JP5264597B2

JP5264597B2 - 赤外線検出素子及び赤外線固体撮像装置

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Publication number: JP5264597B2
Application number: JP2009090782A
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Inventors: 隆紀杉野
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Filing date: 2009-04-03
Publication date: 2013-08-14
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Description

本発明は、赤外線検出素子及び赤外線固体撮像装置に関する。

熱型赤外線撮像素子は、赤外線吸収構造体により吸収された赤外線を熱に変換し、この熱により生ずる温度変化を電気信号に変換する素子であり、冷却型と非冷却型に大別される。非冷却型赤外線固体撮像素子は、冷凍機が不要であることから小型化が可能であり、近年民生への応用を睨んだ低価格化が進んでいる。このような背景から汎用ＬＳＩと製造工程を共有化できるシリコンＰＮダイオードを温度センサに用いた非冷却型赤外線固体撮像装置の研究開発が活発に行われている。一方で、シリコンＰＮ接合ダイオードの温度変化率は他の温度センサである例えば、バナジウムオキサイド等と比較すると非常に小さい。このため、シリコンＰＮダイオードを温度センサに用いた非冷却型赤外線固体撮像装置では、シリコンＰＮダイオードの雑音低減を進め、Ｓ／Ｎ比を向上させる必要がある。また、このような非冷却型赤外線撮像装置では、入射赤外線を熱に変換する赤外線吸収部とその熱を電気信号に変換する熱電変換部からなる赤外線温度センサ部を熱容量の大きな基板から分離し、熱に対する感度を向上することが必要である。このため、赤外線温度センサ部の下層にあるシリコン基板をエッチング除去し空洞化した中空構造を採用している。

従来の赤外線固体撮像装置において、温度センサ部のＰＮ接合ダイオードは、シリコン基板上（以下、シリコン上）、若しくはシリコン基板上（以下、支持基板）に埋め込み絶縁薄膜層（以下、ＢＯＸ（ＢｕｒｉｄＯｘｉｄｅ））と単結晶シリコン層が順次形成されたＳＯＩ（ｓｉｌｉｃｏｎＯｎＩｎｓｕｌａｔｅｒ）基板上に形成されており、個々のダイオードは、シリコン上或いはＳＯＩ層に形成され、縦方向にＰ型不純物領域とＮ型不純物領域がそれぞれ１層以上形成された構造となっている。また、個々のダイオードの温度変化率が小さいために、複数個直列接続することにより温度センサの感度を高めることが行われる（例えば、特許文献１の図２）。また、この特許文献１では、個々のダイオードが逆バイアスとなる箇所を結合する為のコンタクトホールを当該活性領域内部に形成し、コンタクトホールの底部に金属シリサイド膜により埋め込み電極として結合し画素の１／ｆ雑音を抑えた、温度センサが提案されている。

特開２００５−９９９８号公報

しかしながら、このような、赤外線温度センサにあっては、画素の小型化を行った場合、ダイオード間を接続している配線層が金属シリサイドであることから、金属シリサイド層とダイオードを形成しているシリコン基板との熱膨張係数が異なることに起因して、温度センサ部に大きな歪が生じる。金属シリサイド層に代えて金属層を用いても、金属とシリコン基板の熱膨張係数は異なるので、やはり温度センサ部に大きな歪が生じる。その結果、温度センサ部の機械的強度が低下する等、構造上の信頼性が低下する。更には、歪により発生したストレスにより、シリコン内部にストレス起因の結晶欠陥が生じ雑音源となる。従って、温度センサの１／ｆ雑音が増大する。このように、特許文献１に示されたような従来の赤外線温度センサは、振動や衝撃に弱く、監視や車載用途の可搬型には向かない等の問題点がある。また、画素の雑音が増加しＳ／Ｎ比の改善も困難であるという問題がある。

そこで、本発明は、赤外線温度センサ部の機械的な歪を小さくでき、かつ低雑音の赤外線検出素子と赤外線固体撮像装置を提供することを目的とする。

以上の目的を達成するために、本発明に係る赤外線検出素子は、支持基板から分離して設けられたシリコン層に形成された第１ＰＮ接合ダイオードと第２ＰＮ接合ダイオードとを含む赤外線検出素子であって、該シリコン層は隣接するＰ型第１領域とＮ型第２領域とを有し、前記第１ＰＮ接合ダイオードは、前記Ｐ型第１領域と、該Ｐ型第１領域において前記Ｎ型第２領域から離れた位置に形成されたＮ型第１領域とによって構成され、前記第２ＰＮ接合ダイオードは、前記Ｎ型第２領域と、該Ｎ型第２領域において前記Ｐ型第１領域から離れた位置に形成されたＰ型第２領域とによって構成され、前記第１ＰＮ接合ダイオードと前記第２ＰＮ接合ダイオードは、前記シリコン層に前記Ｐ型第１領域と前記Ｎ型第２領域に跨って形成された凹部の表面に設けられた金属膜によって接続されていることを特徴とする。

