JP4721141B2

JP4721141B2 - 熱型赤外線固体撮像素子

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Publication number: JP4721141B2
Application number: JP2006075122A
Authority: JP
Inventors: 茂遠山
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2006-03-17
Filing date: 2006-03-17
Publication date: 2011-07-13
Anticipated expiration: 2026-03-17
Also published as: EP1845351A1; US7541583B2; US20070215807A1; CN101038210A; JP2007248386A

Description

本発明は、熱分離構造を有する熱型赤外線固体撮像素子に関する。

従来の熱型赤外線固体撮像素子において最も多く実用化されている熱分離構造の基本的かつ代表的な例として、R. A. Wood (テクニカルダイジェストオブインターナショナルエレクトロンデバイスィーズミーティング、第175-177頁、1993年、Technical Digest of International Electron Devices Meeting, pp. 175 - 177, 1993) の報告に示される構造を採り上げて説明する。

図4は該報告文献（下記非特許文献１）中に示された熱型（ボロメータ型）赤外線固体撮像素子の画素構造図である。図1に示すように、受光部であるダイアフラム10が、二本の支持脚21によって、Si基板から中空に持ち上げられて支持されている。ダイアフラム10及び支持脚21は、共に0.5μm厚のSi窒化物から成る。ダイアフラム10内部には、ダイアフラム10の温度変化を検出するため、約1000Å(100nm)厚の多結晶半導体薄膜から成る温度検知抵抗体（非表示）が設けられている。Si基板には全画素からの画像信号を読み出すための読出回路が設けられており、各画素に対応する部分にはスイッチングのためのトランジスタ22が形成されている。スイッチング信号は、X−金属配線25によってトランジスタ22のベース24に供給される。ダイアフラム10内部の温度検知抵抗体（非表示）は、支持脚21中に具備する金属薄膜配線（非表示）により、一方はトランジスタ22のエミッタ23に接続され、他方はY−金属配線26に接続されている。すなわち、ダイアフラム10が二本の支持脚21によって支持される場合には、それら支持脚21にはそれぞれ一本ずつの金属薄膜配線（非表示）が設けられていた。

ダイアフラムを中空に持ち上げて支持する支持脚が最も少ないケースとしては、一本の支持脚の場合が考えられる。このような従来例として、特表2004−527731号公報（下記特許文献１）を採り上げる。特表2004−527731号公報には具体的構造が示されてはいないが、請求項１において「温度感応抵抗器と、温度感応抵抗器と接触し、少なくとも1つの支持アームによって基板の上に懸架されるプラットフォームボディとを有するマイクロボロメータピクセル」と云う記載がある。すなわち、ダイアフラムを中空に持ち上げて支持する支持脚の最も少ないケースが、一本であることを示唆している。

特表２００４−５２７７３１号公報（第4-7頁、第1図） R. A. Wood(テクニカルダイジェストオブインターナショナルエレクトロンデバイスィーズミーティング、第175-177頁、1993年、Technical Digest of International Electron Devices Meeting, pp. 175 - 177, 1993)

熱型赤外線固体撮像素子の感度を向上させる一手段として、ダイアフラムを中空に持ち上げて支持する支持脚からの熱流出を削減することがある。従来の熱型赤外線固体撮像素子の例として、ダイアフラムを中空に持ち上げて支持する支持脚が一本の場合と二本の場合について述べたが、原理的に熱流出を削減できる構造はどちらであるかについて検討を行なった。その結果、二本支持脚構造の方が、原理的に熱流出を削減できる構造であることが解った。

図3はそのことを説明するための図である。ダイアフラムの重量により支持脚を変形させる強さの目安として、ダイアフラムを重力によって押下げようとする力と、支持脚の付根からダイアフラム重心までの距離との積であるモーメントの大きさを用いることができると考えられる。モーメントが小さければ、変形の抑制に要する支持脚断面積も小さくて済むので、その分、支持脚を細くして熱流出を削減することができるのである。

