JP5425207B2 - 赤外線撮像素子 - Google Patents
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Description
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。
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。
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。
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。
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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