以上のように構成された本発明に係る赤外線検出素子は、前記第１ＰＮ接合ダイオードと前記第２ＰＮ接合ダイオードが、前記シリコン層に前記Ｐ型第１領域と前記Ｎ型第２領域に跨って形成された凹部の表面に設けられた金属膜によって接続されているので、赤外線温度センサ部の機械的な歪を小さくでき、かつ低雑音の赤外線検出素子と赤外線固体撮像装置を提供することができる。

本発明に係る実施形態１の赤外線固体撮像装置の全体構成を示す斜視図である。図１の赤外線検出素子１００を拡大して示す斜視図である。図２の赤外線検出素子１００の一部を拡大して示す斜視図である。図２のＡ−Ａ’線についての断面を模式的に示す断面図である。実施形態１の赤外線固体撮像装置を形成するために用いるＳＯＩ基板の断面図である。実施形態１に係る赤外線固体撮像装置の製造過程における第１工程の断面図である。実施形態１に係る赤外線固体撮像装置の製造過程における第２工程の断面図である。実施形態１に係る赤外線固体撮像装置の製造過程における第３工程の断面図である。実施形態１に係る赤外線固体撮像装置の製造過程における第４工程の断面図である。本発明に係る実施形態２の赤外線固体撮像装置を形成するために用いるＳＯＩ基板の断面図である。実施形態２に係る赤外線固体撮像装置の製造過程における第１工程の断面図である。実施形態２に係る赤外線固体撮像装置の製造過程における第２工程の断面図である。実施形態２に係る赤外線固体撮像装置の製造過程における第３工程の断面図である。実施形態２に係る赤外線固体撮像装置の製造過程における第４工程の断面図である。本発明に係る実施形態３の赤外線固体撮像装置の製造過程におけるある工程の断面図である。実施形態３の赤外線固体撮像装置の製造過程における他の工程の断面図である。本発明に係る実施形態４の赤外線検出素子１００の一部を拡大して示す斜視図である。

以下、図面を参照しながら、本発明に係る実施形態について説明する。
実施形態１．
本発明に係る実施形態１の赤外線固体撮像装置３０３は、図１に示すように、赤外線検出素子１００を複数個アレイ状に並べた赤外線検出素子アレイ３０１と、信号読み出し回路３０２を支持基板３００上に形成することにより構成されている。尚、図１には、赤外線検出素子１００を６個アレイ状に配列した例を示しているが、通常は、より多くの赤外線検出素子１００が配列される。

また、図２は、１つの赤外線検出素子１００を拡大して示す模式的な斜視図である。図２では、わかりやすく説明するために保護膜を省略して記載してある。
この図２に示すように、赤外線検出素子１００は、赤外線検知部１０３と、赤外線検知部１０３を支持基板３００から離して中空で保持する支持体１０２と、赤外線吸収傘１０１を有しており、支持体１０２の一端がアンカー部１０８により支持基板３００に固定される。本実施形態１において、赤外線検知部１０３は、４つのＰＮ接合ダイオード１０５が直列に接続された検出回路からなり、その検出回路は支持体１０２に形成された配線導体によって隣接する赤外線検知部１０３の検出回路又は信号読み出し回路に接続される。尚、赤外線検知部１０３には、赤外線吸収傘１０１が接続されており、赤外線が照射された赤外線吸収傘１０１の温度変化が赤外線検知部１０３に伝達される（図３Ｂには示しているが、他の図面では省略している。）。ここで、図３Ｂは、図２のＡ’−Ａ線についての断面図である。

本実施形態１において、赤外線検知部１０３は、単結晶シリコン層４０２に複数のＰＮ接合ダイオードを形成することにより構成されている。図２等には、４つのＰＮ接合ダイオード１０５を用いて赤外線検知部１０３を構成した例で示している。さらに図３Ａには、その一部（２つのＰＮ接合ダイオード１０５の部分）を拡大して示している。