mをダイアフラム10の質量、gを重力加速度、Lを支持脚の付根からダイアフラム重心までの距離とする。図3(a)は一本脚型の場合であり、モーメントの大きさをM₁とすると、
M₁ = mgL …(1)
である。図3(b)は二本脚型の場合であり、質量mのダイアフラム10を、ダイアフラム重心までの距離がLとなる二本の支持脚で支えている。このとき、二本脚型の支持脚一本当りが耐えなければならないモーメントの大きさをM2とすると、
M₂ = M₁/2 = mgL/2 …(2)
であるならば、原理的に熱流出を削減できる構造として一本脚型と二本脚型とは同等と見做される。なぜなら、モーメントによる変形を抑えるのに要する支持脚の断面積として、一本脚型の一本の支持脚断面積と、二本脚型の二本の支持脚断面積の和の面積とが、等しく必要になるからである。もしも、M₂の関係式が、
M₂ > mgL/2 …(3)
であるならば、熱流出削減に関して一本脚型の方が優れ、逆に、
M₂ < mgL/2 …(4)
であるならば、それは二本脚型の方が優れていることになる。

式(2)〜(4)のいずれが真かを明らかにするため、図3(c)に示すようにダイアフラム10を半分に分断した場合を考える。一つのダイアフラムに掛かる力はmg/2であるが、図に示すように重心位置が半分に割ったダイアフラム内部に移動するので、重心までの距離L’は以前の距離Lより短くなっている。従って、この半分に割ったダイアフラムにより一本の支持脚に掛かるモーメントの大きさをM₂’とすると式(5)の関係が成り立つ。

M₂’ = mgL’/2 < mgL/2 = M₁/2 …(5)
すなわち、二本脚型からダイアフラムを二つに分断してできた一本脚型においては、ダイアフラム10を持つ一本脚型が耐えなければならないモーメントの半分の大きさより小さいモーメントに耐えるだけで良いことになる。

さらに、二本脚型のダイアフラムを二つに分断する前後での支持脚一本当りに掛かるモーメントの大小関係を吟味する。図3(b)のダイアフラム10を持つ二本脚型にモーメントが加わって変形を受けたときのことを考える。このとき、図3(d)に示すようになり、変形によって抗力Tが発生し、これが変形を押し留めようとする効果(復元力)を生み出す。変形が生じる前は、支持脚一本当りに掛かるモーメントはM₂’と同等と考えられるので、復元力がモーメントを打消す分、脚が耐えなければならないモーメントが減少することになる。そのため、最終的には式(6)の関係が得られる。

M₂ < M₂’ < M₁/2 …(6)
結論として、二本脚型は一本脚型より原理的に熱流出を削減できる構造であると云える。

また、上述の変形とは別に、実際のデバイスを製造するうえでは、支持脚やダイアフラムを構成する材質の残留応力による微小構造体の変形が問題となる。一本脚型では、支持脚の付根から最も遠いダイアフラムの開放端において、最大変位となるが、これを矯正する手段を具備しないため、変形を抑えることができない。これに対し、二本脚型では、一本脚型のダイアフラム開放端に当る部位に二本目の支持脚があるので、残留応力による変形を矯正することができる。この点でも、二本脚型は一本脚型より優れた構造であると云える。

上記考察より、二本脚型が支持脚からの熱流出を削減するうえで優れた構造であることが判明したが、従来の二本脚構造の熱型赤外線固体撮像素子においては、支持脚の断面積が変形を抑え得るに足る最小値に設定されていなかった。前述のように、二本の支持脚には、それぞれに一本ずつの金属薄膜配線が設けられており、この金属薄膜配線を細くすると配線抵抗が高くなり、温度変化検出機構（従来例では温度検知抵抗体）の温度変化分を実効的に減少させてしまう、すなわち、感度を低下させてしまう。そのため、支持脚幅は配線抵抗とトレードオフの関係になっており、配線抵抗が然程高くならないように幅が取られていたため、支持脚断面積を変形が抑えられる最小値まで縮小した場合に比べて、支持脚からの熱流出がかなり大きいと云う問題があった。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、その主たる目的は、ダイアフラムが二本の支持脚で支持される二本脚構造を有する熱型赤外線固体撮像素子に関し、トータルの支持脚断面積及び不感領域を縮小でき、それによって高感度となる構造の熱型赤外線固体撮像素子を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、信号読出のための集積回路が形成され、該集積回路との接続電極を備えた基板上に、前記基板の一面から支持脚によって浮いた状態で支持され、温度変化検出機構を備えたダイアフラムから成る赤外線検出素子を複数有する熱型赤外線固体撮像素子において、各々の前記ダイアフラムは、第１の支持脚と第２の支持脚とによって支持され、前記第１の支持脚は、前記温度変化検出機構と前記接続電極とを電気的に接続する複数の導電性配線を具備し、前記第２の支持脚は、前記ダイアフラムと前記基板とを繋ぐ経路上に、前記複数の導電性配線のいずれも具備しない領域を含み、前記第２の支持脚は、前記第１の支持脚よりも幅が細いものである。

