JP4011851B2 - 赤外線固体撮像素子 - Google Patents
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Description
技術分野
本発明は入射された赤外線を検出して吸収し、熱に変換する熱型赤外線検出器を用いた２次元赤外線固体撮像素子に関するものである。
背景技術
熱型赤外線検出器とは、赤外線が照射されると、照射された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。
第１１図は、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赤外線検出器を用いた２次元固体撮像素子の一個の画素の構造例を示す斜視図である。
図において、１は例えばシリコンなどの半導体からなる半導体基板であり、１０はこの半導体基板１と空間を隔てて設けられた赤外線検出器部、１１はボロメータ薄膜、２１、２２は赤外線検出器部１０をシリコン半導体基板から浮かせて持ち上げるための支持脚、３１、３２はボロメータ薄膜に電流を流すための金属配線、４０は金属配線３１、３２とボロメータ薄膜１１を通して流れる電流のオン、オフを行なうスイッチ・トランジスタ、５０は金属配線３２に接続された信号線、６０はスイッチ・トランジスタのオン、オフを制御するための制御クロック線、７０は検出器部と光学的共振動構造をつくり赤外線検出器部１０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。
第１２図は、第１１図に示した従来の熱型赤外線検出器を用いた２次元固体撮像素子の画素の構造の電流経路に沿った断面構造を示す図で、ここでは本発明に直接関係のないスイッチ・トランジスタ４０、信号線５０、制御クロック線６０などは省略している。
前述したように赤外線検出器部１０の上にはボロメータ薄膜１１が形成されており、ボロメータ薄膜１１には金属配線３１、３２が接続し、コンタクト部の１２１、１２２を通してシリコン半導体基板上に形成された信号読出回路（図示なし）と接続している。
このボロメータ薄膜１１と金属配線３１、３２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１００、１１０に覆われており、この絶縁膜１００、１１０が赤外線検出器部１０と支持脚２１、２２の機械的構造を形作っている。８０は半導体基板１上に形成された信号読出回路と配線３１、３２を絶縁するための絶縁膜で、この絶縁膜８０の上の金属反射膜７０の上に空洞部９０を介して光検出器部１０が配置されている。金属反射膜７０の表面には別の絶縁膜が形成される場合もある。
次に、この熱型赤外線検出器を用いた従来の２次元赤外線固体撮像素子の動作について説明する。
赤外線は光検出器部１０が存在する側から入射し、光検出器部１０で吸収される。
入射した赤外線は金属反射膜７０の存在により金属反射膜７０の位置が節となるような定在波ができ赤外線検出器部１０と金属反射膜７０の間隔を適切に設定することで赤外線検出器部１０における赤外線エネルギの吸収を増大させることができる。
赤外線検出器部１０で吸収された赤外線のエネルギは熱に変換され、赤外線検出器部１０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１１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薄膜１１の抵抗値の変化から知ることができる。
温度変化による抵抗変化の大きなボロメータ材料としては、文献Ｐ．Ｗ．Ｋｒｉｓｅ，”Ｕｎｃｏｏｌｅｄ ＩＲ Ｆｏｃａｌ Ｐｌａｎｅ Ａｒｒａｙｓ”，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＳＰＩＥ，ｖｏｌ．２５５２，ｐｐ．５５６−５６３にあるように酸化バナジウム（ＶＯｘ）等の半導体が用いられる。
ボロメータ薄膜１１の抵抗温度係数が同じであれば、赤外線検出器部１０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赤外線検出器部１０からシリコン半導体基板１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２１、２２は熱抵抗を出来るだけ小さくするよう設計される。
また、撮像素子のフレーム時間に比べ赤外線検出器部１０の温度時定数が短くなるよう赤外線検出器部１０の熱容量を小さくすることも重要である。
赤外線は画素内に全体に入射するが、赤外線検出器部１０の温度上昇に寄与するのは赤外線検出器１０の部分に入射したものだけ（若干は赤外線検出器部１０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。
この為、感度を高くするには開口率（画素面積に対する赤外線検出器部１０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。
上記の従来例で説明したボロメータで温度変化を検出する方式では、温度による抵抗変化が大きく、雑音の小さな材料として酸化バナジウム（ＶＯｘ）等の通常シリコンプロセスでは使用しない材料を使う必要がある。
こうした材料はシリコンプロセスと同じ製造技術を用いて成膜、写真製版、エッチング等などの処理を行うことができるが、シリコンプロセスの汚染の観点から、シリコンＶＬＳＩと同じ製造ライン内で処理を行うことが難しかった。
また、第１１図、第１２図に示す従来の赤外線固体撮像装置の構造では、赤外線検出器部１０は少なくとも支持脚２１、２２およびこの支持脚とシリコン半導体基板１上に形成された読出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赤外線検出器部１０との間隔余裕の設計に従った制約を受けており、高感度化を阻害していた。
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行くことを難しくしていた。
本発明は上記のような問題点を解消するためになされたもので、信号読出回路と同一半導体基板上に熱型赤外線検出器を形成する２次元赤外線固体撮像素子において、従来のシリコンＶＬＳＩ製造ラインで最終の犠牲層（一般的に、下の層をエッチングして上の層を残す場合に、下の除去される層のことを犠牲層と称する）除去の工程を除いた全ての工程の加工を行うことができると共に、さらに、断熱構造を形成する支持脚や金属配線、コンタクト等の設計に依存せず、高い開口率を達成できる熱型赤外線検出器の実現を可能とし、これにより製造工程が容易で、かつ感度の高い赤外線固体撮像素子を提供することを目的とする。
発明の開示
本発明の赤外線固体撮像素子は、２次元に配列された各画素毎に対応して形成され、入射された赤外線を吸収して熱に変換する赤外線吸収部と、半導体基板上で各画素毎に対応して形成され、順方向にバイアスされた複数の直列接続されたシリコンｐｎ接合ダイオードで構成された温度検出器部と、半導体基板上の温度検出器部が形成される各領域に形成された空洞部と、熱抵抗の大きな材料で構成され、温度検出器部を空洞部上で半導体基板上に支持する支持機構と、赤外線吸収部を温度検出器部より離して保持すると共に、赤外線吸収部と温度検出器部とを熱的に結合する接合柱とを備えたので、犠牲層除去を除く全ての製造工程をシリコンＶＬＳＩプロセスラインで処理することができる共に、画素部分には温度検出器用のシリコンｐｎ接合ダイオード以外の能動素子が不要となるため、生産性の改善された安価で均一性の高い赤外線撮像素子を安定に製造することができる。
さらに、赤外線吸収部と温度検出器部を別の層として形成し、赤外線吸収部と温度検出器部を機械的・熱的に接合する手段である接合柱を設けたので、実効的に開口率を決める赤外線吸収部の面積を大きくして、高開口率化・高感度化を図ることができる。
また、本発明の赤外線固体撮像素子は、半導体基板としてＳＯＩ基板を用いることにより、容易に温度検出用シリコンｐｎ接合ダイオードを結晶Ｓｉを構成部材として形成することができる。
また、本発明の赤外線固体撮像素子の温度検出器部のシリコンｐｎ接合ダイオードは、単結晶シリコン層に交互にｐ層とｎ層を形成して複数のシリコンｐｎ接合ダイオードを構成すると共に、電圧印加時に逆方向となる接合間を金属配線で接続されているので、画素内の面積の限られた領域内にシリコンｐｎ接合ダイオードを高密度に配置することが可能となり、シリコンｐｎ接合ダイオードの数を増やして高感度化を図ることができる。
また、本発明の赤外線固体撮像素子は、短絡用の金属配線として配線開口部分に自己整合的に形成される白金シリサイドを用いたので、プロセスの簡素化が図れる。
また、本発明の赤外線固体撮像素子は、半導体基板としてｐ型半導体基板を用いる共に、温度検出器部の順方向にバイアスされた複数の直列接続されたシリコンｐｎ接合ダイオードは該ｐ型半導体上に設けられたｎ型不純物領域層内形成されるので、温度検出器部の下には絶縁膜を必要とせず、電解エッチングで対応でき、半導体基板としてＳＯＩ基板より安価な従来の基板を用いることができる。
また、本発明の赤外線固体撮像素子の赤外線吸収部は、赤外線吸収金属薄膜、絶縁膜および金属反射膜の層より構成されているので、赤外線吸収部を薄く構成し、干渉吸収構造にすることにより、赤外線の吸収を増大することが可能となり、高感度化を図ることができる。
また、本発明の赤外線固体撮像素子の赤外線吸収部は、絶縁膜および金属反射膜の層より構成されているので、赤外線吸収金属薄膜を形成する工程が不要となり、製造工程の簡略化が図れる。
また、本発明の赤外線固体撮像素子の接合柱は、赤外線吸収部の構成部材の一部で構成されているので、接合柱を赤外線吸収部と同時に形成することができ、製造工程の簡略が図れる。
また、本発明の赤外線固体撮像素子は、半導体基板内の空洞部形成領域の周辺部に、空洞部をエッチングするエッチャントに対してエッチング耐性を持つエッチングストップ層を設けたので、不要にエッチングが広がる心配がなく、エッチングされる領域とエッチングされない領域に作るべき構造の間のマージンを小さくでき、温度検出器部の領域が稼げることにより、温度検出用のシリコンｐｎ接合ダイオードの高密度化が可能となる。
また、画素と画素の間の距離を小さくできるので、結果として画素を小さくでき、画素を縮小して高密度に配置できる。