ここで特に、本実施形態１の赤外線固体撮像装置３０３では、図３Ａに示す隣接する２つのＰＮ接合ダイオード１０５間の接続部分に特徴がある。すなわち、一方の第１ＰＮ接合ダイオード１０５ａのＰ型低濃度不純物層４０６（Ｐ型第１領域）と、他方の第２ＰＮ接合ダイオード１０５ｂのＮ型低濃度不純物層４０５（Ｎ型第２領域）とに跨って単結晶シリコン層４０２（シリコン層）に形成された共通コンタクトホール４１０（凹部）の表面に設けられたメタル配線層４１２ａによって接続されている。これにより、赤外線検出素子１００に生じる機械的な歪を小さくでき、かつ低雑音化を可能にしている。

より詳細に説明すると、図３Ａ及び図３Ｂに示すように、本実施形態１において、赤外線検知部１０３の第１ＰＮ接合ダイオード１０５ａは、Ｐ型低濃度不純物層４０６（Ｐ型第１領域）と、該Ｐ型低濃度不純物層４０６において、Ｎ型低濃度不純物層４０５から離れた位置に形成されたＮ型高濃度不純物層４０８（Ｎ型第１領域）とによって構成されている。

また、第２ＰＮ接合ダイオード１０５ｂは、Ｎ型低濃度不純物層４０５と、該Ｎ型低濃度不純物層４０５においてＰ型低濃度不純物層４０６から離れた位置に形成されたＰ型高濃度不純物層４０７とによって構成されている。
そして、第１ＰＮ接合ダイオード１０５ａのＰ型低濃度不純物層４０６と第２ＰＮ接合ダイオード１０５ｂのＮ型低濃度不純物層４０５とに跨って埋込酸化膜４０１に達しない深さで共通コンタクトホール４１０が単結晶シリコン層４０２に形成され、Ｐ型低濃度不純物層４０６とＮ型低濃度不純物層４０５の両方に接するように共通コンタクトホール４１０の表面に金属膜４１２ａが設けられる。

本実施形態１では、さらにもう一組の第１ＰＮ接合ダイオード１０５ａと第２ＰＮ接合ダイオード１０５ｂが形成されており、一方の組の第２ＰＮ接合ダイオード１０５ｂのＰ型高濃度不純物層４０７と他方の組の第１ＰＮ接合ダイオード１０５ａのＮ型高濃度不純物層４０８とが金属膜４１２ｂによって接続される。

以上のようにして、本実施形態１では、それぞれ特徴的な接続構造を有する第１ＰＮ接合ダイオード１０５ａと第２ＰＮ接合ダイオード１０５ｂとを含む組が２組形成され、合計４つのＰＮ接合ダイオードを直列に接続することにより赤外線検出素子１００を構成して感度を向上させている。尚、本実施形態１では、４つのＰＮ接合ダイオードを直列に接続した赤外線検出素子１００を例示しているが、本発明は、これに限定されるものではなく、少なくとも２つのＰＮ接合ダイオードが接続された赤外線検出素子であればよい。

次に、図４Ａ〜図４Ｅを用いて本実施形態１の赤外線固体撮像装置の製造方法を説明する。
まず、単結晶シリコンからなる支持基板３００上に、埋め込みシリコン酸化膜層４０１、単結晶シリコン層４０２（ＳＯＩ層）が順次積層された、いわゆるＳＯＩ基板を準備する（図４Ａ）。
次に、図４Ｂに示すように、例えば、ＬＯＣＯＳ分離法等によって、画素間分離領域４０３ａを形成することにより、個々の赤外線検出素子１００が形成される領域（検知部領域４０４）ごとに分離する。このとき、本実施形態１では、検知部領域４０４が素子内分離領域４０３ｂによって２つの領域に分割され、この２つの領域にそれぞれ、第１ＰＮ接合ダイオード１０５ａと第２ＰＮ接合ダイオード１０５ｂの２つのＰＮ接合ダイオードが以下のようにして形成される。
尚、図示はしていないが、信号処理回路部３０２となる領域も支持基板３００上に形成される。

