JP5425207B2 - 赤外線撮像素子 - Google Patents
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Description
本発明は、赤外線撮像素子に関する。
非冷却型赤外線センサ（以下、赤外線撮像素子とも云う）は、集光した赤外線を、検出セルを有する赤外線検出部で吸収して、輻射エネルギーを電気信号に変換するデバイスである。検出セルは赤外線の吸収材と、熱電変換素子とを有しており、外系と熱的に隔離されている。このような構造を実現するには、表面微細構造あるいはバルク微細構造の形成技術が必要される。非冷却型赤外線センサは、高価で大きな冷却器を必要とする冷却型赤外線センサとは異なり、安価で小型化が可能という利点がある。
外系と熱的な隔離を行うには、検出セルを真空中に設置することと、検出セルと基板とを物理的、電気的に接続する支持構造の熱コンダクタンスを低くすることが重要である。ここで赤外線撮像素子の断熱性を高めるため、赤外線撮像素子を包容する雰囲気を真空に保持することが望ましい。その一つの手法といて、赤外線センサを専用のケースに取込み、真空封止を行うことが特許文献１に開示されている。
他の手法として、２つの板状部材を備え、接合部と２枚の板状部材とによって囲まれる空間が密閉された気密封止パッケージに対して、赤外線センサをマウントすることが特許文献２に開示されている。半導体パッケージに赤外線センサをマウントし、真空雰囲気にて窓材を接合、封止する既存の手法に対し、特許文献２に示すように、ウェハレベルパッケージに対して赤外線センサをマウントすることは、組立て時のスループットが向上し、生産性を向上させる点で期待されている。
特許文献２、あるいはその他ウェハレベルパッケージに対してマウントされる赤外線センサにおいては、通常センサ基板と封止板を縦方向に接合している。赤外線センサは一般的な可視イメージセンサとは異なり、封止板は赤外線を透過させるシリコンのような材料である必要がある。また、上記センサ基板と封止板の接合は接合部にハンダを設け、真空雰囲気中でハンダを熱溶解させ接合している。
従って、封止板は赤外線を透過させる窓材の役割を果たすため、上述したようにシリコンなど一意的にその材料が決定され、封止工程における飛躍的なコストダウンが難しい問題がある。また、数百度の昇温を伴うハンダの熱溶解によるセンサ基板と封止板とを接合するため、赤外線センサに大きな熱ストレスが加わり、赤外線センサの信頼性を考慮するうえで重要なポイントとなる。
本発明は、上記事情を考慮しなされたものであって、製造コストを可及的に低下させることができるとともに、製造時に大きな熱ストレスが加わるのを可及的に防止することのできる赤外線撮像素子を提供することを目的とする。
本発明の一態様による赤外線撮像素子は、シリコンの第１基板、第１絶縁膜、およびシリコン層がこの順序で積層された積層構造を有し、前記第１基板の前記第１絶縁膜側の表面に複数の第１空洞が設けられた半導体基板と、前記半導体基板に設けられ、入射赤外線を検出する赤外線検出部であって、この赤外線検出部は、複数の前記第１空洞のそれぞれの上方に設けられ前記入射赤外線を検出する複数の検出セルであって、各検出セルは、前記シリコン層に設けられたダイオードと、前記ダイオードを被覆する第２絶縁膜とを有し、前記第１空洞上の前記第１絶縁膜が前記入射赤外線を吸収して熱に変換し、前記ダイオードは前記第１絶縁膜によって変換された熱を電気信号に変換する複数の検出セルと、各検出セルに対応して設けられて各検出セルを対応する第１空洞の上方に支持し、対応する検出セルを選択する選択線に接続される第１接続配線を有する第１支持構造部と、各検出セルに対応して設けられて各検出セルを対応する第１空洞の上方に支持し、対応する検出セルからの電気信号を伝達する信号線に接続される第２接続配線を有する第２支持構造部と、を有する赤外線検出部と、前記赤外線検出部が形成された領域と異なる、前記半導体基板の領域に設けられ、前記選択線を駆動する駆動回路と、前記信号線を介して送られてくる電気信号を処理する信号処理回路と、前記駆動回路および前記信号処理回路を覆いかつ前記半導体基板からの距離が前記第２絶縁膜の上面より遠い上面を有する第３絶縁膜と、を有する回路部と、前記第３絶縁膜上に設けられ前記赤外線検出部を覆う第２基板と、を備え、前記第２基板と、前記赤外線検出部との間に第２空洞が形成されることを特徴とする。
本発明によれば、製造コストを可及的に低下させることができるとともに、製造時に大きな熱ストレスが加わるのを可及的に防止することができる。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号が付してある。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による赤外線撮像素子を図１に示す。この実施形態の赤外線撮像素子はＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板上に形成され、赤外線検出部２０と、周辺回路３０とを備えている。ＳＯＩ基板は、Ｓｉの支持基板１１と、埋め込み酸化層（ＢＯＸ層）１２と、シリコン単結晶からなるＳＯＩ層とを有している。
