KR19980069873A - 적외선 고체 촬상소자 - Google Patents

적외선 고체 촬상소자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 높은 개구율을 달성할 수 있는 화소의 구조를 가지며, 고감도화된 2차원 적외선 고체 촬상소자를 제공하는 것을 목적으로 하며, 이를 해결하기 위해서 본 발명의 2차원 적외선 고체 촬상소자는, 열형 광검출기와, 입사 적외선에 의한 상기 열형 광검출기의 특성변화를 검출하는 수단이 집적되어 이루어진 온도검출기구가, 반도체 기판상에 각 화소마다 2차원으로 배열된 2차원 적외선 고체 촬상소자에 있어서, 상기 각 화소마다 상기 반도체 기판으로의 열 유출을 제어하는 열저항이 큰 재료로 이루어진 지지다리에 의해서 지탱되고 있으며, 또한 온도검출소자를 포함하는 온도검출부와, 상기 온도검출부와 적어도 1개의 접합기둥으로 결합된 적외선 흡수부를 상기 반도체 기판상에 설치하여 이루어진다.

Description

적외선 고체 촬상소자
본 발명은 열형 광검출기를 사용한 2차원 적외선 고체 촬상소자에 관한 것이다.
(종래기술)
열형 광검출기란, 적외선이 조사되면, 적외선을 흡수하여 온도가 상승하고, 동시에 온도변화를 검출하는 것이다. 도 21은, 온도로 저항값이 변화하는 볼로미터(bolometer)박막을 사용한 종래의 열형 광검출기를 사용한 2차원 고체 촬상소자의 1 개의 화소의 구조를 나타내는 사시설명도이다. 도면에서 부호 901은 예를들면 실리콘 등의 반도체로 이루어진 실리콘 기판이고 부호 910은, 실리콘 기판으로부터 공간을 두고 설치된 적외선 검출기부(이하, 검출기부라고 칭함)이고, 부호 911은 적외선 검출기부위에 형성된 볼로미터 박막이고, 부호 921 및 922는, 적외선 검출기부(910)를 실리콘 기판으로부터 뜨게하여 들어올리기 위한 지지다리이고, 부호 931 및 932는, 볼로미터 박막에 전류를 흘리기 위한 금속배선이고, 부호 940은, 금속배선(931 및 932)과 볼로미터 박막(911)을 통해서 흐르는 전류의 온, 오프를 행하는 스위치 트랜지스터이고, 부호 950은 금속배선(932)에 접속된 신호선이고, 부호 960은, 스위치 트랜지스터의 온, 오프를 제어하기 위한 제어 클록선이고, 부호 970은, 검출기부와 광학적 공진구조를 만들어 검출기부(910)에서의 적외선의 흡수를 증대시키기 위한 금속반사막이다.
도 22는, 도 21에 나타낸 구조의 종래의 2차원 고체 촬상소자의 전류경로를 따른 단면구조를 나타내는 단면 설명도이고, 도 22에 있어서, 도 21에 나타낸 요소와 같은 요소에는 동일 부호를 붙이며(이하의 도면에서도 동일), 부호 980은 절연막이고, 990은 공동부이며, 부호 930 및 933은 절연막이고, 부호 926 및 927은 콘택부이고, 본 발명에 직접 관계가 없는 스위치 트랜지스터, 신호선, 제어클럭선 등은 생략되어 있다. 상술한 바와 같이 검출기부(910)의 위에는 볼로미터 박막이 형성되어 있고, 볼로미터 박막에는 금속배선(931 및 932)이 접속되고, 콘택부(926 및 927)를 통해서 실리콘 기판상에 형성된(도시생략)신호판독회로와 접속하고 있다. 이 볼로미터 박막(911)과 금속배선(931 및 932)은, 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막 등으로 이루어진 절연막(930 및 933)에 의해서 덮어져 있고, 이 절연막(930 및 933)이 검출기부(910)와 지지다리(921 및 922)의 기계적구조를 형성하고 있다. 절연막(980)은 실리콘 기판(901)상에 형성된 신호판독회로와 금속배선(931 및 932)을 절연하기 위한 절연막이고, 이 절연막(980)위의 금속반사막(970)위에 공동부(990)를 통해 검출기부(910)가 배치되어 있다. 금속반사막(970)의 표면에는 별도의 절연막이 형성되는 경우도 있다.
