JP5645240B2 - 赤外線アレイセンサ - Google Patents

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Description

本発明は、赤外線アレイセンサに関するものである。
従来から、マイクロマシニング技術などを利用して形成され、赤外線吸収部を備えた複数の画素部がベース基板の一表面側でアレイ状に設けられた赤外線アレイセンサが各所で研究開発されている（特許文献１参照）。
ここにおいて、上記特許文献１に開示された赤外線アレイセンサは、図２６に示すように、シリコン基板を用いて形成されたベース基板１’の一表面側に複数の画素部２’（図２６には画素部２’を１つだけ図示してある）を備えているが、各画素部２’では、画素形成領域が十字状の境界部１８’により４つの矩形状の小領域に区画されるとともに、各小領域ごとにベース基板１’に平面視矩形状の掘込部１１’が形成されており、平面視において各掘込部１１’それぞれの内周線の内側に小薄膜構造部３ａａ’が配置されている。
ここで、小薄膜構造部３ａａ’は、第１のＳｉＯ２膜と、当該第１のＳｉＯ２膜上の金属薄膜抵抗（抵抗ボロメータ）からなる感温素子と、感温素子を覆う第２のＳｉＯ２膜と、当該第２のＳｉＯ２膜上に形成された赤外線吸収膜との積層構造を有する平面視矩形状の分割赤外線吸収部３３ａ’を備えており、分割赤外線吸収部３３ａ’が、当該分割赤外線吸収部３３ａ’の１つの対角線に沿った方向に延長された２本の直線状のブリッジ部３ｂｂ’によりベース基板１’における掘込部１１’の周部に連結されている。
また、図２６に示した構成では、感温素子が抵抗ボロメータにより構成されており、画素部２’では、各感温素子ごとに出力を取り出す場合に比べて温度変化に対する出力変化が大きくなるように４つの感温素子が直列接続されて感温部が構成されている。ここにおいて、上記特許文献１には、各感温素子をサーモパイルや焦電素子により構成することも記載されている。
なお、赤外線アレイセンサとしては、上述の構造に限らず、各画素部それぞれに、感温部の出力を読み出すための画素選択用スイッチング素子であるＭＯＳトランジスタを備えた構造のものも提案されている。
特開２００１−３０９１２２号公報
ところで、上記特許文献１に開示された赤外線アレイセンサでは、画素部２’の画素形成領域を４つの矩形状の小領域に区画せずに、画素部２’に小薄膜構造部３ａａ’よりも面積の大きな１つの薄膜構造部を形成する場合の赤外線吸収部に比べて、分割赤外線吸収部３３ａ’の熱容量を低減できて時定数（熱時定数）を低減できるので、応答速度の高速化を図れる。
しかしながら、この赤外線アレイセンサでは、画素部２’の画素形成領域において境界部１８’への小薄膜構造部３ａａ’の形成が禁止されるから、各画素部２’における小薄膜構造部３ａａ’の占める面積の増大が制限され、高感度化が難しかった。
また、図２６に示した構成の赤外線アレイセンサでは、分割赤外線吸収部３３ａ’の厚さ寸法を大きくすると、分割赤外線吸収部３３ａ’の熱容量が大きくなって応答速度が低下してしまうので、分割赤外線吸収部３３ａ’の厚さ寸法を小さくすることが考えられるが、分割赤外線吸収部３３ａ’の厚さ寸法を小さくすると、感度が低下してしまうとともに、小薄膜構造部３ａａ’に反りが発生しやすくなり、製造時の破損による歩留まり低下の原因となったり、構造安定性の低下による感度の低下の原因となってしまう恐れがあった。また、図２６に示した構成の赤外線アレイセンサでは、画素部２’の小薄膜構造部３ａａ’において分割赤外線吸収部３３ａ’が２本の直線状のブリッジ部３ｂｂ’を介してベース基板１’に支持された構造なので、小薄膜構造部３ａａ’が振動するような外力に起因して小薄膜構造部３ａａ’が変形して破損してしまう恐れがあった。
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、応答速度および感度の向上を図れ、しかも、構造安定性の向上を図れる赤外線アレイセンサを提供することにある。
請求項１の発明は、赤外線吸収部を備えた複数の画素部がベース基板の一表面側でアレイ状に設けられた赤外線アレイセンサであって、各画素部では、ベース基板に前記赤外線吸収部を当該ベース基板から熱絶縁するための掘込部が形成され、ベース基板の前記一表面側で平面視において掘込部の内側に前記赤外線吸収部を有し掘込部を覆う薄膜構造部が形成されており、薄膜構造部が複数の線状のスリットにより掘込部の周方向に沿って並設されそれぞれベース基板における掘込部の周部から内方へ延長された複数の小薄膜構造部に分離され、各小薄膜構造部はＸ軸方向及びＹ軸方向に複数配置されており、各小薄膜構造部ごとに感温素子が設けられ、隣接する小薄膜構造部同士を連結する連結片が形成されており、前記連結片は、平面視においてＸ軸方向に隣接する小薄膜構造部同士間にのみ配置されていることを特徴とする。
この発明によれば、薄膜構造部が複数の線状のスリットにより掘込部の周方向に沿って並設されそれぞれベース基板における掘込部の周部から内方へ延長された複数の小薄膜構造部に分離され、各小薄膜構造部ごとに感温素子が設けられていることにより、応答速度および感度の向上を図れ、しかも、隣接する小薄膜構造部同士を連結する連結片が形成されていることにより、各小薄膜構造部の反りを低減でき、構造安定性の向上を図れ、感度が安定する。
請求項２の発明は、赤外線吸収部を備えた複数の画素部がベース基板の一表面側でアレイ状に設けられた赤外線アレイセンサであって、各画素部では、ベース基板に前記赤外線吸収部を当該ベース基板から熱絶縁するための掘込部が形成され、ベース基板の前記一表面側で平面視において掘込部の内側に前記赤外線吸収部を有し掘込部を覆う薄膜構造部が形成されており、薄膜構造部が複数の線状のスリットにより掘込部の周方向に沿って並設されそれぞれベース基板における掘込部の周部から内方へ延長された複数の小薄膜構造部に分離され、各小薄膜構造部はＸ軸方向及びＹ軸方向に複数配置されており、各小薄膜構造部ごとに感温素子が設けられ、隣接する小薄膜構造部同士を連結する連結片が形成されており、前記連結片は、平面視においてＹ軸方向に隣接する小薄膜構造部同士間にのみ配置されていることを特徴とする。
請求項３の発明は、赤外線吸収部を備えた複数の画素部がベース基板の一表面側でアレイ状に設けられた赤外線アレイセンサであって、各画素部では、ベース基板に前記赤外線吸収部を当該ベース基板から熱絶縁するための掘込部が形成され、ベース基板の前記一表面側で平面視において掘込部の内側に前記赤外線吸収部を有し掘込部を覆う薄膜構造部が形成されており、薄膜構造部が複数の線状のスリットにより掘込部の周方向に沿って並設されそれぞれベース基板における掘込部の周部から内方へ延長された複数の小薄膜構造部に分離され、各小薄膜構造部はＸ軸方向及びＹ軸方向に複数配置されており、各小薄膜構造部ごとに感温素子が設けられ、隣接する小薄膜構造部同士を連結する連結片が形成されており、前記連結片は、平面視において斜め方向に隣接する小薄膜構造部同士間にのみ配置されていることを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３の発明において、前記各画素部は、前記各感温素子が、サーモパイルであり、前記接続関係が直列接続であることを特徴とする。
この発明によれば、前記各感温素子に電流を流す必要がなく、自己発熱が発生しないので、自己発熱に起因した前記各小薄膜構造部の反りが発生しないという利点や低消費電力化を図れるという利点や、温度によらず感度が一定であり高精度であるという利点がある。
請求項５の発明は、請求項１の発明において、前記掘込部の内周形状が矩形状であり、前記連結片は、前記小薄膜構造部の延長方向において隣接する前記小薄膜構造部同士を連結していることを特徴とする。