本発明の第１実施形態による赤外線撮像素子を図１に示す。この実施形態の赤外線撮像素子はＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板上に形成され、赤外線検出部２０と、周辺回路３０とを備えている。ＳＯＩ基板は、Ｓｉの支持基板１１と、埋め込み酸化層（ＢＯＸ層）１２と、シリコン単結晶からなるＳＯＩ層とを有している。
赤外線検出部２０は少なくとも１個の検出セル２１を有し、この検出セル２１は、直列に接続された複数のｐｎ接合ダイオード（以下、ダイオードとも云う）２２ａ、２２ｂと、これらのダイオード２２ａ、２２ｂを外部に接続する配線２４ａ、２４ｂと、これらのダイオード２２ａ、２２ｂおよび配線２４ａ、２４ｂを覆う層間絶縁膜２６、２８と、を備えている。検出セル２１のダイオード２２ａ、２２ｂは、ＳＯＩ基板のＳＯＩ層に形成される。ダイオード２２ａ、２２ｂは、ＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）１６によって分離される。
周辺回路３０は、検出セル２１のダイオード２２ａ、２２ｂを駆動する駆動回路と、ダイオード２２ａ、２２ｂから出力される検出信号を処理する信号処理回路と、これらの回路を接続する配線３２，３４と、を備えている。配線３２は素子間を電気的に接続し、配線３４は、外部に信号を出力するために用いられる。上記駆動回路および信号処理回路は、複数の素子（例えば、トランジスタ等）を有している。これらの素子は、ＳＯＩ基板のＳＯＩ層に形成され、ＳＴＩ１６によって分離される。また、周辺回路３０を構成する駆動回路、信号処理回路、および配線３２、３４は、検出セル２１のダイオード２２ａ、２２ｂと同様に、層間絶縁膜２６、２８によって覆われている。
検出セル２１直下の支持基板１１の表面に凹部（空洞）５０ａが設けられている。そして、検出セル２１は、支持構造部４０ａ、４０ｂによって、凹部５０ａの上方に支持される。支持構造部４０ａ、４０ｂは、それぞれ接続配線を有している。支持構造部４０ａの接続配線の一端が検出セル２１の配線２４ａに接続され、他端が検出セル２１を選択するための選択線および信号線のうちの一方に接続される。また、支持構造部４０ｂの接続配線の一端が検出セル２１の配線２４ｂに接続され、他端が検出セル２１を選択するための選択線および信号線（図示せず）のうちの他方に接続される。選択線は、周辺回路３０の駆動回路によって駆動され、信号線からの信号は、信号処理回路によって処理され、外部に出力される。
検出セル２１および周辺回路３０上には封止基板６０が設けられている。そして、検出セル２１および支持構造部４０ａ、４０ｂの層間絶縁膜２８の上面は、周辺回路３０の層間絶縁膜２８の上面よりも低くなる、すなわち埋め込み酸化層１２に近くなるように設けられている。このため、検出セル２１および支持構造部４０ａ、４０ｂと、封止基板６０との間には空洞５０ｂが設けられる。なお、封止基板６０は、周辺回路３０の層間絶縁膜２８の上面に、直接接合されている。また、支持基板１１の赤外線検出部２０と反対側の面に反射防止膜６５が設けられている。この反射防止膜６５が設けられた側から周辺回路３０の配線３４に達する開口７０が設けられ、この開口７０内に配線３４に電気的に接続する外部引き出し配線７２が設けられる。
次に、赤外線を吸収する方向について説明する。従来の赤外線センサは、シリコンを基板とした半導体基板に赤外線を検出する検出セルを形成し、その上部に赤外線透過窓として作用させる封止板を接続している。そして、検出セルはシリコン基板中に形成されるが、熱電変換信号を所望の回路へ伝達するため、検出セルの上部には赤外線吸収膜が形成される。このため、検出セルを覆うパッケージ上部に設けられた封止板（赤外線透過窓）を介し、赤外線吸収膜として機能する層間絶縁膜によって赤外線を吸収し、その直下の半導体基板中で熱電変換する。
これに対し、本実施形態においては、ｐｎ接合ダイオード２２ａ、２２ｂが形成されたＳＯＩ層下に位置する埋め込み酸化層１２で赤外線を吸収する。さらに空洞５０ａを介して、シリコン支持基板１１を赤外線透過窓として機能させる。つまり、従来の赤外線撮像素子は、上面から赤外線を検知したのに対し、本実施形態では、赤外線セルの下面（裏面）から赤外線エネルギーを検出する構成となる。