また、本発明の赤外線固体撮像素子は、各垂直ライン毎に１端を固定電位に接続された定電流源を備えたので、この定電流源は各垂直ライン毎に設けられた出力信号検出用の負荷となり、画素数が増えても１画素あたりの通電時間を長くとれ、十分な信号読み出しが可能となり、狭帯域化で出力信号の雑音低減を図ることができる。
また、本発明の赤外線固体撮像素子は、各垂直ライン毎に１端を固定電位に接続された抵抗を備えたので、この抵抗は各垂直ライン毎に設けられた出力信号検出用の負荷となり、画素数が増えても１画素あたりの通電時間を長くとれ、十分な信号読み出しが可能となり、狭帯域化で出力信号の雑音低減を図ることができる。
また、本発明の赤外線固体撮像素子は、各垂直ライン毎に１端を固定電位に接続されたダイオードを備えたので、このダイオードは各垂直ライン毎に設けられた出力信号検出用の負荷となり、画素数が増えても１画素あたりの通電時間を長くとれ、十分な信号読み出しが可能となり、狭帯域化で出力信号の雑音低減を図ることができる。
また、本発明の赤外線固体撮像素子の各垂直ライン毎に１端を固定電位に接続されたダイオードは、画素の温度検出器部のシリコンｐｎ接合ダイオードと同じ形状のものが同じ個数直列に接続されたものであるので、素子の温度変化に対して温度検出器部のシリコンｐｎ接合ダイオードと同じように特性が変化し、素子温度変化よる出力変化の補償が可能となる。
また、本発明の赤外線固体撮像素子の各垂直ラインは、水平選択トランジスタを介してに１端を固定電位に接続された共通負荷を備えているので、各垂直ライン毎の負荷のばらつきによる出力信号のばらつきを無くすることができる。
また、本発明の赤外線固体撮像素子の各垂直ラインに対する共通負荷はダイオードであり、温度検出器部のシリコンｐｎ接合ダイオードと同じ形状のものを同じ個数直列に接続されたものであるので、各垂直ライン毎の負荷のばらつきによる出力信号のばらつきを無くすることができると共に、素子の温度変化に対して温度検出器部のシリコンｐｎ接合ダイオードと同じように特性が変化し、素子温度変化よる出力変化の補償が可能となる。
発明を実施するための最良の形態
本発明をより詳細に説述するために、添付の図面に基づいて説明する。尚、図において、従来と同一符号は従来のものと同一あるいは相当のものを表す。
第１の実施例
第１図は、本発明の第１の実施例を示す熱型赤外線検出器を用いた２次元赤外線固体撮像素子の画素の断面構造を示す図である。
第１図は、簡単のために半導体基板１上に設けられた信号読み出し用の配線は省略している。
半導体基板１としてはＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）シリコン半導体基板が用いられており、図において、１００はこのＳＯＩ半導体基板１内に埋め込まれたシリコン酸化膜で形成された絶縁膜であって、この絶縁膜１００の上に形成した３００は温度検出器部であって、ｎ型シリコン領域（ｎ型不純物領域とも称す）１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄとｐ型シリコン領域（ｐ型不純物領域とも称す）２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄからなる直列シリコンｐｎ接合ダイオードで構成されている。
２ａと１ｂ、２ｂと１ｃ、２ｃと１ｄの間は短絡用金属配線３ａ、３ｂ、３ｃによりショートされており、ｐｎ接合ダイオードとしては１ａと２ａ間、１ｂと２ｂ間、１ｃと２ｃ間、１ｄと２ｄ間のみがが有効に働く。
また、１１０、１２０はシリコン酸化膜、シリコン窒化膜等からなる絶縁膜であり、３１、３２は金属配線である。２１、２２はＳＯＩ半導体基板１の中に形成した空洞部２００の上に温度検出器部３００を浮かして支持する支持脚であり、絶縁膜１００、１１０、１２０と金属配線３１、３２の一部がこの支持脚２１、２２の構造を構成している。
温度検出器部３００の上に形成された４００は赤外線を吸収して熱に変換する赤外線吸収部であって、赤外線吸収部４００は金属反射膜１５０、絶縁膜１３０、赤外線吸収金属薄膜１６０からなる。
また、１４０は赤外線吸収部４００を温度検出器部３００から離して保持すると共に、赤外線吸収部４００と温度検出器部３００を熱的に結合する手段である接合柱である。
１９０は空洞部２００を形成するのに等方性エッチングを用いた場合に不要に広くエッチングが進行するのを防ぐためのエッチングストッパであるエッチングストップ層である。
第２図は、第１図に示した第１の実施例による赤外線吸収部（熱型赤外線検出器）を用いた２次元赤外線固体撮像素子の画素の構造において、赤外線吸収部４００を除いた部分の平面レイアウトを示す図である。
図において、１０００は画素全体を差しており、５００は信号を読み出すための垂直信号線、６００は前述した直列シリコンｐｎ接合ダイオード（以下、単に直列ダイオードあるいはダイオードとも称す）に電圧を供給するためのバイアス線である。
また、１ａ〜１ｍはｎ型シリコン領域（ｎ型不純物領域）、２ａ〜２ｍはｐ型シリコン領域（ｐ型不純物領域）、３ａ〜３ｌは短絡用金属配線であり、第２図では直列ダイオードの数は第１図より多くなっているが、ダイオードは多数接続するほど感度が多くなるので、第２図のように蛇行させて多数配置するのが好ましい。
また、説明では支持脚２１、２２と金属配線３１、３２は従来構造と同じ単純な形状としたが、熱抵抗を大きくするために蛇行などのレイアウト方法でできるだけ長さを稼ぐことが好ましい。
第３図は、第１図、第２図に示した画素をマトリックス状に複数配列して撮像素子を構成（図では簡単のために４ｘ４画素アレイを示しているが、全体で数万〜数十万画素となる）した状態を示した図である。
図において、１０１１〜１０４４は第２図の１０００で示した画素を示しており、各画素の中の直列ｐｎ接合ダイオードは第３図では簡単のために一つのダイオードの記号で表わされている。
５０１〜５０４と６０１〜６０４はそれぞれ第２図の５００、６００に対応するもので、垂直信号線およびバイアス線である。
１２０１〜１２０４、１３０１〜１３０４が垂直および水平の走査回路１４００、１５００からのクロックで動作する垂直および水平走査トランジスタ、１６００は垂直信号線５０１〜５０４に現われた信号をサンプル・ホールドし、水平信号線７００に出力するための垂直−水平インターフェース回路、１８００は出力アンプ、１５００はバイアス電源、１９００は出力端子である。
また、１１０１〜１１０４は各垂直ライン毎に１端を固定電位に接続された負荷としての定電流源で、飽和領域で動作するＭＯＳトランジスタやバイポーラトランジスタ等を用いて構成することができる。
第４図は、第１図、第２図に示した画素を複数配列した状態を示した図である。
図において、点線で示した長方形１０１１〜１０２４は第２図の１０００で示した画素を示しており、画素の中味の構造は接合柱１４１〜１４８以外は省略して示している。
４０１〜４０８はそれぞれ第１図に示した赤外線吸収部４００であり、接合柱１４１〜１４８により半導体基板１とは離れて支持されている。半導体基板１の上面に形成された画素１０１１〜１０２４と赤外線吸収部４０１〜４０８は同一領域に形成される必要はなく、第４図に示すように画素に対してずれていても構わない。
図より明らかなように、赤外線吸収部４０１〜４０８の各々の面積は、画素面積から隣接する赤外線吸収部間のわずかな間隔を除いた面積とすることが可能であり、従って、開口率（画素面積に対する赤外線吸収部の面積の比率）を非常に大きくすることができる。
次に、本実施例による熱型赤外線検出器を用いた２次元赤外線固体撮像素子の動作について説明する。
赤外線は赤外線吸収部４００側から入射する。入射した赤外線は赤外線吸収部４００で吸収され赤外線吸収部４００の温度を上昇させる。
赤外線吸収部４００の温度変化は接合柱１４０を通して温度検出器部３００に伝わり、温度検出器部３００の温度を上昇させる。
接合柱１４０の熱抵抗は支持脚２１、２２の熱抵抗に比べ小さく設計されており、温度検出器部３００、接合柱１４０、赤外線吸収部４００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すべて読み出すの要する時間、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のこと）より短く設計されているので、フレーム時間毎に観測した場合に、温度検出器部３００の温度上昇は赤外線吸収部４００の温度上昇とほとんど同じになる。
次に、第３図を用いて画素部分の温度変化を電気信号として取り出す方法について説明する。
撮像素子の任意の１水平期間の動作について考える。まず、垂直走査回路１４００の１つのクロック出力が”Ｈ”（ハイレベル）状態になり垂直選択トランジスタ１２０１〜１２０４の内の１つをオン状態にして、バイアス電源１５００をバイアス線６０１〜６０４のいずれか一本に印加する。
回路的には図示していないが、選択されていないバイアス線はこのときバイアスされていない”Ｌ”（ローレベル）状態となっている。
例えば、１２０２のゲート（垂直選択トランジスタ）にクロックが印加されオン状態になった場合はバイアス線６０２にバイアス電圧が印加され、バイアス線６０１、６０３、６０４は電圧が加わらない状態となる。
この状態では画素１０１２、１０２２、１０３２、１０４２のダイオードのみが順方向にバイアスされた状態になり、他の画素のダイオードは逆方向にバイアスされた状態となる。
この状態では電流は、電源１５００から垂直選択トランジスタ１２０２、垂直バイアス線６０２を経たのち４分割され、１つは画素１０１２、垂直信号線５０１を経て電流源１１０１へ、もう一つは１０２２から５０２を経て１１０２へ、もう一つは１０３２から５０３を経て１１０３へ、最後の一つは１０４２から５０４を経て１１０４へ流れる。
このように、画素には温度検出用のダイオードしか含まれていないが、選択される画素はバイアスを与えた行の画素のみとなる。
順方向に定電流を流すダイオードは、単素子ではすでに温度センサとして実用化されており、（例えば、米国Ｌａｋｅ Ｓｈｏｒｅ Ｃｒｙｏｔｒｏｎｉｃｓ，Ｉｎｃ．のシリコンダイオードセンサＤＴシリーズ等）温度によって定電流を流すのに必要な印加電圧が変化することが知られている。
具体的には、１つのシリコンｐｎダイオードでは１度の温度上昇で２〜２．５ｍＶ程度低下する。この温度による電圧変化は直列に接続するダイオードの数に比例する。