次に、各検知部領域４０４に、単結晶シリコン層の上方からＮ型またはＰ型の不純物原子を選択的にイオン注入装置等により所定の深さまで注入して、素子内分離領域４０３ｂによって分割された２つの領域にそれぞれＮ型低濃度不純物層４０５とＰ型低濃度不純物層４０６を形成する（図４Ｂ）。所定の深さとは、ＳＯＩ層４０２全体の不純物濃度分布が均一となる深さを意味している。
ここで、本実施形態では、素子内分離領域４０３ｂによって２つの領域に分割され、その一方の領域に互いに接するＮ型低濃度不純物層４０５とＰ型低濃度不純物層４０６とが形成され、他方の領域にも互いに接するＮ型低濃度不純物層４０５とＰ型低濃度不純物層４０６とが形成される。

次に、図４Ｃに示すように、ＳＯＩ層の上方よりＰ型の不純物原子を選択的にイオン注入して、Ｎ型低濃度不純物層４０５の一部にＰ型高濃度不純物層４０７を所定の深さに形成する。ここで言う所定の深さとは、無バイアス時の空乏層の広がりが埋込酸化膜４０１と単結晶シリコン層４０２の界面まで到達しないような深さを意味している。同様に、Ｎ型の不純物原子を選択的にイオン注入して、Ｐ型低濃度不純物層４０６の一部にＮ型高濃度不純物層４０８を所定の深さに形成する。Ｐ型高濃度不純物層４０７とＮ型高濃度不純物層４０８は、Ｎ型低濃度不純物層４０５とＰ型低濃度不純物層４０６の境界から離れた位置に形成される。Ｎ型低濃度不純物層４０５、Ｐ型低濃度不純物層４０６、Ｐ型高濃度不純物層４０７、Ｎ型高濃度不純物層４０８を所定の領域に順次形成するため、写真製版技術等を用い選択的に例えばイオン注入法により形成する。また、前記高濃度不純物層とは低濃度不純物層よりも単位体積当たり約２桁以上高濃度となるようにＮ型にはＰ型、若しくはＰ型にはＮ型の高濃度不純物層を設けることを意味している。

次に、全面に絶縁酸化膜４１１を堆積し、図４Ｄに示すように、Ｐ型高濃度不純物層４０７及びＮ型高濃度不純物層４０８の直上の前記絶縁酸化膜４１１にコンタクトホール４０９を形成して、Ｐ型高濃度不純物層４０７及びＮ型高濃度不純物層４０８の高濃度不純物層の直上を開口する。

引き続き、Ｎ型低濃度不純物層４０５及びＰ型低濃度不純物層４０６に跨る共通コンタクトホール４１０を、絶縁酸化膜４１１を貫通して、Ｎ型低濃度不純物層４０５及びＰ型低濃度不純物層４０６の低濃度不純物層の所定の深さまで、例えばＤＲＹエッチング法を用いて形成する。ここで、所定の深さとは、一般的に雑音源とされている埋込酸化膜４０１と単結晶シリコン層４０２の界面（ＢＯＸ界面）及びＳＯＩ層とその上部に堆積される絶縁酸化膜との界面からの影響が最も小さくなるような深さを意味している。尚、コンタクトホール４０９、４１０を所定の位置に順次形成するために、写真製版技術等を用い選択的に形成する。

次に、図４Ｅに示すように、ＰＮ接合ダイオード間、及びＰＮ接合ダイオードと信号読出し回路間とを電気的に接続するための、メタル配線層４１２ａ、４１２ｂ、４１２ｃを形成する。以下、単に、メタル配線層４１２と記載したときは、メタル配線層４１２ａ、４１２ｂ、４１２ｃを意味する。ここで、共通コンタクトホール４１０の部分には、ホールを覆うようにメタル配線層４１２ａを形成し、検知部領域４０４の総配線長が最も短くなるようにする。もちろん、メタル配線層４１２はランプアニール技術等を用いて、金属シリサイド膜として用いても構わない。そして、メタル配線層４１２を絶縁膜４１３で覆う。

次に、素子間分離領域４０３の所定の位置にある、単結晶シリコン層４０２と埋め込みシリコン酸化膜層４０１とを除去し、支持基板３００に達する開口部４１４を形成して、検知部領域４０４をアンカー部１０８から分離する。尚、アンカー部１０８は、素子間分離領域４０３に設けられ、素子間を接続する配線１０８ａが形成されている。

次いで、開口部（エッチング孔）４１４の底面に露出した支持基板３００の表面に、保護膜１０２ａに被覆された配線導体１０２ｂからなる支持部１０２を形成する。配線導体１０２ｂは、メタル配線層４１２ｃと配線１０８ａの間を接続するように形成される。