本実施形態の赤外線撮像素子は上述した通り、ＳＯＩ基板上に形成され、シリコンの支持基板１１が赤外線透過窓として機能させることができるため、従来の場合に見られた窓材の接合が不要となる。更に、赤外線吸収膜として埋め込み酸化層１２を利用しているので、同じ面積あたりの赤外線吸収効率を向上させることができる。これは、従来の構成では、半導体基板上に形成した検出セルに形成された層間絶縁膜を赤外線吸収膜として用いていたが、この赤外線吸収膜には熱電変換信号を所望の回路に接続するための配線層が設けられている。汎用のＣＭＯＳプロセスを考えれば、この配線層はＡｌなどが一般的に用いられ、これは赤外線を反射する特性を持つ。つまり、配線層が反射層として働くため、この領域に放射された赤外線は検出することができない。これに対して、本実施形態のように、埋め込み酸化層１２を赤外線吸収膜として用いること、および埋め込み酸化層１２中に赤外線の入射を妨げる部材が一切存在しないことから、同一セル面積に対する赤外線吸収効率を向上させることが可能になる。
なお、本実施形態の赤外線撮像素子においては、断熱性を向上させるために、赤外線検出部２０の上部にも空洞５０ｂが設けられ、この空洞５０ｂを真空に保持する必要があることから、この空洞５０ｂを封止するために封止基板６０が設けられている。この封止基板６０は、周辺回路３０の層間絶縁膜２８と直接接合されている。また上述したように、本実施形態においては、支持基板１１を赤外線透過窓として用いているため、封止基板６０はあくまでも空洞５０ｂを封止する機能を有しているだけで良く、シリコン基板に限らず、石英基板等を選定することができ、安価な材質を用いることが可能となる。このため、一層の低コスト化を図ることができる。
また、外部との接続を支持基板１１の裏面側から引き出し配線７２を引き出すことで、支持基板１１と封止基板６０とをハンダ等による熱溶解接続することを回避でき、常温による接合プロセスが可能となる。特に、ハンダ接合の場合、ハンダ内部には蝋材が含有していることから、熱溶解時に出ガスの発生が懸念される。出ガスは、空洞５０ａ、５０ｂの真空雰囲気の悪化を招き感度低下を引き起こす。封止前に出ガスを流出させるには高温下でプリベークを施すことが効果的であることが知られているが、高温処理の際に、周辺回路３０のトランジスタが形成されるＣＭＯＳ領域、このＣＭＯＳ領域の特に配線部や、あるいは赤外線検出部２０のＭＥＭＳ構造（検出セルおよび支持構造部）に熱ストレスが加わり、甚大な性能低下に繋がる恐れがある。しかしながら、本実施形態によれば、上述したように、ハンダバンプ等を接合部材として使用せず、常温による直接接合を行うことで、熱ストレスの課題も回避することができる。
次に、本実施形態の赤外線撮像素子の製造方法を図２（ａ）乃至図５（ｂ）を参照して説明する。本実施形態の赤外線撮像素子は汎用のＣＭＯＳプロセスを用いて形成される。
先ず、支持基板１１、埋め込み酸化層１２、およびＳＯＩ層１３を有するＳＯＩ基板を準備する（図２（ａ））。ここで、上述したように、埋め込み酸化層１２が赤外線吸収膜として機能するため、埋め込み酸化層１２は１μｍ以上の膜厚であることが望ましい。
次に、周知の技術を用いて、ＳＯＩ層に赤外線照射の際に熱電変換を行うダイオード２２ａ、２２ｂを形成する（図２（ｂ））。このとき、同時にダイオード２２ａ、２２ｂを駆動する駆動回路およびダイオード２２ａ、２２ｂからの信号を処理する信号処理回路を構成する周辺回路３０の素子を周知の技術を用いてＳＯＩ層に形成する。ダイオード２２ａ、２２ｂ間の素子分離および周辺回路を構成する素子の素子分離には例えばＳＴＩ１６を用いて行う。
次に、図２（ｃ）に示すように、ダイオード２２ａ、２２ｂおよび周辺回路３０の素子を覆う層間絶縁膜２６を形成し、この層間絶縁膜２６内にダイオード２２ａ、２２ｂおよび周辺回路３０の素子と接続する第１コンタクトを形成する。その後、第１コンタクトに接続する配線２４ａ、２４ｂ、３２を層間絶縁膜２６上に形成する。これらの配線２４ａ、２４ｂ、３２を覆う第１層間絶縁膜を層間絶縁膜２６上に形成し、続いて、この第１層間絶縁膜内に２４ａ、２４ｂ、３２と接続する第２コンタクトを形成する。その後、第２コンタクトに接続する配線３６を第１層間絶縁膜上に形成する。そして配線３６を覆う第２層間絶縁膜を第１層間絶縁膜上に形成する。第１層間絶縁膜および第２層間絶縁膜が層間絶縁膜２８となる。なお、層間絶縁膜２６、２８はＴＥＯＳ（Tetra Ethyl Ortho Silicate）等を用いて形成してもよい。
次に、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）等のドライエッチングを用いて、エッチングすることにより、深い開口４１ａ、４１ｂを形成する（図３（ａ））。この時、エッチングが行われない検出セル２１および周辺回路３０は、フォトレジスト等のマスクによって保護する。開口４１ａは検出セル２１と支持構造部４０ａ、４０ｂとを分離し、開口４１ｂは支持構造部４０ａ、４０ｂと周辺回路３０とを分離する。これらの開口４１ａ、４１ｂは、埋め込み酸化層１２を貫通し、支持基板１１の表面に達する深さとする（図３（ａ））。