本発明においては、前記第２の支持脚は、前記基板との接続部近傍を除く領域において、前記複数の導電性配線のいずれも具備しない構成とすることができ、前記第２の支持脚は、前記領域において、前記ダイアフラムの変形を抑制可能な最小の幅で形成されていることが好ましい。

また、本発明においては、前記第１の支持脚は、前記温度変化検出機構の所定の位置に接続される第１の導電性配線と、前記温度変化検出機構の他の位置に接続され、前記ダイアフラム上で前記温度変化検出機構を迂回して前記所定の位置側に引き回される第２の導電性配線とを少なくとも具備する構成とすることができる。

また、本発明においては、対角に配置された二つの前記ダイアフラムの互いに隣接した一本の前記第１の支持脚と一本の前記第２の支持脚とは、一つの支持脚固着領域で前記基板に接続され、前記第１の支持脚に具備する前記複数の導電性配線の各々と前記接続電極とを電気的に接続する複数のコンタクト部が前記一つの支持脚固着領域内に設けられている構成とすることができ、更に、前記第２の導電性配線と前記接続電極とを電気的に接続する前記コンタクト部が、前記第１の導電性配線に設けられた開口部内に形成されている構成とすることもできる。

このように、本発明の熱型赤外線固体撮像素子では、第１の支持脚によってダイアフラムの温度変化検出機構と基板の接続電極との電気的接続が確保されるため、第２の支持脚はダイアフラムを支持すればよく、第２の支持脚の断面は、ダイアフラムの変形を抑制可能な最小の幅で形成することができるため、支持脚からの熱流出を抑えて感度を向上させることができる。また、支持脚の幅を削減する分、ダイアフラムの面積を大きくすることによって開口率を増加させることができるため、更に感度を向上させることができる。

また、対角に配置された二つのダイアフラムの互いに隣接した第１の支持脚及び第２の支持脚を一つの支持脚固着領域内に接続し、第２の導電性配線と接続電極とのコンタクト部を第１の導電性配線に設けた開口部内に形成することによって、支持脚毎に支持脚固着部を設ける構造に比べてコンタクト部の間隔を狭めることができ、支持脚固着部の占有面積を削減する分、ダイアフラムの面積を大きくすることによって開口率を増加させることができるため、これによっても感度を向上させることができる。

以上説明したように、本発明の熱型赤外線固体撮像素子によれば、下記記載の効果を奏する。

本発明の第1の効果は、トータルの支持脚断面積を従来のものより縮小し、支持脚からの熱流出を低減することによって高感度にでき、同時に、支持脚幅削減分をダイアフラム面積に組み込むことができるので、開口率が増加し、さらに高感度にすることができるということである。

その理由は、本発明の熱型赤外線固体撮像素子では、二本の支持脚の内の導電性配線包含支持脚（第１の支持脚）に温度変化検出機構と信号のやり取りをする必要数全ての導電性配線を配置し、導電性配線無支持脚（第２の支持脚）はダイアフラムを支持する役割のみとしているので、前者は配線抵抗が然程高くならないような脚幅を持つが、後者は支持脚断面積がダイアフラムの変形を抑えるに足る最小値となるように脚幅を決めることができるからである。

また、本発明の第2の効果は、トータルの支持脚固着部占有面積を削減することができ、受光領域増加による感度向上及び不感領域減少を図ることができるということである。

その理由は、対角に配置された二つのダイアフラムの互いに隣接した一本の導電性配線包含支持脚と一本の導電性配線無支持脚とが一つの支持脚固着領域で基板及び接続電極に接続され、導電性配線包含支持脚中の導電性配線と前記接続電極との全ての電気的コンタクトが一つの支持脚固着領域内に設けられ、更に、上層側の導電性配線の電気的コンタクトが下層側の導電性配線に設けた開口部内に形成されているので、従来の一本の支持脚毎に一つの支持脚固着部を設けていた構造に比べ、電気的コンタクト間隔を狭めることができるからである。

