JP6582112B2

JP6582112B2 - 低ドリフト赤外線検出器

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Publication number: JP6582112B2
Application number: JP2018214645A
Authority: JP
Inventors: カルル・ファン・ブッヘンハウト; カレル・ファンロイェ
Original assignee: メレクシス・テクノロジーズ・ナムローゼフェンノートシャップ
Priority date: 2017-11-17
Filing date: 2018-11-15
Publication date: 2019-09-25
Anticipated expiration: 2038-11-15
Also published as: CN109798987A; US10337926B2; US20190154511A1; KR102039275B1; JP2019095443A; KR20190056994A; EP3486623B1; CN109798987B; EP3486623A1

Description

本発明は、半導体デバイス、および赤外線（ＩＲ）放射を検知するための方法の分野に関する。より具体的には、本発明は、１つ以上のセンサ画素および１つ以上の基準画素を使用するそのようなデバイスに関する。

半導体回路による、特に、キャビティ内に懸下されたＭＥＭＳ構造を利用することによる、かつ温度センサを備える、熱ＩＲセンサ、およびＩＲ放射を測定する方法は、当技術分野において周知である。

ほとんどのＩＲセンサは、入射ＩＲ信号を、ＩＲ放射を吸収するための断熱構造（本明細書では「吸収体」と称される）の温度増加に変換する。吸収体は、通常は、懸下構造（例えば、長細い梁）によって、封止されたキャビティ内に懸下された、いわゆる膜またはダイヤフラムである。吸収体機能は、専用の吸収層に限定されず、吸収によってＩＲ放射を収集するための検出器の一般的機能として見られることに留意されたい。隔離構造がより多くのＩＲ電力を受容するほど、バルク（基板およびキャップ）に対する吸収体の温度はより高くなる。ＩＲ放射量ごとに、平衡温度が存在し、ここでは、入射ＩＲ電力に起因する加熱が、熱伝導、熱対流、および熱放射を介した、吸収体から周辺基板およびキャップまでの熱損失と等しい。このように、吸収体の温度増加は、入射ＩＲ放射量の指標であり、通常は、高い温度依存性を有する抵抗器（ボロメータ）によって、または一連の熱電対（サーモパイル）によって測定される。本書では、温度センサを有する熱吸収体は、「画素」と称される。

画素の良好な感度のために、温度出力信号は、好ましくは所与のＩＲ放射電力量に対して可能な限り大きい。そのような画素の感度は、３つの物理的に異なるゲイン係数によって判定され、第１の係数は、蓋またはキャップを通した吸収体上へのＩＲ光の伝達、吸収、および反射によって判定される。第２のゲイン係数は、吸収体とデバイスのバルクとの間の熱抵抗によって判定される。この第２の係数は、とりわけ、断熱構造の懸下構造（例えば、梁）を通した熱抵抗と、周辺ガスを通した熱抵抗とに依存する。第３の計数は、通常高い温度依存性を有する抵抗器または一連の熱電対（サーモパイル）である温度計によって判定される。

そのようなセンサの安定性および線形性は、異なるゲイン係数の安定性および線形性に明らかに依存し、多くの場合、信号増幅と増幅安定性との間で妥協がなされる必要がある。制御することが最も困難なパラメータのうちの１つは、吸収体を取り囲むガスを通した吸収体からの熱伝導である。

問題は、赤外線検出器の感度が、吸収体を取り囲むガスを通した吸収体からの熱伝導の可能性のある経時変化に起因して、経時変化する可能性があることである。このことは、例えば、結果として内部システム圧の変化をもたらすであろう、何らかの小さな脱ガスプロセス、何らかの小さな機密性の漏出、または何らかの小さな透過性によって誘発され得る。このことは、最終的には出力信号における誤差につながる。

本発明の実施形態の目的は、良好な半導体デバイスと、そのようなデバイスを動作させるための方法とを提供することである。

上述の目的は、本発明による方法およびデバイスによって達成される。

第１の態様では、本発明の実施形態は、半導体デバイスの外側から生じるＩＲ放射を測定するための半導体デバイスに関する。半導体デバイスは、
―半導体基板であって、少なくとも１つのキャビティを包囲するように基板に気密封止されたキャップを有する、半導体基板と、
―キャビティ内に配置された少なくとも１つのセンサ画素であって、ＩＲ放射を受容するために配置された第１の吸収体を備え、かつ入射ＩＲ放射を示すセンサ出力信号を生成するために適合される、少なくとも１つのセンサ画素と、
―キャビティ内に配置された少なくとも１つの基準画素であって、第２の吸収体と、加熱器に電力を適用することによって第２の吸収体の温度を増加させるための加熱器と、を備え、基準画素が、ＩＲ放射から遮蔽され、加熱器への適用された電力を示す基準出力信号を生成するために適合される、少なくとも１つの基準画素と、を備え、
半導体デバイスは、
―半導体デバイスの応答性を、
センサ画素を加熱していない間に、基準画素の加熱器に電力を適用することと、
加熱されていないセンサ画素の、または加熱されていない付加的な基準画素の第１の出力信号、および加熱された基準画素の第１の基準出力信号を測定することと、
加熱器に適用された電力の尺度の、および第１の出力信号と第１の基準出力信号との間の差の関数としての応答性を得ることと、によって測定することと、
―基準画素の温度が前記センサ画素の温度と実質的に同じになるまで、基準画素の冷却期間を適用することと、
―センサ画素の温度が基準画素の温度と実質的に等しいときに測定された、センサ画素のセンサ出力信号と基準画素の基準出力信号との差に基づいて、測定された応答性を使用して、この差を、ＩＲ放射を示す出力信号に変換することによって、ＩＲ放射を示す出力信号を生成することと、のために適合された制御部を備える。

本発明の実施形態の利点は、半導体デバイスの応答性を、基準画素を加熱することによって、かつ加熱された基準画素および加熱されていないセンサ画素に応じた差を測定することによって、得ることができることである。

発明の実施形態の利点は、センサ画素および基準画素が、同じキャビティ内に存在し（少なくとも、キャビティ内のチャネルが、ガス圧がセンサ画素に対して、および基準画素に対して同じであることを確実にすることを意味する）、したがって、キャビティ内で同じ変化（例えば、キャビティ内の圧力）を経ることである。したがって、基準画素の応答性は、センサ画素の応答性の良好な指標である。

