が防止されるので、非常に高品位の赤外線撮像素子を得ることができる。
【００８３】
上述したように、本実施の形態にかかる熱型赤外線検出素子では、上部から入射した赤外線の一部は高屈折率膜７で反射されるとともに、一部は高屈折率膜７を透過する。高屈折率膜７を透過した赤外線は下層の赤外線反射膜６によって反射される。赤外線反射膜６で反射された赤外線は入射時と同様に高屈折率膜７を透過することになり、上部の高屈折率膜７の界面で再び反射・透過・吸収がなされ、これらの繰り返しである多重反射の干渉作用として赤外線のエネルギーが吸収されることになる。
【００８４】
本実施の形態における熱型赤外線検出素子において、高屈折率膜７の膜厚を変化したときの赤外線吸収率、すなわち赤外線吸収率における高屈折率膜７の膜厚の依存性を図１１に示す。このとき、高屈折率膜７の材質としてはシリコン（Ｓｉ）を用いており、赤外線の波長帯は８〜１２μｍの範囲内である。また、図１１における横軸がＳｉ膜厚（単位Å）であり、縦軸が吸収率（％）である。この図から明らかなように、膜厚が６５００Åのとき最大９３％の吸収率が達成されている。
【００８５】
さらにマトリックス法を用いて、本実施の形態における熱型赤外線検出素子の反射率を計算し、その計算結果に基づいて吸収率を算出した。その結果を図１２に示す。この図から明らかなように、高屈折率膜７のシート抵抗が４５ｋΩ以上１０５ｋΩ以下の範囲内で非常に大きな吸収率が得られることがわかる。また、本計算結果の最大値は、図１１に示す６５００Åの膜厚の高屈折率膜７を用いた構造の吸収率とよく一致している。
【００８６】
上記のように、本実施の形態にかかる熱型赤外線検出素子では、従来に比べて理論値に近い非常に大きい吸収率を実現することができる。また、本実施の形態にかかる熱型赤外線検出素子では、従来の構造では必須となっている赤外線吸収膜をダイアフラム構造体１ａに配置する必要がないため、製造プロセスの工程数を低減することができ、その結果、熱型赤外線検出素子の製造コストを低減することができる。また、ダイアフラム構造体１ａに積層する薄膜の層数を少なくすることができるので、ダイアフラム構造体１ａの構造的な安定性を向上させることができる。
【００８７】
〔実施の形態２〕
本発明の実施の他の形態について図４に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、本発明はこれに限定されるものではない。また、説明の便宜上、前記実施の形態１で使用した部材と同じ機能を有する部材には同一の番号を付記し、その説明を省略する。
【００８８】
なお、本実施の形態における膜面方向とは、膜面、すなわち、たとえば赤外線反射膜などの膜の表面に対して平行な方向、あるいは、上記膜の表面の広がり方向を指すものとする。また、これに対して膜面に対する垂直な方向（法線方向）を膜厚方向とする。
【００８９】
本実施の形態にかかる熱型赤外線検出素子が備えるダイアフラム構造体１ｂにおいては、図４に示すように、所定の形状にパターニングされた第２の酸化シリコン膜２上に、赤外線反射膜６が形成されており、この赤外線反射膜６上にはさらに第３の酸化シリコン膜（絶縁層）５が形成されている。この第３の酸化シリコン膜５は上記第２の酸化シリコン膜２と略同一形状となっている。さらに、上記第３の酸化シリコン膜５の上には、熱抵抗変化膜３および配線金属膜４が形成されており、それぞれ前記実施の形態１と同様に所定の形状に加工された上（図１（ａ）参照）、互いに電気的に接続されている。
【００９０】
さらに熱抵抗変化膜３および配線金属膜４上には高屈折率膜７が形成されている。この高屈折率膜７の膜厚は、前記実施の形態１における式（１）に基づいて設定される。
【００９１】
上記赤外線反射膜６は、前記実施の形態１でも述べたように、チタン（Ｔｉ）またはアルミニウム（Ａｌ）を主成分とする金属からなっているため、絶縁層として機能する第２の酸化シリコン膜２や第３の酸化シリコン膜５に比べて熱伝導率が高くなっている。
【００９２】
ここで、ダイアフラム構造体１ｂに入射する赤外線は、前記実施の形態１で説明したように、高屈折率膜７の表面で逆位相干渉によって吸収されるため、高屈折率膜７の表面で熱となる。この熱はダイアフラム構造体１ｂ中に拡散し、熱抵抗変化膜３を加熱し、その結果、熱抵抗変化膜３の抵抗値が変化して、出力として配線金属膜４により検出される。