そして、開口部４１４から、例えばＴＭＡＨ（Ｔｅｔｒａ−Ｍｅｔｈｙｌ−Ａｍｍｏｎｉｕｍ−Ｈｙｄｒｏｘｉｄｅ）などのエッチャントを導入して、単結晶シリコンからなる支持基板３００の内部に中空部１０６を形成する。このようにして、保護膜１０２ａとそれに被覆された配線導体１０２ｂとからなる支持体１０２によって支えられた、赤外線検知部１０３が中空に浮いた、赤外線検出素子１００を搭載した赤外線固体撮像装置３０３が完成する。

以上のように構成された赤外線検出素子１００を複数含む赤外線固体撮像装置３０３において、撮像対象となる被写体が発した赤外線が検出器アレイ３０１の赤外線検出素子１００に入射すると、入射した赤外線の強弱に対応して赤外線検出素子１００の温度が変化し、その温度変化に応じて赤外線検出素子１００の電気特性が変化する。この電気特性の変化を、信号処理回路部３０２で、赤外線検出素子１００ごとに読み取って外部に出力し、被写体の熱画像を得る。赤外線検出素子１００の温度による電気特性変化が大きいほど、また赤外線検出素子１００が発生する雑音が小さいほど、赤外線検出素子１００の温度に対する感度は高くなる。

しかしながら、このＰＮ接合ダイオードを複数個直列接続するためには、逆バイアス接合部を結合するメタル配線層が必要となり、従来技術の欄で説明したように、メタル配線層と単結晶シリコン層との熱膨張差によって歪が生じて雑音の発生の原因となる。

これに対して、本発明の実施形態１においては、逆バイアス接合部の結合となるＰＮ接合ダイオード１０５ａ，１０５ｂ間に、凹形状の共通コンタクトホール４１０を形成して、その共通コンタクトホール４１０の内周を覆うようにそのメタル配線層４１２ａを形成している。これによって、メタル配線層４１２ａと単結晶シリコン層４０２との熱膨張差によって生じる歪、及び歪によりかかる力の方向が分散され、赤外線検出素子１００全体を湾曲させるような大きな力とはならない。その結果、赤外線検知素子１００全体として見た場合、熱膨張による歪みに対する剛性が高くなり、メタル配線層４１２と単結晶シリコン層４０２との熱膨張差によって生じる歪を小さくでき、雑音の発生を抑制できる。また、本実施形態では、単結晶シリコン層４０２に凹部が形成されていることで、熱膨張による歪みに対してだけではなく、振動や衝撃に対する剛性が高くなり、振動や衝撃に強い赤外線固体撮像装置３０３を提供することが可能になる。

また、本実施形態１では、凹形状の共通コンタクトホール４１０を形成しているので、メタル配線層４１２ａとＰＮ接合ダイオードのコンタクト領域の接触面積を大きくすることが可能になる。したがって、画素を微細化した場合にも比較的広い接触面積を確保できるので、微細化に伴うコンタクト抵抗の増加を抑えることができる。
したがって、本実施形態１の赤外線固体撮像装置３０３では、Ｓ／Ｎの増加を抑えて小型化が図れる。

更には、隣接するＰＮ接合ダイオード１０５ａ，１０５ｂ間に共通コンタクトを設けており、ＰＮ接合ダイオード１０５ａ，１０５ｂ間を接続するための配線の引き回しが不要となる。従って、赤外線検知素子のコンタクト接触抵抗、及びダイオード間を結合する配線抵抗を小さくできる。これにより、赤外線検知素子の負荷抵抗を小さくでき、より低雑音にできる。

また、共通コンタクトホールの底面が、埋込酸化膜層４０１と単結晶シリコン層４０２の界面及び、単結晶シリコン層４０２とその上に形成された酸化膜との界面の間に形成されているので、両界面から離間した位置に形成されることになる。これにより、導電キャリアが界面の影響を受けることなく単結晶シリコン層４０２を伝播され、その結果としてよりいっそう低雑音にできる。

実施形態２．
本発明に係る実施形態２の赤外線固体撮像装置は、Ｎ型低濃度不純物層４０５及びＰ型低濃度不純物層４０６の埋込酸化膜との界面近傍にそれぞれ、Ｎ型ボトム高濃度不純物層５０１及びＰ型ボトム高濃度不純物層５０２を形成し、共通コンタクトホール４１０を、Ｎ型ボトム高濃度不純物層５０１及びＰ型ボトム高濃度不純物層５０２に達する深さに形成している点が、実施形態１とは異なり、他の部分については、実施形態１の赤外線固体撮像装置３００と同様に構成される。