この発明によれば、前記連結片が、前記小薄膜構造部の延長方向において隣接する前記小薄膜構造部同士を連結しているので、前記小薄膜構造部の一端側が前記ベース基板における前記堀込部の周部に直接支持される一方で、他端側が前記連結片と別の前記小薄膜構造部とを介してベース基板における前記堀込部の周部に支持され、結果的に、前記各小薄膜構造部が前記ベース基板に両持ち支持されるから、前記小薄膜構造部の反りを低減でき、感度が安定するとともに、製造歩留まりが向上する。
請求項６の発明は、請求項２の発明において、前記掘込部の内周形状が矩形状であり、前記連結片は、前記小薄膜構造部の延長方向に直交する方向において隣接する前記小薄膜構造部同士を連結していることを特徴とする。
この発明によれば、前記連結片が、前記小薄膜構造部の延長方向に直交する方向において隣接する前記小薄膜構造部同士を連結しているので、前記各小薄膜構造部のねじり剛性が大きくなって、前記各小薄膜構造部のねじり変形を低減でき、感度が安定するとともに、製造歩留まりが向上する。
請求項７の発明は、請求項１ないし請求項６の発明において、前記連結片の両側縁と前記小薄膜構造部の側縁との間にそれぞれ面取り部が形成されてなることを特徴とする。
この発明によれば、面取り部が形成されていない場合に比べて前記連結片と前記小薄膜構造部との連結部位での応力集中を緩和でき、製造時に発生する残留応力を低減できるとともに製造時の破損を低減でき、製造歩留まりの向上を図れる。また、使用中の外部の温度変化や衝撃に起因して発生する応力による破損を防止できる。
請求項８の発明は、請求項１ないし請求項７の発明において、前記連結片に前記連結片を補強する補強層が設けられてなることを特徴とする。
この発明によれば、前記連結片が補強層により補強されているので、使用中の外部の温度変化や衝撃に起因して発生する応力による破損を防止でき、また、製造時の破損を低減でき、製造歩留まりの向上を図れる。
請求項９の発明は、請求項１ないし請求項８の発明において、前記掘込部は、四角錐状に形成されてなることを特徴とする。
この発明によれば、前記ベース基板がシリコン基板を用いて形成される場合に前記掘込部をアルカリ系溶液による異方性エッチングによって容易に形成することができる。
請求項１０の発明は、請求項１ないし請求項８の発明において、前記堀込部は、前記ベース基板の他表面側から形成されてなることを特徴とする。
この発明によれば、前記薄膜構造部から前記ベース基板への熱伝達をより抑制することができ、より一層の高感度化を図れる。
請求項１１の発明は、請求項１ないし請求項８の発明において、前記堀込部は、内面が凹曲面となる形状に形成されてなることを特徴とする。
この発明によれば、前記薄膜構造部を透過した赤外線を前記掘込部の内面で前記薄膜構造部側へ反射することができるので、前記赤外線吸収部での赤外線吸収量を大きくでき、感度の向上を図れる。
請求項１２の発明は、請求項１ないし請求項９の発明において、前記ベース基板の他表面側に、複数の掘込部を連通させる開口部が形成されてなることを特徴とする。
この発明によれば、前記薄膜構造部から前記ベース基板への熱伝達をより抑制することができ、より一層の高感度化を図れる。
請求項１の発明は、応答速度および感度の向上を図れ、しかも、構造安定性の向上を図れるという効果がある。
実施形態１の赤外線アレイセンサにおける画素部の平面レイアウト図である。 同上の赤外線アレイセンサにおける画素部の平面レイアウト図である。 同上の赤外線アレイセンサの平面レイアウト図である。 同上の赤外線アレイセンサにおける画素部の要部を示し、（ａ）は平面レイアウト図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ’断面に対応する概略断面図である。 同上の赤外線アレイセンサにおける画素部の要部の平面レイアウト図である。 同上の赤外線アレイセンサにおける画素部の要部の平面レイアウト図である。 同上の赤外線アレイセンサにおける画素部の要部を示し、（ａ）は平面レイアウト図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ’断面に対応する概略断面図である。 同上の赤外線アレイセンサにおける画素部の要部を示し、（ａ）は平面レイアウト図、（ｂ）は概略断面図である。 同上の赤外線アレイセンサにおける画素部の要部を示し、（ａ）は平面レイアウト図、（ｂ）は概略断面図である。 同上の赤外線アレイセンサにおける画素部の要部の概略断面図である。 同上の赤外線アレイセンサにおける画素部の要部の概略断面図である。 同上の赤外線アレイセンサの要部説明図である。 同上の赤外線アレイセンサの等価回路図である。 同上の赤外線アレイセンサを備えた赤外線モジュールの概略断面図である。 同上の赤外線アレイセンサの製造方法を説明するための主要工程断面図である。 同上の赤外線アレイセンサの製造方法を説明するための主要工程断面図である。 同上の赤外線アレイセンサの製造方法を説明するための主要工程断面図である。 同上の赤外線アレイセンサの製造方法を説明するための主要工程断面図である。 実施形態２の赤外線アレイセンサにおける画素部の概略断面図である。 実施形態３の赤外線アレイセンサにおける画素部の概略断面図である。 実施形態４の赤外線アレイセンサにおける画素部の概略断面図である。 実施形態５の赤外線アレイセンサにおける画素部の平面レイアウト図である。 実施形態６の赤外線アレイセンサにおける画素部の平面レイアウト図である。 実施形態７の赤外線アレイセンサにおける画素部の平面レイアウト図である。 同上の画素部の平面レイアウト図の要部拡大図である。 従来例を示す赤外線アレイセンサの要部概略斜視図である。
（実施形態１）
以下、図１〜図１３に基づいて本実施形態の赤外線アレイセンサＡを説明する。
本実施形態の赤外線アレイセンサＡは、熱型赤外線検出部３と画素選択用スイッチング素子であるＭＯＳトランジスタ４とを有する複数の画素部２（図３参照）がベース基板１の一表面側においてアレイ状（ここでは、２次元アレイ状）に配列されている。ここで、ベース基板１は、シリコン基板１ａを用いて形成されている。本実施形態では、１つのベース基板１の上記一表面側にｍ×ｎ個（図３および図１３に示した例では、８×８個）の画素部２が形成されているが、画素部２の数や配列は特に限定するものではない。また、本実施形態では、熱型赤外線検出部３の感温部３０が、それぞれサーモパイルからなる複数個（ここでは、６個）の感温素子３０ａ（図１参照）を直列接続することにより構成されており、図１３では、熱型赤外線検出部３における感温部３０の等価回路を、当該感温部３０の熱起電力に対応する電圧源Ｖｓで表してある。
また、本実施形態の赤外線アレイセンサＡは、図１、図４および図１３に示すように、各列の複数の熱型赤外線検出部３の感温部３０の一端が上述のＭＯＳトランジスタ４を介して各列ごとに共通接続された複数の垂直読み出し線７と、各行の熱型赤外線検出部３の感温部３０に対応するＭＯＳトランジスタ４のゲート電極４６が各行ごとに共通接続された複数の水平信号線６と、各列のＭＯＳトランジスタ４のｐ＋形ウェル領域４１が各列ごとに共通接続された複数のグラウンド線８と、各グラウンド線８が共通接続された共通グラウンド線９と、各列の複数個の熱型赤外線検出部３の感温部３０の他端が各列ごとに共通接続された複数の基準バイアス線５とを備えており、全ての熱型赤外線検出部３の感温部３０の出力を時系列的に読み出すことができるようになっている。要するに、本実施形態の赤外線アレイセンサＡは、ベース基板１の上記一表面側に熱型赤外線検出部３と当該熱型赤外線検出部３に並設され当該熱型赤外線検出部３の出力を読み出すためのＭＯＳトランジスタ４とを有する複数の画素部２が形成されている。