【００９３】
本実施の形態にかかる熱型赤外線検出素子においては、上記ダイアフラム構造体１ｂにおいて、上記熱伝導率の高い赤外線反射膜６が、熱抵抗変化膜３とは直接接触しておらず、第３の酸化シリコン膜５を介在した状態で熱抵抗変化膜３の下方に配置される構成となっている。
【００９４】
つまり、本実施の形態におけるダイアフラム構造体１ｂにおいては、上記赤外線反射膜６と上記熱抵抗変化膜３との間には、絶縁層としての第３の酸化シリコン膜５が配置されており、さらに、上記高屈折率膜７と赤外線反射膜６との間には、少なくとも上記熱抵抗変化膜３が配置されており、加えて、上記高屈折率膜７と赤外線反射膜６との間にも絶縁層（第３の酸化シリコン膜５）が配置されていることになる。
【００９５】
そのため、高屈折率膜７表面で発生した熱が熱抵抗変化膜３に到達する前に赤外線反射膜６を介して膜面方向に逃げることが防止される。そのため、効率的に熱抵抗変化膜３を加熱することが可能になり、これに伴って本発明にかかる熱型赤外線検出素子の感度をより一層向上させることができる。
【００９６】
〔実施の形態３〕
本発明の実施のさらに他の形態について図５に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、本発明はこれに限定されるものではない。また、説明の便宜上、前記実施の形態１または２で使用した部材と同じ機能を有する部材には同一の番号を付記し、その説明を省略する。
【００９７】
本実施の形態にかかる熱型赤外線検出素子が備えるダイアフラム構造体１ｃにおいては、図５に示すように、所定の形状にパターニングされた第２の酸化シリコン膜２上に、直接、熱抵抗変化膜３ｃと配線金属膜４ｃとを所定の形状に形成する構成となっている。
【００９８】
ここで、上記配線金属膜４ｃは、前記実施の形態１および２における配線金属膜４と同様の材料や成膜方法により形成されているものであるが、その形状は異なっている。すなわち、図５に示すように、上記ダイアフラム構造体１ｃの略全面を覆うような形状で第２の酸化シリコン膜２に形成されている。
【００９９】
一方、熱抵抗変化膜３ｃも、前記実施の形態１および２における熱抵抗変化膜３と同様の材料や成膜方法により形成されているものであり、前記実施の形態１および２と同様、ダイアフラム構造体１ｃの中央部に配置されているが、上記配線金属膜４と同様、その形状は異なっている。すなわち、図５から明らかなように、該中央部において、配線金属膜４ｃに挟持されるように狭い面積で配置されることになる。なお、配線金属膜４ｃおよび熱抵抗変化膜３ｃは、前記実施の形態１および２と同様に、互いに電気的に接続されている。
【０１００】
さらに熱抵抗変化膜３ｃおよび配線金属膜４ｃ上には高屈折率膜７が形成されているが、この高屈折率膜７の膜厚も、前記実施の形態２と同様に、前記実施の形態１における式（１）に基づいて設定される。
【０１０１】
上記のように、本実施の形態にかかる熱型赤外線検出素子においては、配線金属膜４ｃがダイアフラム構造体１ｃの表面の大部分を覆うように形成されているため、事実上、配線金属膜４ｃは、熱抵抗変化膜３ｃの加熱により生ずる抵抗値の変化を検出するための導電体層と、ダイアフラム構造体１ｃに入射する赤外線を反射する赤外線反射膜（図１（ｂ）や図４における赤外線反射膜６を参照）とを兼ねていることになる。
【０１０２】
その結果、本実施の形態にかかる熱型赤外線検出素子においては、ダイアフラム構造体１ｃに赤外線反射膜を成膜する必要がなくなり、赤外線反射膜を成膜し所定形状に加工するための工程を省略することができる。そのため、本発明にかかる熱型赤外線検出素子において、構成を簡素化し、より一層の製造コストを低減することが可能になる。
【０１０３】
なお、本実施の形態において説明した上記配線金属膜４ｃは、熱抵抗変化膜３ｃにオーバーラップする形状となっていてもよい。
【０１０４】
〔実施の形態４〕
本発明の実施のさらに他の形態について図６に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、本発明はこれに限定されるものではない。また、説明の便宜上、前記実施の形態１、２、または３で使用した部材と同じ機能を有する部材には同一の番号を付記し、その説明を省略する。