具体的には、本実施形態２では、実施形態１と同様の工程を経て（図５Ａ，図５Ｂ）、Ｎ型低濃度不純物層４０５とＰ型低濃度不純物層４０６を形成した後、Ｎ型低濃度不純物層４０５及びＰ型低濃度不純物層４０６における埋込酸化膜との界面近傍に、同導電型の不純物を注入して不純物濃度を増加させて、Ｎ型ボトム高濃度不純物層５０１及びＰ型ボトム高濃度不純物層５０２を形成する。

そして、実施形態１と同様にして、Ｎ型低濃度不純物層４０５においてＰ型高濃度不純物層４０７を所定の深さに形成し、Ｐ型低濃度不純物層４０６においてＮ型高濃度不純物層４０８を所定の深さに形成する（図５Ｃ）。次に、全面に絶縁酸化膜４１１を形成した後、実施形態１と同様にして、コンタクトホール４０９をＰ型高濃度不純物層４０７及びＮ型高濃度不純物層４０８の直上に形成する（図５Ｄ）。

引き続き、ＤＲＹエッチング技術等を用いて、共通コンタクトホール４１０を、Ｎ型ボトム高濃度不純物層５０１及びＰ型ボトム高濃度不純物層５０２に達する深さに形成する（図５Ｄ）。
その後は、実施形態１と同様にして、実施形態２の赤外線固体撮像装置は製造される（図５Ｅ）。

以上のように構成された実施形態２の赤外線固体撮像装置では、共通コンタクトホール４１０をＰ型ボトム高濃度不純物層５０１、Ｎ型ボトム高濃度不純物層５０２に達する深さに形成しているので、比較的高い低濃度不純物層の拡散抵抗を補って小さくすることができる。従って、実施形態１により得られた効果に加えて、更に赤外線検知部の負荷抵抗を小さくできさらなる低雑音化が可能となる。また副次的な効果として、埋込酸化膜４０１との界面の拡散抵抗を小さくでき、その結果、実効的な接合面積が拡大し、電流密度が小さい高感度な赤外線検知部とできる。

以上より、本実施形態２によれば、熱による歪が小さく小型化が容易で検知部の雑音が小さく高感度で製造が容易な赤外線固体撮像装置を提供することが可能である。

実施形態３．
本発明に係る実施形態３の赤外線固体撮像装置は、ＰＮ接合ダイオード１０５ａのＮ型高濃度不純物層４０８及びＰＮ接合ダイオード１０５ｂのＰ型高濃度不純物層４０７とコンタクトを取るためのコンタクトホール４０９を、Ｎ型高濃度不純物層４０８及びＰ型高濃度不純物層４０７の所定の深さまで、彫り込んで形成している点が実施形態１とは異なり、それ以外の部分は実施形態１と同様に構成されている。図６Ａ，図６Ｂは、実施形態３にかかる赤外線固体撮像装置の製造過程において、実施形態１とは異なる点を示している。尚、ここでいう所定の深さとは、コンタクトホール４０９を形成する際に、エッチング時のプロセス変動によりＮ型高濃度不純物層４０８及びＰ型高濃度不純物層４０７を突き抜けることのない、十分なマージンが確保されている深さである。

以上のように構成された実施形態３の赤外線固体撮像装置では、実施形態１の赤外線固体撮像装置において、凹形状の共通コンタクトホール４１０に加えさらにコンタクトホール４０９による凹形状が単結晶シリコン層４０２に形成されているので、単結晶シリコン層４０２の剛性をより高くすることができる。したがって、温度変化又は外力による単結晶シリコン層４０２の変形をより効果的に抑えることができ、より低雑音化が図れ、高感度でかつ製造が容易な赤外線固体撮像装置を提供することが可能となる。
また、単結晶シリコン層４０２を所定の深さに彫り込んだ凹形状のコンタクトホール４０９により、Ｎ型高濃度不純物層４０８及びＰ型高濃度不純物層４０７とメタル配線層４１２ｃとの接触面積を大きくすることができ、赤外線検知部の負荷抵抗を小さくでき、よりいっそう低雑音にできる。