本発明の熱型赤外線固体撮像素子の実施形態について、図1及び図2を用いて詳細に説明する。図1は本発明の一実施の形態に係る熱型赤外線固体撮像素子の画素平面構造図である。また、図2は図1の熱型赤外線固体撮像素子における、一方の支持脚からダイアフラムを経由して他方の支持脚に至る経路の画素断面構造図である。本発明の熱型赤外線固体撮像素子は、この単位画素がアレイ状に複数形成されて構成される。

図1及び図2に示すように、ダイアフラム10は、導電性配線包含支持脚4と導電性配線無支持脚5の二本の支持脚によって、読出回路付Si基板15(読出回路は非表示)中空に持上げられ維持されている。

ダイアフラム10内には、下層保護膜11と第1層間膜12に覆われて、温度変化検出機構として4つの部分に分かれたボロメータ薄膜1が形成されている。例えば、ボロメータ薄膜1は膜厚が30〜200nm程度の酸化バナジウム(V₂O₃，VO_Xなど)や酸化チタン(TiO_X)などから成る。分割したボロメータ薄膜1間は第1層導電性配線2によって直列に接続されている。従って、ボロメータ薄膜1の分割数は、ボロメータ全体の直列抵抗が所望の値になるように選べば良い。

また、第1層導電性配線2はボロメータ薄膜1の所定の位置からの配線としても引き出されており、導電性配線包含支持脚4を通って、支持脚固着領域6まで伸びている。第1層導電性配線2との間に第2層間膜13を介在させて、第2層導電性配線3が形成されている。この第2層導電性配線3はボロメータ薄膜1の他の位置に配線として接続され、そこからダイアフラム10上を通り抜け、導電性配線包含支持脚4内の第1層導電性配線2上を通って、支持脚固着領域6まで伸びている。

第1層導電性配線2は、支持脚固着領域6内の第1層間膜12，下層保護膜11，及びIC保護膜18に貫通して開けられたコンタクトホールを介して接続電極17に接続されている。支持脚固着領域6内の第1層導電性配線2には、第1層導電性配線開口部7が設けられており、その内側の第2層間膜13，第1層間膜12，下層保護膜11及びIC保護膜18に貫通して開けられたコンタクトホールを介して、第2層導電性配線3が別の接続電極17に接続されている。第2層導電性配線3上を、さらに上層保護膜14が覆っている。

例えば、下層保護膜11，第2層間膜13，及び上層保護膜14は何れも膜厚20〜800nm程度のSi酸化膜(SiO，SiO₂)，Si窒化膜(SiN，Si₃N₄)，あるいはSi酸化窒化膜(SiON)などから成る。第1層間膜12についても同様で良いが、第1層導電性配線2のエッチング選択性がボロメータ薄膜1に対して高ければ、省略することも可能である。第1層導電性配線2と第2層導電性配線3とは膜厚が10〜200nm程度のアルミ(Al)，銅(Cu)，金(Au)，チタン(Ti)，タングステン(W)，モリブデン(Mo)，あるいはチタン・アルミ・バナジウム(TiAlV)などの合金、もしくは高濃度に不純物添加したSiなどの半導体から成る。

なお、図1及び図2の構造は例示であり、本発明の熱型赤外線固体撮像素子は、ダイアフラム10が、導電性配線を包含する支持脚（導電性配線包含支持脚4）と、ダイアフラム10から支持脚固着領域6に至る経路の少なくとも一部において導電性配線を包含しない支持脚（導電性配線無支持脚5）の二本の支持脚によって基板から浮いた状態で支持される構造を備えていればよく、各構成部材の材料や膜厚、形状等は適宜変更することができる。また、図1及び図2では、ダイアフラム10を確実に支持するために、導電性配線無支持脚5の支持脚固着領域6近傍では第1層導電性配線2及び第2層導電性配線3を包含するようにしているが、ダイアフラム10から支持脚固着領域6に至る全ての経路で、第1層導電性配線2及び第2層導電性配線3を包含しないようにしてもよい。また、図１及び図２では、ボロメータ薄膜1に第1層導電性配線2と第2層導電性配線3の２つの配線が接続されている構成を示したが、ボロメータ薄膜1に３つ以上の配線が接続されていてもよく、その場合は全ての配線が導電性配線包含支持脚4を通るように配線を引き回せばよい。