本発明の実施形態の利点は、応答性を測定順序の開始時に、または順序の後で得ることができることである。２つ以上の測定された応答性を使用して、センサ出力信号と基準出力信号との間の差を、ＩＲ放射を示す出力信号に変換し得る。

本発明の実施形態では、制御部は、第１の出力信号と第１の基準出力信号との間の差を生じさせることによって、かつ加熱器への適用された電力によってそれを除算することによって、応答性を得るために適合される。

本発明の実施形態では、制御部は、
少なくとも１つの加熱されていないセンサ画素の、または前記加熱されていない付加的な基準画素の第２のセンサ出力信号と、基準画素が前記センサ画素または付加的な基準画素と実質的に同じ温度であるときの第２の基準出力信号と、を測定することと、
第１の出力信号と第１の基準出力信号との間の差、
第２のセンサ出力信号と第２の基準出力信号との間の差、
および加熱器への適用された電力、
の関数として、少なくとも１つの応答性を得ることと、によって、半導体デバイスの応答性を測定するために適合される。

発明の実施形態の利点は、半導体デバイスの応答性が、ＩＲ放射が、加熱器内の電力によって誘発された出力信号と比較して、無視できないセンサ画素出力信号上の励起を生じさせる半導体デバイスに対して測定することができることである。

本発明の実施形態では、制御部は、第１の出力信号と第１の基準出力信号との間の差、マイナス第２のセンサ出力信号と第２の基準出力信号との間の差を生じさせて結果を得ることによって、かつこの結果を加熱器に適用された電力によって除算することによって、応答性を得るために適合される。

本発明の実施形態では、制御部は、応答性を少なくとも２回測定するために、かつ少なくとも２つの応答性を使用して、センサ出力信号と基準出力との間の差を変換することによって、ＩＲ放射を示す出力信号を生成するために適合される。

本発明の実施形態の利点は、半導体デバイスの応答性の変化を、応答性を２回位以上測定することによって補償することができることである。さらなる利点は、得られた応答性の精度を、応答性を２回以上測定することによって、かつ結果を組み合わせることによって（例えば、平均化することによって）改善することができることである。

本発明の実施形態では、制御部は、ＩＲ放射を示す出力信号を反復的に生成するために適合される。

本発明の実施形態の利点は、ＩＲ放射を定期的に測定するため、ＩＲ放射の変化を検出することができることである。

本発明の実施形態では、制御部は、半導体デバイスの応答性を測定することと、２つの生成された出力信号間の少なくとも１つの基準画素の冷却期間を適用することとのために適合される。

本発明の実施形態の利点は、半導体デバイスの応答性が、定期的に更新されることである。この応答性は、キャビティの変化（例えば、キャビティ内の圧力、またはキャビティ内のガス組成）に起因して経時変化し得る。

本発明の実施形態では、制御部は、デバイスの事前定義されたオフセット値を、センサ画素の温度が基準画素の温度と実質的に等しいときに測定された、センサ出力信号と基準出力信号との間の差から減算することによって、かつ減算の結果を感度で除算することによって、ＩＲ放射を示す出力信号を得るために適合され、感度は、最後に測定された応答性、または事前定義された結合効率で乗算された測定された応答性との組み合わせに対応する。

本発明の実施形態では、感度は、以前に測定された応答性と最後に測定された応答性との比率に基づいて補償される。

このように、キャビティの変化（例えば、キャビティ内の圧力、またはキャビティ内のガス組成）に起因して経時的に生じる応答性の変化を補償することができる。工場内で較正された事前定義された結合効率は、工場内での較正ステップ中のデバイスの応答性の関数である。本発明の実施形態の利点は、実際の結合効率と事前定義された結合効率との間の差に起因する誤差は、以前に測定された応答性と最後に測定された応答性との比率を使用して補償することができる。

本発明の実施形態では、少なくとも１つのセンサ画素は、加熱器に電力を適用することによって第１の吸収体の温度を増加させるための加熱器を備え、制御部は、センサ画素と基準画素との間の熱伝導における不整合を測定するために適合される。

本発明の実施形態では、少なくとも１つのセンサ画素は、入射ＩＲ放射を示すセンサ出力信号を生成するためのサーモパイルを備え、少なくとも１つの基準画素が、加熱器への適用された電力を示す基準出力信号を生成するためのサーモパイルを備える。

本発明の実施形態の利点は、サーモパイルセンサが、本質的にオフセットを有していないことである。したがって、応答性を測定するために、ただ１つの加熱器電力を使用するだけで十分である。

本発明の実施形態では、サーモパイルは、一連の熱電対を備える。

第２の態様では、本発明の実施形態は、ＩＲ放射を測定するための方法に関する。該方法は、
―半導体基板であって、少なくとも１つのキャビティを包囲するように基板に気密封止されたキャップを有する、半導体基板と、
―キャビティ内に配置された少なくとも１つのセンサ画素であって、ＩＲ放射を受容するために配置された第１の吸収体を備え、かつ入射ＩＲ放射を示すセンサ出力信号を生成するために適合される、少なくとも１つのセンサ画素と、
―キャビティ内に配置された少なくとも１つの基準画素であって、第２の吸収体と、加熱器に電力を適用することによって第２の吸収体の温度を増加させるための加熱器と、を備え、基準画素が、ＩＲ放射から遮蔽され、加熱器への適用された電力を示す基準出力信号を生成するために適合される、少なくとも１つの基準画素と、を備える、半導体デバイスを提供することと、
―半導体デバイスの応答性を、
センサ画素を加熱していない間に、基準画素の加熱器に電力を適用することと、
加熱されていないセンサ画素の、または加熱されていない付加的な基準画素の第１の出力信号、および加熱された基準画素の第１の基準出力信号を測定することと、
第１の出力信号と第１の基準出力信号との間の差の、および加熱器への適用された電力の関数としての応答性を得ることと、によって測定することと、
―基準画素の温度がセンサ画素の温度と実質的に同じになるまで、基準画素の冷却期間を適用することと、
―センサ画素の温度が基準画素の温度と実質的に等しいときに測定された、センサ画素のセンサ出力信号と基準画素の基準出力信号との差に基づいて、測定された応答性を使用して、この差を、ＩＲ放射を示す出力信号に変換することによって、ＩＲ放射を示す出力信号を生成することと、を含む。