実施形態４．
本発明に係る実施形態４の赤外線固体撮像装置は、凹部４１０が形成されていない点で実施形態１〜３の赤外線固体撮像装置とは異なっている。すなわち、この実施形態４では、図７に示すように、第１ＰＮ接合ダイオード１０５ａと第２ＰＮ接合ダイオード１０５ｂを接続するメタル配線層４１２ａが凹部４１０の無い平坦な表面においてＮ型低濃度不純物層４０５とＰ型低濃度不純物層４０６に跨って形成されている。

具体的には、本実施形態４の赤外線固体撮像装置では、実施形態１〜３と同様、ＰＮ接合ダイオード１０５ａとＰＮ接合ダイオード１０５ｂとが分離されずに、第１ＰＮ接合ダイオード１０５ａのＰ型低濃度不純物層４０６と第２ＰＮ接合ダイオード１０５ｂのＮ型低濃度不純物層４０５が接している。
そして、メタル配線層４１２ａがＮ型低濃度不純物層４０５とＰ型低濃度不純物層４０６に跨って形成されている。
ここで、赤外線検出素子全体としては、実施形態１〜３と同様に領域毎に分離されている。

以上の様に構成された実施形態４の赤外線検出素子では、ＰＮ接合ダイオード１０５ａとＰＮ接合ダイオード１０５ｂとを順方向バイアスで動作させたときに、逆バイアスとなる低濃度不純物領域間（Ｎ型低濃度不純物層４０５とＰ型低濃度不純物層４０６の間）がメタル配線層４１２ａにより接続されていることになる。

以上のような構成により、隣接するＰＮ接合ダイオード１０５ａ，１０５ｂ間に共通コンタクトを設けることが可能になり、ＰＮ接合ダイオード１０５ａ，１０５ｂ間を接続するための配線の引き回しが不要となる。従って、赤外線検知素子のコンタクト接触抵抗、及びダイオード間を結合する配線抵抗を小さくできる。これにより、赤外線検知素子の負荷抵抗を小さくでき、低雑音にできる。

以下、２つの第１ＰＮ接合ダイオード１０５ａと第２ＰＮ接合ダイオード１０５ｂとを分離することなく隣接するように製造する方法について以下に詳しく述べる。
まず、ＰＮ接合ダイオード１０５を製造するために、単結晶シリコン層の上方からＮ型またはＰ型の不純物原子を選択的にイオン注入装置等により所定の深さまで注入して、Ｎ型低濃度不純物層４０５とＰ型低濃度不純物層４０６を形成する。所定の深さとは、ＳＯＩ層４０２全体の不純物濃度分布が均一となる深さを意味している。

更に、写真製版回数を少なくするために、検知部領域に、単結晶シリコン層の上方から全面にＮ型或いは、Ｐ型の不純物原子をイオン注入装置等により所定の深さまで注入する。引き続き、写真製版技術を用いて選択的に、Ｐ型不純物原子を全面注入した場合は、Ｎ型を、Ｎ型不純物原子を全面注入した場合は、Ｐ型をそれぞれ所定の深さまでイオン注入装置等により注入する。

ここで、本実施形態４では、第１ＰＮ接合ダイオード１０５ａと第２ＰＮ接合ダイオード１０５ｂの領域が互いに接するようにＮ型低濃度不純物層４０５とＰ型低濃度不純物層４０６とが隣接するように形成する。すなわち、ＬＯＣＯＳ分離などの分離領域を設けることなく、Ｎ型低濃度不純物層４０５とＰ型低濃度不純物層４０６とを隣接して接触させる。そして、Ｎ型低濃度不純物層４０５とＰ型低濃度不純物層４０６が逆バイアス接続となる箇所をメタル配線層４１２ａにて電気的に結合する。

以上、ＰＮ接合ダイオード１０５を製造する工程について述べたが、それ以外の製造工程は、実施の形態１、２或いは３と同様である。尚、図７は、実施形態４に掛かる赤外線固体撮像装置のＰＮ接合ダイオード部にのみ着目して図示したものであり、図を解り易くするために、保護膜を省きＰＮ接合ダイオード部及びメタル配線層に限定して示している。

以上のように構成された実施の形態４の赤外線固体撮像装置では、第１ＰＮ接合ダイオード１０５ａと第２ＰＮ接合ダイオード１０５ｂとを電気的に分離する分離領域が不要であり、従来よりも単位面積当たりのダイオードの集積度が向上する。従って、従来に比べて小型化が容易となる。更に、第１ＰＮ接合ダイオード１０５ａと第２ＰＮ接合ダイオード１０５ｂとが隣接して接触した構造であるが故に、分離領域４０３との総接触面積を小さくする事が可能である。