次に、検出セル２１および支持構造部４０ａ、４０ｂの層間絶縁膜２８のみをドライエッチングによりエッチバックする（図３（ａ））。これにより、検出セル２１および支持構造部４０ａ、４０ｂの層間絶縁膜２８の上面は、周辺回路３０の層間絶縁膜２８の上面よりも低くなる、すなわち埋め込み酸化層１２に近くなるように形成される（図３（ｂ））。
次に、開口４１ａ、４１ｂを介して、検出セル２１の下部の支持基板１１をエッチングし、検出セル２１直下の支持基板１１の表面に、開口４１ａ、４１ｂに通じる凹部（空洞）５０ａを形成する（図４（ａ））。このエッチングには、ＫＯＨあるいはＴＭＡＨ溶液による異方性エッチングを用いる他、ＸｅＦ２ガスによる等方性ドライエッチングを用いることができる。この空洞５０ａを形成することにより、検出セル２１を基板１１から分離することで、熱的分離を果たすことが可能になる。
次に、図４（ｂ）に示すように、周辺回路３０の層間絶縁膜２８上に、検出セル２１との間で空洞５０ｂを形成する封止基板６０を接合により形成する。接合は、常温にて接合することが望ましく、接合面の活性化による直接接合方式を用いることができる。これは、例えばＡｒビームを層間絶縁膜２８および封止基板６０に照射することで、ウェハ表面の接合阻害層を除去し、表面の原子の結合手同士を直接結合させ強固な接合を可能にすることができる。接合の際には、チャンバ内部は高真空に保持されることから、接合時には、赤外線撮像素子の内部は同時に真空保持される。接合にあたり、赤外線撮像素子の表面には有機物等出ガスの要因となる物質は一切存在しないため、安定的な真空封止が可能になる。接合のための封止基板６０としては、単結晶シリコン基板、あるいは石英基板等を用いることができる。ここで、封止基板６０の接合性を向上させるために、層間絶縁膜２８の平坦性を高めることが望ましく、例えば図２（ｃ）に示す層間絶縁膜２８の最上層に、例えばＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）等を用いて、表面の平坦化処理を施しておくことが望ましい。同様に、接合に用いる封止基板６０についても、その表面が、平坦性が確保されているものを使用した方が良い。ここで、図３（ｂ）において、検出セル２１の上部の層間絶縁膜２８をエッチバックしていることにより、封止基板６０を接合した後に、検出セル２１および支持構造部４０ａ、４０ｂの上部のみに空洞５０ｂが形成され、熱的分離が可能になる。
次に、図５（ａ）に示すように、支持基板１１を薄くした後、支持基板１１の検出セル２１と反対側の面に反射防止膜６５を接合する。なお、上述したように、支持基板１１は、赤外線の透過窓として機能させる。単結晶シリコンは赤外線の吸収係数が高く、支持基板１１の厚さが厚い場合は、ダイオードに到達する赤外線エネルギーの減衰が僅かながらも発生する。このため、赤外線透過窓となる支持基板１１を薄くすることは、効率の観点から有効となり、支持基板１１の厚を薄くすることで透過効率向上に寄与できる。赤外線透過窓となる支持基板１１の薄化には、ＣＭＰあるいは基板濃度差選択性エッチングを適応することができ、支持基板１１の厚さは６００μｍ〜１０μｍの範囲で制御することができる。また、反射防止膜６５としては、ＤＬＣ（Diamond Like Carbon)等を用いることができる。また、センサの径時的な真空度維持を維持するために、図１４に示すように、封止基板６０にゲッター１００を形成することもできる。
次に、反射防止膜６５から配線３４に到達する、図１に示す引き出し配線７２を形成するための開口７０を形成する（図５（ｂ））。この開口７０は、配線３４に対し、アライナー等を用いてリソグラフィを行い、ドライエッチングにより形成される。その後、開口７０の底部の配線３４に接続する引き出し配線７２を形成し、赤外線撮像素子を完成する。なお、この引き出し配線７２は、上下を反転させることにより、封止基板６０側を底部にし、開口７０に対し、ワイヤボンディング等を用いて、外部インタフェースとの電気的接続を行うことにより形成される。
このようにして製造された赤外線撮像素子は、支持基板１１を赤外線透過窓として機能させることで、赤外線透過、吸収効率を向上させることができ、かつ封止基板６０の材質を自由に選定させることが可能となり、常温プロセスで安定的な真空封止工程を実現することができる。
これにより、本実施形態の赤外線撮像素子によれば、製造コストを可及的に低下させることができるとともに、製造時に大きな熱ストレスが加わるのを可及的に防止することができる。