다음에 이 열형 광검출기를 사용한 2차원 적외선 고체 촬상소자의 동작에 대하여 설명한다. 적외선은 검출기부(910)가 존재하는 측에서 입사하여, 검출기부(910)로 흡수된다. 입사한 적외선은, 금속반사막(970)의 존재에 의해 금속반사막(970)의 위치가 마디가 되도록 정재파가 가능하기 때문에, 검출기부와 금속산화반사막의 간격을 잘 설정함에 의하여 검출기부(910)에 있어서의 흡수를 증대시킬 수 있다. 검출기부(910)에서 흡수된 적외선의 에너지는 열로 변환되고, 검출기부(910)의 온도를 상승시킨다. 온도상승은 입사하는 적외선의 량에 의존(입사하는 적외선의 량은 촬상대상물의 온도와 방사율에 의존)한다. 온도상승의 량은 볼로미터 박막의 저항값의 변화를 측정하는 것으로 알 수 있기 때문에, 촬상대상물이 방사하고 있는 적외선의 량을 볼로미터의 저항값의 변화로부터 아는 것이 가능하다.
볼로미터 박막의 저항온도계수가 동일하면, 검출기부의 온도상승이 클 수록 같은 량의 적외선입사로 얻어진 저항변화가 커져, 감도가 높게 되지만, 온도상승을 높게하기 위해서는 검출기부(910)로부터 실리콘 기판(901)으로 빠져나가는 열을 될 수 있는 한 작게 하는 것이 효과적이고, 이 때문에 지지다리(921 및 922)는 열저항을 될 수 있는 한 크게하도록 설계된다. 또한, 촬상소자의 프레임 시간에 비교하여 검출기부(910)의 온도시정수가 짧게 되도록 검출기부(910)의 열용량을 작게 하는 것도 중요하다.
적외선은 화소내에 전체로 입사하지만, 검출기부(910)의 온도상승에 기여하는 것은 검출기부(910)의 부분에 입사한 것만(약간은 검출기부(910)에 가까운 지지다리에 입사한 적외선도 유효하지만)이고, 이것 이외의 영역에 입사한 적외선은 무효로 되어 버린다. 이 때문에, 감도를 높게하기 위해서는 개구율(화소면적에 대한 검출기부의 면적의 비율)을 크게하는 것도 유효하다는 것은 용이하게 이해할 수 있다.
도 21 및 도 22에 나타내는 종래의 구조에서는 검출기부(910)는 적어도 지지다리(921 및 922)및 이 지지다리와 실리콘 기판상에 형성된 판독회로를 접속하는 콘택부분을 제외한 영역에 형성하지 않으면 안되기 때문에, 개구율은 이 지지다리와 콘택부분 및 이것들의 부분과 검출기부(910)의 간격여유의 설계에 따른 제약을 받고있어 고감도화를 저해하고 있었다.
또한, 이 문제는 화소가 작게 될수록 현저하게 되고, 감도를 유지한 채로 작은 화소를 사용하여 고해상도화하여 가는 것을 어렵게 하고 있었다.