【０１０５】
本実施の形態にかかる熱型赤外線検出素子が備えるダイアフラム構造体１ｄにおいては、図６に示すように、所定の形状にパターニングされた第２の酸化シリコン膜２上に、前記実施の形態３と同様に、直接、熱抵抗変化膜３ｃと配線金属膜４ｃとを所定の形状に形成する構成となっている。したがって、上記配線金属膜４ｃは、上記ダイアフラム構造体１ｄの略全面を覆うような形状となっている一方、熱抵抗変化膜３ｃは、ダイアフラム構造体１ｄの中央部において、配線金属膜４ｃに挟持されるように狭い面積で配置されている。また配線金属膜４ｃおよび熱抵抗変化膜３ｃは、前記実施の形態１ないし３と同様に、互いに電気的に接続されている。
【０１０６】
さらに、上記配線金属膜４ｃおよび熱抵抗変化膜３ｃの上には、第３の酸化シリコン膜５が、第２の酸化シリコン膜２と略同様の形状に形成されている。そしてこの第３の酸化シリコン膜５の上に、さらに高屈折率膜７が所定の形状に形成される。
【０１０７】
ここで、本実施の形態では、前記実施の形態１ないし３と同様に高屈折率膜７の膜厚が所定の値に設定されることになるが、このとき、前記実施の形態１における式（１）に基づいて設定される膜厚は、高屈折率膜７だけでなく、第３の酸化シリコン膜５も含まれる。すなわち本実施の形態では、第３の酸化シリコン膜５と高屈折率膜７とのそれぞれの屈折率を考慮して、第３の酸化シリコン膜５と高屈折率膜７の膜厚の総和が波長λの１／４となるように設定されている。
【０１０８】
上記のように、本実施の形態にかかる熱型赤外線検出素子においては、前記実施の形態３の構造に対して、さらに、配線金属膜４ｃと高屈折率膜７とを電気的に絶縁する第３の酸化シリコン膜５を設けている構成となっている。そのため、配線金属膜４ｃから高屈折率膜７に対してセンス電流（熱抵抗変化膜３ｃの抵抗値変化を検出するために、熱抵抗変化膜に流す電流）が分流することが回避され、配線金属膜４ｃが熱抵抗変化膜３ｃの抵抗値の変化を効率的に検出することが可能になる。その結果、熱型赤外線検出素子の感度をさらに一層向上することができる。
【０１０９】
さらに、配線金属膜４ｃから高屈折率膜７にセンス電流が分流しないことから、熱抵抗変化膜３ｃの比抵抗を大きくすることが可能になり、これに伴って熱抵抗変化膜３ｃの熱抵抗変化率αを増大させることができる。しかも、高屈折率膜７に上記センス電流が分流しないことから、高屈折率膜７そのものの比抵抗を小さくすることも可能になり、これに伴って高屈折率膜７の屈折率が大きくなり、高屈折率膜７の膜厚を低減することができる。その結果、熱型赤外線検出素子の熱容量をより低減することができる。
【０１１０】
通常、熱型赤外線検出素子の抵抗値を読み出すには、ある程度の時間が必要であるが、この読み出し時間は、ダイアフラムの熱容量が大きくなるほど長くなる。したがって、本実施の形態のように、熱型赤外線検出素子の熱容量を低減することによって、赤外線検出のための時定数が小さくなる（読み出し時間が短くなる）ため、熱型赤外線検出素子の時間分解能を向上することができる。
【０１１１】
なお、本実施の形態において説明した上記配線金属膜４ｃも、前記実施の形態３と同様、熱抵抗変化膜３ｃにオーバーラップする形状となっていてもよい。
【０１１２】
〔実施の形態５〕
本発明の実施のさらに他の形態について図７に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、本発明はこれに限定されるものではない。また、説明の便宜上、前記実施の形態１ないし４の何れかで使用した部材と同じ機能を有する部材には同一の番号を付記し、その説明を省略する。
【０１１３】
本実施の形態にかかる熱型赤外線検出素子が備えるダイアフラム構造体１ｅにおいては、図７に示すように、所定の形状にパターニングされた第２の酸化シリコン膜２上に、前記実施の形態３および４と同様に、直接、配線金属膜４ｃを所定の形状に形成する構成となっており、その形状がダイアフラム構造体１ｅの略全面を覆うような形状となっているが、ダイアフラム構造体１ｅの中央部には熱抵抗変化膜３ｃは形成されていない。
【０１１４】
配線金属膜４ｃ上には、前記実施の形態３と同様に高屈折率膜７ａが形成されているが、この高屈折率膜７ａは、その一部が第２の酸化シリコン膜２と直接接触している。すなわち、図７に示すように、前記実施の形態３において熱抵抗変化膜３ｃが形成されていた部位に、熱抵抗変化膜３ｃの代わりに高屈折率膜７ａが形成されていることになる。