本発明の実施形態では、半導体の応答性を測定することは、
少なくとも１つの加熱されていないセンサ画素の、または加熱されていない付加的な基準画素の第２のセンサ出力信号と、基準画素がセンサ画素または付加的な基準画素と実質的に同じ温度であるときの第２の基準出力信号と、を測定することと、
第１の出力信号と第１の基準出力信号との間の差、
第２のセンサ出力信号と第２の基準出力信号との間の差、
および加熱器への適用された電力、
の関数として、少なくとも１つの応答性を得ることと、を含む。

本発明の実施形態では、該方法は、ＩＲ放射を示す出力信号を反復的に生成することを含む。

本発明の実施形態では、該方法は、半導体デバイスの応答性を測定することと、２つの生成された出力信号間の少なくとも１つの基準画素の冷却期間を適用することとを含む。

本発明の特定および好ましい態様は、添付の独立項および従属項に述べられる。従属項による特徴は、独立項の特徴と組み合わされてもよく、かつ他の従属項と適宜組み合わされてもよく、請求項で明言されたとおりのみではない。

本発明のこれらおよび他の態様は、本明細書で以下に説明される実施形態から明らかであり、それらを参照して解明される。

本発明の実施形態による半導体デバイスの上面図の概略的な描写を示す。本発明の実施形態による、センサ画素上の付加的な加熱器を除き、図１と同様の半導体デバイスの概略図を示す。本発明の実施形態による、ＩＲ放射を測定するための方法のステップのフローチャートである。本発明の実施形態によるタイムスロットの可能な順序を示す。本発明の実施形態による半導体デバイスの上面図の概略的な描写を示す。図５に示された断面Ａ−Ａの概略的な描写を示す。図５に示された断面Ｂ−Ｂの概略的な描写を示す。

請求項内のあらゆる参照符号は、該範囲を限定すると理解されないものとする。異なる図において、同じ参照符号は、同じまたは類似の要素を指す。

本発明は、特定の実施形態に関して、および一定の図に関して説明されているが、本発明は、それらに限定されず、請求項によってのみ限定される。説明された図面は、単なる概略であり、非限定的である。図中において、要素のうちのいくつかのサイズは、例証を目的として誇張され、縮尺通りに描かれていない場合がある。寸法および相対的な寸法は、本発明の実施に対する実際の縮小には対応しない。

本明細書および請求項における第１、第２等の用語は、類似の要素間の区別のために使用され、必ずしも時間的に、空間的に、ランク付けで、またはいかなる他の方法においても順序を説明するためではない。そのように使用される用語は、適切な状況下で互換性があり、本明細書で説明された発明の実施形態は、本明細書で説明または例証された以外の順序で動作することが可能であることが理解されるべきである。

請求項で使用される「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語は、以下に列挙された手段に制限されるとして理解されるべきではなく、他の要素またはステップを除外しないことが認識されるべきである。このように、述べられた特徴、整数、ステップ、または構成要素を言及されたように特定するとして解釈されるが、１つ以上の他の特徴、整数、ステップ、もしくは構成要素、またはそれらの群の存在または付加を除外しない。このように、「手段ＡおよびＢを備えるデバイス（ａｄｅｖｉｃｅｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇｍｅａｎｓＡａｎｄＢ）」という表現の範囲は、構成要素ＡおよびＢのみで構成されるデバイスに限定されるべきではない。本発明に関して、該デバイスの関連する構成要素のみが、ＡおよびＢであることを意味する。

本明細書全体を通して、「一実施形態（ｏｎｅｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」または「実施形態（ａｎｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」に対する言及は、実施形態に関係して説明された特定の特徴、構造、または特性が、本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。このように、本明細書全体にわたる様々な箇所における句「一実施形態（ｏｎｅｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」または「実施形態（ａｎｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」の出現は、必ずしもすべてが同じ実施形態を指すわけではないが、そうである場合もある。さらに、特定の特徴、構造、または特性は、本開示から当業者には明らかであるように、１つ以上の実施形態において、任意の好適な方法で組み合わされてもよい。

同様に、本発明の例示的な実施形態の説明において、本発明の様々な特徴は時として、本開示を合理化し、様々な発明的態様のうちの１つ以上の理解を支援することを目的として、単一の実施形態、その図面または説明においてともにグループ化されることが理解されるべきである。しかしながら、本開示の方法は、特許請求された発明が、各請求項に明確に列挙されたものよりも多くの特徴を必要とするという意図を反映意するとして解釈されるものではない。むしろ、以下の請求項が反映するように、本発明の態様は、単一の先術の開示された実施形態のすべての特徴よりも少ない。このように、詳細な説明に続く請求項は、これによってこの詳細な説明に明確に組み入れられ、各請求項は、本発明の別個の実施形態としてそれ自体に基づく。

さらに、本明細書で説明されたいくつかの実施形態は、他の実施形態に含まれるいくつかではあるが他ではない特徴を含むが、異なる実施形態の特徴の組み合わせは、当業者によって理解されるように、本発明の範囲内であり、異なる実施形態を形成することが意図される。例えば、以下の請求項では、特許請求された実施形態のいずれかが、任意の組み合わせで使用することができる。

本明細書で提供された説明において、非常に多くの特定の詳細が述べられる。しかしながら、本発明の実施形態は、これらの特定の詳細なしに実施され得ることが理解される。他の場合では、周知の方法、構造、および手法は、本明細書の理解を不明瞭にしないために、詳細に示されていない。

本発明の実施形態において、半導体デバイスの応答性について言及されている場合、基準画素の出力信号と基準画素に適用された加熱電力との比率について言及されている。本発明の実施形態において、センサ画素の感度について言及されている場合、センサの出力信号（センサ画素のオフセットをマイナスする）と、センサ画素に対する入射放射の電力との比率について言及されている。