ここで、ＭＯＳトランジスタ４は、ゲート電極４６が水平信号線６に接続され、ソース電極４８が感温部３０を介して基準バイアス線５に接続され、各基準バイアス線５が共通基準バイアス線５ａに共通接続され、ドレイン電極４７が垂直読み出し線７に接続されており、各水平信号線６それぞれが各別の画素選択用パッドＶselに電気的に接続され、各垂直読み出し線７それぞれが各別の出力用パッドＶoutに電気的に接続され、共通グラウンド線９がグラウンド用パッドＧndに電気的に接続され、共通基準バイアス線５ａが基準バイアス用パッドＶrefと電気的に接続され、シリコン基板１ａが基板用パッドＶddに電気的に接続されている。
しかして、ＭＯＳトランジスタ４が順次オン状態になるように各画素選択用パッドＶselの電位を制御することで各画素部２の出力電圧を順次読み出すことができる。例えば、基準バイアス用パッドＶrefの電位を１．６５、グラウンド用パッドＧndの電位を０Ｖ、基板用パッドＶddの電位を５Ｖとしておき、画素選択用パッドＶselの電位を５Ｖとすれば、ＭＯＳトランジスタ４がオンとなり、出力用パッドＶoutから画素部２の出力電圧（１．６５Ｖ＋感温部３０の出力電圧）が読み出され、画素選択用パッドＶselの電位を０Ｖとすれば、ＭＯＳトランジスタ４がオフとなり、出力用パッドＶoutから画素部２の出力電圧は読み出されない。なお、図３では、画素選択用パッドＶsel、基準バイアス用パッドＶref、グラウンド用パッドＧnd、出力用パッドＶoutなどを区別せずに全てパッド８０として図示してある。
ここで、図１４に示すように、赤外線アレイセンサＡと、当該赤外線アレイセンサＡの出力信号である出力電圧を信号処理する信号処理ＩＣチップＢと、赤外線アレイセンサＡおよび信号処理ＩＣチップＢが収納されたパッケージＣとを備えた赤外線アレイセンサモジュールを構成する場合、信号処理ＩＣチップＢには、赤外線アレイセンサＡの各パッド８０それぞれがボンディングワイヤからなる配線８１を介して各別に電気的に接続される複数のパッド（図示せず）、これらのパッドのうち赤外線アレイセンサＡの出力用パッドＶoutに接続されているパッド（以下、入力用パッドと称する）の出力電圧を増幅する増幅回路（図示せず）、複数の入力用パッドの出力電圧を択一的に上記増幅回路に入力するマルチプレクサなどを設ければ、赤外線画像を得ることができる。
上述のパッケージＣは、一面が開口した矩形箱状に形成され内底面側に赤外線アレイセンサＡおよび信号処理ＩＣチップＢが実装された多層セラミック基板（セラミックパッケージ）からなるパッケージ本体９０と、赤外線アレイセンサＡへ赤外線を収束するレンズ１１０を備えパッケージ本体９０の上記一面側に覆着されたメタルリッドよりなるパッケージ蓋１００とで構成されており、パッケージ本体９０とパッケージ蓋１００とで囲まれた気密空間をドライ窒素雰囲気としてある。ここで、パッケージ蓋１００の周部は、パッケージ本体９０の上記一面上に形成された矩形枠状の金属パターン（図示せず）にシーム溶接により固着されている。なお、パッケージ本体９０は、多層セラミック基板に限らず、例えば、ガラスエポキシ樹脂基板を積層したものを用いてもよい。
ここおいて、パッケージ本体９０の内面には、シールド用導体パターン９２が形成されており、赤外線アレイセンサＡおよび信号処理ＩＣチップは、パッケージ本体９０のシールド用導体パターン９２に導電性接合材料（例えば、半田や銀ペーストなど）からなる接合層９５，９５を介して接合されている。なお、赤外線アレイセンサＡおよび信号処理ＩＣチップＢとパッケージ本体９０との接合方法は、半田や銀ペーストなどの導電性接合材料を用いた接合法に限らず、例えば、常温接合法や、例えば、Ａｕ−Ｓｎ共晶もしくはＡｕ−Ｓｉ共晶を利用した接合法などを採用してもよい。ただし、常温接合法などの直接接合が可能な接合法の方が、導電性接合材料を用いた接合法に比べて、赤外線アレイセンサ５とレンズ１１０との距離精度を向上させる上では有利である。
上述のレンズ１１０の材料は赤外線透過材料の一種であるＳｉであり、当該レンズ１１０は、ＬＩＧＡプロセスを利用して形成したり、陽極酸化技術を応用した半導体レンズの製造方法（例えば、特許第３８９７０５５号公報、特許第３８９７０５６号公報など）などを利用して形成すればよい。また、レンズ１１０は、パッケージ蓋１００の開口窓１０１を閉塞するようにパッケージ蓋１００における開口窓１０１の周部に導電性接着剤（例えば、半田、銀ペーストなど）により接着されており、パッケージ本体９０のシールド用導体パターン９２に電気的に接続されている。したがって、上述の赤外線アレイセンサモジュールでは、外来の電磁ノイズに起因したＳ／Ｎ比の低下を防止することができる。なお、レンズ１１０には、必要に応じて、屈折率の異なる複数種類の薄膜を交互に積層することにより形成される適宜の赤外線光学フィルタ部（バンドパスフィルタ部、広帯域遮断フィルタ部など）を設けるようにしてもよい。
また、上述の赤外線アレイセンサモジュールでは、赤外線アレイセンサＡのベース基板１は、外周形状が矩形状であり、赤外線アレイセンサＡの全てのパッド８０がベース基板１の外周縁の一辺に沿って並設され、信号処理ＩＣチップＢは、外周形状が矩形状であり、赤外線アレイセンサＡの各パッド８０に電気的に接続される上記各パッドが信号処理ＩＣチップＢの外周縁の一辺に沿って並設されており、赤外線アレイセンサＡのベース基板１と信号処理ＩＣチップＢとの上記一辺同士が他の辺同士に比べて近くなるように赤外線アレイセンサＡおよび信号処理ＩＣチップＢが配置されているので、赤外線アレイセンサＡの各パッド８０と信号処理ＩＣチップＢの上記各パッドとを接続する配線８１を短くでき、外来ノイズの影響を低減できるから、耐ノイズ性が向上する。
以下、熱型赤外線検出部３およびＭＯＳトランジスタ４それぞれの構造について説明する。なお、本実施形態では、上述のシリコン基板１ａとして、導電形がｎ形で上記一表面が（１００）面の単結晶シリコン基板を用いている。
熱型赤外線検出部３は、シリコン基板１ａの上記一表面側の各画素部２それぞれにおける熱型赤外線検出部３の形成用領域Ａ１に形成されており、ＭＯＳトランジスタ４は、シリコン基板１ａの上記一表面側の各画素部２それぞれにおけるＭＯＳトランジスタ４の形成用領域Ａ２に形成されている。
ところで、各画素部２は、赤外線を吸収する赤外線吸収部３３（図４（ｂ）参照）を備えており、各画素部２では、ベース基板１に赤外線吸収部３３を当該ベース基板１から熱絶縁するための掘込部１１が形成され、ベース基板１の上記一表面側で平面視において掘込部１１の内側に赤外線吸収部３３を有し掘込部１１を覆う薄膜構造部３ａが形成されている。また、各画素部２では、薄膜構造部３ａが複数の線状のスリット１３により掘込部の周方向に沿って並設されそれぞれベース基板１における掘込部１１の周部から内方へ延長された複数（図１に示した例では、６つ）の小薄膜構造部３ａａに分離され、各小薄膜構造部３ａａごとに感温素子３０ａが設けられるとともに、各感温素子３０ａごとに出力を取り出す場合に比べて温度変化に対する出力変化が大きくなる接続関係で全ての感温素子３０ａが電気的に接続されており、隣接する小薄膜構造部３ａａ，３ａａ同士を連結する連結片３ｃが形成されている。以下では、赤外線吸収部３３のうち各小薄膜構造部３ａａそれぞれに対応して分割された各部位を分割赤外線吸収部３３ａと称する。
なお、必ずしも、薄膜構造部３ａに形成された複数の感温素子３０ａの全て、上述の例では、６つ全ての感温素子３０ａを直列接続する必要はなく、例えば、それぞれ３個の感温素子３０ａの直列回路を並列接続するようにしてもよく、この場合には、６つ全ての感温素子３０ａが並列接続されている場合や各感温素子３０ａごとに出力を取り出す場合に比べて感度を高めることができ、また、６つ全ての感温素子３０ａが直列接続されている場合に比べて、感温部３０の電気抵抗を低くできて熱雑音が低減されるから、Ｓ／Ｎ比が向上する。