【０１１５】
換言すれば、本実施の形態にかかるダイアフラム構造体１ｅにおいては、所定形状の第２の酸化シリコン膜２上に、赤外線反射膜を兼ねる配線金属膜４ｃが、中央部を除いてダイアフラム構造体１ｅの大部分を覆うように形成されており、さらにその上に、上記中央部で第２の酸化シリコン膜２と直接接触するようにして、配線金属膜４ｃ上に高屈折率膜７ａが形成されていることになる。なお、高屈折率膜７と配線金属膜４ｃとは互いに電気的に接続されている。
【０１１６】
本実施の形態における上記高屈折率膜７ａは、シリコン（Ｓｉ）を主成分とする膜からなっているのは、前記実施の形態１ないし４における高屈折率膜７と同様であるが、本実施の形態では、シリコンを主成分とする上記高屈折率膜７ａ中のキャリア濃度を制御することによって比抵抗と熱抵抗変化率を調整し、高屈折率膜７ａが熱抵抗変化膜３ｃを兼ねるようにしている。
【０１１７】
具体的には、上記高屈折率膜７ａは前記実施の形態１と同様にスパッタリングによって成膜されるが、このスパッタリングの際に、スパッタリングターゲットに対するドーパント（ドーピング用の材料）のドープ量を制御することによって、高屈折率膜７ａ中のキャリア濃度が制御される。上記スパッタリングターゲットにドープするドーパントとしては、特に限定されるものではないが、一般的には、半導体製造プロセスに用いられるホウ素（Ｂ）やリン（Ｐ）などが用いられる。
【０１１８】
上記のように、本実施の形態にかかる熱型赤外線検出素子においては、前記実施の形態３の構造において、熱抵抗変化膜３ｃを形成せずに、高屈折率膜７ａを形成するとともに、高屈折率膜７ａが熱抵抗変化膜３ｃを兼ねるようにしている。そのため、本実施の形態にかかる熱型赤外線検出素子におけるダイアフラム構造体１ｅには、熱抵抗変化膜３ｃを改めて形成する必要がなくなるため、熱型赤外線検出素子の製造プロセスを大幅に低減することができる。その結果、熱型赤外線検出素子の製造コストをさらに一層低減することができる。
【０１１９】
〔実施の形態６〕
本発明の実施のさらに他の形態について図８に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、本発明はこれに限定されるものではない。また、説明の便宜上、前記実施の形態１ないし５の何れかで使用した部材と同じ機能を有する部材には同一の番号を付記し、その説明を省略する。
【０１２０】
本実施の形態にかかる熱型赤外線検出素子の構成は、前記実施の形態１ないし５と同様であり、赤外線を感知するためのダイアフラム構造体１ｆと、該ダイアフラム構造体１ｆと電気的に接続される半導体基板８と、該半導体基板８とダイアフラム構造体１ｆとの間に所定の空間を有するように該半導体基板８上でダイアフラム構造体１ｆを配置した状態で支持する脚部（支持部）１０とを備えている（図１（ａ）および図２参照）。
【０１２１】
上記ダイアフラム構造体１ｆにおいては、図８に示すように、前記実施の形態５で説明した構成（図７に示すダイアフラム構造体１ｅ）の表面全面を覆うように第３の酸化シリコン膜５が形成されている。
【０１２２】
換言すれば、本実施の形態におけるダイアフラム構造体１ｆにおいては、前記実施の形態５におけるダイアフラム構造体１ｅにおける高屈折率膜７ａ表面全体を被覆するように第３の酸化シリコン膜５を形成するとともに、梁（図１（ａ）および図２における脚部１０）部分の配線金属膜４ｃ上も被覆するように第３の酸化シリコン膜５を形成している。
【０１２３】
上記のように、本実施の形態にかかる熱型赤外線検出素子においては、前記実施の形態５の構造に対して、第３の酸化シリコン膜５を被覆した構成となっている。そのため、第３の酸化シリコン膜５は、梁上において配線金属膜４ｃを被覆して保護することになり、配線金属膜４ｃが周囲の環境に直接さらされて劣化するような事態を回避することができる。その結果、熱型赤外線検出素子の耐環境性を向上させることができる。
【０１２４】