本発明の実施形態において、結合効率について言及されている場合、感度と応答性との比率について言及されている。

本発明の実施形態において、キャビティについて言及されている場合、キャップと基板との間の密閉容量について言及されている。キャップは、それによって基板に気密封止される。少なくとも開口（例えば、チャネル）がキャビティのコンパートメント間に存在する限りは、キャビティ内には、キャビティ内でコンパートメントを形成する１つ以上の壁が存在し得、ゆえに、キャビティ内のガス圧が、キャビティの異なるコンパートメント内で同じであることを確実にする。

第１の態様では、本発明の実施形態は、半導体デバイス１００の外側から生じるＩＲ放射を測定するための半導体デバイス１００に関する。

そのようなデバイスの例示的な実施形態が、図１の概略図に図示される。半導体デバイス１００は、少なくとも１つのキャビティ１２を包囲するように基板に気密封止されたキャップ３を有する半導体基板２を備える。

少なくとも１つのセンサ画素１０は、キャビティ１２内に配置される。このセンサ画素は、キャビティの外側から生じるＩＲ放射を受容するために配置された第１の吸収体１１を備える。センサ画素は、入射ＩＲ放射を示すセンサ出力信号を生成するために適合される。

また、半導体デバイスは、キャビティ１２内に配置された少なくとも１つの基準画素２０を備える。基準画素は、第２の吸収体２１と、加熱器に電力を適用することによって第２の吸収体２１の温度を増加させるための加熱器２３とを備える。基準画素は、加熱器に適用された電力を示す基準出力信号を生成するために適合される。本例では、キャビティ内のガス圧は、基準画素に対しては、センサ画素に対するものと同じである。このことは、チャネル４０によって達成される。

図１に図示された例示的な実施形態では、壁４１は、キャップに存在し、壁４２は、基板に存在する。チャネル４０は、これら２つの壁の間に存在する。壁に起因して、２つのコンパートメント１２ａおよび１２ｂがキャビティ１２内に形成される。両方のコンパートメント内のガス圧は、同じである。センサ画素は、第１のコンパートメント１２ａ内にあり、基準画素は、第２のコンパートメント１２ｂ内にある。

また、半導体デバイス１００は、
センサ画素１０を加熱していない間に、基準画素２０の加熱器２３に電力を適用することと、
加熱されていないセンサ画素１０の、または加熱されていない付加的な基準画素の第１の出力信号、および加熱された基準画素２０の第１の基準出力信号を測定することと、
加熱器に適用された電力の尺度の、および第１の出力信号と第１の基準出力信号との間の差の関数としての応答性を得ることと、によって測定すること２２０と、
―基準画素２０の温度がセンサ画素１０の温度と実質的に同じになるまで、基準画素２０の冷却期間を適用すること２３０と、
―ＩＲ放射を示す出力信号を、
加熱されていないセンサ画素１０の、または加熱されていない付加的な基準画素のセンサ出力信号、および基準画素２０の基準出力信号を測定することと、
センサ画素の温度が基準画素の温度と実質的に等しいときに測定された、センサ画素のセンサ出力信号と基準画素の基準出力信号との差に基づいて、測定された応答性を使用して、この差を、ＩＲ放射を示す出力信号に変換することによって、ＩＲ放射を示す出力信号を生成することと、によって生成すること２４０と、のために適合された制御部５０を備える。

制御部は、応答性を測定するステップ２２０と、基準画素の冷却期間を適用するステップ２３０と、出力信号を生成するステップ２４０とである数多くのステップを行うために適合される。これらのステップは、図３に図示され、これらのステップの可能な順序が、フローチャートに図示される。このフローチャートは、本発明の第２の態様によるＩＲ放射を測定するための方法２００について例証している。該方法は、少なくとも１つのセンサ画素および少なくとも１つの基準画素と、基準画素を加熱するための少なくとも１つの加熱器とを備える半導体デバイスを提供すること２１０によって開始する。次に、先のパラグラフで説明されたステップが適用される。

本発明の実施形態では、少なくとも１つの基準画素２０および少なくとも１つのセンサ画素１０は、電気的かつ熱的に一致した画素である。電気的一致は、二者が同じ温度を有する場合、それらが実質的に同じ出力信号を有することを含意する。熱的一致は、二者が吸収体を取り囲むガスを通して、吸収体から実質的に同じ熱伝導を有することを含意する。センサ画素１０（ライブ画素とも呼ばれる）は、オブジェクト空間からのＩＲ放射を受容することが可能であり、一方で基準画素２０（ブラインド画素とも呼ばれる）は、オブジェクト空間からの直接のＩＲ放射から遮蔽される。この遮蔽は、例えば光学ドメイン内にあることができる。図１の例では、基準画素２０は、ＩＲ遮断層３１を使用して、上記ＩＲ放射から遮蔽される。本例では、ＩＲ遮断層は、キャビティの内部である。より具体的には、キャビティの第２のコンパートメント１２ｂ内である。第２のコンパートメントを包囲している壁４０の側面もまた、ＩＲ遮断層で被覆される。しかしながら、それは、異なる位置に位置してもよい。本例では、ＩＲ遮断層３１もまた、底部側面に存在するが、本発明は、この場合に限定されない。基準画素に向かう直接信号を最小限にするために、ＩＲ遮断層は、外部ＩＲ放射が基準画素のキャビティに進入することが予想される場所に位置付けられることになっている。代替的に、デバイスの一部の材料特性は、基準画素に向かう直接外部ＩＲ放射を吸収または低減させるように事前定義された方法で調整することができる。