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態による赤外線撮像素子を図６に示す。図１に示す第１実施形態の赤外線撮像素子は、赤外線入射側から、外部と電気的に接続する引き出し配線７２を取り出した構造であった。第２実施形態の赤外線撮像素子は、封止基板６０側に外部との接続をするための接続電極８０を設けた構成となっている。この接続電極８０は、封止基板６０に設けられた貫通電極（スルービア）６４を介して周辺回路３０の配線３４と電気的に接続される。本実施形態においては、封止基板６０はシリコン基板等の導電性基板を用いているので、封止基板６０と周辺回路３０の層間絶縁膜２８との間、および貫通電極６４封止基板との間、および封止基板６０の上面には絶縁膜５８が形成されている。封止基板６０に絶縁性の基板を用いれば、絶縁膜５８は不要となる。
次に、本発明の第２実施形態による赤外線撮像素子を図６に示す。図１に示す第１実施形態の赤外線撮像素子は、赤外線入射側から、外部と電気的に接続する引き出し配線７２を取り出した構造であった。第２実施形態の赤外線撮像素子は、封止基板６０側に外部との接続をするための接続電極８０を設けた構成となっている。この接続電極８０は、封止基板６０に設けられた貫通電極（スルービア）６４を介して周辺回路３０の配線３４と電気的に接続される。本実施形態においては、封止基板６０はシリコン基板等の導電性基板を用いているので、封止基板６０と周辺回路３０の層間絶縁膜２８との間、および貫通電極６４封止基板との間、および封止基板６０の上面には絶縁膜５８が形成されている。封止基板６０に絶縁性の基板を用いれば、絶縁膜５８は不要となる。
次に、本実施形態の赤外線撮像素子の製造方法を図７（ａ）乃至図８（ｂ）を参照して説明する。図３（ａ）に示す工程、すなわち検出セル２１と支持構造部４０ａ、４０ｂとを分離する開口４１ａと、支持構造部４０ａ、４０ｂと周辺回路３０とを分離する開口４１ｂとを形成するまでは、第１実施形態と同様の工程を用いて行う。
続いて、図７（ａ）に示すように、検出セル２１および支持構造部４０ａ、４０ｂの層間絶縁膜２８の上面をエッチバックするとともに、周辺回路３０の配線３４に通じる開口４４を周辺回路３０の層間絶縁膜２８に形成する。
次に、第１実施形態と同様に、開口４１ａ、４１ｂを介して、検出セル２１の下部の支持基板１１をエッチングし、検出セル２１直下の支持基板１１の表面に、開口４１ａ、４１ｂに通じる凹部（空洞）５０ａを形成する（図７（ｂ））。
次に、全面に絶縁膜５８が形成されて配線３４に通じることになる貫通孔が形成された封止基板６０と、周辺回路３０の層間絶縁膜２８とを直接接合により接合する。このとき、封止基板６０の貫通孔と層間絶縁膜２８内の開口４４とでアライメントが取られる。この接合により、検出セル２１および支持構造部４０ａ、４０ｂと、封止基板６０との間に空洞５０ｂが形成される。続いて、上記貫通孔および開口を埋め込むように、貫通電極６４を形成する。その後、封止基板６０および貫通電極６４を覆う保護膜６２を形成する（図７（ｃ））。
次に、図８（ａ）に示すように、支持基板１１の裏面に反射防止膜６５を形成する。続いて、保護膜６２を剥離し、貫通電極６４と電気的に接続する、ハンダバンプとなる接続電極８０を形成し、赤外線撮像素子を完成する。
完成後の赤外線撮像素子は、上下を反転させ、封止基板側を底部にし、任意の基板にマウント後、リフロー等により電気的に接続する。
上述したように、本実施形態にように、表面実装型にすることで、ワイヤボンディングの工程を省略できる他、センサシステムとしての低背化が図れ、コンパクトなカメラシステムを提供することができる。
本実施形態の赤外線撮像素子も、第１実施形態と同様に、製造コストを可及的に低下させることができるとともに、製造時に大きな熱ストレスが加わるのを可及的に防止することができる。
上記第１および第２実施形態においては、封止基板６０と、周辺回路３０を覆う層間絶縁膜２８との接合は、図９（ａ）に示すように真空雰囲気で貼り合わせることができる。これは、低温で接合可能な直接接合手法で実施可能である。直接接合には、封止基板６０および周辺回路を覆う層間絶縁膜にＡｒビーム等を照射し、表面の接合阻害層を除去し、表面の原子の結合手同士を直接結合させ強固な接合を形成するものとして知られている。
一方、図９（ｂ）に示すように、周辺回路を覆う層間絶縁膜２８上に接着層６１を形成し、この接着層６１により層間絶縁膜２８と封止基板６０とを貼り合せることもできる。最近では、出ガスを抑制した真空用途の接着剤等も市販されており、これらを用いた直接接合を採用することもできる。周辺回路３０を覆う層間絶縁膜２８と、封止基板６０を接合する際は、リソグラフィ等を用いて、層間絶縁膜２８あるいは封止基板６０に接合領域を予めパターニングしておく。接合時は、これらを真空雰囲気にて対向させ、出ガス処理の後、過熱、加圧することによって、周辺回路３０を覆う層間絶縁膜２８と封止基板６０とを貼り合わせることができる。なお、図９（ａ）、９（ｂ）においては、赤外線検出部２０は、複数の検出セルと、検出セルを支持する支持構造部と、検出セルを選択する選択線および選択された検出セルからの信号を伝達するための信号線を含む配線部とを有しているが、図では省略されている。各検出セルの下部には空洞５０ａが設けられ、空洞５０ｂは全ての検出セルに対して共通となるように構成されている。また、検出セルと、支持構造部との間には、空洞５０ａおよび５０ｂに通じる開口が省略されている。