従って、前述の例では画素１０１２、１０２２、１０３２、１０４２の各画素における温度を反映して各画素に含まれるダイオードによる電圧降下の量が異なり、５０１、５０２、５０３、５０４には画素１０１２、１０２２、１０３２、１０４２の温度を反映した電圧が現われる。この電圧を垂直−水平インターフェース部１６００でサンプル・ホールドし、水平走査回路１７００を駆動して順水平選択トランジスタ１３０１〜１３０４をオン状態にして信号を水平信号線７００、出力アンプ１８００を通して外部に読み出す。次の水平期間には別の垂直選択トランジスタをオンして別の画素列を選択し、同様の動作を繰り返す。
次に、この実施例の構造の製造方法について説明する。
半導体基板１としてはＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）シリコン半導体基板を用いる。
第５図（ａ）において、１００はＳＯＩ半導体基板１内に埋め込まれたシリコン酸化膜で、始めシリコン酸化膜１００上には薄い単結晶シリコン層が形成されているが、ダイオードとなる一部を除きこのシリコン単結晶層を酸化してシリコン酸化膜層１２０を形成する。
１２５は残った単結晶シリコン層で、この例ではｐ形とした。１９０は最後の工程でシリコンをエッチングするときのエッチングストッパとなるエッチングストップ層で、トレンチエッチングを行った後、表面を熱酸化し、シリコン酸化膜やポリシリコンを埋め込んで形成する。
第５図（ｂ）では、第５図（ａ）で１２５で示した単結晶シリコン層にイオン注入法でｎ不純物領域２ａ〜２ｄを形成し、同時にｐ形領域を１ａ〜１ｄに分割する。
その後、薄い酸化膜を単結晶シリコン層１２５上に形成（図示していない）したのち、短絡用の金属配線３ａ〜３ｃを形成する部分を開口し、白金を蒸着し、熱処理によりシリコンと接した部分に白金シリサイドを形成する。白金シリサイド形成後、シリコン酸化膜上に残った白金は玉水で除去することができ、白金シリサイドはセルファラインで形成できる。
次に、金属配線３１、３２を形成し、表面をシリコン酸化膜かシリコン窒化膜またはその複合膜で覆う。白金シリサイドは金属配線３１、３２と単結晶シリコン薄膜が接するコンタクト部分に形成してもよい。
この状態で、図には示していないが絶縁膜１００、１１０、１２０を貫通して最後にシリコンエッチングを行う際にエッチャントを供給するエッチング窓を形成する。このエッチング窓は第２図の白貫の形状している。
第５図（ｃ）では、後にエッチングして除去する犠牲層１８０を形成し、接合柱１４０となる部分を写真製版技術で除去したのち、接合柱となる膜を形成する。
この例では、犠牲層開口部以外の接合柱となる膜材料は除去された構造になっているが、これは選択的な埋め込みやエッチバック技術を用いることで作ることができる。
但し、接合柱部分以外に接合柱の部材が残っていても何ら不都合は生じない。
犠牲層としてポリシリコンまたはアモルファスシリコンを用いると、半導体基板１内に空洞を作るエッチングを行うのと同時に犠牲層エッチングが可能である。
第５図（ｄ）では、赤外線吸収部４００の構成部材である反射膜１５０、絶縁膜１３０、赤外線吸収金属薄膜１６０を順次形成して、パターニングする。
犠牲層１８０およびシリコンエッチングの時にエッチャントに曝される金属反射膜１５０、赤外線吸収金属薄膜１６０がエッチャントに耐性がない場合は赤外線吸収部４００の上下をエッチング耐性のある絶縁膜で覆う必要がある。
第５図（ｅ）は第１図と同じものであり、第４図（ｂ）の構造をシリコンエッチングすることで犠牲層１８０および温度検出器部３００の下にある半導体基板１をエッチングして断熱構造を完成する。
即ち、赤外線を吸収し温度変化に変える赤外線吸収部４００は接合柱１４０のみを介して温度検出器部３００上に離れた状態で機械的・熱的に結合されると共に、温度検出器部３００は高い熱抵抗を有した支持脚２１、２２によって半導体基板１にエッチングより形成された空洞部２００上においてＳＯＩ半導体基板１と、熱的に絶縁された状態で支持される構造を実現する。
この際、温度検出器部３００はシリコン酸化膜１００で下面を保護されているのでエッチングされない。
この例では周辺の回路の形成工程を省いて説明しているが、周辺回路はＳＯＩ半導体基板１上に形成することもできるし、ＳＯＩ半導体基板１から単結晶シリコン層１２５とシリコン酸化膜１００を周辺回路部分だけ取り去りその上に形成することもできる。
上記実施例では接合柱１４０が１本の場合について説明したが、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例について共通にいえることである。
また、接合柱１４０の位置は任意であるが、機械的に赤外線吸収部４００を支えることができ、赤外線吸収部４００に大きな温度分布を生じさせない位置が好ましい。
この条件を満たす位置としては赤外線吸収部４００の重心の下の位置が最適である。この事情は以下に示すすべての実施例について共通にいえることである。
また、接合柱１４０の太さについては赤外線吸収部４００と温度検出器部３００の温度に大きな差を生じないために温度検出器部とＳＯＩ半導体基板１を熱的に接続する支持脚の熱抵抗に比べ十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例について共通にいえることである。
上記実施例では赤外線吸収部４００として３層構造のものを採用したが、赤外線吸収が可能であれば単層または２層構造でもよく、３層以上の構造としても構わない。
また赤外線吸収部４００は各層が連続した１つの構造物でなくてもよく、一部の層が除去された構造になっていてもよい。
上記実施例では接合柱１４０は赤外線吸収部４００と別の構造としたが、接合柱１４０は赤外線吸収部４００の少なくとも１部の部材を使用して構成してもよい。
上記実施例では、エッチングストップ層１９０を設けているが、エッチングストップ層１９０はエッチングマージンを考慮して、エッチングをしない領域が十分残る場合はこれを設ける必要はなく、空洞部２００の周辺の１部にのみ設けてもよい。
以上のように、第１の実施例による赤外線固体撮像素子は、２次元に配列された各画素毎に対応して形成され、入射された赤外線を吸収して熱に変換する赤外線吸収部４００と、半導体基板１上で各画素毎に対応して形成され、順方向にバイアスされた複数の直列接続されたシリコンｐｎ接合ダイオードで構成された温度検出器部３００と、半導体基板１上の温度検出器部３００が形成される各領域に形成された空洞部２００と、熱抵抗の大きな材料で構成され、温度検出器部を空洞部上で半導体基板上に支持する支持機構（支持脚２１、２２）と、赤外線吸収部４００を温度検出器部３００より離して保持すると共に、赤外線吸収部４００と温度検出器部３００とを熱的に結合する接合柱１４０とを備えたので、犠牲層除去を除く全ての製造工程をシリコンＶＬＳＩプロセスラインで処理することができる共に、画素部分には温度検出器用のシリコンｐｎ接合ダイオード以外の能動素子が不要となるため、生産性の改善された安価で均一性の高い赤外線撮像素子を安定に製造することができる。
さらに、赤外線吸収部４００と温度検出器部３００を別の層として形成し、赤外線吸収部４００と温度検出器部３００を機械的・熱的に接合する手段である接合柱１４０を設けたので、実効的に開口率を決める赤外線吸収部４００の面積を大きくして、高開口率化・高感度化を図ることができる。
また、半導体基板としてＳＯＩ基板を用いることにより、容易に温度検出用シリコンｐｎ接合ダイオードを結晶Ｓｉ上へ形成することができる。
また、温度検出器部３００のシリコンｐｎ接合ダイオードは、単結晶シリコン層に交互にｐ層とｎ層を形成して複数のシリコンｐｎ接合ダイオードを構成すると共に、電圧印加時に逆方向となる接合間を金属配線３ａ〜３ｌで接続されているので、画素内の面積の限られた領域内にシリコンｐｎ接合ダイオードを密に配置することが可能となり、シリコンｐｎ接合ダイオードの数を増やして高感度化を図ることができる。
また、短絡用の金属配線３ａ〜３ｌとして配線開口部分に自己整合的に形成される白金シリサイドを用いたので、プロセスの簡素化が図れる。
また、赤外線吸収部４００は、赤外線吸収金属薄膜１６０、絶縁膜１３０および金属反射膜１５０の層より構成されているので、赤外線吸収部を薄く構成し、干渉吸収構造にすることにより、赤外線の吸収を増大することが可能となり、高感度化を図ることができる。
また、赤外線吸収部４００は、絶縁膜および金属反射膜の層より構成することにより、赤外線吸収金属薄膜１６０を形成する工程が不要となり、製造工程の簡略化が図れる。
また、接合柱１４０を赤外線吸収部４００の構成部材の一部で構成することにより、接合柱１４０を赤外線吸収部４００と同時に形成することができ、製造工程の簡略が図れる。
また、半導体基板１内の空洞部２００の形成領域の周辺部に、空洞部２００をエッチングするエッチャントに対してエッチング耐性を持つエッチングストップ層１９０を設けたので、不要にエッチングが広がる心配がなく、エッチングされる領域とエッチングされない領域に作るべき構造の間のマージンを小さくでき、高密度化が可能となる。
また、各垂直ライン毎に１端を固定電位に接続された定電流源１１０１〜１１０４を備えたので、この定電流源は各垂直ライン毎に設けられた出力信号検出用の負荷となり、画素数が増えても１画素あたりの通電時間を長くとれ、十分な信号読み出しが可能となり、狭帯域化で出力信号の雑音低減を図ることができる。
第２の実施例
前述の第１の実施例ではＳＩＯ半導体基板１に空洞部２００を作るのに等方性エッチングを使用してが、異方性エッチングを使用することもでき、この場合使用するＳＩＯ半導体基板１として（１００）面を用いればエッチングストップ層がなくても（１１１）面が現われた段階でエッチング速度が急激に遅くなり、不要に空洞領域を広げることなくエッチング可能である。
この場合の画素部断面形状を第６図に示す。２０１は異方性エッチングで形成された空洞部分である。
第３の実施例
第１の実施例では第３図に示すように、各行に定電流源１１０１〜１１０４を設けて信号を検出したが、これを第７図または第８図に示すように負荷抵抗１１１１〜１１１４または負荷ダイオード１１２１〜１１２４に置き換えてもよい。
なお、ダイオード負荷の場合、画素部分と同じ形状、個数のダイオードを画素のダイオードと直列に接続して負荷にして、画素ダイオードと負荷ダイオードの接続点を出力する構成をとる。
この場合、負荷のダイオードの下には空洞部２００あるいは２０１を形成しないようにすると、画素部分のダイオード（即ち、温度検出器部３００のシリコンｐｎ接合ダイオード）は赤外線の入射によって特性が変わるのに対して、負荷のダイオードは半導体基板１と熱的によく結合されているため、外部からの赤外線入射によってほとんど特性は変化しない。