また、図８に示すように、第３の酸化シリコン膜５が梁上のみではなく、ダイアフラム構造体１ｆ上の全面に形成されていていれば、配線金属膜４ｃだけでなく高屈折率膜７ａを保護することにもなり、熱型赤外線検出素子の耐環境性をより向上させることができる。なお、ダイアフラム構造体１ｆの表面も第３の酸化シリコン膜５が被覆されている場合には、第３の酸化シリコン膜５の膜厚と高屈折率膜７の膜厚との総和は、前記実施の形態１における式（１）に基づいて、該第３のシリコン膜５と高屈折率膜７とを透過する赤外線の波長λの略１／４となるように設定される。
【０１２５】
なお、本実施の形態では、図８に示すように、ダイアフラム構造体１ｆの表面全面を第３の酸化シリコン膜５で被覆しているが、これに限定されるものではなく、梁部分のみの被覆であってもよい。
【０１２６】
また、本実施の形態では、前記実施の形態５で説明した構成に対してさらに第３のシリコン膜５を形成する構成を適用したが、これに限定されるものではなく、たとえば実施の形態３で説明した構成にも適用することができる。
【０１２７】
〔実施の形態７〕
本発明の実施の形態としての赤外線撮像装置について、図１３に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、本発明はこれに限定されるものではない。
【０１２８】
前記実施の形態１にかかる熱型赤外線検出素子をマトリクス状に配置した赤外線撮像素子を用いて、赤外線カメラ（撮像装置）を作製した。具体的には、図１３に示すように、本実施の形態にかかる撮像装置は、赤外線撮像素子５１、光学系５２、素子温度制御部５３、光学系制御部５４、プロセッサ（制御手段）５５、Ａ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換回路５６、素子特性メモリ（記憶手段）５７、画像処理部５８などを備えてなっている。
【０１２９】
上記赤外線撮像素子５１は、上述したように、たとえば前記実施の形態１にかかる熱型赤外線検出素子を、たとえば３２０×２４０のマトリクス状に配置してなるものである。上記光学系５２は、入射される赤外線の焦点を合わせるためのものであり、従来公知の構成を用いることができる。上記素子温度制御部５３は、赤外線撮像素子５１、すなわちこれを構成する熱型赤外線検出素子の温度を所定の範囲内に制御する。上記光学系制御部５４は、光学系５２の動作（焦点合わせの動作など）を制御する。これら各制御部も従来公知の構成を用いることができる。
【０１３０】
上記プロセッサ５５は、素子温度制御部５３、光学系制御部５４、素子特性メモリ５７、画像処理部５８などの制御をするものであり、本実施の形態における撮像装置の制御手段となる。上記Ａ／Ｄ変換回路５６は、赤外線撮像素子５１から入力されたアナログの赤外線画像データをデジタルの画像データに変換して画像処理部５８に出力する。上記素子特性メモリ５７は、赤外線撮像素子５１に関わる各種特性（素子特性）データを記憶する記憶手段であり、プロセッサ５５の制御によって、該特性データを画像処理部５８に出力する。
【０１３１】
上記画像処理部５８は、Ａ／Ｄ変換回路５６から入力されるデジタル画像データを、プロセッサ５５の制御により、素子特性メモリ５７から出力される素子特性に基づいて画像処理して出力用のデジタル画像データに変換した上で、図示しない表示手段などに出力する（図中矢印）。
【０１３２】
なお、図１３における太線の矢印は画像データ（アナログ画像データおよびデジタル画像データ）の入出力方向を示し、細線の矢印は、制御情報の入出力方向を示す。また、本実施の形態では、上記制御情報には、上記素子特性メモリ５７に記憶されている素子特性も含まれるものとする。また、上記各プロセッサ５５やＡ／Ｄ変換回路５６、素子特性メモリ５７、画像処理部５８なども従来公知の構成を用いることができ、特に限定されるものではない。
【０１３３】
本発明にかかる熱型赤外線検出素子は、前述したように、赤外線吸収膜を構成する高屈折率膜の膜厚を制御することで赤外線を効率よく吸収することができるため、従来の構造のようにダイアフラム構造体と基板との距離に依存することがない。そのため、本実施の形態における赤外線撮像素子５１では、３２０×２４０のマトリクス上に配置した画素間の赤外線吸収率のバラツキが、従来の構造の赤外線検出素子を用いた赤外線撮像素子に比べて非常に小さくなる。
【０１３４】
その結果、本実施の形態にかかる赤外線カメラ（撮像装置）は、赤外線撮像素子における画素間の感度バラツキが抑制されるため、従来の撮像装置に比べて非常に高品位の画像を得ることができる。