ここで、画素部２では、小薄膜構造部３ａａごとに、ベース基板１と分割赤外線吸収部３３ａとを連結する２つの平面視短冊状のブリッジ部３ｂｂ，３ｂｂが掘込部１１の周方向に離間して形成されており、当該２つのブリッジ部３ｂｂ，３ｂｂと分割赤外線吸収部３３ａとを空間的に分離し掘込部１１に連通する平面視コ字状のスリット１４が形成されている。ここにおいて、ベース基板１のうち平面視において薄膜構造部３ａを囲む部位は矩形枠状の形状となっている。なお、ブリッジ部３ｂｂは、赤外線吸収部３３およびベース基板１それぞれとの連結部位以外の部分が上述の各スリット１３，１４により分割赤外線吸収部３３ａおよびベース基板１と空間的に分離されている。ここで、小薄膜構造部３ａａのベース基板１からの延長方向の寸法を９３μｍ、小薄膜構造部３ａａの延長方向に直交する幅方向の寸法を７５μｍ、各ブリッジ部３ｂｂの幅寸法を２３μｍ、各スリット１３，１４の幅を５μｍに設定してあるが、これらの値は一例であって特に限定するものではない。
上述の薄膜構造部３ａは、シリコン基板１ａの上記一表面側に形成されたシリコン酸化膜１ｂと、当該シリコン酸化膜１ｂ上に形成されたシリコン窒化膜３２と、当該シリコン窒化膜３２上に形成された感温部３０と、シリコン窒化膜３２の表面側で感温部３０を覆うように形成されたＢＰＳＧ膜からなる層間絶縁膜５０と、層間絶縁膜５０上に形成されたＰＳＧ膜と当該ＰＳＧ膜上に形成されたＮＳＧ膜との積層膜からなるパッシベーション膜６０との積層構造部をパターニングすることにより形成されている。
本実施形態では、シリコン窒化膜３２のうち薄膜構造部３ａのブリッジ部３ｂｂ，３ｂｂ以外の部位が上述の赤外線吸収部３３を構成し、シリコン基板１ａとシリコン酸化膜１ｂとシリコン窒化膜３２と層間絶縁膜５０とパッシベーション膜６０とでベース基板１を構成している。また、本実施形態では、層間絶縁膜５０とパッシベーション膜６０との積層膜が、熱型赤外線検出部３の形成用領域Ａ１とＭＯＳトランジスタ４の形成用領域Ａ２とに跨って形成されているが、熱型赤外線検出部３の形成用領域Ａ１に形成された部分が赤外線吸収膜７０（図４（ｂ）参照）を兼ねている。ここで、赤外線吸収膜７０の屈折率をｎ２、検出対象の赤外線の中心波長をλとするとき、赤外線吸収膜７０の厚さｔ２をλ／４ｎ２に設定するようにしているので、検出対象の波長（例えば、８〜１２μｍ）の赤外線の吸収効率を高めることができ、高感度化を図れる。例えば、ｎ２＝１．４、λ＝１０μｍの場合には、ｔ２≒１．８μｍとすればよい。なお、本実施形態では、層間絶縁膜５０の膜厚を０．８μｍ、パッシベーション膜６０の膜厚を１μｍ（ＰＳＧ膜の膜厚を０．５μｍ、ＮＳＧ膜の膜厚を０．５μｍ）としてある。また、赤外線吸収膜７０は、上述の構成に限らず、例えば、シリコン窒化膜により構成してもよい。
また、画素部２は、各感温素子３０ａそれぞれがサーモパイルであり、上述の接続関係が直列接続となっている。また、各画素部２では、掘込部１１の内周形状が矩形状であり、連結片３ｃは、平面視十字状に形成されており、小薄膜構造部３ａａの延長方向に交差する斜め方向において隣接する小薄膜構造部３ａａ，３ａａ同士、小薄膜構造部３ａａの延長方向において隣接する小薄膜構造部３ａａ，３ａａ同士、小薄膜構造部３ａａの延長方向に直交する方向において隣接する小薄膜構造部３ａａ，３ａａ同士を連結している。
サーモパイルからなる感温素子３０ａは、シリコン窒化膜３２上に形成され小薄膜構造部３ａａとベース基板１とに跨って形成されたｎ形ポリシリコン層３４とｐ形ポリシリコン層３５との一端部同士を分割赤外線吸収部３３ａの赤外線入射面側で金属材料（例えば、Ａｌ−Ｓｉなど）からなる接続部３６により電気的に接続した複数個（図１に示した例では、９個）の熱電対を有しており、ベース基板１の上記一表面側で互いに隣り合う熱電対のｎ形ポリシリコン層３４の他端部とｐ形ポリシリコン層３５の他端部とが金属材料（例えば、Ａｌ−Ｓｉなど）からなる接続部３７により接合され電気的に接続されている。ここで、感温素子３０ａを構成するサーモパイルは、ｎ形ポリシリコン層３４の上記一端部とｐ形ポリシリコン層３５の上記一端部と接続部３６とで分割赤外線吸収部３３ａ側の温接点を構成し、ｎ形ポリシリコン層３４の上記他端部とｐ形ポリシリコン層３５の上記他端部と接続部３７とでベース基板１側の冷接点を構成している。
ここにおいて、本実施形態の赤外線アレイセンサＡでは、上述の掘込部１１の形状が四角錐状であり、平面視における中央部の方が周部に比べて深さ寸法が大きくなっているので、薄膜構造部３ａの中央部に温接点が集まるように各画素部２における感温素子３０ａの平面レイアウトを設計してある。すなわち、図１の上下方向における真ん中の２つの小薄膜構造部３ａａでは、図１および図５に示すように、３つの小薄膜構造部３ａａの並設方向に沿って接続部３６を並べて配置してあるのに対し、当該上下方向における上側の２つの小薄膜構造部３ａａでは、図１および図６に示すように、３つの小薄膜構造部３ａａの並設方向において真ん中の小薄膜構造部３ａａに近い側に接続部３６を集中して配置してあり、当該上下方向における下側の２つの小薄膜構造部３ａａでは、図１に示すように、３つの小薄膜構造部３ａａの並設方向において真ん中の小薄膜構造部３ａａに近い側に接続部３６を集中して配置してある。しかして、本実施形態の赤外線アレイセンサＡでは、図１の上下方向における上側、下側の小薄膜構造部３ａａの複数の接続部３６の配置が、真ん中の小薄膜構造部３ａａの複数の接続部３６の配置と同じである場合に比べて、温接点の温度変化を大きくできるので、感度を向上できる。
また、小薄膜構造部３ａａは、シリコン窒化膜３２の赤外線入射面側において感温素子３０ａを形成していない領域に、小薄膜構造部３ａａの反りを抑制するとともに赤外線を吸収するｎ形ポリシリコン層からなる赤外線吸収層３９（図１、図４および図１０参照）が形成されている。また、隣接する小薄膜構造部３ａａ，３ａａ同士を連結する連結片３ｃには、当該連結片３ｃを補強するｎ形ポリシリコン層からなる補強層３９ｂ（図７参照）が設けられている。ここで、補強層３９ｂは、赤外線吸収層３９と連続一体に形成されている。しかして、本実施形態の赤外線アレイセンサＡでは、連結片３ｃが補強層３９ｂにより補強されているので、使用中の外部の温度変化や衝撃に起因して発生する応力による破損を防止でき、また、製造時の破損を低減でき、製造歩留まりの向上を図れる。なお、本実施形態では、図７に示す連結片３ｃの長さ寸法Ｌ１を２４μｍ、幅寸法Ｌ２を５μｍ、補強層３９ｂの幅寸法Ｌ３を１μｍに設定してあるが、これらの数値は一例であり、特に限定するものではない。ただし、本実施形態のようにベース基板１がシリコン基板１ａを用いて形成され、補強層３９ｂがｎ形ポリシリコン層により形成される場合には、掘込部１１の形成時に補強層３９ｂがエッチングされるのを防止するために、補強層３９ｂの幅寸法は、連結片３ｃの幅寸法よりも小さく設定し、平面視において補強層３９ｂの両側縁が連結片３ｃの両側縁よりも内側に位置する必要がある。
また、本実施形態の赤外線アレイセンサＡは、図７および図１２（ｂ）に示すように、連結片３ｃの両側縁と小薄膜構造部３ａａの側縁との間にそれぞれ面取り部３ｄ，３ｄが形成され、十字状の連結片３ｃの略直交する側縁間にも面取り部３ｅが形成されている。しかして、本実施形態の赤外線アレイセンサＡでは、図１２（ａ）に示すように面取り部が形成されていない場合に比べて連結片３ｃと小薄膜構造部３ａａとの連結部位での応力集中を緩和でき、製造時に発生する残留応力を低減できるとともに製造時の破損を低減でき、製造歩留まりの向上を図れる。また、使用中の外部の温度変化や衝撃に起因して発生する応力による破損を防止できる。なお、図７に示した例では、各面取り部３ｄ，３ｅをＲが３μｍのＲ面取り部としてあるが、Ｒ面取り部に限らず、例えば、Ｃ面取り部としてもよい。