従って、赤外線入射により画素部分のダイオード（即ち、温度検出器部３００のシリコンｐｎ接合ダイオード）と負荷のダイオードの特性変化が異なるため、出力が変化する。
ダイオードの特性は絶対温度で決まるが、赤外線入射による温度変化はダイオード素子自信の温度を起点とした変化であり、素子温度が変わると赤外線が入射したときの画素ダイオード（即ち、温度検出器部３００のシリコンｐｎ接合ダイオード）の絶対温度が変化し、問題となる。
しかし、負荷ダイオードが素子の絶対温度にしたがって特性変化をしているので、この構成では負荷ダイオードを画素ダイオード（即ち、温度検出器部３００のシリコンｐｎ接合ダイオード）と同じ温度特性を持たせることで、素子温度の変化による出力の変化を補償することができる。
以上のように、第３の実施例による赤外線固体撮像素子は、各垂直ライン毎に１端を固定電位に接続された出力信号検出用の負荷抵抗１１１１〜１１１４を備えたので、画素数が増えても１画素あたりの通電時間を長くとれ、十分な信号読み出しが可能となり、狭帯域化で出力信号の雑音低減を図ることができる。
また、各垂直ライン毎に１端を固定電位に接続された出力信号検出用の負荷ダイオード１１２１〜１１２４を備えたので、画素数が増えても１画素あたりの通電時間を長くとれ、十分な信号読み出しが可能となり、狭帯域化で出力信号の雑音低減を図ることができる。
また、各垂直ライン毎に１端を固定電位に接続された負荷ダイオード１１２１〜１１２４は、画素の温度検出器部３００のシリコンｐｎ接合ダイオードと同じ形状のものが同じ個数直列に接続されたものであるので、素子の温度変化に対して温度検出器部３００のシリコンｐｎ接合ダイオードと同じように特性が変化し、素子温度変化よる出力変化の補償が可能となる。
第４の実施例
第２の実施例あるいは第３の実施例では各行に定電流源、抵抗またはダイオードを設けて垂直−水平インターフェース部１６００に信号をサンプルホールドして一時蓄積できるようにしているが、第９図に示すように、各行に対する共通負荷として撮像素子内定電流源、抵抗またはダイオードのいずれかからなる共通負荷１１３０を設けて、１つの水平走査回路により１行ずつ水平信号線７００につなぐようにしてもよい。
この方法では１画素づつ通電する必要があるので、画素数が増えると１画素の読み出しに割り当てられる時間が少なくなり、読み出しが十分できなくなったり、１画素を読み出す周波数の帯域が広くなり雑音を発生する可能性があるが、画素数が少ない場合には、各行毎に負荷を設けるよりもこのような共通負荷の構成を採用した方が、各行の負荷のばらつきによる出力のばらつきが防止され、良好な画像を得ることがでる。なお、共通負荷１１３０がダイオードの場合、画素部分のダイオード（即ち、温度検出器部３００のシリコンｐｎ接合ダイオード）と同じ形状、個数のダイオードを画素部分のダイオードと直列に接続して負荷にして、画素ダイオードと負荷ダイオードの接続点を出力する構成をとる。
この場合、負荷のダイオードの下には空洞部２００あるいは２０１を形成しないようにすると、画素部分のダイオード（即ち、温度検出器部３００のシリコンｐｎ接合ダイオード）は赤外線の入射によって特性が変わるのに対して、負荷のダイオードは半導体基板１と熱的によく結合されているため、外部からの赤外線入射によってほとんど特性は変化しない。
従って、赤外線入射により画素部分のダイオード（即ち、温度検出器部３００）と負荷のダイオードの特性変化が異なるため、出力が変化する。
ダイオードの特性は絶対温度で決まるが、赤外線入射による温度変化はダイオード素子自信の温度を起点とした変化であり、素子温度が変わると赤外線が入射したときの画素ダイオード（即ち、温度検出器部３００のシリコンｐｎ接合ダイオード）の絶対温度が変化し、問題となる。
しかし、負荷ダイオードが素子の絶対温度にしたがって特性変化をしているので、この構成では負荷ダイオードを画素ダイオード（即ち、温度検出器部３００のシリコンｐｎ接合ダイオード）と同じ温度特性を持たせることで、素子温度の変化による出力の変化を補償することができる。
また、上記第１の実施乃至第４の実施例では半導体基板１としてＳＯＩ半導体基板を用いた例を示したが、レーザ再結晶化等の手法でシリコン半導体基板上に形成したシリコン酸化膜の上に単結晶シリコンを形成した半導体基板を用いることもでき、シリコン酸化膜はシリコン半導体基板全面に存在しなくても、半導体基板に空洞を形成する領域（さらに限定すれば温度検出器部３００の下面のみ）のみに存在すればよく、酸素をイオン注入して形成するＳＩＭＯＸ構造等も使用することができる。
以上のように、第４の実施例による赤外線固体撮像素子の各垂直ラインは、水平選択トランジスタ１３０１〜１３０４を介してに１端を固定電位に接続された共通負荷１１３０を備えているので、各垂直ライン毎の負荷のばらつきによる出力信号のばらつきを無くすることができる。
また、各垂直ラインに対する共通負荷１３０はダイオードであり、温度検出器部のシリコンｐｎ接合ダイオードと同じ形状のものを同じ個数直列に接続されたものであるので、各垂直ライン毎の負荷のばらつきによる出力信号のばらつきを無くすることができると共に、素子の温度変化に対して温度検出器部のシリコンｐｎ接合ダイオードと同じように特性が変化し、素子温度変化よる出力変化の補償が可能となる。
第５の実施
第１０図は、本発明による熱型赤外線検出器を用いた２次元赤外線固体撮像素子の第５の実施例を示す画素の断面構造である。
図において３０１は温度検出器部であり、図に示すように実施例２による画素の構造は実施例１のものと比較して温度検出器部の構造が異なっている。
この第５の実施例では半導体基板１はｐ形シリコン半導体基板であり、また、温度検出器部３０１内の１２はｎ形不純部領域であって、温度検出用のｐｎ接合ダイオードはこのｎ形不純物領域１２の中に形成されている。
半導体基板１に空洞部２００を形成するには江刺、藤田、五十嵐、杉山共著『マイクロマシニングとマイクロメカトロニクス』（培風館）ｐ．１９〜ｐ．２０に述べられている電解エッチングを用いる。
電解エッチングではｐ形のシリコン半導体基板はエッチングされるが、ｎ形不純物領域はエッチングされずに残り、第１０図のような構造を作ることができる。
第１０図において、１ａ、１ｂ、１ｃはｐ形不純物領域、２ａ、２ｂ、２ｃはｎ形不純物領域であり、１ａ−２ａ、１ｂ−２ｂ、１ｃ−２ｃが温度検出用のｐｎダイオードを構成している。
それぞれのｐｎダイオードは金属配線３ａ、３ｂにより直列に接続されている。ｎ形不純物領域２ａ、２ｂ、２ｃとｐ形不純物領域１ａ、１ｂ、１ｃとは逆方向バイアスとなるように電圧を印加する。直列に接続されるｐｎダイオードは実施例１の場合と同様に多いほど感度が高くなる。
この実施例の画素を用いた赤外線撮像素子も第１の実施例に示したものと同じ回路により動作させることができる。
以上のように、第５の実施例による赤外線固体撮像素子は、半導体基板１としてｐ型半導体基板を用いる共に、温度検出器部３０１の順方向にバイアスされた複数の直列接続されたシリコンｐｎ接合ダイオードは該ｐ型半導体上に設けられたｎ型不純物領域１２の層内に形成されるので、温度検出器部３０１の下には絶縁膜を必要とせず、電解エッチングで対応でき、半導体基板としてＳＯＩ基板より安価な従来の基板を用いることができる。
産業上の利用の可能性
以上のように、本発明に係る赤外線固体撮像装置は、画素部分に温度検出と画素選択の両方の機能を兼用したシリコンｐｎ接合ダイオードを形成することにより、犠牲層除去を除く全ての製造工程をシリコンＶＬＳＩプロセスラインで処理することができる生産性の改善された安価で均一性の高い赤外線固体撮像素子を実現するのに適している。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の第１の実施例の赤外線固体撮像素子の画素の断面構造を示す図、第２図は本発明の第１の実施例の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レイアウ図、第３図は本発明の第１の実施例の赤外線固体撮像素子の読み出し回路の構成を示す図、第４図は本発明の第１の実施例の赤外線固体撮像素子の赤外線吸収部のレイアウトを示す図、第５図は本発明の第１の実施例の赤外線固体撮像素子の画素の製造工程フローを示す図である。
また、第６図は本発明の第２の実施例の赤外線固体撮像素子の画素の断面構造を示す図、第７図は本発明の第３の実施例の赤外線固体撮像素子の読み出し回路の構成例を示す図、第８図は本発明の第３の実施例の赤外線固体撮像素子の読み出し回路の構成の他の例を示す図、第９図は本発明の第４の実施例の赤外線固体撮像素子の読み出し回路の構成を示す図、第１０図は本発明の第５の実施例の赤外線固体撮像素子の画素の断面構造を示す図である。
また、第１１図は従来の赤外線固体撮像素子の画素の構造を示す斜視図、第１２図は従来の赤外線固体撮像素子の画素の構造を示す断面図である。
本発明は入射された赤外線を検出して吸収し、熱に変換する熱型赤外線検出器を用いた２次元赤外線固体撮像素子に関するものである。
背景技術
熱型赤外線検出器とは、赤外線が照射されると、照射された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。
第１１図は、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赤外線検出器を用いた２次元固体撮像素子の一個の画素の構造例を示す斜視図である。
図において、１は例えばシリコンなどの半導体からなる半導体基板であり、１０はこの半導体基板１と空間を隔てて設けられた赤外線検出器部、１１はボロメータ薄膜、２１、２２は赤外線検出器部１０をシリコン半導体基板から浮かせて持ち上げるための支持脚、３１、３２はボロメータ薄膜に電流を流すための金属配線、４０は金属配線３１、３２とボロメータ薄膜１１を通して流れる電流のオン、オフを行なうスイッチ・トランジスタ、５０は金属配線３２に接続された信号線、６０はスイッチ・トランジスタのオン、オフを制御するための制御クロック線、７０は検出器部と光学的共振動構造をつくり赤外線検出器部１０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。
第１２図は、第１１図に示した従来の熱型赤外線検出器を用いた２次元固体撮像素子の画素の構造の電流経路に沿った断面構造を示す図で、ここでは本発明に直接関係のないスイッチ・トランジスタ４０、信号線５０、制御クロック線６０などは省略している。