【０１３５】
このように、前述した本発明にかかる熱型赤外線検出素子であれば、赤外線受光部内での反射および干渉によって赤外線を効率的に吸収することが可能になり、特に赤外線吸収膜を形成する必要がなくなる。そのため、赤外線の検出感度が向上するとともに、その構成を簡素化して低コスト化することができる。その結果、上記熱型赤外線検出素子を用いた本発明にかかる撮像装置は、高感度かつ高品位で画像を撮像できる上に、製造コストの上昇も回避することができる。
【０１３６】
なお、本実施の形態では、前記実施の形態１で説明した熱型赤外線検出素子を用いたが、これに限定されるものではなく、本発明の範囲内にある熱型赤外線検出素子であればよい。したがって、前記実施の形態１で説明した熱型赤外線検出素子だけでなく、前記実施の形態２ないし６の何れかで説明した熱型赤外線検出素子を用いることができることは言うまでもない。
【０１３７】
【発明の効果】
本発明にかかる熱型赤外線検出素子は、以上のように、上記ダイアフラム構造体が、さらに、高屈折率膜の下層に形成される赤外線反射膜を備えており、上記高屈折率膜では、その屈折率をｎとし、その厚さをｄとし、吸収される赤外線の波長をλとした場合に、次式、
ｄ＝λ×｛１／（４×ｎ）｝
が略成立している構成である。
【０１３８】
それゆえ上記構成では、ダイアフラム構造および上記式が略成立している高屈折率膜を採用しているため、赤外線がダイアフラム構造体の外へ漏れることがなく、該ダイアフラム構造体の熱容量を大幅に低減することができる。しかも、高屈折率膜と赤外線反射膜とが隣接しているため、上記干渉作用において重要な上記各薄膜間の間隔にバラツキが発生せずほぼ一定となる。そのため、従来よりも非常に高感度、高性能かつ応答速度に優れた熱型赤外線検出素子を得ることができるという効果を奏する。
【０１３９】
さらに、上記構成では、赤外線吸収膜を形成する必要がない上に、赤外線吸収効率を上昇させるためには、構造的には、高屈折率膜の膜厚を制御するのみでよい。そのため、製造プロセスに対して工程増を伴わなず、逆に赤外線吸収膜を形成しなくてよいことから製造プロセスを簡略化することができ、製造コストの増大を回避して製造コストをより低くすることができる。それゆえ、優れた性能を有する熱型赤外線検出素子をより安価に提供することができるという効果も併せて奏する。
【０１４０】
本発明にかかる熱型赤外線検出素子は、上記構成に加えて、上記ダイアフラム構造体が、さらに、温度の変化によって電気伝導性が変化する熱抵抗変化膜と、該熱抵抗変化膜と電気的に接続されている配線金属膜とを有している構成である。
【０１４１】
それゆえ上記構成では、温度上昇により上記熱抵抗変化膜の電気伝導性が変化してその抵抗値も変化するので、赤外線は配線金属膜を介して電気的な信号に変換されて効率的に検出されることになる。その結果、赤外線をより一層確実に検出することができるという効果を奏する。
【０１４２】
本発明にかかる熱型赤外線検出素子は、上記構成に加えて、上記赤外線反射膜と上記熱抵抗変化膜との間に絶縁層が配置されている構成である。
【０１４３】
それゆえ上記構成では、上記絶縁層により、熱抵抗変化膜を加熱するための熱が熱伝導性の高い赤外線反射膜を介して逃げてしまうことが防止される。そのため、効率的に熱抵抗変化膜を加熱することが可能になり、その結果、熱型赤外線検出素子の感度をより向上させることができるという効果を奏する。
【０１４４】
本発明にかかる熱型赤外線検出素子は、上記構成に加えて、上記高屈折率膜と赤外線反射膜との間に、少なくとも上記熱抵抗変化膜が配置されている構成である。
【０１４５】
それゆえ上記構成では、高屈折率膜と熱抵抗変化膜とがより近い配置となっているので、高屈折率膜からの熱が赤外線反射膜を介して逃げてしまうことが防止される。そのため、効率的に熱抵抗変化膜を加熱することが可能になり、これに伴って熱型赤外線検出素子の感度をより一層向上させることができるという効果を奏する。
【０１４６】
本発明にかかる熱型赤外線検出素子は、上記構成に加えて、上記赤外線反射膜が配線金属膜を兼ねている構成である。
【０１４７】
それゆえ上記構成では、配線金属膜が赤外線反射膜を兼ねるため、赤外線反射膜を成膜し所定形状に加工するための工程を省略することができる。そのため、熱型赤外線検出素子の構成を簡素化し、より一層の製造コストを低減することが可能になるという効果を奏する。