ここで、導電性配線幅として例えば1μm必要であったとすると、マージンを加えた導電性配線包含支持脚4の幅として2μm程度必要になる。従来のように、二本の支持脚にそれぞれ一本ずつの配線を設けるならば、二本とも幅が2μm程度になってしまう。しかしながら、本発明では前述の導電性配線包含支持脚4に二本の配線を設け、もう一本の導電性配線無支持脚5は配線を持たず、ダイアフラム10を支持する役割のみなので、変形を抑えるに足る最小の幅に細めることができる。

支持脚を構成する絶縁膜のトータルの厚さとダイアフラム10を構成する絶縁膜のトータルの厚さとが、連動して増減(下層保護膜11，第1層間膜12，第2層間膜13，及び上層保護膜14それぞれが支持脚とダイアフラムで一繋がりの一体物の場合は常にこの状態)するならば、細められる限界はトータルの膜厚に然程依存せず、発明者が所持する成膜装置を用いた実験では幅0.5μm程度でも、充分にダイアフラム10の支持役を果たすことを確認している。この場合、支持脚を構成する絶縁膜のトータルの厚さが同じ従来構造と比較すると、支持脚を構成する絶縁膜による熱流出は、(2μm+0.5μm)/(2μm+2μm)=0.625倍に減少させることができる。

また、支持脚幅を減少させることにより、ダイアフラム面積を増加できる効果も得られる。前述のケースでは、[支持脚の長さ×1.5μm]がダイアフラム10に加わる。世の中でよく見受けられる30μm前後の画素ピッチを想定すると、ダイアフラム面積増加は13〜15%程度と見積もられる。

さらに、二本の支持脚を一つの支持脚固着領域で基板及び接続電極に接続し、二つの電気的コンタクトを一つの支持脚固着領域内に設けたことによる固着部占有面積は、従来の一本の支持脚毎に一つの支持脚固着領域を設けた構造における固着部占有面積に比べ、およそ60％(コンタクト外マージン1μm程度の場合)と見積もられる。上述と同様に、30μm前後の画素ピッチを想定して固着部占有面積減少分をダイアフラムに組込むと、ダイアフラム面積増加は9〜11%程度と見積もられる。これらを併せるとダイアフラム面積増加により22〜26%程度の感度向上を得ることができる。

上述した実施の形態では、温度変化検出機構としてボロメータ薄膜を備えたボロメータ型赤外線固体撮像素子について述べたが、本発明はこれに限定されず、例えば温度変化検出機構としてpn接合ダイオード型検出器を備えたものなど、支持脚の熱流出を低減することによって高感度化できる熱型赤外線固体撮像素子全てにおいて効果を発揮し得るものである。

本発明の効果を確認するために、画素数320×240で画素ピッチ30μmのボロメータ型赤外線固体撮像素子を製作した。導電性配線包含支持脚4の幅を2μmとし、導電性配線無支持脚5の幅を0.5μmとした。固着部占有面積は54μm²である。その結果、開口率は約74%となった。ダイアフラム10及び支持脚を構成する絶縁膜には何れもSi酸化窒化膜を用い、それらの厚さは、下層保護膜11を200nm，第1層間膜12を50nm，第2層間膜13を150nm，上層保護膜14を200nm，トータル膜厚を600nmとした。ボロメータ薄膜1としては、膜厚70nmの酸化バナジウムを用いた。導電性配線材料にはチタン・アルミ・バナジウムを採用し、第1層導電性配線2及び第2層導電性配線3はどちらも幅1μm，厚さ30nmとした。

従来型で同規格のボロメータ型赤外線固体撮像素子も同時に製作して前述のものと性能比較を行なった。従来構造では、二本の支持脚幅が2μm、二箇所の固着部占有面積合計が90μm²となり、開口率は約60%である。ここで、本発明では約23%(0.74/0.6-1)開口率が改善されている。ダイアフラム及び支持脚を構成するSi酸化窒化膜厚は、下層保護膜300nm，第1層間膜50nm，第2層間膜無し(導電性配線が一層のため)，上層保護膜250nm，トータル膜厚600nmとした。ボロメータ薄膜及び導電性配線の規格は同様である。