前述したように赤外線検出器部１０の上にはボロメータ薄膜１１が形成されており、ボロメータ薄膜１１には金属配線３１、３２が接続し、コンタクト部の１２１、１２２を通してシリコン半導体基板上に形成された信号読出回路（図示なし）と接続している。
このボロメータ薄膜１１と金属配線３１、３２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１００、１１０に覆われており、この絶縁膜１００、１１０が赤外線検出器部１０と支持脚２１、２２の機械的構造を形作っている。８０は半導体基板１上に形成された信号読出回路と配線３１、３２を絶縁するための絶縁膜で、この絶縁膜８０の上の金属反射膜７０の上に空洞部９０を介して光検出器部１０が配置されている。金属反射膜７０の表面には別の絶縁膜が形成される場合もある。
次に、この熱型赤外線検出器を用いた従来の２次元赤外線固体撮像素子の動作について説明する。
赤外線は光検出器部１０が存在する側から入射し、光検出器部１０で吸収される。
入射した赤外線は金属反射膜７０の存在により金属反射膜７０の位置が節となるような定在波ができ赤外線検出器部１０と金属反射膜７０の間隔を適切に設定することで赤外線検出器部１０における赤外線エネルギの吸収を増大させることができる。
赤外線検出器部１０で吸収された赤外線のエネルギは熱に変換され、赤外線検出器部１０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１１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薄膜１１の抵抗値の変化から知ることができる。
温度変化による抵抗変化の大きなボロメータ材料としては、文献Ｐ．Ｗ．Ｋｒｉｓｅ，”Ｕｎｃｏｏｌｅｄ ＩＲ Ｆｏｃａｌ Ｐｌａｎｅ Ａｒｒａｙｓ”，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＳＰＩＥ，ｖｏｌ．２５５２，ｐｐ．５５６−５６３にあるように酸化バナジウム（ＶＯｘ）等の半導体が用いられる。
ボロメータ薄膜１１の抵抗温度係数が同じであれば、赤外線検出器部１０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赤外線検出器部１０からシリコン半導体基板１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２１、２２は熱抵抗を出来るだけ小さくするよう設計される。
また、撮像素子のフレーム時間に比べ赤外線検出器部１０の温度時定数が短くなるよう赤外線検出器部１０の熱容量を小さくすることも重要である。
赤外線は画素内に全体に入射するが、赤外線検出器部１０の温度上昇に寄与するのは赤外線検出器１０の部分に入射したものだけ（若干は赤外線検出器部１０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。
この為、感度を高くするには開口率（画素面積に対する赤外線検出器部１０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。
上記の従来例で説明したボロメータで温度変化を検出する方式では、温度による抵抗変化が大きく、雑音の小さな材料として酸化バナジウム（ＶＯｘ）等の通常シリコンプロセスでは使用しない材料を使う必要がある。
こうした材料はシリコンプロセスと同じ製造技術を用いて成膜、写真製版、エッチング等などの処理を行うことができるが、シリコンプロセスの汚染の観点から、シリコンＶＬＳＩと同じ製造ライン内で処理を行うことが難しかった。
また、第１１図、第１２図に示す従来の赤外線固体撮像装置の構造では、赤外線検出器部１０は少なくとも支持脚２１、２２およびこの支持脚とシリコン半導体基板１上に形成された読出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赤外線検出器部１０との間隔余裕の設計に従った制約を受けており、高感度化を阻害していた。
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行くことを難しくしていた。
本発明は上記のような問題点を解消するためになされたもので、信号読出回路と同一半導体基板上に熱型赤外線検出器を形成する２次元赤外線固体撮像素子において、従来のシリコンＶＬＳＩ製造ラインで最終の犠牲層（一般的に、下の層をエッチングして上の層を残す場合に、下の除去される層のことを犠牲層と称する）除去の工程を除いた全ての工程の加工を行うことができると共に、さらに、断熱構造を形成する支持脚や金属配線、コンタクト等の設計に依存せず、高い開口率を達成できる熱型赤外線検出器の実現を可能とし、これにより製造工程が容易で、かつ感度の高い赤外線固体撮像素子を提供することを目的とする。
発明の開示
本発明の赤外線固体撮像素子は、２次元に配列された各画素毎に対応して形成され、入射された赤外線を吸収して熱に変換する赤外線吸収部と、半導体基板上で各画素毎に対応して形成され、順方向にバイアスされた複数の直列接続されたシリコンｐｎ接合ダイオードで構成された温度検出器部と、半導体基板上の温度検出器部が形成される各領域に形成された空洞部と、熱抵抗の大きな材料で構成され、温度検出器部を空洞部上で半導体基板上に支持する支持機構と、赤外線吸収部を温度検出器部より離して保持すると共に、赤外線吸収部と温度検出器部とを熱的に結合する接合柱とを備えたので、犠牲層除去を除く全ての製造工程をシリコンＶＬＳＩプロセスラインで処理することができる共に、画素部分には温度検出器用のシリコンｐｎ接合ダイオード以外の能動素子が不要となるため、生産性の改善された安価で均一性の高い赤外線撮像素子を安定に製造することができる。
さらに、赤外線吸収部と温度検出器部を別の層として形成し、赤外線吸収部と温度検出器部を機械的・熱的に接合する手段である接合柱を設けたので、実効的に開口率を決める赤外線吸収部の面積を大きくして、高開口率化・高感度化を図ることができる。
また、本発明の赤外線固体撮像素子は、半導体基板としてＳＯＩ基板を用いることにより、容易に温度検出用シリコンｐｎ接合ダイオードを結晶Ｓｉを構成部材として形成することができる。
また、本発明の赤外線固体撮像素子の温度検出器部のシリコンｐｎ接合ダイオードは、単結晶シリコン層に交互にｐ層とｎ層を形成して複数のシリコンｐｎ接合ダイオードを構成すると共に、電圧印加時に逆方向となる接合間を金属配線で接続されているので、画素内の面積の限られた領域内にシリコンｐｎ接合ダイオードを高密度に配置することが可能となり、シリコンｐｎ接合ダイオードの数を増やして高感度化を図ることができる。
また、本発明の赤外線固体撮像素子は、短絡用の金属配線として配線開口部分に自己整合的に形成される白金シリサイドを用いたので、プロセスの簡素化が図れる。
また、本発明の赤外線固体撮像素子は、半導体基板としてｐ型半導体基板を用いる共に、温度検出器部の順方向にバイアスされた複数の直列接続されたシリコンｐｎ接合ダイオードは該ｐ型半導体上に設けられたｎ型不純物領域層内形成されるので、温度検出器部の下には絶縁膜を必要とせず、電解エッチングで対応でき、半導体基板としてＳＯＩ基板より安価な従来の基板を用いることができる。
また、本発明の赤外線固体撮像素子の赤外線吸収部は、赤外線吸収金属薄膜、絶縁膜および金属反射膜の層より構成されているので、赤外線吸収部を薄く構成し、干渉吸収構造にすることにより、赤外線の吸収を増大することが可能となり、高感度化を図ることができる。
また、本発明の赤外線固体撮像素子の赤外線吸収部は、絶縁膜および金属反射膜の層より構成されているので、赤外線吸収金属薄膜を形成する工程が不要となり、製造工程の簡略化が図れる。
また、本発明の赤外線固体撮像素子の接合柱は、赤外線吸収部の構成部材の一部で構成されているので、接合柱を赤外線吸収部と同時に形成することができ、製造工程の簡略が図れる。
また、本発明の赤外線固体撮像素子は、半導体基板内の空洞部形成領域の周辺部に、空洞部をエッチングするエッチャントに対してエッチング耐性を持つエッチングストップ層を設けたので、不要にエッチングが広がる心配がなく、エッチングされる領域とエッチングされない領域に作るべき構造の間のマージンを小さくでき、温度検出器部の領域が稼げることにより、温度検出用のシリコンｐｎ接合ダイオードの高密度化が可能となる。
また、画素と画素の間の距離を小さくできるので、結果として画素を小さくでき、画素を縮小して高密度に配置できる。
また、本発明の赤外線固体撮像素子は、各垂直ライン毎に１端を固定電位に接続された定電流源を備えたので、この定電流源は各垂直ライン毎に設けられた出力信号検出用の負荷となり、画素数が増えても１画素あたりの通電時間を長くとれ、十分な信号読み出しが可能となり、狭帯域化で出力信号の雑音低減を図ることができる。
また、本発明の赤外線固体撮像素子は、各垂直ライン毎に１端を固定電位に接続された抵抗を備えたので、この抵抗は各垂直ライン毎に設けられた出力信号検出用の負荷となり、画素数が増えても１画素あたりの通電時間を長くとれ、十分な信号読み出しが可能となり、狭帯域化で出力信号の雑音低減を図ることができる。
また、本発明の赤外線固体撮像素子は、各垂直ライン毎に１端を固定電位に接続されたダイオードを備えたので、このダイオードは各垂直ライン毎に設けられた出力信号検出用の負荷となり、画素数が増えても１画素あたりの通電時間を長くとれ、十分な信号読み出しが可能となり、狭帯域化で出力信号の雑音低減を図ることができる。
また、本発明の赤外線固体撮像素子の各垂直ライン毎に１端を固定電位に接続されたダイオードは、画素の温度検出器部のシリコンｐｎ接合ダイオードと同じ形状のものが同じ個数直列に接続されたものであるので、素子の温度変化に対して温度検出器部のシリコンｐｎ接合ダイオードと同じように特性が変化し、素子温度変化よる出力変化の補償が可能となる。
また、本発明の赤外線固体撮像素子の各垂直ラインは、水平選択トランジスタを介してに１端を固定電位に接続された共通負荷を備えているので、各垂直ライン毎の負荷のばらつきによる出力信号のばらつきを無くすることができる。
また、本発明の赤外線固体撮像素子の各垂直ラインに対する共通負荷はダイオードであり、温度検出器部のシリコンｐｎ接合ダイオードと同じ形状のものを同じ個数直列に接続されたものであるので、各垂直ライン毎の負荷のばらつきによる出力信号のばらつきを無くすることができると共に、素子の温度変化に対して温度検出器部のシリコンｐｎ接合ダイオードと同じように特性が変化し、素子温度変化よる出力変化の補償が可能となる。