一方、図９（ｂ）に示すように、周辺回路を覆う層間絶縁膜２８上に接着層６１を形成し、この接着層６１により層間絶縁膜２８と封止基板６０とを貼り合せることもできる。最近では、出ガスを抑制した真空用途の接着剤等も市販されており、これらを用いた直接接合を採用することもできる。周辺回路３０を覆う層間絶縁膜２８と、封止基板６０を接合する際は、リソグラフィ等を用いて、層間絶縁膜２８あるいは封止基板６０に接合領域を予めパターニングしておく。接合時は、これらを真空雰囲気にて対向させ、出ガス処理の後、過熱、加圧することによって、周辺回路３０を覆う層間絶縁膜２８と封止基板６０とを貼り合わせることができる。なお、図９（ａ）、９（ｂ）においては、赤外線検出部２０は、複数の検出セルと、検出セルを支持する支持構造部と、検出セルを選択する選択線および選択された検出セルからの信号を伝達するための信号線を含む配線部とを有しているが、図では省略されている。各検出セルの下部には空洞５０ａが設けられ、空洞５０ｂは全ての検出セルに対して共通となるように構成されている。また、検出セルと、支持構造部との間には、空洞５０ａおよび５０ｂに通じる開口が省略されている。
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態による赤外線撮像素子を図１０に示す。この実施形態の赤外線撮像素子は、マトリクス状に配列された複数の検出セル２１のそれぞれに対して空洞５０ａおよび空洞５０ｂがそれぞれ設けられている以外は、第１実施形態と同じ構成となっている。本実施形態においては、検出セル２１と、この検出セル２１を支持する支持構造部４０ａ、４０ｂと、空洞５０ａ、５０ｂは信号線または選択線を含む配線部９０によって分離された構成となっている。このため、検出セル２１毎に熱分離が可能になる。
次に、本発明の第３実施形態による赤外線撮像素子を図１０に示す。この実施形態の赤外線撮像素子は、マトリクス状に配列された複数の検出セル２１のそれぞれに対して空洞５０ａおよび空洞５０ｂがそれぞれ設けられている以外は、第１実施形態と同じ構成となっている。本実施形態においては、検出セル２１と、この検出セル２１を支持する支持構造部４０ａ、４０ｂと、空洞５０ａ、５０ｂは信号線または選択線を含む配線部９０によって分離された構成となっている。このため、検出セル２１毎に熱分離が可能になる。
赤外線撮像素子が図９（ａ）、９（ｂ）に示すように、空洞５０ｂが複数の検出セル２１に対して共通となる構成を有している場合には、高温の被写体を撮像したときには、センサ上部の空間は熱的に繋がる構成のため、前記高温検知セル以外の領域にも、熱成分が齎され、センサ全域で飽和状態に陥る可能性がある。一方、本実施形態の構成では、図１０に示されるように、各検出セル２１が個別のキャビティを有する構造のため、隣接する画素（検出セル）と熱的に分離することが可能になる。従って、任意の画素に高温の被写体が存在しても、上記のように検出セルは熱的に分離されているため、上記のような問題を回避することができる。つまり、熱容量を小さくすることができ、熱時定数を低減が可能になる。
なお、本実施形態も第１実施形態と同様に、製造コストを可及的に低下させることができるとともに、製造時に大きな熱ストレスが加わるのを可及的に防止することができる。
なお、この第３実施形態を第２実施形態に適用してもよい。
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態による赤外線撮像素子を図１１に示す。この実施形態の赤外線撮像素子は、図１に示す第１実施形態の赤外線撮像素子において、検出セル２１に対して、空洞５０ａの底部にマイクロレンズ９２を設けた構成となっている。このマイクロレンズは、シリコンの支持基板１１により形成した赤外線透過窓に、検出セル２１と反対側の面からリソグラフィおよびドライエッチングを行うことにより形成することができる。
次に、本発明の第４実施形態による赤外線撮像素子を図１１に示す。この実施形態の赤外線撮像素子は、図１に示す第１実施形態の赤外線撮像素子において、検出セル２１に対して、空洞５０ａの底部にマイクロレンズ９２を設けた構成となっている。このマイクロレンズは、シリコンの支持基板１１により形成した赤外線透過窓に、検出セル２１と反対側の面からリソグラフィおよびドライエッチングを行うことにより形成することができる。
このように、マイクロレンズ９２を設けることにより、更に赤外線吸収効率を向上させることができる。