また、本実施形態の赤外線アレイセンサＡは、各画素部２に、ベース基板１と一方のブリッジ部３ｂｂと分割赤外線吸収部３３ａと他方のブリッジ部３ｂｂとベース基板１とに跨るように引き回されたｎ形ポリシリコン層からなる故障診断用配線１３９を設けて、全ての故障診断用配線１３９を直列接続してある。しかして、ｍ×ｎ個の故障診断用配線１３９の直列回路へ通電することで、ブリッジ部３ｂｂの折れなどの破損の有無を検出することができる。
上述の赤外線吸収層３９、補強層３９ｂおよび故障診断用配線１３９は、ｎ形ポリシリコン層３４と同じｎ形不純物（例えば、リンなど）を同じ不純物濃度（例えば、１０１８〜１０２０ｃｍ−３）で含んでおり、ｎ形ポリシリコン層３４と同時に形成されている。また、ｐ形ポリシリコン層３５のｐ形不純物として例えばボロンを採用すればよく、不純物濃度を例えば１０１８〜１０２０ｃｍ−３程度の範囲で適宜設定すればよい。本実施形態では、ｎ形ポリシリコン層３４およびｐ形ポリシリコン層３５それぞれの不純物濃度が１０１８〜１０２０ｃｍ−３であり、熱電対の抵抗値を低減でき、Ｓ／Ｎ比の向上を図れる。なお、赤外線吸収層３９、補強層３９ｂおよび故障診断用配線１３９は、ｎ形ポリシリコン層３４と同じｎ形不純物を同じ不純物濃度でドーピングしてあるが、これに限らず、例えば、ｐ形ポリシリコン層３５と同じ不純物を同じ不純物濃度でドーピングするようにしてもよい。
ところで、本実施形態では、ｎ形ポリシリコン層３４、ｐ形ポリシリコン層３５、赤外線吸収層３９、補強層３９ｂおよび故障診断用配線１３９の屈折率をｎ１、検出対象の赤外線の中心波長をλとするとき、ｎ形ポリシリコン層３４、ｐ形ポリシリコン層３５、赤外線吸収層３９、補強層３９ｂおよび故障診断用配線１３９それぞれの厚さｔ１をλ／４ｎ１に設定するようにしているので、検出対象の波長（例えば、８〜１２μｍ）の赤外線の吸収効率を高めることができ、高感度化を図れる。例えば、ｎ１＝３．６、λ＝１０μｍの場合には、ｔ１≒０．６９μｍとすればよい。
また、本実施形態では、ｎ形ポリシリコン層３４、ｐ形ポリシリコン層３５、赤外線吸収層３９、補強層３９ｂおよび故障診断用配線１３９それぞれの不純物濃度が１０１８〜１０２０ｃｍ−３であるので、赤外線の吸収率を高くしつつ赤外線の反射を抑制することができて、感温部３０の出力のＳ／Ｎ比を高めることができ、また、赤外線吸収層３９、補強層３９ｂおよび故障診断用配線１３９をｎ形ポリシリコン層３４と同一工程で形成できるから、低コスト化を図れる。
ここで、感温部３０の接続部３６と接続部３７とは、ベース基板１の上記一表面側において上述の層間絶縁膜５０により絶縁分離されている（図８および図９参照）。すなわち、温接点側の接続部３６は、層間絶縁膜５０に形成したコンタクトホール５０ａ１，５０ａ２を通して両ポリシリコン層３４，３５の上記各一端部と電気的に接続され、冷接点側の接続部３７は、層間絶縁膜５０に形成されたコンタクトホール５０ａ３，５０ａ４を通して両ポリシリコン層３４，３５の上記各他端部と電気的に接続されている。
また、ＭＯＳトランジスタ４は、上述のように、シリコン基板１ａの上記一表面側における各画素部２それぞれにおけるＭＯＳトランジスタ４の形成用領域Ａ２に形成されている。ここで、ＭＯＳトランジスタ４は、図４および図１１に示すように、シリコン基板１ａの上記一表面側にｐ＋形ウェル領域４１が形成され、ｐ＋形ウェル領域４１内に、ｎ＋形ドレイン領域４３とｎ＋形ソース領域４４とが離間して形成されている。また、ｐ＋形ウェル領域４１内には、ｎ＋形ドレイン領域４３とｎ＋形ソース領域４４とを囲むｐ＋＋形チャネルストッパ領域４２が形成されている。また、ｐ＋形ウェル領域４１においてｎ＋形ドレイン領域４３とｎ＋形ソース領域４４との間に位置する部位の上には、シリコン酸化膜（熱酸化膜）からなるゲート絶縁膜４５を介してｎ形ポリシリコン層からなるゲート電極４６が形成されている。また、ｎ＋形ドレイン領域４３上には金属材料（例えば、Ａｌ−Ｓｉなど）からなるドレイン電極４７が形成され、ｎ＋形ソース領域４４上には金属材料（例えば、Ａｌ−Ｓｉなど）からなるソース電極４８が形成されている。ここで、ゲート電極４６、ドレイン電極４７およびソース電極４８は、上述の層間絶縁膜５０により絶縁分離されている。すなわち、ドレイン電極４７は、層間絶縁膜５０に形成したコンタクトホール５０ｄを通してｎ＋形ドレイン領域４３と電気的に接続され、ソース電極４８は、層間絶縁膜５０に形成したコンタクトホール５０ｅを通してｎ＋形ソース領域４４と電気的に接続されている。
ところで、本実施形態の赤外線アレイセンサＡの各画素部２では、ＭＯＳトランジスタ４のソース電極４８と感温部３０の一端とが電気的に接続され、感温部３０の他端が基準バイアス線５に電気的に接続されている。また、本実施形態の赤外線アレイセンサＡの各画素部２では、ＭＯＳトランジスタ４のドレイン電極４７が垂直読み出し線７と電気的に接続され、ゲート電極４６が当該ゲート電極４６と連続一体に形成されたｎ形ポリシリコン配線からなる水平信号線６と電気的に接続されている。また、各画素部２では、ＭＯＳトランジスタ４のｐ＋＋形チャネルストッパ領域４２上に金属材料（例えば、Ａｌ−Ｓｉなど）からなるグラウンド用電極４９が形成されており、当該グラウンド用電極４９が、当該ｐ＋＋形チャネルストッパ領域４２をｎ＋形ドレイン領域４３およびｎ＋形ソース領域４４よりも低電位にバイアスして素子分離するための共通グラウンド線８と電気的に接続されている。なお、グラウンド用電極４９は、層間絶縁膜５０に形成したコンタクトホール５０ｆを通してｐ＋＋形チャネルストッパ領域４２と電気的に接続されている。
以下、本実施形態の赤外線アレイセンサＡの製造方法について図１５〜図１８を参照しながら簡説明する。
まず、シリコン基板１ａの上記一表面側に第１の所定膜厚（例えば、０．３μｍ）の第１のシリコン酸化膜３１と第２の所定膜厚（例えば、０．１μｍ）のシリコン窒化膜３２との積層膜からなる絶縁層を形成する絶縁層形成工程を行い、その後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して当該絶縁層のうち熱型赤外線検出部３の形成用領域Ａ１に対応する部分の一部を残してＭＯＳトランジスタ４の形成用領域Ａ２に対応する部分をエッチング除去する絶縁層パターニング工程を行うことによって、図１５（ａ）に示す構造を得る。ここにおいて、シリコン酸化膜３１は、シリコン基板１ａを所定温度（例えば、１１００℃）で熱酸化することにより形成し、シリコン窒化膜３２は、ＬＰＣＶＤ法により形成している。
上述の絶縁層パターニング工程の後、シリコン基板１ａの上記一表面側にｐ＋形ウェル領域４１を形成するウェル領域形成工程を行い、続いて、シリコン基板１の上記一表面側におけるｐ＋形ウェル領域４１内にｐ＋＋形チャネルストッパ領域４２を形成するチャネルストッパ領域形成工程を行うことによって、図１５（ｂ）に示す構造を得る。ここで、ウェル領域形成工程では、シリコン基板１ａの上記一表面側の露出部位を所定温度で熱酸化することにより第２のシリコン酸化膜（熱酸化膜）５１を選択的に形成し、その後、ｐ＋形ウェル領域４１を形成するためのマスクを利用したフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用してシリコン酸化膜５１をパターニングし、続いて、ｐ形不純物（例えば、ボロンなど）のイオン注入を行ってから、ドライブインを行うことにより、ｐ＋形ウェル領域４１を形成する。また、チャネルストッパ領域形成工程では、シリコン基板１ａの上記一表面側を所定温度で熱酸化することにより第３のシリコン酸化膜（熱酸化膜）５２を選択的に形成し、その後、ｐ＋＋形チャネルストッパ領域４２を形成するためのマスクを利用したフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して第３のシリコン酸化膜５２をパターニングし、続いて、ｐ形不純物（例えば、ボロンなど）のイオン注入を行ってから、ドライブインを行うことにより、ｐ＋＋形チャネルストッパ領域４２を形成する。なお、第１のシリコン酸化膜３１と第２のシリコン酸化膜５１と第３のシリコン酸化膜５２とでシリコン基板１ａの上記一表面側のシリコン酸化膜１ｂを構成している。