画素の熱コンダクタンス評価により支持脚からの熱流出を比較したところ、本実施例の構造は従来の構造に比べ、約30%熱流出を削減できていた。さらに、感度評価の結果、熱流出削減と前述の開口率改善の効果が反映され、本実施例の構造は従来の構造より約1.6倍高感度であることが確認された。

本発明の活用例として、暗視装置（赤外線カメラ）やサーモグラフィに使用される熱型赤外線固体撮像素子が挙げられる。

本発明の一実施形態に係る熱型赤外線固体撮像素子の構造を示す画素平面図である。本発明の一実施形態に係る熱型赤外線固体撮像素子の構造を示す画素断面図である。 1本脚型より2本脚型の方が原理的に熱コンダクタンスを小さくできることを説明するための図である。 R. A. Wood 報告の従来の熱型（ボロメータ型）赤外線固体撮像素子の画素構造図である。

符号の説明

１ボロメータ薄膜
２第１層導電性配線
３第２層導電性配線
４導電性配線包含支持脚
５導電性配線無支持脚
６支持脚固着領域
７第１層導電性配線開口部
８第１層導電性配線コンタクト
９第２層導電性配線コンタクト
１０ダイアフラム
１１下層保護膜
１２第１層間膜
１３第２層間膜
１４上層保護膜
１５読出回路付Ｓｉ基板
１６金属反射鏡
１７接続電極
１８ＩＣ保護膜
１９１本脚型の支持脚
２０２本脚型の支持脚
２１支持脚
２２トランジスタ
２３エミッタ
２４ベース
２５Ｘ−金属配線
２６Ｙ−金属配線

Claims

信号読出のための集積回路が形成され、該集積回路との接続電極を備えた基板上に、前記基板の一面から支持脚によって浮いた状態で支持され、温度変化検出機構を備えたダイアフラムから成る赤外線検出素子を複数有する熱型赤外線固体撮像素子において、
各々の前記ダイアフラムは、第１の支持脚と第２の支持脚とによって支持され、
前記第１の支持脚は、前記温度変化検出機構と前記接続電極とを電気的に接続する複数の導電性配線を具備し、
前記第２の支持脚は、前記ダイアフラムと前記基板とを繋ぐ経路上に、前記複数の導電性配線のいずれも具備しない領域を含み、
前記第２の支持脚は、前記第１の支持脚よりも幅が細いことを特徴とする熱型赤外線固体撮像素子。
請求項１記載の熱型赤外線固体撮像素子において、
前記第２の支持脚は、前記基板との接続部近傍を除く領域において、前記複数の導電性配線のいずれも具備しないことを特徴とする熱型赤外線固体撮像素子。
請求項２記載の熱型赤外線固体撮像素子において、
前記第２の支持脚は、前記領域において、前記ダイアフラムの変形を抑制可能な最小の幅で形成されていることを特徴とする熱型赤外線固体撮像素子。
請求項１乃至３のいずれか一に記載の熱型赤外線固体撮像素子において、
前記第１の支持脚は、前記温度変化検出機構の所定の位置に接続される第１の導電性配線と、前記温度変化検出機構の他の位置に接続され、前記ダイアフラム上で前記温度変化検出機構を迂回して前記所定の位置側に引き回される第２の導電性配線とを少なくとも具備することを特徴とする熱型赤外線固体撮像素子。
請求項４記載の熱型赤外線固体撮像素子において、
対角に配置された二つの前記ダイアフラムの互いに隣接した一本の前記第１の支持脚と一本の前記第２の支持脚とは、一つの支持脚固着領域で前記基板に接続され、
前記第１の支持脚に具備する前記複数の導電性配線の各々と前記接続電極とを電気的に接続する複数のコンタクト部が前記一つの支持脚固着領域内に設けられていることを特徴とする熱型赤外線固体撮像素子。
請求項５記載の熱型赤外線固体撮像素子において、
前記第２の導電性配線と前記接続電極とを電気的に接続する前記コンタクト部が、前記第１の導電性配線に設けられた開口部内に形成されていることを特徴とする熱型赤外線固体撮像素子。