本発明の実施形態では、１つ以上の画素に加熱電力が適用され、熱伝導の経時変化を補償する。本発明の実施形態では、少なくとも１つの基準画素の出力信号および少なくとも１つのセンサ画素の出力信号は、好ましくは実質的に同じ瞬間で測定される。このことは、同時であってもよく、または画素の時定数よりも小さい、例えば１００ｍｓよりも小さいか、または１０ｍｓよりも小さいか、または１０ｕｓよりも小さい時間差があってもよい。本発明の実施形態では、ＩＲ放射を示す出力信号は、反復的に生成され得る。この場合、少なくとも１つの基準画素の出力信号および少なくとも１つのセンサ画素の出力信号が、反復的に測定される。これらは、同時に測定されてもよく、または連続した測定間の期間よりも小さい、例えば該期間の半分よりも小さいか、あるいは該期間の１０％よりも小さいか、もしくは該期間の５％よりも小さい時間差があってもよい。その利点は、画素の熱ノイズを低減させることができることであり、これは、測定の精度のための主要な利点である。この場合、センサおよび基準画素の各タイムスロットにおける瞬間的な差分測定は、熱および電気ノイズを最小限にし、ならびに／またはコモンモードノイズ信号の衝撃を低減させるために好ましい。本発明の実施形態では、少なくとも１つの基準画素および少なくとも１つのセンサ画素は、画素を逆直列で接続することによってともに測定される。次いで、この組み合わされた信号は、増幅され得る。これは、これらの画素からの信号の差が、出力信号として増幅されることを意味する。これらの画素からの信号の差は、画素の同じ極性をともに接続することによって得られ得るか、または代替的には、スイッチによって、同じまたは反対の極性と接続する画素を選択するために得ることができ、これは結果として、加算またはこれらの画素からの差分信号をもたらす。同様に、画素の熱および電気ノイズ、ならびに／またはコモンモードノイズ信号の衝撃を最小限にすることができる。

図４に図示されるように、ステップ２２０は、応答性が測定され、その結果さらに基準画素が加熱され、その後冷却ステップ２３０が続き、ステップ２４０が続き、出力信号が生成される。出力信号を生成することは、好ましくは、少なくとも１つの基準画素および少なくとも１つのセンサ画素を、応答性測定に関して上述されたものと非常に類似した方法でともに測定することによって行われ得る。同様に、画素の熱および電気ノイズ、ならびに／またはコモンモードノイズ信号の衝撃を最小限にすることができる。出力信号を生成することは、毎回応答性を測定することなく、反復的になされ得る。しかしながら、応答性を再度定期的に測定２２０し、それによって、応答性におけるあらゆる変化を検出することができるようにすることも可能である。

図４は、本発明の実施形態によるタイムスロットの可能な順序を示す。この図では、タイムスロットは、矩形によって示される。
Ａ［ｘ］：これらは、適用タイムスロットである。ここで、入射ＩＲ放射は、用途目的（すなわち、ＩＲ放射を示す出力信号を生成する２４０ため）で測定される。

Ｈ：画素上に位置する加熱器に誘発された電力によって画素を加熱するためのタイムスロットである。基準画素の加熱は、半導体デバイスの応答性を測定する２２０ために行われる。このタイムスロットの後、基準画素は、安定した温度に達している。

Ｃ：オンピクセル加熱器抵抗器で加熱された後、画素を能動的に冷却するか、または通常の用途レベルまで受動的に再度冷却させるためのタイムスロットである

Ｒ［ｘ］：基準画素の出力上で全タイムスロットの間維持される（それによって、このタイムスロットの間、基準画素の温度が安定するようにする）、導入された電力の影響を測定するためのタイムスロットである。この出力信号を使用して、半導体デバイスの応答性を得る。このＲ［ｘ］タイムスロットは、必ずしもＡ［ｘ］タイムスロットと同じ継続時間ではない。

基準画素の冷却期間は、基準画素の温度がセンサ画素の温度と実質的に同じになるまで適用され得る。両方の温度は、例えば、それらが１ｍＫだけ、または０．５ｍＫだけ、または０．１ｍＫだけ異なっている場合、実質的に同じであると考えられ得る。これは、例えば２ｍｓ〜５００ｍｓの冷却期間、例えば２００ｍｓの冷却期間の後に達成され得る。

本発明の実施形態では、結合係数は、調査中のオブジェクトの１度の変化と、どのようにセンサ画素ごと、またはセンサ画素（例えば、２つのセンサ画素）の組み合わせごとにこれが見られるかとの間の比率を示す。結合係数は、例えば１０００であってもよい。その場合、オブジェクト温度の１度の変化は、センサ画素ごとに１／１０００度（１ｍＫ）としてみられる。その場合、３０度のデルタＴＯは、結果としてセンサ画素において３０＊１ｍＫ＝約３０ｍＫの変化をもたらす。

本発明の実施形態では、基準画素の吸収体を加熱するために、電流源または電圧源が使用される。加熱器の一例として、基準画素を加熱するための電流は、２００μＡである。これは、例えば吸収体（膜と呼ばれる場合もある）温度（単一画素）の２Ｋの増加をもたらし得る。

応答性を測定する場合、基準画素の温度は、例えば２Ｋだけ増加し得る。冷却後、適用タイムスロット中、測定は、例えば０．１℃の精度で行われ得る。

その場合、応答性測定前後の基準画素についての温度差は、０．１／１０００未満、または＜０．１ｍＫであるべきである。

このことは、両者間の比率が、０．１ｍＫ／２Ｋ＝０．００５％であり、一次系（膜の冷却である）を所与として、本例の場合、時定数の１０倍待機する必要があることを意味する。本発明の例示的な実施形態では、時定数は、概略で２〜１０ｍｓであり、それによって、冷却期間が概略で２０ｍｓ〜１００ｍｓ等であり得、最終的には最大で５００ｍｓであり得るようにされる。

本発明の実施形態では、既定の加熱器電流を適用することによって、電力が加熱器に適用され得る。その場合、加熱器に適用された電力の尺度は、既定の加熱器電流である。加熱器電流は、すべての基準および／またはセンサ画素に対するウェーハ上のすべてのチップに対して同じであってもよく、または異なってもよく、かつ異なる画素に対して別個に（異なる画素間の加熱器電流の広がりに依存して）、較正されてもよい。本発明の実施形態では、加熱器電流（画素加熱時）および加熱器抵抗器は、長期間安定していると想定される。

また、加熱器に適用された電力の尺度は、電力自体であってもよい。この電力は、例えば加熱器抵抗器を通した電流と、加熱器抵抗器全体にわたる電圧とを測定することによって得られ得る。