上述のチャネルストッパ領域形成工程の後、ｐ＋形ウェル領域４１におけるｎ＋形ドレイン領域４３およびｎ＋形ソース領域４４それぞれの形成予定領域にｎ形不純物（例えば、リンなど）のイオン注入を行ってからドライブを行うことによりｎ＋形ドレイン領域４３およびｎ＋形ソース領域４４を形成するソース・ドレイン形成工程を行い、当該ソース・ドレイン形成工程の後、シリコン基板１ａの上記一表面側に熱酸化により所定膜厚（例えば、６００Å）のシリコン酸化膜（熱酸化膜）からなるゲート絶縁膜４５を形成するゲート絶縁膜形成工程を行い、続いて、シリコン基板１ａの上記一表面側の全面にゲート電極４６、水平信号線６（図１参照）、ｎ形ポリシリコン層３４、ｐ形ポリシリコン層３５、赤外線吸収層３９、補強層３９ｂおよび故障診断用配線１３９の基礎となる所定膜厚（例えば、０．６９μｍ）のノンドープポリシリコン層をＬＰＣＶＤ法により形成するポリシリコン層形成工程を行い、その後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して上記ノンドープポリシリコン層のうちゲート電極４６、水平信号線６、ｎ形ポリシリコン層３４、ｐ形ポリシリコン層３５、赤外線吸収層３９、補強層３９ｂおよび故障診断用配線１３９それぞれに対応する部分が残るようにパターニングするポリシリコン層パターニング工程を行い、続いて、上記ノンドープポリシリコン層のうちｐ形ポリシリコン層３５に対応する部分にｐ形不純物（例えば、ボロンなど）のイオン注入を行ってからドライブを行うことによりｐ形ポリシリコン層３５を形成するｐ形ポリシリコン層形成工程を行い、その後、上記ノンドープポリシリコン層のうちｎ形ポリシリコン層３４、赤外線吸収層３９、補強層３９ｂ、故障診断用配線１３９、ゲート電極４６および水平信号線６に対応する部分にｎ形不純物（例えば、リンなど）のイオン注入を行ってからドライブを行うことによりｎ形ポリシリコン層３４、赤外線吸収層３９、補強層３９ｂ、故障診断用配線１３９、ゲート電極４６および水平信号線６を形成するｎ形ポリシリコン層形成工程を行うことによって、図１６（ａ）に示す構造を得る。なお、ｐ形ポリシリコン層形成工程とｎ形ポリシリコン層形成工程との順序は逆でもよい。
上述のｐ形ポリシリコン層形成工程およびｎ形ポリシリコン層形成工程が終了した後、シリコン基板１ａの上記一表面側に層間絶縁膜５０を形成する層間絶縁膜形成工程を行い、続いて、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して層間絶縁膜５０に上記各コンタクトホール５０ａ１，５０ａ２，５０ａ３，５０ａ４，５０ｄ，５０ｅ，５０ｆ（図８、図９および図１１参照）を形成するコンタクトホール形成工程を行うことによって、図１６（ｂ）に示す構造を得る。ここで、層間絶縁膜形成工程では、シリコン基板１ａの上記一表面側に所定膜厚（例えば、０．８μｍ）のＢＰＳＧ膜をＣＶＤ法により堆積させてから、所定温度（例えば、８００℃）でリフローすることにより平坦化された層間絶縁膜５０を形成する。
上述のコンタクトホール形成工程の後、シリコン基板１ａの上記一表面側の全面に接続部３６，３７、ドレイン電極４７、ソース電極４８、基準バイアス線５、垂直読み出し線７、グラウンド線８、共通グラウンド線９および各パッドＶout，Ｖsel，Ｖref，Ｖdd，Ｇndなど（図１３参照）の基礎となる所定膜厚（例えば、２μｍ）の金属膜（例えば、Ａｌ−Ｓｉ膜）をスパッタ法などにより形成する金属膜形成工程を行い、続いて、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して金属膜をパターニングすることで接続部３６，３７、ドレイン電極４７、ソース電極４８、基準バイアス線５、垂直読み出し線７、グラウンド線８、共通グラウンド線９および各パッドＶout，Ｖsel，Ｖref，Ｖdd，Ｇndなどを形成する金属膜パターニング工程を行うことによって、図１７（ａ）に示す構造を得る。なお、金属膜パターニング工程におけるエッチングはＲＩＥにより行っている。
上述の金属膜パターニング工程の後、シリコン基板１ａの上記一表面側（つまり、層間絶縁膜５０の表面側）に所定膜厚（例えば、０．５μｍ）のＰＳＧ膜と所定膜厚（例えば、０．５μｍ）のＮＳＧ膜との積層膜からなるパッシベーション膜６０をＣＶＤ法により形成するパッシベーション膜形成工程を行うことによって、図１７（ｂ）に示す構造を得る。なお、パッシベーション膜６０は、ＰＳＧ膜とＮＳＧ膜との積層膜に限らず、例えば、シリコン窒化膜でもよい。
上述のパッシベーション膜形成工程の後、シリコン酸化膜３１とシリコン窒化膜３２との積層膜からなる熱絶縁層と、当該熱絶縁層上に形成された感温部３０と、熱絶縁層の表面側で感温部３０を覆うように形成された層間絶縁膜５０と、層間絶縁膜５０上に形成されたパッシベーション膜６０との積層構造部をパターニングすることにより上述の小薄膜構造部３ａａを形成する積層構造部パターニング工程を行うことによって、図１８（ａ）に示す構造を得る。なお、積層構造部パターニング工程において、上述の各スリット１３，１４を形成している。
上述の積層構造部パターニング工程の後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して各パッドＶout，Ｖsel，Ｖref，Ｖdd，Ｇndを露出させる開口部（図示せず）を形成する開口部形成工程を行い、続いて、上述の各スリット１３，１４をエッチング液導入孔としてエッチング液を導入してシリコン基板１ａを異方性エッチングすることによりシリコン基板１ａに掘込部１１を形成する掘込部形成工程を行うことによって、図１８（ｂ）に示す構造の画素部２が２次元アレイ状に配列された赤外線アレイセンサＡを得る。ここで、開口部形成工程におけるエッチングはＲＩＥにより行っている。また、堀込部形成工程では、エッチング液として所定温度（例えば、８５℃）に加熱したＴＭＡＨ溶液を用いているが、エッチング液はＴＭＡＨ溶液に限らず、他のアルカリ系溶液（例えば、ＫＯＨ溶液など）を用いてもよい。なお、堀込部形成工程が終了するまでの全工程はウェハレベルで行うので、堀込部形成工程が終了した後、個々の赤外線アレイセンサＡに分離する分離工程を行えばよい。また、上述の説明から分かるように、ＭＯＳトランジスタ４の製造方法に関してみれば、周知の一般的なＭＯＳトランジスタの製造方法を採用しており、熱酸化による熱酸化膜の形成、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術による熱酸化膜のパターニング、不純物のイオン注入、ドライブイン（不純物の拡散）の基本工程を繰り返すことにより、ｐ＋形ウェル領域４１、ｐ＋＋形チャネルストッパ領域４２、ｎ＋形ドレイン領域４３とｎ＋形ソース領域４４を形成している。
以上説明した本実施形態の赤外線アレイセンサＡによれば、各画素部２では、ベース基板１に赤外線吸収部３３を当該ベース基板１から熱絶縁するための掘込部１１が形成され、ベース基板１の上記一表面側で平面視において掘込部１１の内側に赤外線吸収部３３を有し掘込部１１を覆う薄膜構造部３ａが形成されており、薄膜構造部３ａが複数の線状のスリット１３により掘込部１１の周方向に沿って並設されそれぞれベース基板１における掘込部１１の周部から内方へ延長された複数の小薄膜構造部３ａａに分離され、各小薄膜構造部３ａａごとに感温素子３０ａが設けられるとともに、各感温素子３０ａごとに出力を取り出す場合に比べて温度変化に対する出力変化が大きくなる接続関係で全ての感温素子３０ａが電気的に接続されていることにより、応答速度および感度の向上を図れ、しかも、隣接する小薄膜構造部３ａａ，３ａａ同士を連結する連結片３ｃが形成されていることにより、各小薄膜構造部３ａａの反りを低減でき、構造安定性の向上を図れ、感度が安定する。