発明を実施するための最良の形態
本発明をより詳細に説述するために、添付の図面に基づいて説明する。尚、図において、従来と同一符号は従来のものと同一あるいは相当のものを表す。
第１の実施例
第１図は、本発明の第１の実施例を示す熱型赤外線検出器を用いた２次元赤外線固体撮像素子の画素の断面構造を示す図である。
第１図は、簡単のために半導体基板１上に設けられた信号読み出し用の配線は省略している。
半導体基板１としてはＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）シリコン半導体基板が用いられており、図において、１００はこのＳＯＩ半導体基板１内に埋め込まれたシリコン酸化膜で形成された絶縁膜であって、この絶縁膜１００の上に形成した３００は温度検出器部であって、ｎ型シリコン領域（ｎ型不純物領域とも称す）１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄとｐ型シリコン領域（ｐ型不純物領域とも称す）２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄからなる直列シリコンｐｎ接合ダイオードで構成されている。
２ａと１ｂ、２ｂと１ｃ、２ｃと１ｄの間は短絡用金属配線３ａ、３ｂ、３ｃによりショートされており、ｐｎ接合ダイオードとしては１ａと２ａ間、１ｂと２ｂ間、１ｃと２ｃ間、１ｄと２ｄ間のみがが有効に働く。
また、１１０、１２０はシリコン酸化膜、シリコン窒化膜等からなる絶縁膜であり、３１、３２は金属配線である。２１、２２はＳＯＩ半導体基板１の中に形成した空洞部２００の上に温度検出器部３００を浮かして支持する支持脚であり、絶縁膜１００、１１０、１２０と金属配線３１、３２の一部がこの支持脚２１、２２の構造を構成している。
温度検出器部３００の上に形成された４００は赤外線を吸収して熱に変換する赤外線吸収部であって、赤外線吸収部４００は金属反射膜１５０、絶縁膜１３０、赤外線吸収金属薄膜１６０からなる。
また、１４０は赤外線吸収部４００を温度検出器部３００から離して保持すると共に、赤外線吸収部４００と温度検出器部３００を熱的に結合する手段である接合柱である。
１９０は空洞部２００を形成するのに等方性エッチングを用いた場合に不要に広くエッチングが進行するのを防ぐためのエッチングストッパであるエッチングストップ層である。
第２図は、第１図に示した第１の実施例による赤外線吸収部（熱型赤外線検出器）を用いた２次元赤外線固体撮像素子の画素の構造において、赤外線吸収部４００を除いた部分の平面レイアウトを示す図である。
図において、１０００は画素全体を差しており、５００は信号を読み出すための垂直信号線、６００は前述した直列シリコンｐｎ接合ダイオード（以下、単に直列ダイオードあるいはダイオードとも称す）に電圧を供給するためのバイアス線である。
また、１ａ〜１ｍはｎ型シリコン領域（ｎ型不純物領域）、２ａ〜２ｍはｐ型シリコン領域（ｐ型不純物領域）、３ａ〜３ｌは短絡用金属配線であり、第２図では直列ダイオードの数は第１図より多くなっているが、ダイオードは多数接続するほど感度が多くなるので、第２図のように蛇行させて多数配置するのが好ましい。
また、説明では支持脚２１、２２と金属配線３１、３２は従来構造と同じ単純な形状としたが、熱抵抗を大きくするために蛇行などのレイアウト方法でできるだけ長さを稼ぐことが好ましい。
第３図は、第１図、第２図に示した画素をマトリックス状に複数配列して撮像素子を構成（図では簡単のために４ｘ４画素アレイを示しているが、全体で数万〜数十万画素となる）した状態を示した図である。
図において、１０１１〜１０４４は第２図の１０００で示した画素を示しており、各画素の中の直列ｐｎ接合ダイオードは第３図では簡単のために一つのダイオードの記号で表わされている。
５０１〜５０４と６０１〜６０４はそれぞれ第２図の５００、６００に対応するもので、垂直信号線およびバイアス線である。
１２０１〜１２０４、１３０１〜１３０４が垂直および水平の走査回路１４００、１５００からのクロックで動作する垂直および水平走査トランジスタ、１６００は垂直信号線５０１〜５０４に現われた信号をサンプル・ホールドし、水平信号線７００に出力するための垂直−水平インターフェース回路、１８００は出力アンプ、１５００はバイアス電源、１９００は出力端子である。
また、１１０１〜１１０４は各垂直ライン毎に１端を固定電位に接続された負荷としての定電流源で、飽和領域で動作するＭＯＳトランジスタやバイポーラトランジスタ等を用いて構成することができる。
第４図は、第１図、第２図に示した画素を複数配列した状態を示した図である。
図において、点線で示した長方形１０１１〜１０２４は第２図の１０００で示した画素を示しており、画素の中味の構造は接合柱１４１〜１４８以外は省略して示している。
４０１〜４０８はそれぞれ第１図に示した赤外線吸収部４００であり、接合柱１４１〜１４８により半導体基板１とは離れて支持されている。半導体基板１の上面に形成された画素１０１１〜１０２４と赤外線吸収部４０１〜４０８は同一領域に形成される必要はなく、第４図に示すように画素に対してずれていても構わない。
図より明らかなように、赤外線吸収部４０１〜４０８の各々の面積は、画素面積から隣接する赤外線吸収部間のわずかな間隔を除いた面積とすることが可能であり、従って、開口率（画素面積に対する赤外線吸収部の面積の比率）を非常に大きくすることができる。
次に、本実施例による熱型赤外線検出器を用いた２次元赤外線固体撮像素子の動作について説明する。
赤外線は赤外線吸収部４００側から入射する。入射した赤外線は赤外線吸収部４００で吸収され赤外線吸収部４００の温度を上昇させる。
赤外線吸収部４００の温度変化は接合柱１４０を通して温度検出器部３００に伝わり、温度検出器部３００の温度を上昇させる。
接合柱１４０の熱抵抗は支持脚２１、２２の熱抵抗に比べ小さく設計されており、温度検出器部３００、接合柱１４０、赤外線吸収部４００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すべて読み出すの要する時間、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のこと）より短く設計されているので、フレーム時間毎に観測した場合に、温度検出器部３００の温度上昇は赤外線吸収部４００の温度上昇とほとんど同じになる。
次に、第３図を用いて画素部分の温度変化を電気信号として取り出す方法について説明する。
撮像素子の任意の１水平期間の動作について考える。まず、垂直走査回路１４００の１つのクロック出力が”Ｈ”（ハイレベル）状態になり垂直選択トランジスタ１２０１〜１２０４の内の１つをオン状態にして、バイアス電源１５００をバイアス線６０１〜６０４のいずれか一本に印加する。
回路的には図示していないが、選択されていないバイアス線はこのときバイアスされていない”Ｌ”（ローレベル）状態となっている。
例えば、１２０２のゲート（垂直選択トランジスタ）にクロックが印加されオン状態になった場合はバイアス線６０２にバイアス電圧が印加され、バイアス線６０１、６０３、６０４は電圧が加わらない状態となる。
この状態では画素１０１２、１０２２、１０３２、１０４２のダイオードのみが順方向にバイアスされた状態になり、他の画素のダイオードは逆方向にバイアスされた状態となる。
この状態では電流は、電源１５００から垂直選択トランジスタ１２０２、垂直バイアス線６０２を経たのち４分割され、１つは画素１０１２、垂直信号線５０１を経て電流源１１０１へ、もう一つは１０２２から５０２を経て１１０２へ、もう一つは１０３２から５０３を経て１１０３へ、最後の一つは１０４２から５０４を経て１１０４へ流れる。
このように、画素には温度検出用のダイオードしか含まれていないが、選択される画素はバイアスを与えた行の画素のみとなる。
順方向に定電流を流すダイオードは、単素子ではすでに温度センサとして実用化されており、（例えば、米国Ｌａｋｅ Ｓｈｏｒｅ Ｃｒｙｏｔｒｏｎｉｃｓ，Ｉｎｃ．のシリコンダイオードセンサＤＴシリーズ等）温度によって定電流を流すのに必要な印加電圧が変化することが知られている。
具体的には、１つのシリコンｐｎダイオードでは１度の温度上昇で２〜２．５ｍＶ程度低下する。この温度による電圧変化は直列に接続するダイオードの数に比例する。
従って、前述の例では画素１０１２、１０２２、１０３２、１０４２の各画素における温度を反映して各画素に含まれるダイオードによる電圧降下の量が異なり、５０１、５０２、５０３、５０４には画素１０１２、１０２２、１０３２、１０４２の温度を反映した電圧が現われる。この電圧を垂直−水平インターフェース部１６００でサンプル・ホールドし、水平走査回路１７００を駆動して順水平選択トランジスタ１３０１〜１３０４をオン状態にして信号を水平信号線７００、出力アンプ１８００を通して外部に読み出す。次の水平期間には別の垂直選択トランジスタをオンして別の画素列を選択し、同様の動作を繰り返す。
次に、この実施例の構造の製造方法について説明する。
半導体基板１としてはＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）シリコン半導体基板を用いる。
第５図（ａ）において、１００はＳＯＩ半導体基板１内に埋め込まれたシリコン酸化膜で、始めシリコン酸化膜１００上には薄い単結晶シリコン層が形成されているが、ダイオードとなる一部を除きこのシリコン単結晶層を酸化してシリコン酸化膜層１２０を形成する。
１２５は残った単結晶シリコン層で、この例ではｐ形とした。１９０は最後の工程でシリコンをエッチングするときのエッチングストッパとなるエッチングストップ層で、トレンチエッチングを行った後、表面を熱酸化し、シリコン酸化膜やポリシリコンを埋め込んで形成する。
第５図（ｂ）では、第５図（ａ）で１２５で示した単結晶シリコン層にイオン注入法でｎ不純物領域２ａ〜２ｄを形成し、同時にｐ形領域を１ａ〜１ｄに分割する。
その後、薄い酸化膜を単結晶シリコン層１２５上に形成（図示していない）したのち、短絡用の金属配線３ａ〜３ｃを形成する部分を開口し、白金を蒸着し、熱処理によりシリコンと接した部分に白金シリサイドを形成する。白金シリサイド形成後、シリコン酸化膜上に残った白金は玉水で除去することができ、白金シリサイドはセルファラインで形成できる。
次に、金属配線３１、３２を形成し、表面をシリコン酸化膜かシリコン窒化膜またはその複合膜で覆う。白金シリサイドは金属配線３１、３２と単結晶シリコン薄膜が接するコンタクト部分に形成してもよい。