【０１４８】
本発明にかかる熱型赤外線検出素子は、上記構成に加えて、上記高屈折率膜と赤外線反射膜との間に絶縁層が配置されている構成である。
【０１４９】
それゆえ上記構成では、高屈折率膜と赤外線反射膜とが絶縁されているので、熱抵抗変化膜から高屈折率膜に対してセンス電流が分流しない。そのため、熱抵抗変化膜の抵抗値の変化を効率的に検出することが可能になり、熱型赤外線検出素子の感度をより一層向上させることができるという効果を奏する。また、熱抵抗変化膜の比抵抗を大きくして熱抵抗変化率を増大させることが可能になるので、熱型赤外線検出素子の感度をより一層向上させることができるという効果も併せて奏する。さらに高屈折率膜そのものの比抵抗を小さくすることができるので、高屈折率膜の屈折率が大きくなり、高屈折率膜の膜厚を低減することができ、熱型赤外線検出素子の時間分解能を向上することができるという効果も併せて奏する。
【０１５０】
本発明にかかる熱型赤外線検出素子は、上記構成に加えて、本発明にかかる熱型赤外線検出素子は、上記構成に加えて、さらに、上記ダイアフラム構造体と電気的に接続される半導体基板との間に、所定の空間を確保した状態で該ダイアフラム構造体を支持する支持部とを備えており、上記配線金属膜が、上記支持部にも形成されているとともに、少なくとも該支持部に形成されている配線金属膜を被覆する絶縁層が形成されている構成である。
【０１５１】
それゆえ上記構成では、絶縁層によって支持部上の配線金属膜を被覆して保護することになるので、熱型赤外線検出素子の耐環境性を向上することができるという効果を奏する。
【０１５２】
本発明にかかる熱型赤外線検出素子は、上記構成に加えて、さらに、上記高屈折率膜は、シリコンまたはゲルマニウムを主成分としている構成である。
【０１５３】
それゆえ上記構成では、シリコンまたはゲルマニウムが高屈折率膜の主成分として用いられているので、ダイアフラム構造体の熱容量を大幅に低減することができる。そのため、入射する赤外線に対する応答速度をより一層向上させることが可能になるという効果を奏する。また、シリコンやゲルマニウムを用いて高屈折率膜を形成すれば、これら材質を積層するのみで、その膜厚を容易に制御できるので、製造プロセスをより簡素化し、製造コストをより低減することができるという効果も併せて奏する。
【０１５４】
本発明にかかる他の熱型赤外線検出素子は、上記構成に加えて、上記高屈折率膜が熱抵抗変化膜を兼ねている構成である。
【０１５５】
それゆえ上記構成では、高屈折率膜が熱抵抗変化膜を兼ねるため、赤外線反射膜を成膜し所定形状に加工するための工程を省略することができる。そのため、熱型赤外線検出素子の構成を簡素化し、より一層の製造コストを低減することが可能になるという効果を奏する。
【０１５６】
本発明にかかる熱型赤外線検出素子は、上記構成に加えて、さらに、上記高屈折率膜がシリコンを主成分としている構成である。
【０１５７】
それゆえ上記構成では、シリコンが高屈折率膜の主成分として用いられているので、ダイアフラム構造体の熱容量を大幅に低減することができる。そのため、入射する赤外線に対する応答速度をより一層向上させることが可能になるという効果を奏する。また、シリコンを用いて高屈折率膜を形成すれば、シリコンを積層するのみで、その膜厚を容易に制御できるとともに、ドープされるドーパントの量を制御することによって、高屈折率膜中のキャリア濃度を制御して比抵抗と熱抵抗変化率を調整することができるという効果も併せて奏する。
【０１５８】
本発明にかかる撮像装置は、上記構成の熱型赤外線検出素子を用いてなっている。この構成によれば、上述した熱型赤外線検出素子を撮像素子として用いているため、赤外線撮像素子の画素間の赤外線吸収率のバラツキが、従来の赤外線検出素子を用いた撮像装置に比べて非常に小さくなる。その結果、本発明にかかる撮像装置は、画素間の感度のバラツキが抑制されることになり、従来よりも非常に高品位の画像を撮像することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の実施の一形態にかかる熱型赤外線検出素子の概略構成を示す平面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ矢視断面図である。