よって、従来雑音源とされている分離エッジの影響が小さくなり、従来よりも、より低雑音化が図れる。以上の効果によって、従来よりも、更に高感度で、低雑音で且つ製造が容易な赤外線固体撮像装置を提供することが可能となる。また、従来に比べ写真製版処理時のマスク枚数を少なくする事が容易となり、従来よりも一層の製造コスト低減化が図れることは言うまでもない。

更には、隣接する第１及び第２ＰＮ接合ダイオード１０５ａ，１０５ｂ間の共通のコンタクトを設けるのに必要な一部分のみにメタル配線層を配している。これにより、第１ＰＮ接合ダイオード１０５ａと第２ＰＮ接合ダイオード１０５ｂの間を接続するための配線の引き回しが不要となる。従って、金属とシリコンの熱膨張係数の差に起因する機械的な歪を小さくでき、また、ダイオード間を結合する配線抵抗を小さくできる。これにより、赤外線検知素子の負荷抵抗を小さくでき、より低雑音にできる。

１００赤外線検出素子、１０１赤外線吸収傘、１０２支持体、１０３赤外線検知部、１０５、１０５ａ、１０５ｂＰＮ接合ダイオード、１０６中空部、３００支持基板、３０１検出器アレイ、３０２信号処理回路、３０３赤外線固体撮像装置、４０１埋め込み酸化膜、４０２単結晶シリコン層、４０３ａ素子間分離領域、４０３ｂ素子内分離領域、４０４検知部領域、４０５Ｎ型低濃度不純物層、４０６Ｐ型低濃度不純物層、４０７Ｐ型高濃度不純物層、４０８Ｎ型高濃度不純物層、４０９コンタクトホール、４１０共通コンタクトホール、４１１絶縁膜、４１２、４１２ａ、４１２ｂ、４１２ｃメタル配線層、４１３絶縁膜、４１４エッチング孔、５０１Ｎ型ボトム高濃度不純物層、５０２Ｐ型ボトム高濃度不純物層。

Claims

支持基板から分離して設けられたシリコン層に形成された第１ＰＮ接合ダイオードと第２ＰＮ接合ダイオードとを含む赤外線検出素子であって、
該シリコン層は隣接するＰ型第１領域とＮ型第２領域とを有し、
前記第１ＰＮ接合ダイオードは、前記Ｐ型第１領域と、該Ｐ型第１領域において前記Ｎ型第２領域から離れた位置に形成されたＮ型第１領域とによって構成され、
前記第２ＰＮ接合ダイオードは、前記Ｎ型第２領域と、該Ｎ型第２領域において前記Ｐ型第１領域から離れた位置に形成されたＰ型第２領域とによって構成され、
前記第１ＰＮ接合ダイオードと前記第２ＰＮ接合ダイオードは、前記Ｐ型第１領域と前記Ｎ型第２領域に跨って前記シリコン層に形成された凹部の表面に設けられた金属膜によって接続されていることを特徴とする赤外線検出素子。
前記シリコン層において、前記Ｐ型第１領域の下に該Ｐ型第１領域より高い不純物濃度のＰ型第１高濃度層が形成されかつ、前記Ｎ型第２領域の下に該Ｎ型第２領域より高い不純物濃度のＮ型第２高濃度層が形成されており、前記凹部の底面において前記Ｐ型第１高濃度層と前記Ｎ型第２高濃度層と前記金属膜とが接続されていることを特徴とする請求項１に記載の赤外線検出素子。
前記Ｎ型第１領域は、前記Ｐ型第１領域より不純物濃度が高く、前記Ｐ型第２領域は、前記Ｎ型第２領域より不純物濃度が高いことを特徴とする請求項１又は２に記載の赤外線検出素子。
前記Ｎ型第１領域及び前記Ｐ型第２領域はそれぞれ前記凹部とは別の第２凹部を有し、該第２凹部の表面にそれぞれ第２金属膜が形成されている請求項１〜３のうちのいずれか１つに記載の赤外線検出素子。
請求項１〜４のうちのいずれか１つに記載の赤外線検出素子を複数配列した赤外線検出部を有することを特徴とする赤外線固体撮像装置。