ところで、図２６に示した構成の赤外線アレイセンサでは、感温素子が抵抗ボロメータにより構成されているので、抵抗値の変化を検出する時に電流を流す必要があり、消費電力が大きくなるとともに、自己発熱が発生し、熱応力に起因して小薄膜構造部３ａａ’に反りが発生してしまう懸念がある。また、自己発熱による温度変化や周囲温度変化により抵抗温度係数が変化してしまうので、温度補償手段を設けないと高精度化が難しく、温度補償手段を設けるとセンサ全体が大型化し、コストが高くなってしまう。
これに対して、本実施形態の赤外線アレイセンサＡでは、各画素部２の複数個の感温素子３０ａが、サーモパイルであり、上述の接続関係が直列接続であるから、各感温素子３０ａに電流を流す必要がなく、自己発熱が発生しないので、各感温素子３０ａを抵抗ボロメータにより構成する場合に比べて、自己発熱に起因した各小薄膜構造部３ａａの反りが発生しないという利点や低消費電力化を図れるという利点や、温度によらず感度が一定であり高精度であるという利点がある。ここで、各感温素子３０ａとして、サーモパイルを採用する場合には、全ての感温素子３０ａを直列接続すれば、各感温素子３０ａそれぞれの熱起電力が加算して出力されることになるので、上記接続関係を満足することができ、感度が高くなる。ただし、感温素子３０ａは、熱型赤外線検出素子であればよく、サーモパイルや抵抗ボロメータに限らず、焦電素子を採用してもよく、各感温素子３０ａが焦電素子の場合には、複数個の焦電素子を並列接続すれば、焦電効果により発生する電荷が加算して出力されることになるので、上記接続関係を満足することができ、感度が高くなる。
また、本実施形態の赤外線アレイセンサＡは、上述の掘込部１１を四角錐状に形成するので、ベース基板１がシリコン基板を用いて形成される場合に掘込部１１をアルカリ系溶液による異方性エッチングによって容易に形成することができる。
また、本実施形態の赤外線アレイセンサＡでは、シリコン窒化膜３２の赤外線入射面側に、ｎ形ポリシリコン層３４およびｐ形ポリシリコン層３５の他に、赤外線吸収層３９、補強層３９ｂ、故障診断用配線１３９が形成されているので、ｎ形ポリシリコン層３４およびｐ形ポリシリコン層３５の形成時にシリコン窒化膜３２がエッチングされて薄くなるのを抑制する（ここでは、上述のポリシリコン層パターニング工程でｎ形ポリシリコン層３４およびｐ形ポリシリコン層３５の基礎となるノンドープポリシリコン層をエッチングする際のオーバーエッチング時にシリコン窒化膜３２がエッチングされて薄くなるのを抑制する）ことができるとともに薄膜構造部３ａの応力バランスの均一性を高めることができ、赤外線吸収部３３の薄膜化を図りながらも小薄膜構造部３ａａの反りを防止することが可能となり、感度の向上を図れる。ここで、ｎ形ポリシリコン層３４、ｐ形ポリシリコン層３５、赤外線吸収層３９、補強層３９ｂ、故障診断用配線１３９は、上述の堀込部形成工程において用いるエッチング液（例えば、ＴＭＡＨ溶液など）によりエッチングされるのを防止するため、スリット１３，１４の内側面に露出しないように平面視形状を設計する必要がある。
また、本実施形態の赤外線アレイセンサＡでは、ｎ形ポリシリコン層３４とｐ形ポリシリコン層３５と赤外線吸収層３９と補強層３９ｂと故障診断用配線１３９とが同一の厚さに設定されているので、小薄膜構造部３ａａの応力バランスの均一性が向上し、小薄膜構造部３ａａの反りを抑制することができる。
また、本実施形態の赤外線アレイセンサＡは、各画素部２ごとに感温部３０の出力を読み出すためのＭＯＳトランジスタ４を有しているので、出力用パッドＶoutの数を少なくでき、小型化および低コスト化を図れる。
（実施形態２）
本実施形態の赤外線アレイセンサＡの基本構成は実施形態１と略同じであって、図１９に示すように、ベース基板１の堀込部１１が、ベース基板１の他表面側から形成されている点が相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
ところで、実施形態１では、掘込部１１を形成する掘込部形成工程において、ベース基板１の上記一表面側からスリット１３，１４を通してエッチング液を導入してシリコン基板１ａをエッチング速度の結晶面方位依存性を利用した異方性エッチングすることで掘込部１１を形成している。
これに対して、本実施形態の赤外線アレイセンサＡの製造にあたっては、掘込部１１を形成する掘込部形成工程において、ベース基板１の上記他表面側からシリコン基板１ａにおける掘込部１１の形成予定領域を例えば誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）型のドライエッチング装置を用いた異方性エッチング技術を利用して形成すればよい。
しかして、本実施形態の赤外線アレイセンサによれば、薄膜構造部３ａの各小薄膜構造部３ａａからベース基板１への熱伝達をより抑制することができ、より一層の高感度化を図れる。
（実施形態３）
本実施形態の赤外線アレイセンサＡの基本構成は実施形態１と略同じであって、図２０に示すように、堀込部１１が、当該掘込部１１の内面が凹曲面となる形状に形成されている点が相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
ここにおいて、実施形態１では、掘込部１１を形成する掘込部形成工程において、掘込部１１をエッチング速度の結晶面方位依存性を利用した異方性エッチングにより形成していたのに対して、本実施形態では、掘込部１１を等方性エッチングにより形成している。
しかして、本実施形態の赤外線アレイセンサＡでは、薄膜構造部３ａを透過した赤外線を掘込部１１の内面で薄膜構造部３ａ側へ反射することができるので、赤外線吸収部３３での赤外線吸収量を大きくでき、感度の向上を図れる。
（実施形態４）
本実施形態の赤外線アレイセンサＡの基本構成は実施形態１〜３と略同じであって、図２１に示すように、ベース基板１の他表面側に、複数の掘込部１１を連通させる開口部１２が形成されている点が相違する。なお、実施形態１〜３と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
ここで、ベース基板１の開口部１２は、ベース基板１の上記他表面側からシリコン基板１ａにおける開口部１２の形成予定領域を例えばＩＣＰ型のドライエッチング装置を用いた異方性エッチング技術を利用して形成すればよい。
しかして、本実施形態の赤外線アレイセンサＡによれば、薄膜構造部３ａの各小薄膜構造部３ａａからベース基板１への熱伝達をより抑制することができ、より一層の高感度化を図れる。
（実施形態５）
本実施形態の赤外線アレイセンサＡの基本構成は実施形態１〜４と略同じであって、図２２に示すように、連結片３ｃが、小薄膜構造部３３ａの延長方向において隣接する小薄膜構造部３３ａ，３３ａ同士を連結している点が相違するだけである。なお、実施形態１〜４と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
ここで、本実施形態の赤外線アレイセンサＡでは、上記延長方向において隣接する小薄膜構造部３３ａ，３３ａ同士が、上記延長方向に交差する方向（つまり、小薄膜構造部３ａａの幅方向）において離間した２つの連結片３ｃにより連結されている。
しかして、本実施形態の赤外線アレイセンサＡによれば、連結片３ｃが、小薄膜構造部３ａａの延長方向において隣接する小薄膜構造部３ａａ，３ａａ同士を連結しているので、小薄膜構造部３ａａ，３ａａの一端側がベース基板１における堀込部１１の周部に直接支持される一方で、他端側が連結片３ｃと別の小薄膜構造部３ａａとを介してベース基板１における堀込部１１の周部に支持され、結果的に、各小薄膜構造部３ａａがベース基板１に両持ち支持されるから、小薄膜構造部３ａａの反りを低減でき、感度が安定するとともに、製造歩留まりが向上する。なお、上記延長方向において隣接する小薄膜構造部３３ａ，３３ａ同士は、小薄膜構造部３ａａの幅方向の中央部において１つの連結片３ｃにより連結するようにしてもよい。