본 발명은 상술한 바와 문제점을 해소하기 위해서 행해진 것으로서, 신호판독회로와 동일기판상에 열형 광검출기를 형성하는 2차원 적외선 고체 촬상소자에 있어서, 단열구조를 형성하는 지지다리나 금속배선, 콘택부등의 설계에 의존하지 않고 높은 개구율을 달성할 수 있는 화소의 구조를 가지며, 고감도화된 2차원 적외선 고체 촬상소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
(과제를 해결하기 위한 수단)
본 발명에 관계되는 열형 광검출기를 사용한 2차원 적외선 고체 촬상소자는, 적외선 흡수부와 온도검출부를 별개의 구조로서 형성하기 때문에, 적외선 흡수부와 온도검출부의 설계를 독립하여 행하는 것이 가능하고, 실효적으로 개구율을 정하는 적외선 흡수부의 면적을 크게할 수 있어 고감도화에 유효하다.
본 발명에 관계되는 2차원 적외선 고체 촬상소자는, 열형 광검출기와, 입사 적외선에 의한 상기 열형 광검출기의 특성변화를 검출하는 수단이 집적되어 이루어진 온도검출기구가, 반도체 기판상에 각 화소마다 2차원으로 배열된 2차원 적외선 고체 촬상소자에 있어서, 상기 각 화소마다, 상기 반도체 기판으로의 열의 유출을 제어하는 열저항이 큰 재료로 이루어진 지지다리에 의해서 지탱되고 있고 또한 온도검출소자를 포함하는 온도검출부와, 해당 온도검출부와 적어도 1 개의 접합기둥으로 결합된 적외선 흡수부를 상기 반도체 기판상에 설치하고 있다.
상기 온도검출부가, 상기 반도체 기판중에 형성된 공동부의 위에 설치되어 이루어진 것이 열저항을 크게하는 점에서 바람직하다.
상기 공동부 주위의 상기 반도체 기판중에, 상기 공동부를 형성할 때에 사용되는 엣첸트(etchant)에 내성이 있는 재료로 이루어진 에칭스톱(etching stop)층이 설치되어 이루어진 것이 기판의 불필요한 에칭의 감소와 제조공정선택일 때의 자유도 확대의 점에서 바람직하다.
본 발명에 관계되는 2차원 적외선 고체 촬상소자의 제조법은,
a) 반도체 기판상에 신호판독회로를 형성한 후, 절연막, 콘택부를 형성하고, 또한 금속배선 및 온도검출소자를 형성하여 보호절연막으로 전체를 덮는 공정,
b) 상기 보호절연막 위에 희생층을 형성하고, 해당 희생층 중, 나중에 접합기둥을 형성하는 영역을 사진제판기술로 제거한 후, 제거한 부분에 상기 접합기둥이 되는 재료를 매설하는 공정,
c) 상기 희생층 및 상기 접합기둥의 위에 적외선 흡수부가 되는 박막을 형성하고, 각 화소마다 적외선 흡수부가 분리되도록 패터닝하는 공정,
d) 상기 희생층을 에칭하여 제거하는 공정, 및
e) 상기 실리콘 기판을 에칭하여, 해당 실리콘 기판중에 공동부를 형성하는 공정으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명의 한 실시형태에 관계되는 열형 광검출기를 사용한 2차원 적외선 고체 촬상소자의 화소의 단면 설명도.
도 2는 본 발명의 한 실시형태에 관계되는 열형 광검출기를 사용한 2차원 적외선 고체 촬상소자의 화소의 적외선 흡수부를 제외한 평면 설명도.
도 3은 본 발명의 한 실시형태에 관계되는 열형 광검출기를 사용한 2차원 적외선 고체 촬상소자의 화소의 배열상태를 나타내는 평면 설명도.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 한 실시형태에 관계되는 열형 광검출기를 사용한 2차원 적외선 고체 촬상소자의 화소의 공정단면 설명도.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 한 실시형태에 관계되는 열형 광검출기를 사용한 2차원 적외선 고체 촬상소자의 화소의 공정단면 설명도.
도 6은 본 발명의 또다른 실시형태에 관계되는 열형 광검출기를 사용한 2차원 적외선 고체 촬상소자의 화소의 단면 설명도.