この状態で、図には示していないが絶縁膜１００、１１０、１２０を貫通して最後にシリコンエッチングを行う際にエッチャントを供給するエッチング窓を形成する。このエッチング窓は第２図の白貫の形状している。
第５図（ｃ）では、後にエッチングして除去する犠牲層１８０を形成し、接合柱１４０となる部分を写真製版技術で除去したのち、接合柱となる膜を形成する。
この例では、犠牲層開口部以外の接合柱となる膜材料は除去された構造になっているが、これは選択的な埋め込みやエッチバック技術を用いることで作ることができる。
但し、接合柱部分以外に接合柱の部材が残っていても何ら不都合は生じない。
犠牲層としてポリシリコンまたはアモルファスシリコンを用いると、半導体基板１内に空洞を作るエッチングを行うのと同時に犠牲層エッチングが可能である。
第５図（ｄ）では、赤外線吸収部４００の構成部材である反射膜１５０、絶縁膜１３０、赤外線吸収金属薄膜１６０を順次形成して、パターニングする。
犠牲層１８０およびシリコンエッチングの時にエッチャントに曝される金属反射膜１５０、赤外線吸収金属薄膜１６０がエッチャントに耐性がない場合は赤外線吸収部４００の上下をエッチング耐性のある絶縁膜で覆う必要がある。
第５図（ｅ）は第１図と同じものであり、第４図（ｂ）の構造をシリコンエッチングすることで犠牲層１８０および温度検出器部３００の下にある半導体基板１をエッチングして断熱構造を完成する。
即ち、赤外線を吸収し温度変化に変える赤外線吸収部４００は接合柱１４０のみを介して温度検出器部３００上に離れた状態で機械的・熱的に結合されると共に、温度検出器部３００は高い熱抵抗を有した支持脚２１、２２によって半導体基板１にエッチングより形成された空洞部２００上においてＳＯＩ半導体基板１と、熱的に絶縁された状態で支持される構造を実現する。
この際、温度検出器部３００はシリコン酸化膜１００で下面を保護されているのでエッチングされない。
この例では周辺の回路の形成工程を省いて説明しているが、周辺回路はＳＯＩ半導体基板１上に形成することもできるし、ＳＯＩ半導体基板１から単結晶シリコン層１２５とシリコン酸化膜１００を周辺回路部分だけ取り去りその上に形成することもできる。
上記実施例では接合柱１４０が１本の場合について説明したが、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例について共通にいえることである。
また、接合柱１４０の位置は任意であるが、機械的に赤外線吸収部４００を支えることができ、赤外線吸収部４００に大きな温度分布を生じさせない位置が好ましい。
この条件を満たす位置としては赤外線吸収部４００の重心の下の位置が最適である。この事情は以下に示すすべての実施例について共通にいえることである。
また、接合柱１４０の太さについては赤外線吸収部４００と温度検出器部３００の温度に大きな差を生じないために温度検出器部とＳＯＩ半導体基板１を熱的に接続する支持脚の熱抵抗に比べ十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例について共通にいえることである。
上記実施例では赤外線吸収部４００として３層構造のものを採用したが、赤外線吸収が可能であれば単層または２層構造でもよく、３層以上の構造としても構わない。
また赤外線吸収部４００は各層が連続した１つの構造物でなくてもよく、一部の層が除去された構造になっていてもよい。
上記実施例では接合柱１４０は赤外線吸収部４００と別の構造としたが、接合柱１４０は赤外線吸収部４００の少なくとも１部の部材を使用して構成してもよい。
上記実施例では、エッチングストップ層１９０を設けているが、エッチングストップ層１９０はエッチングマージンを考慮して、エッチングをしない領域が十分残る場合はこれを設ける必要はなく、空洞部２００の周辺の１部にのみ設けてもよい。
以上のように、第１の実施例による赤外線固体撮像素子は、２次元に配列された各画素毎に対応して形成され、入射された赤外線を吸収して熱に変換する赤外線吸収部４００と、半導体基板１上で各画素毎に対応して形成され、順方向にバイアスされた複数の直列接続されたシリコンｐｎ接合ダイオードで構成された温度検出器部３００と、半導体基板１上の温度検出器部３００が形成される各領域に形成された空洞部２００と、熱抵抗の大きな材料で構成され、温度検出器部を空洞部上で半導体基板上に支持する支持機構（支持脚２１、２２）と、赤外線吸収部４００を温度検出器部３００より離して保持すると共に、赤外線吸収部４００と温度検出器部３００とを熱的に結合する接合柱１４０とを備えたので、犠牲層除去を除く全ての製造工程をシリコンＶＬＳＩプロセスラインで処理することができる共に、画素部分には温度検出器用のシリコンｐｎ接合ダイオード以外の能動素子が不要となるため、生産性の改善された安価で均一性の高い赤外線撮像素子を安定に製造することができる。
さらに、赤外線吸収部４００と温度検出器部３００を別の層として形成し、赤外線吸収部４００と温度検出器部３００を機械的・熱的に接合する手段である接合柱１４０を設けたので、実効的に開口率を決める赤外線吸収部４００の面積を大きくして、高開口率化・高感度化を図ることができる。
また、半導体基板としてＳＯＩ基板を用いることにより、容易に温度検出用シリコンｐｎ接合ダイオードを結晶Ｓｉ上へ形成することができる。
また、温度検出器部３００のシリコンｐｎ接合ダイオードは、単結晶シリコン層に交互にｐ層とｎ層を形成して複数のシリコンｐｎ接合ダイオードを構成すると共に、電圧印加時に逆方向となる接合間を金属配線３ａ〜３ｌで接続されているので、画素内の面積の限られた領域内にシリコンｐｎ接合ダイオードを密に配置することが可能となり、シリコンｐｎ接合ダイオードの数を増やして高感度化を図ることができる。
また、短絡用の金属配線３ａ〜３ｌとして配線開口部分に自己整合的に形成される白金シリサイドを用いたので、プロセスの簡素化が図れる。
また、赤外線吸収部４００は、赤外線吸収金属薄膜１６０、絶縁膜１３０および金属反射膜１５０の層より構成されているので、赤外線吸収部を薄く構成し、干渉吸収構造にすることにより、赤外線の吸収を増大することが可能となり、高感度化を図ることができる。
また、赤外線吸収部４００は、絶縁膜および金属反射膜の層より構成することにより、赤外線吸収金属薄膜１６０を形成する工程が不要となり、製造工程の簡略化が図れる。
また、接合柱１４０を赤外線吸収部４００の構成部材の一部で構成することにより、接合柱１４０を赤外線吸収部４００と同時に形成することができ、製造工程の簡略が図れる。
また、半導体基板１内の空洞部２００の形成領域の周辺部に、空洞部２００をエッチングするエッチャントに対してエッチング耐性を持つエッチングストップ層１９０を設けたので、不要にエッチングが広がる心配がなく、エッチングされる領域とエッチングされない領域に作るべき構造の間のマージンを小さくでき、高密度化が可能となる。
また、各垂直ライン毎に１端を固定電位に接続された定電流源１１０１〜１１０４を備えたので、この定電流源は各垂直ライン毎に設けられた出力信号検出用の負荷となり、画素数が増えても１画素あたりの通電時間を長くとれ、十分な信号読み出しが可能となり、狭帯域化で出力信号の雑音低減を図ることができる。
第２の実施例
前述の第１の実施例ではＳＩＯ半導体基板１に空洞部２００を作るのに等方性エッチングを使用してが、異方性エッチングを使用することもでき、この場合使用するＳＩＯ半導体基板１として（１００）面を用いればエッチングストップ層がなくても（１１１）面が現われた段階でエッチング速度が急激に遅くなり、不要に空洞領域を広げることなくエッチング可能である。
この場合の画素部断面形状を第６図に示す。２０１は異方性エッチングで形成された空洞部分である。
第３の実施例
第１の実施例では第３図に示すように、各行に定電流源１１０１〜１１０４を設けて信号を検出したが、これを第７図または第８図に示すように負荷抵抗１１１１〜１１１４または負荷ダイオード１１２１〜１１２４に置き換えてもよい。
なお、ダイオード負荷の場合、画素部分と同じ形状、個数のダイオードを画素のダイオードと直列に接続して負荷にして、画素ダイオードと負荷ダイオードの接続点を出力する構成をとる。
この場合、負荷のダイオードの下には空洞部２００あるいは２０１を形成しないようにすると、画素部分のダイオード（即ち、温度検出器部３００のシリコンｐｎ接合ダイオード）は赤外線の入射によって特性が変わるのに対して、負荷のダイオードは半導体基板１と熱的によく結合されているため、外部からの赤外線入射によってほとんど特性は変化しない。
従って、赤外線入射により画素部分のダイオード（即ち、温度検出器部３００のシリコンｐｎ接合ダイオード）と負荷のダイオードの特性変化が異なるため、出力が変化する。
ダイオードの特性は絶対温度で決まるが、赤外線入射による温度変化はダイオード素子自信の温度を起点とした変化であり、素子温度が変わると赤外線が入射したときの画素ダイオード（即ち、温度検出器部３００のシリコンｐｎ接合ダイオード）の絶対温度が変化し、問題となる。
しかし、負荷ダイオードが素子の絶対温度にしたがって特性変化をしているので、この構成では負荷ダイオードを画素ダイオード（即ち、温度検出器部３００のシリコンｐｎ接合ダイオード）と同じ温度特性を持たせることで、素子温度の変化による出力の変化を補償することができる。
以上のように、第３の実施例による赤外線固体撮像素子は、各垂直ライン毎に１端を固定電位に接続された出力信号検出用の負荷抵抗１１１１〜１１１４を備えたので、画素数が増えても１画素あたりの通電時間を長くとれ、十分な信号読み出しが可能となり、狭帯域化で出力信号の雑音低減を図ることができる。
また、各垂直ライン毎に１端を固定電位に接続された出力信号検出用の負荷ダイオード１１２１〜１１２４を備えたので、画素数が増えても１画素あたりの通電時間を長くとれ、十分な信号読み出しが可能となり、狭帯域化で出力信号の雑音低減を図ることができる。
また、各垂直ライン毎に１端を固定電位に接続された負荷ダイオード１１２１〜１１２４は、画素の温度検出器部３００のシリコンｐｎ接合ダイオードと同じ形状のものが同じ個数直列に接続されたものであるので、素子の温度変化に対して温度検出器部３００のシリコンｐｎ接合ダイオードと同じように特性が変化し、素子温度変化よる出力変化の補償が可能となる。
第４の実施例