（実施形態６）
本実施形態の赤外線アレイセンサＡの基本構成は実施形態１〜４と略同じであって、図２３に示すように、連結片３ｃが、小薄膜構造部３ａａの延長方向に直交する方向（小薄膜構造部３ａａの幅方向、つまり、図２３の上下方向）において隣接する小薄膜構造部３ａａ，３ａａ同士を連結している点が相違するだけである。なお、実施形態１〜４と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
ここで、本実施形態の赤外線アレイセンサＡでは、上記延長方向において直交する方向において隣接する小薄膜構造部３３ａ，３３ａ同士がブリッジ部３ｂｂ以外の部位で１つの連結片３ｃにより連結されている。なお、連結片３ｃは、ブリッジ部３ｂｂから遠い部位に設けることが好ましい。
しかして、本実施形態の赤外線アレイセンサＡによれば、連結片３ｃが、小薄膜構造部３ａａの延長方向に直交する方向において隣接する小薄膜構造部３ａａ，３ａａ同士を連結しているので、各小薄膜構造部３ａａのねじり剛性が大きくなって、各小薄膜構造部３ａａのねじり変形を低減でき、感度が安定するとともに、製造歩留まりが向上する。
（実施形態７）
本実施形態の赤外線アレイセンサＡの基本構成は実施形態１〜６と略同じであって、図２４および図２５に示すように、画素部２の平面視形状が六角形状であり、画素部２がハニカム状に配列されている点が相違する。なお、実施形態１〜６と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
本実施形態における薄膜構造部３ａは、６つのスリット１３により６個の小薄膜構造部３ａａに分離され連結片３ｃにより、これら６個の小薄膜構造部３ａａが連結されている。
しかして、本実施形態の赤外線アレイセンサＡは、各小薄膜構造部３ａａの変形を防止でき、且つ、画素部２の配置密度を高めることができる。
ところで、上記各実施形態の赤外線アレイセンサＡは、各画素部２にＭＯＳトランジスタ４を設けてあるが、ＭＯＳトランジスタ４は必ずしも設ける必要はない。
Ａ 赤外線アレイセンサ
１ ベース基板
２ 画素部
３ａ 薄膜構造部
３ａａ 小薄膜構造部
３ｂｂ ブリッジ部
３ｃ 連結片
３ｄ 面取り部
１１ 掘込部
１２ 開口部
１３ スリット
３０ 感温部
３０ａ 感温素子
３３ 赤外線吸収部

Claims (12)

  1. 赤外線吸収部を備えた複数の画素部がベース基板の一表面側でＸ軸方向及びＹ軸方向に延びるようなアレイ状に設けられた赤外線アレイセンサであって、各画素部では、ベース基板に前記赤外線吸収部を当該ベース基板から熱絶縁するための掘込部が形成され、ベース基板の前記一表面側で平面視において掘込部の内側に前記赤外線吸収部を有し掘込部を覆う薄膜構造部が形成されており、薄膜構造部が複数の線状のＸ軸方向及びＹ軸方向に延びるスリットにより掘込部の周方向に沿って並設されそれぞれベース基板における掘込部の周部から内方へ延長された複数の小薄膜構造部に分離され、各小薄膜構造部はＸ軸方向及びＹ軸方向に複数配置されており、各小薄膜構造部ごとに感温素子が設けられ、隣接する小薄膜構造部同士を連結する、Ｙ軸方向に延びるスリット間に配置された連結片が形成されており、前記連結片は、平面視においてＸ軸方向に隣接する小薄膜構造部同士間にのみ配置されていることを特徴とする赤外線アレイセンサ。
  2. 赤外線吸収部を備えた複数の画素部がベース基板の一表面側でＸ軸方向及びＹ軸方向に延びるようなアレイ状に設けられた赤外線アレイセンサであって、各画素部では、ベース基板に前記赤外線吸収部を当該ベース基板から熱絶縁するための掘込部が形成され、ベース基板の前記一表面側で平面視において掘込部の内側に前記赤外線吸収部を有し掘込部を覆う薄膜構造部が形成されており、薄膜構造部が複数の線状のＸ軸方向及びＹ軸方向に延びるスリットにより掘込部の周方向に沿って並設されそれぞれベース基板における掘込部の周部から内方へ延長された複数の小薄膜構造部に分離され、各小薄膜構造部はＸ軸方向及びＹ軸方向に複数配置されており、各小薄膜構造部ごとに感温素子が設けられ、隣接する小薄膜構造部同士を連結する、Ｘ軸方向に延びるスリット間に配置された連結片が形成されており、前記連結片は、平面視においてＹ軸方向に隣接する小薄膜構造部同士間にのみ配置されていることを特徴とする赤外線アレイセンサ。
  3. 赤外線吸収部を備えた複数の画素部がベース基板の一表面側でＸ軸方向及びＹ軸方向に延びるようなアレイ状に設けられた赤外線アレイセンサであって、各画素部では、ベース基板に前記赤外線吸収部を当該ベース基板から熱絶縁するための掘込部が形成され、ベース基板の前記一表面側で平面視において掘込部の内側に前記赤外線吸収部を有し掘込部を覆う薄膜構造部が形成されており、薄膜構造部が複数の線状のＸ軸方向及びＹ軸方向に延びるスリットにより掘込部の周方向に沿って並設されそれぞれベース基板における掘込部の周部から内方へ延長された複数の小薄膜構造部に分離され、各小薄膜構造部はＸ軸方向及びＹ軸方向に複数配置されており、各小薄膜構造部ごとに感温素子が設けられ、隣接する小薄膜構造部同士を連結する、Ｘ軸方向に延びるスリット間及びＹ軸方向に延びるスリット間に配置された連結片が形成されており、前記連結片は、平面視において斜め方向に隣接する小薄膜構造部同士間にのみ配置されていることを特徴とする赤外線アレイセンサ。
  4. 前記各画素部は、前記各感温素子が、サーモパイルであり、前記画素部の全ての前記感温素子の接続関係が直列接続であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の赤外線アレイセンサ。
  5. 前記掘込部の内周形状が矩形状であり、前記連結片は、前記小薄膜構造部の延長方向において隣接する前記小薄膜構造部同士を連結していることを特徴とする請求項１記載の赤外線アレイセンサ。
  6. 前記掘込部の内周形状が矩形状であり、前記連結片は、前記小薄膜構造部の延長方向に直交する方向において隣接する前記小薄膜構造部同士を連結していることを特徴とする請求項２記載の赤外線アレイセンサ。
  7. 前記連結片の両側縁と前記小薄膜構造部の側縁との間にそれぞれ面取り部が形成されてなることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の赤外線アレイセンサ。
  8. 前記連結片に前記連結片を補強する補強層が設けられてなることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の赤外線アレイセンサ。
  9. 前記掘込部は、四角錐状に形成されてなることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の赤外線アレイセンサ。
  10. 前記掘込部は、前記ベース基板の他表面側から形成されてなることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の赤外線アレイセンサ。
  11. 前記掘込部は、内面が凹曲面となる形状に形成されてなることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の赤外線アレイセンサ。
  12. 前記ベース基板の他表面側に、複数の掘込部を連通させる開口部が形成されてなることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の赤外線アレイセンサ。
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