【図２】図１（ａ）・（ｂ）に示す熱型赤外線検出素子の斜視図である。
【図３】（ａ）〜（ｆ）は、図１（ａ）・（ｂ）に示す熱型赤外線検出素子の製造プロセスを示す工程図である。
【図４】本発明の実施の他の形態にかかる熱型赤外線検出素子の概略構成を示す断面図である。
【図５】本発明の実施の他の形態にかかる熱型赤外線検出素子の概略構成を示す断面図である。
【図６】本発明の実施のさらに他の形態にかかる熱型赤外線検出素子の概略構成を示す断面図である。
【図７】本発明の実施のさらに他の形態にかかる熱型赤外線検出素子の概略構成を示す断面図である。
【図８】本発明の実施のさらに他の形態にかかる熱型赤外線検出素子の概略構成を示す断面図である。
【図９】（ａ）は従来の熱型赤外線検出素子の一例を示す平面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＣ−Ｃ矢視断面図である。
【図１０】（ａ）は従来の熱型赤外線検出素子の他の例を示す平面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＤ−Ｄ矢視断面図である。
【図１１】図１に示す構成の本発明にかかる熱型赤外線検出素子において、赤外線吸収率の高屈折率膜に対する依存性を示すグラフである。
【図１２】図１に示す構成の本発明にかかる熱型赤外線検出素子において、赤外線吸収率の高屈折率膜が有するシート抵抗に対する依存性を示すグラフである。
【図１３】図１に示す熱型赤外線検出素子を用いてなる本発明にかかる撮像装置の概略構成の一例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１ａ〜１ｆ ダイアフラム構造体（ダイアフラム構造）
２ 第２の酸化シリコン膜
３ 熱抵抗変化膜
３ｃ 熱抵抗変化膜
４ 配線金属膜
４ｃ 配線金属膜
５ 第３の酸化シリコン膜（絶縁層）
６ 赤外線反射膜
７ 高屈折率膜
７ａ 高屈折率膜
８ 半導体基板
１０ 脚部（支持部）
５１ 赤外線撮像素子

Claims (10)

1. 酸化シリコン膜および窒化シリコン膜よりも屈折率が高い高屈折率膜を備えるダイアフラム構造体を有している熱型赤外線検出素子において、
   上記ダイアフラム構造体は、さらに、上記高屈折率膜の下層に形成される赤外線反射膜を備えており、
   上記高屈折率膜では、その屈折率をｎとし、その厚さをｄとし、吸収される赤外線の波長をλとした場合に、次式、
   ｄ＝λ×｛１／（４×ｎ）｝
   が略成立しており、
   上記高屈折率膜のシート抵抗が４５ｋΩ以上１０５ｋΩ以下の範囲であり、
   上記ダイアフラム構造体における赤外線の入射面は、上記高屈折率膜における上記赤外線反射膜側の面とは反対側の面であって、上記高屈折率膜の表面からなることを特徴とする熱型赤外線検出素子。
2. 上記ダイアフラム構造体は、さらに、温度の変化によって電気伝導性が変化する熱抵抗変化膜と、該熱抵抗変化膜と電気的に接続されている配線金属膜とを有していることを特徴とする請求項１記載の熱型赤外線検出素子。
3. 上記赤外線反射膜と上記熱抵抗変化膜との間に電気的絶縁層が配置されていることを特徴とする請求項２記載の熱型赤外線検出素子。
4. 上記高屈折率膜と赤外線反射膜との間に、少なくとも上記熱抵抗変化膜が配置されていることを特徴とする請求項２または３記載の熱型赤外線検出素子。
5. 上記赤外線反射膜が配線金属膜を兼ねていることを特徴とする請求項２記載の熱型赤外線検出素子。
6. 上記高屈折率膜と赤外線反射膜との間に電気的絶縁層が配置されていることを特徴とする請求項２ないし５の何れか１項に記載の熱型赤外線検出素子。
7. 上記高屈折率膜がシリコンまたはゲルマニウムを主成分としていることを特徴とする請求項１ないし６の何れか１項に記載の熱型赤外線検出素子。
8. 上記高屈折率膜が熱抵抗変化膜を兼ねていることを特徴とする請求項２記載の熱型赤外線検出素子。
9. 上記高屈折率膜がシリコンを主成分としていることを特徴とする請求項８記載の熱型赤外線検出素子。
10. 請求項１ないし９の何れか１項に記載の熱型赤外線検出素子を用いてなる撮像装置。

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