第２の実施例あるいは第３の実施例では各行に定電流源、抵抗またはダイオードを設けて垂直−水平インターフェース部１６００に信号をサンプルホールドして一時蓄積できるようにしているが、第９図に示すように、各行に対する共通負荷として撮像素子内定電流源、抵抗またはダイオードのいずれかからなる共通負荷１１３０を設けて、１つの水平走査回路により１行ずつ水平信号線７００につなぐようにしてもよい。
この方法では１画素づつ通電する必要があるので、画素数が増えると１画素の読み出しに割り当てられる時間が少なくなり、読み出しが十分できなくなったり、１画素を読み出す周波数の帯域が広くなり雑音を発生する可能性があるが、画素数が少ない場合には、各行毎に負荷を設けるよりもこのような共通負荷の構成を採用した方が、各行の負荷のばらつきによる出力のばらつきが防止され、良好な画像を得ることがでる。なお、共通負荷１１３０がダイオードの場合、画素部分のダイオード（即ち、温度検出器部３００のシリコンｐｎ接合ダイオード）と同じ形状、個数のダイオードを画素部分のダイオードと直列に接続して負荷にして、画素ダイオードと負荷ダイオードの接続点を出力する構成をとる。
この場合、負荷のダイオードの下には空洞部２００あるいは２０１を形成しないようにすると、画素部分のダイオード（即ち、温度検出器部３００のシリコンｐｎ接合ダイオード）は赤外線の入射によって特性が変わるのに対して、負荷のダイオードは半導体基板１と熱的によく結合されているため、外部からの赤外線入射によってほとんど特性は変化しない。
従って、赤外線入射により画素部分のダイオード（即ち、温度検出器部３００）と負荷のダイオードの特性変化が異なるため、出力が変化する。
ダイオードの特性は絶対温度で決まるが、赤外線入射による温度変化はダイオード素子自信の温度を起点とした変化であり、素子温度が変わると赤外線が入射したときの画素ダイオード（即ち、温度検出器部３００のシリコンｐｎ接合ダイオード）の絶対温度が変化し、問題となる。
しかし、負荷ダイオードが素子の絶対温度にしたがって特性変化をしているので、この構成では負荷ダイオードを画素ダイオード（即ち、温度検出器部３００のシリコンｐｎ接合ダイオード）と同じ温度特性を持たせることで、素子温度の変化による出力の変化を補償することができる。
また、上記第１の実施乃至第４の実施例では半導体基板１としてＳＯＩ半導体基板を用いた例を示したが、レーザ再結晶化等の手法でシリコン半導体基板上に形成したシリコン酸化膜の上に単結晶シリコンを形成した半導体基板を用いることもでき、シリコン酸化膜はシリコン半導体基板全面に存在しなくても、半導体基板に空洞を形成する領域（さらに限定すれば温度検出器部３００の下面のみ）のみに存在すればよく、酸素をイオン注入して形成するＳＩＭＯＸ構造等も使用することができる。
以上のように、第４の実施例による赤外線固体撮像素子の各垂直ラインは、水平選択トランジスタ１３０１〜１３０４を介してに１端を固定電位に接続された共通負荷１１３０を備えているので、各垂直ライン毎の負荷のばらつきによる出力信号のばらつきを無くすることができる。
また、各垂直ラインに対する共通負荷１３０はダイオードであり、温度検出器部のシリコンｐｎ接合ダイオードと同じ形状のものを同じ個数直列に接続されたものであるので、各垂直ライン毎の負荷のばらつきによる出力信号のばらつきを無くすることができると共に、素子の温度変化に対して温度検出器部のシリコンｐｎ接合ダイオードと同じように特性が変化し、素子温度変化よる出力変化の補償が可能となる。
第５の実施
第１０図は、本発明による熱型赤外線検出器を用いた２次元赤外線固体撮像素子の第５の実施例を示す画素の断面構造である。
図において３０１は温度検出器部であり、図に示すように実施例２による画素の構造は実施例１のものと比較して温度検出器部の構造が異なっている。
この第５の実施例では半導体基板１はｐ形シリコン半導体基板であり、また、温度検出器部３０１内の１２はｎ形不純部領域であって、温度検出用のｐｎ接合ダイオードはこのｎ形不純物領域１２の中に形成されている。
半導体基板１に空洞部２００を形成するには江刺、藤田、五十嵐、杉山共著『マイクロマシニングとマイクロメカトロニクス』（培風館）ｐ．１９〜ｐ．２０に述べられている電解エッチングを用いる。
電解エッチングではｐ形のシリコン半導体基板はエッチングされるが、ｎ形不純物領域はエッチングされずに残り、第１０図のような構造を作ることができる。
第１０図において、１ａ、１ｂ、１ｃはｐ形不純物領域、２ａ、２ｂ、２ｃはｎ形不純物領域であり、１ａ−２ａ、１ｂ−２ｂ、１ｃ−２ｃが温度検出用のｐｎダイオードを構成している。
それぞれのｐｎダイオードは金属配線３ａ、３ｂにより直列に接続されている。ｎ形不純物領域２ａ、２ｂ、２ｃとｐ形不純物領域１ａ、１ｂ、１ｃとは逆方向バイアスとなるように電圧を印加する。直列に接続されるｐｎダイオードは実施例１の場合と同様に多いほど感度が高くなる。
この実施例の画素を用いた赤外線撮像素子も第１の実施例に示したものと同じ回路により動作させることができる。
以上のように、第５の実施例による赤外線固体撮像素子は、半導体基板１としてｐ型半導体基板を用いる共に、温度検出器部３０１の順方向にバイアスされた複数の直列接続されたシリコンｐｎ接合ダイオードは該ｐ型半導体上に設けられたｎ型不純物領域１２の層内に形成されるので、温度検出器部３０１の下には絶縁膜を必要とせず、電解エッチングで対応でき、半導体基板としてＳＯＩ基板より安価な従来の基板を用いることができる。
産業上の利用の可能性
以上のように、本発明に係る赤外線固体撮像装置は、画素部分に温度検出と画素選択の両方の機能を兼用したシリコンｐｎ接合ダイオードを形成することにより、犠牲層除去を除く全ての製造工程をシリコンＶＬＳＩプロセスラインで処理することができる生産性の改善された安価で均一性の高い赤外線固体撮像素子を実現するのに適している。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の第１の実施例の赤外線固体撮像素子の画素の断面構造を示す図、第２図は本発明の第１の実施例の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レイアウ図、第３図は本発明の第１の実施例の赤外線固体撮像素子の読み出し回路の構成を示す図、第４図は本発明の第１の実施例の赤外線固体撮像素子の赤外線吸収部のレイアウトを示す図、第５図は本発明の第１の実施例の赤外線固体撮像素子の画素の製造工程フローを示す図である。
また、第６図は本発明の第２の実施例の赤外線固体撮像素子の画素の断面構造を示す図、第７図は本発明の第３の実施例の赤外線固体撮像素子の読み出し回路の構成例を示す図、第８図は本発明の第３の実施例の赤外線固体撮像素子の読み出し回路の構成の他の例を示す図、第９図は本発明の第４の実施例の赤外線固体撮像素子の読み出し回路の構成を示す図、第１０図は本発明の第５の実施例の赤外線固体撮像素子の画素の断面構造を示す図である。
また、第１１図は従来の赤外線固体撮像素子の画素の構造を示す斜視図、第１２図は従来の赤外線固体撮像素子の画素の構造を示す断面図である。
Claims (14)
- ２次元に配列された各画素毎に対応して形成され、入射された赤外線を吸収して熱に変換する赤外線吸収部と、半導体基板上で上記各画素毎に対応して形成され、順方向にバイアスされた複数の直列接続された単結晶シリコン層に形成されたシリコンｐｎ接合ダイオードで構成された温度検出器部と、上記２次元に配列された各画素毎の温度検出器部の信号電圧を読み出す複数の垂直信号線と、上記垂直信号線と直交し各温度検出器部にバイアス電圧を印加する複数のバイアス線と、上記半導体基板上の上記温度検出器部が形成される各領域に形成された空洞部と、上記温度検出器部を上記空洞部上で上記半導体基板上に支持する支持機構と、上記赤外線吸収部を上記温度検出器部より離して保持すると共に、上記赤外線吸収部と上記温度検出器部とを熱的に結合する接合柱とを備え、上記支持機構の熱抵抗は上記接合柱の熱抵抗より大きいことを特徴とする赤外線固体撮像素子。
- 半導体基板としてＳＯＩ基板を用いることを特徴とする請求項１に記載の赤外線固体撮像素子。
- 温度検出器部のシリコンｐｎ接合ダイオードは、単結晶シリコン層に交互にｐ層とｎ層を形成して複数のシリコンｐｎ接合ダイオードを構成すると共に、電圧印加時に逆方向となる接合間を金属配線で接続したことを特徴とする請求項１に記載の赤外線固体撮像素子。
- 短絡用の金属配線として配線開口部分に自己整合的に形成される白金シリサイドを用いたことを特徴とする請求項３に記載の赤外線固体撮像素子。
- 半導体基板としてｐ型半導体基板を用いると共に、温度検出器部の順方向にバイアスされた複数の直列接続されたシリコンｐｎ接合ダイオードは、上記ｐ型半導体上に設けられたｎ型不純物領域層内に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の赤外線固体撮像素子。
- 赤外線吸収部は、上層から順に赤外線吸収金属薄膜、絶縁膜および金属反射膜の層より構成されていることを特徴とする請求項１または５に記載の赤外線固体撮像素子。
- 接合柱は、赤外線吸収部の構成部材の一部で構成されたことを特徴とする請求項１または５に記載の赤外線固体撮像素子。
- 半導体基板内の空洞部形成領域の周辺部に、空洞部をエッチングするエッチャントに対してエッチング耐性を持つエッチングストップ層を設けたことを特徴とする請求項１に記載の赤外線固体撮像素子。
- 各垂直信号線毎に１端を固定電位に接続された定電流源を備えたことを特徴とする請求項１または５に記載の赤外線固体撮像素子。
- 各垂直信号線毎に１端を固定電位に接続された抵抗を備えたことを特徴とする請求項１または５に記載の赤外線固体撮像素子。
- 各垂直信号線毎に１端を固定電位に接続されたダイオードを備えたことを特徴とする請求項１または５に記載の赤外線固体撮像素子。
- １端を固定電位に接続されたダイオードは、温度検出器部のシリコンｐｎ接合ダイオードと同じ形状のものが同じ個数直列に接続されたものであることを特徴とした請求項１１に記載の赤外線固体撮像素子。
- 垂直信号線は、水平選択トランジスタを介して１端を固定電位に接続された共通負荷を備えたことを特徴とする請求項１または５に記載の赤外線固体撮像素子。
- 共通負荷はダイオードであり、温度検出器部のシリコンｐｎ接合ダイオードと同じ形状のものを同じ個数直列に接続されたものであることを特徴とする請求項１３に記載の赤外線固体撮像素子。
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