なお、本実施形態も第１実施形態と同様に、製造コストを可及的に低下させることができるとともに、製造時に大きな熱ストレスが加わるのを可及的に防止することができる。なお、この第４実施形態を第２実施形態に適用してもよい。
（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態による赤外線撮像素子を図１２に示す。この実施形態の赤外線撮像素子は、図１に示す第１実施形態の赤外線撮像素子において、封止基板６０の、検出セル２１に対向する面に反射膜９４を設けた構成となっている。シリコンの支持基板１１により形成した赤外線透過窓を介し、赤外線検出部２０にもたらされた赤外線エネルギーのうちダイオード２２ａ、２２ｂに吸収されない赤外線エネルギーを、反射膜９４において反射させ再びダイオード２２ａ、２２ｂに取込ませることで効率を向上させることができる。ここで、反射膜は、ＡｕやＡｌ等の高い反射特性を有す金属を用いることができる。また、空洞５０ｂのギャップ厚さを、例えば検出する赤外線の波長λの１／４に、すなわちλ／４に設定することで、共振構造を構成でき、より高い赤外線吸収効率を得ることができる。
なお、本実施形態も第１実施形態と同様に、製造コストを可及的に低下させることができるとともに、製造時に大きな熱ストレスが加わるのを可及的に防止することができる。なお、この第５実施形態を第２実施形態に適用してもよい。
次に、本発明の第５実施形態による赤外線撮像素子を図１２に示す。この実施形態の赤外線撮像素子は、図１に示す第１実施形態の赤外線撮像素子において、封止基板６０の、検出セル２１に対向する面に反射膜９４を設けた構成となっている。シリコンの支持基板１１により形成した赤外線透過窓を介し、赤外線検出部２０にもたらされた赤外線エネルギーのうちダイオード２２ａ、２２ｂに吸収されない赤外線エネルギーを、反射膜９４において反射させ再びダイオード２２ａ、２２ｂに取込ませることで効率を向上させることができる。ここで、反射膜は、ＡｕやＡｌ等の高い反射特性を有す金属を用いることができる。また、空洞５０ｂのギャップ厚さを、例えば検出する赤外線の波長λの１／４に、すなわちλ／４に設定することで、共振構造を構成でき、より高い赤外線吸収効率を得ることができる。
なお、本実施形態も第１実施形態と同様に、製造コストを可及的に低下させることができるとともに、製造時に大きな熱ストレスが加わるのを可及的に防止することができる。なお、この第５実施形態を第２実施形態に適用してもよい。
（第６実施形態）
次に、本発明の第６実施形態による赤外線撮像素子を図１３に示す。この実施形態の赤外線撮像素子は、図１に示す第１実施形態の赤外線撮像素子において、空洞５０ａは、支持基板１１を貫通しかつ赤外線が入射する側の面が埋め込み絶縁層側の面よりも広い面積を有するテーパ形状とし、空洞５０ａを覆う赤外線透過窓９６を更に設けた構成となっている。このような構成にすることにより、放射された赤外線エネルギーを、テーパ形状を有したシリコン界面により、赤外線エネルギーをダイオード２２ａ、２２ｂの方向に屈折させることで、赤外線の吸収効率の向上を図っている。このテーパ形状の形成には、シリコンの支持基板１１の検出セルと反対側から、検出セル２１に対応する領域を開口するリソグラフィを行い、シリコンの異方性エッチングによりテーパ形状の開口を形成する。この場合、開口が形成されたシリコンの支持基板１１の底部に、真空封止を実現するための赤外線透過窓９６を直接接合で接続する。これにより、赤外線が入射する側が広い面積を有するテーパ形状の空洞５０ａが形成される。そして、この赤外線透過窓９６の空洞５０ａと反対側の面に反射防止膜６５を形成する。
なお、本実施形態も第１実施形態と同様に、製造コストを可及的に低下させることができるとともに、製造時に大きな熱ストレスが加わるのを可及的に防止することができる。なお、この第６実施形態を第２実施形態に適用してもよい。
次に、本発明の第６実施形態による赤外線撮像素子を図１３に示す。この実施形態の赤外線撮像素子は、図１に示す第１実施形態の赤外線撮像素子において、空洞５０ａは、支持基板１１を貫通しかつ赤外線が入射する側の面が埋め込み絶縁層側の面よりも広い面積を有するテーパ形状とし、空洞５０ａを覆う赤外線透過窓９６を更に設けた構成となっている。このような構成にすることにより、放射された赤外線エネルギーを、テーパ形状を有したシリコン界面により、赤外線エネルギーをダイオード２２ａ、２２ｂの方向に屈折させることで、赤外線の吸収効率の向上を図っている。このテーパ形状の形成には、シリコンの支持基板１１の検出セルと反対側から、検出セル２１に対応する領域を開口するリソグラフィを行い、シリコンの異方性エッチングによりテーパ形状の開口を形成する。この場合、開口が形成されたシリコンの支持基板１１の底部に、真空封止を実現するための赤外線透過窓９６を直接接合で接続する。これにより、赤外線が入射する側が広い面積を有するテーパ形状の空洞５０ａが形成される。そして、この赤外線透過窓９６の空洞５０ａと反対側の面に反射防止膜６５を形成する。