本発明の実施形態では、加熱器両端の電圧は、ＡＤＣを使用して測定され得る。その場合、加熱器電力は、以下のように推定され得る。

ここで、Ｒは、加熱器抵抗である。基準画素、センサ画素、および加熱器電力（例えば、加熱器−電圧）は、例えば、製造時の較正中に測定されてもよく、これらはまた、適用中に（応答性の測定時、かつＩＲ放射を示す出力信号の生成時）測定されてもよい。その利点は、加熱器のあらゆるドリフト（例えば、加熱器電流源のドリフト）を、加熱器電力（例えば、加熱器電圧）を測定することによって補償することができることである。さらなる利点は、応答性もまた、バックグラウンドまたは周囲またはチップ温度に対して補償することができることである。これは、例えば、デバイスの感度のバックグラウンドまたは周囲またはチップ温度依存性の、チップに依存する典型的な較正パラメータをもたらし得る。

本発明の実施形態では、バックグラウンドまたは周囲またはチップ温度は、タイムスロットＲ［ｘ］に記録される。その利点は、センサの応答性の温度依存性を補償することができることである。当業者には既知であるように、センサの応答性は、温度に依存する可能性があるが、これは、デバイスのセンサおよび／もしくは読み出し回路で使用される金属、半導体、および／もしくは誘発体の材料特性に起因し、ならびに／またはデバイスの気密封止キャビティ内のガス混合物の圧力および／もしくは材料特性に起因し、ならびに／または局所温度を変化させることができるデバイスのセンサおよび／もしくは読み出し回路の局所的な加熱に起因する。

本発明の実施形態では、バックグラウンドまたは周囲またはチップ温度は、Ａ［ｘ］中の適用測定の一部として測定される。その利点は、センサの応答性の温度依存性を補償することができることである。当業者には既知であるように、センサの応答性は、温度に依存する可能性があるが、これは、デバイスのセンサおよび／もしくは読み出し回路で使用される金属、半導体、および／もしくは誘発体の材料特性に起因し、ならびに／またはデバイスの気密封止キャビティ内のガス混合物の圧力および／もしくは材料特性に起因し、ならびに／または局所温度を変化させることができるデバイスのセンサおよび／もしくは読み出し回路の局所的な加熱に起因する。本発明の実施形態では、常時同じ加熱器電力を適用し得る。この加熱器は、例えば較正の間、および応答性測定を行うときと同じであってもよい。加熱器は、例えばその寿命全体にわたって安定していてもよく、例えばバックグラウンドまたは周囲またはチップ温度とは独立していてもよい。このように、ＡＤＣにおけるあらゆるドリフトがゼロにされ、このことは、本発明の実施形態の利点である。

本発明の実施形態では、制御部は、第１の出力信号と第１の基準出力信号との間の差を生じさせることによって、かつ加熱器への適用された電力によってそれを除算することによって、応答性を得るために適合される。第１の出力信号および第１の基準出力信号は、それによって、基準画素の加熱後、同時に測定される。

熱ノイズの理由から、センサ画素の出力信号および基準画素の出力信号が測定され、互いから減算される。本発明の実施形態では、このことは、タイムスロットＲごとに行われ得る。次いで、応答性は、以下のように得ることができる。

Ｐは、基準画素の加熱器内への電力である。応答性を得るための本方法は、外部ＩＲ放射が、加熱器内の電力によって誘発された、基準画素の出力信号上での励起と比較して、センサ画素の出力信号上の小規模な励起を引き起こしていると想定する。

本発明の実施形態では、応答性は、２つの基準画素（加熱された画素および加熱されていない画素）の出力信号を測定することによって得られ得る。熱ノイズの理由から、誘発電力のない画素（ｐｉｘ＿ｈｅａｔｅｒ）および誘発電力のある画素（ｐｉｘ＿ｎｏｈｅａｔｅｒ）は、Ｒ［ｎ］タイムスロットで測定され、互いから減算される。

外部ＩＲ放射は、基準画素に存在しない場合、測定された応答性に影響を与えない。

本発明の実施形態では、制御部は、
―少なくとも１つの加熱されていないセンサ画素の、または加熱されていない付加的な基準画素の第２のセンサ出力信号と、基準画素がセンサ画素または付加的な基準画素と実質的に同じ温度であるときの第２の基準出力信号と、を測定することと、

―第１の出力信号と第１の基準出力信号との間の差、
―第２のセンサ出力信号と第２の基準出力信号との間の差、
―および加熱器への前記適用された電力、
の関数として、少なくとも１つの応答性を得ることと、によって、半導体デバイスの応答性を測定するために適合される。

本方法は、少なくとも１つのセンサ画素および少なくとも１つの基準画素、ならびに小規模な加熱器電力を使用して応答性を得るために適用され得る。可能性な実装形態が、以下にさらに説明される。熱ノイズの理由から、センサ画素および基準画素が各タイムスロットで測定され、互いから減算される。また、この場合、センサおよび基準画素は、好ましくは実質的に同じ時点で測定される。このことは、例えば各タイムスロットにおけるセンサおよび基準画素の同時差分測定によって達成することができる。その利点は、熱および電気ノイズを最小限にすることができ、ならびに／またはコモンモードノイズ信号の衝撃を低減させることができることである。

Ｐは、基準画素の加熱器内への電力である。

このことは、以下のパラグラフでさらに説明される。理想的なデバイスに対しては、感度Ｓは、デバイス応答性に比例する。

ここで、Ｒはデバイス応答性であり、αは光学結合効率であり、Ｐ_ＩＲは、赤外線放射力である。Ｖ_ｏｆｆは、サーモパイルセンサのオフセットではなく、熱ドメイン、光学ドメインまたは電気ドメイン内の画素間の不整合等の他の影響によって誘発され得るデバイスのオフセットであるか、または完全伝達関数のオフセットパラメータ（例えば、電気的チェーンの電気的オフセットに起因する）である。

熱伝導がデバイス応答性に含まれることは、実施形態の利点である。基準（ブラインド）画素上の加熱器を使用することによって、吸収体を取り囲むガスを通した吸収体からの熱伝導に比例する値を得ることができる。本発明の実施形態では、このことは、応答性に対応する。

本発明の実施形態では、感度は、以前に測定された応答性と最後に測定された応答性との比率に基づいて補償される。以前に測定された応答性は、例えば工場内のデバイスの較正中に測定され得る。

これは、加熱器電力を測定する必要性を回避するための方法であるが、それは、それら２つの応答性の比率が、加熱器電力の２倍を除算しているためである（これは、本発明の実施形態では、長期間にわたり一定に維持され得る）。

本発明の実施形態では、より高い加熱器電力は、誤差信号の衝撃を低減させ、それゆえに、応答性は、より高い加熱器電力によって、より正確に測定することができる。加熱器電力が増加すると、膜温度も増加するため、サーモパイルの感度が変化し、それゆえに応答度は、Ａタイムスロットにおける実際の応答性に反映しない。最適な加熱器電力が判定されることが必要である。

本発明の実施形態による半導体デバイスは、複数の画素を備え得る。異なる画素の応答性が、不整合を示すことが可能である。このことは、異なる画素間の熱または電気ドメインにおける変動に起因し得る。

異なる画素間の熱伝導の不整合を補償するために、本発明の実施形態では、加熱器は、異なる画素上に組み入れられ得、異なる画素の応答性の不整合は、上述の手順を使用して応答性を測定することによって得られ得る。

本発明の実施形態では、少なくとも１つのセンサ画素１０は、加熱器に電力を適用することによって第１の吸収体１１の温度を増加させるための加熱器１３を備え、制御部５０は、センサ画素と基準画素との間の熱伝導における不整合を測定するために適合される。そのような半導体デバイスの一例が、図２に概略的に描かれている。これは、付加的な加熱器１３を除き、図１と同じデバイスである。

図５は、本発明の実施形態による半導体デバイス１００の上面図の概略的な描写を示す。半導体デバイスは、キャビティ１２内に配置された２つのセンサ画素１０および２つの基準画素２０を備える。各センサ画素１０は、第１の吸収体１１を備えている。各基準画素１２は、第２の吸収体２１を備えている。キャビティは、４つのコンパートメント１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄを備える。これらのコンパートメントのうちの２つ１２ｃおよび１２ｄは遮られる一方で、他の２つのコンパートメントは、ＩＲ放射に対して透過性である。本例では、遮られた画素基準画素は、互いに対して斜めに配向される。しかしながら、本発明は、これに限定されず、他の構成もまた可能である。本発明のこの例示的な実施形態では、各基準画素２０もまた、加熱器２３を備える。本図はまた、制御部５０を概略的に示す。

図６は、図５に示された断面Ａ−Ａの概略的な描写を示し、図７は、図５に示された断面Ｂ−Ｂの概略的な描写を示す。これらの図は、基板２、キャップ３、吸収体１１、１２、加熱器２３、およびＩＲ遮断層３１を示す。本例では、ＩＲ遮断層は、第２の吸収体の実質的に上方のキャップ３の上面の上の反射コーティングである。

本発明の特定の実施形態では、キャップ３は、半導体材料、例えばゲルマニウム等、またはより好ましくはシリコン結晶、またはより一般的には、対象となる放射（赤外線）に対して透過性である任意の他の材料で作製することができる。有利には、そのような材料はまた、任意の他の放射、特に赤外線センサにおける一般的なノイズ源である可視光に対して実質的に不透明である（例えば、最大０．２、例えば最大０．１の透過係数を有する）。本発明の実施形態は、画素の製作方法に限定されない。図１の例では、画素は、キャップ３内にキャビティを形成することに基づき、基礎基板２内のキャビティが、例えばＣＭＯＳであるが、本発明の実施形態は、キャップ内に例えばキャビティを作製し、ＣＭＯＳ内のキャビティを作製する方法に限定されない。一例は、ＫＯＨエッチングによってキャビティを作り出すことであり得るが、他の技術もまた存在する。ＣＭＯＳ内のエッチング深さおよびキャップ内のエッチング深さは、同じであり得るか、または異なり得る。そのような異なるエッチング深さは、当業者によって容易に確認されることができるような、寄生熱束に対する正または負の影響を有し得る。