なお、本実施形態も第１実施形態と同様に、製造コストを可及的に低下させることができるとともに、製造時に大きな熱ストレスが加わるのを可及的に防止することができる。なお、この第６実施形態を第２実施形態に適用してもよい。
なお、第４乃至第６実施形態のうちの少なくとも２つを組み合わせて、赤外線撮像素子を構成してもよい。この場合、第２実施形態にも適用してもよい。
上記個別に記した赤外線吸収効率の向上のための施策については、これらを組み合わせて構成しても良い。また、図７〜９において示した構成例では、パッド開口型赤外線センサにて図示しているが、図３で示したスルービア配線を有す構造に適応しても勿論良い。
１１ シリコンの支持基板
１２ 埋め込み酸化層
１３ ＳＯＩ層
１６ ＳＴＩ
２０ 赤外線検出部
２１ 検出セル
２２ａ ダイオード
２２ｂ ダイオード
２４ａ 配線
２４ｂ 配線
２６ 層間絶縁膜
２８ 層間絶縁膜
３０ 周辺回路
３２ 配線
３４ 配線
４０ａ 支持構造部
４０ｂ 支持構造部
４１ａ 開口
４１ｂ 開口
５０ａ 空洞
５０ｂ 空洞
６０ 封止基板
７０ 開口
７２ 引き出し配線
１２ 埋め込み酸化層
１３ ＳＯＩ層
１６ ＳＴＩ
２０ 赤外線検出部
２１ 検出セル
２２ａ ダイオード
２２ｂ ダイオード
２４ａ 配線
２４ｂ 配線
２６ 層間絶縁膜
２８ 層間絶縁膜
３０ 周辺回路
３２ 配線
３４ 配線
４０ａ 支持構造部
４０ｂ 支持構造部
４１ａ 開口
４１ｂ 開口
５０ａ 空洞
５０ｂ 空洞
６０ 封止基板
７０ 開口
７２ 引き出し配線
Claims (6)
- シリコンの第１基板、第１絶縁膜、およびシリコン層がこの順序で積層された積層構造を有し、前記第１基板の前記第１絶縁膜側の表面に複数の第１空洞が設けられた半導体基板と、
前記半導体基板に設けられ、入射赤外線を検出する赤外線検出部であって、この赤外線検出部は、
複数の前記第１空洞のそれぞれの上方に設けられ前記入射赤外線を検出する複数の検出セルであって、各検出セルは、前記シリコン層に設けられたダイオードと、前記ダイオードを被覆する第２絶縁膜とを有し、前記第１空洞上の前記第１絶縁膜が前記入射赤外線を吸収して熱に変換し、前記ダイオードは前記第１絶縁膜によって変換された熱を電気信号に変換する複数の検出セルと、
各検出セルに対応して設けられて各検出セルを対応する第１空洞の上方に支持し、対応する検出セルを選択する選択線に接続される第１接続配線を有する第１支持構造部と、
各検出セルに対応して設けられて各検出セルを対応する第１空洞の上方に支持し、対応する検出セルからの電気信号を伝達する信号線に接続される第２接続配線を有する第２支持構造部と、
を有する赤外線検出部と、
前記赤外線検出部が形成された領域と異なる、前記半導体基板の領域に設けられ、前記選択線を駆動する駆動回路と、前記信号線を介して送られてくる電気信号を処理する信号処理回路と、前記駆動回路および前記信号処理回路を覆いかつ前記半導体基板からの距離が前記第２絶縁膜の上面より遠い上面を有する第３絶縁膜と、を有する回路部と、
前記第３絶縁膜上に設けられ前記赤外線検出部を覆う第２基板と、
前記第２基板の前記赤外線検出部に対向する面に設けられた反射膜と、
を備え、前記第２基板と、前記赤外線検出部との間に第２空洞が形成され、
各検出セルに対して、前記第１空洞直下の前記第１基板が前記入射赤外線の透過窓となることを特徴とする赤外線撮像素子。 - 前記第１基板の、前記第１絶縁膜と反対側の面に設けられた反射防止膜を更に備えていることを特徴とする請求項１記載の赤外線撮像素子。
- 前記第２基板は、前記第３絶縁膜に直接接合されていることを特徴とする請求項１または２記載の赤外線撮像素子。
- 前記第２空洞は各検出セルに対して設けられて、前記信号線および前記選択線をそれぞれ含む第１および第２配線部によって空間的に隔てられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の赤外線撮像素子。
- 各検出セル直下の前記第１基板には、対応する第１空洞に接続するマイクロレンズが設けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の赤外線撮像素子。
- 前記第１空洞のそれぞれは、前記第１絶縁膜側の面の開口面積が前記第１絶縁膜と反対側の面の開口面積よりも狭いことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の赤外線撮像素子。
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