Claims

半導体デバイス（１００）の外側から生じるＩＲ放射を測定するための前記半導体デバイス（１００）であって、
―半導体基板（２）であって、少なくとも１つのキャビティ（１２）を包囲するように前記基板に気密封止されたキャップ（３）を有する、半導体基板（２）と、
―前記キャビティ（１２）内に配置された少なくとも１つのセンサ画素（１０）であって、前記ＩＲ放射を受容するために配置された第１の吸収体（１１）を備え、かつ前記入射ＩＲ放射を示すセンサ出力信号を生成するために適合される、少なくとも１つのセンサ画素（１０）と、
―前記キャビティ（１２）内に配置された少なくとも１つの基準画素（２０）であって、第２の吸収体（２１）と、加熱器に電力を適用することによって前記第２の吸収体（２１）の温度を増加させるための加熱器（２３）と、を備え、前記基準画素（２０）が、前記ＩＲ放射から遮蔽され、前記加熱器への前記適用された電力を示す基準出力信号を生成するために適合される、少なくとも１つの基準画素（２０）と、を備え、
前記半導体デバイス（１００）が、
―前記半導体デバイスの応答性を、
前記センサ画素を加熱していない間に、前記基準画素の前記加熱器に電力を適用することと、
前記加熱されていないセンサ画素の、または加熱されていない付加的な基準画素の第１の出力信号、および前記加熱された基準画素の第１の基準出力信号を測定することと、
前記加熱器に適用された電力の尺度の、および前記第１の出力信号と前記第１の基準出力信号との間の差の関数としての応答性を得ることと、によって測定することと、
―前記基準画素の温度が前記センサ画素の温度と実質的に同じになるまで、前記基準画素の冷却期間を適用することと、
―前記センサ画素（１０）の前記温度が前記基準画素（２０）の前記温度と実質的に等しいときに測定された、前記センサ画素（１０）の前記センサ出力信号と前記基準画素（２０）の前記基準出力信号との差に基づいて、前記測定された応答性を使用して、この差を、前記ＩＲ放射を示す前記出力信号に変換することによって、前記ＩＲ放射を示す前記出力信号を生成することと、のために適合された制御部（５０）を備える、半導体デバイス。
前記制御部が、前記第１の出力信号と前記第１の基準出力信号との間の前記差を生じさせることによって、かつ前記加熱器への前記適用された電力によってそれを除算することによって、前記応答性を得るために適合される、請求項１に記載の半導体デバイス（１００）。
前記制御部が、
前記少なくとも１つの加熱されていないセンサ画素の、または前記加熱されていない付加的な基準画素の第２のセンサ出力信号と、前記基準画素が前記センサ画素または前記付加的な基準画素と実質的に同じ温度であるときの第２の基準出力信号と、を測定することと、
前記第１の出力信号と前記第１の基準出力信号との間の前記差、
前記第２のセンサ出力信号と前記第２の基準出力信号との間の前記差、
および前記加熱器への前記適用された電力、
の関数として、前記少なくとも１つの応答性を得ることと、によって、前記半導体デバイスの前記応答性を測定するために適合される、請求項１に記載の半導体デバイス（１００）。
前記制御部が、前記第１の出力信号と前記第１の基準出力信号との間の差、マイナス前記第２のセンサ出力信号と前記第２の基準出力信号との間の差を生じさせて結果を得ることによって、かつ前記加熱器への前記適用された電力によってこの結果を除算することによって、前記応答性を得るために適合される、請求項３に記載の半導体デバイス（１００）。
前記制御部（５０）が、前記応答性を少なくとも２回測定するために、かつ少なくとも２つの応答性を使用して、前記センサ出力信号と前記基準出力との間の前記差を変換することによって、前記ＩＲ放射を示す前記出力信号を生成するために適合される、請求項１〜４のいずれかに記載の半導体デバイス（１００）。
前記制御部（５０）が、前記ＩＲ放射を示す前記出力信号を反復的に生成するために適合される、請求項１〜５のいずれかに記載の半導体デバイス（１００）。
前記制御部（５０）が、前記半導体デバイスの前記応答性を測定するために、かつ２つの生成された出力信号間の前記少なくとも１つの基準画素の冷却期間を適用するために適合される、請求項６に記載の半導体デバイス（１００）。
前記制御部が、前記デバイスの事前定義されたオフセット値を、前記センサ画素の前記温度が前記基準画素の前記温度と実質的に等しいときに測定された、前記センサ出力信号と前記基準出力信号との間の前記差から減算することによって、かつ前記減算の結果を感度で除算することによって、前記ＩＲ放射を示す前記出力信号を得るために適合され、前記感度が、最後に測定された応答性、または事前定義された結合効率で乗算された測定された応答性との組み合わせに対応する、請求項１〜７のいずれかに記載の半導体デバイス（１００）。
前記感度が、以前に測定された応答性と前記最後に測定された応答性との比率に基づいて補償される、請求項８に記載の半導体デバイス（１００）。
前記少なくとも１つのセンサ画素（１０）が、加熱器に電力を適用することによって前記第１の吸収体（１１）の温度を増加させるための加熱器（１３）を備え、前記制御部（５０）が、前記センサ画素と前記基準画素との間の熱伝導における不整合を測定するために適合される、請求項１〜９のいずれかに記載の半導体デバイス（１００）。
前記少なくとも１つのセンサ画素が、前記入射ＩＲ放射を示すセンサ出力信号を生成するためのサーモパイルを備え、前記少なくとも１つの基準画素が、前記加熱器への前記適用された電力を示す基準出力信号を生成するためのサーモパイルを備える、請求項１〜１０のいずれかに記載の半導体デバイス（１００）。
ＩＲ放射を測定するための方法（２００）であって、
―半導体基板（２）であって、少なくとも１つのキャビティ（１２）を包囲するように前記基板に気密封止されたキャップ（３）を有する、半導体基板（２）と、
―前記キャビティ（１２）内に配置された少なくとも１つのセンサ画素（１０）であって、前記ＩＲ放射を受容するために配置された第１の吸収体（１１）を備え、かつ前記入射ＩＲ放射を示すセンサ出力信号を生成するために適合される、少なくとも１つのセンサ画素（１０）と、
―前記キャビティ（１２）内に配置された少なくとも１つの基準画素（２０）であって、第２の吸収体（２１）と、加熱器に電力を適用することによって前記第２の吸収体（２１）の温度を増加させるための加熱器（２３）と、を備え、前記基準画素（２０）が、前記ＩＲ放射から遮蔽され、前記加熱器への前記適用された電力を示す基準出力信号を生成するために適合される、少なくとも１つの基準画素（２０）と、を備える、半導体デバイスを提供すること（２１０）と、
―前記半導体デバイスの応答性を、
前記センサ画素を加熱していない間に、前記基準画素の前記加熱器に電力を適用することと、
前記加熱されていないセンサ画素の、または加熱されていない付加的な基準画素の第１の出力信号、および前記加熱された基準画素の第１の基準出力信号を測定することと、
前記第１の出力信号と前記第１の基準出力信号との間の差の、および前記加熱器への前記適用された電力の関数としての応答性を得ることと、によって測定すること（２２０）と、
―前記基準画素の前記温度が前記センサ画素の温度と実質的に同じになるまで、前記基準画素の冷却期間を適用すること（２３０）と、
―前記センサ画素（１０）の前記温度が前記基準画素（２０）の前記温度と実質的に等しいときに測定された、前記センサ画素（１０）の前記センサ出力信号と前記基準画素（２０）の基準出力信号との差に基づいて、前記測定された応答性を使用して、この差を、前記ＩＲ放射を示す出力信号に変換することによって、前記ＩＲ放射を示す前記出力信号を生成すること（２４０）と、を含む、方法。
前記半導体の前記応答性を測定すること（２２０）が、
前記少なくとも１つの加熱されていないセンサ画素の、または前記加熱されていない付加的な基準画素の第２のセンサ出力信号と、前記基準画素が前記センサ画素または前記付加的な基準画素と実質的に同じ温度であるときの第２の基準出力信号と、を測定することと、
前記第１の出力信号と前記第１の基準出力信号との間の前記差、
前記第２のセンサ出力信号と前記第２の基準出力信号との間の前記差、
および前記加熱器への前記適用された電力、
の関数として、前記少なくとも１つの応答性を得ることと、を含む、請求項１２に記載の方法（２００）。
前記方法が、前記ＩＲ放射を示す前記出力信号を反復的に生成すること（２４０）を含む、請求項１２または１３のいずれかに記載の方法（２００）。
前記方法が、前記半導体デバイスの前記応答性を測定すること（２２０）と、２つの生成された出力信号間の少なくとも１つの基準画素の冷却期間を適用すること（２３０）と、を含む、請求項１４に記載の方法（２００）。