도 7은 본 발명의 또다른 실시형태에 관계되는 열형 광검출기를 사용한 2차원 적외선 고체 촬상소자의 화소의 단면 설명도.
도 8은 본 발명의 또다른 실시형태에 관계되는 열형 광검출기를 사용한 2차원 적외선 고체 촬상소자의 화소의 단면 설명도.
도 9는 본 발명의 또다른 실시형태에 관계되는 열형 광검출기를 사용한 2차원 적외선 고체 촬상소자의 화소의 단면 설명도.
도 10은 본 발명의 또다른 실시형태에 관계되는 열형 광검출기를 사용한 2차원 적외선 고체 촬상소자의 화소의 단면 설명도.
도 11은 본 발명의 또다른 실시형태에 관계되는 열형 광검출기를 사용한 2차원 적외선 고체 촬상소자의 화소의 단면 설명도.
도 12는 본 발명의 또다른 실시형태에 관계되는 열형 광검출기를 사용한 2차원 적외선 고체 촬상소자의 화소의 단면 설명도.
도 13은 본 발명의 또다른 실시형태에 관계되는 열형 광검출기를 사용한 2차원 적외선 고체 촬상소자의 화소의 단면 설명도.
도 14는 본 발명의 또다른 실시형태에 관계되는 열형 광검출기를 사용한 2차원 적외선 고체 촬상소자의 화소의 단면 설명도.
도 15는 본 발명의 또다른 실시형태에 관계되는 열형 광검출기를 사용한 2차원 적외선 고체 촬상소자의 화소의 단면 설명도.
도 16은 본 발명의 또다른 실시형태에 관계되는 열형 광검출기를 사용한 2차원 적외선 고체 촬상소자의 화소의 단면 설명도.
도 17은 본 발명의 또다른 실시형태에 관계되는 열형 광검출기를 사용한 2차원 적외선 고체 촬상소자의 화소의 단면 설명도.
도 18은 본 발명의 또다른 실시형태에 관계되는 열형 광검출기를 사용한 2차원 적외선 고체 촬상소자의 화소의 단면 설명도.
도 19는 본 발명의 또다른 실시형태에 관계되는 열형 광검출기를 사용한 2차원 적외선 고체 촬상소자의 화소의 단면 설명도.
도 20은 본 발명의 또다른 실시형태에 관계되는 열형 광검출기를 사용한 2차원 적외선 고체 촬상소자의 화소의 단면 설명도.
도 21은 종래의 열형 광검출기를 사용한 2차원 적외선 고체 촬상소자의 화소의 구조를 나타내는 사시 설명도.
도 22는 종래의 열형 광검출기를 사용한 2차원 적외선 고체 촬상소자의 화소의 구조를 나타내는 단면 설명도.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ※
1,2,3,4: 실리콘 기판 11,12,711: 볼로미터 박막
21,22,721,722: 지지다리 31,32,731,732: 금속배선
100,110,750,760: 절연막 121 내지 126,771,772: 콘택부
130 내지 137,330,331,332,333,335,336,340: 적외선 흡수부
140 내지 147,441: 접합기둥 150,350,355,356: 금속 반사막
160,360,365,366: 금속적외선 흡수막 170: 희생층
180: 에칭홀 190: 에칭스톱층
200,201,202: 공동부 300: 온도검출부
400: 신호 판독회로 500: 신호선
1000 내지 1007: 화소
이하, 본 발명의 실시형태를 첨부도를 참조하면서 설명한다.
(실시형태 1)
도 1은, 본 발명의 실시형태 1에 관계되는 열형 광검출기를 사용한 2차원 적외선 고체 촬상소자의 1 개의 화소의 전류경로을 따른 단면구조를 나타내는 단면 설명도이다. 도면에서 간단하게 하기위해 본 발명과 직접 관계가 없는, 실리콘 기판(1)상에 설치된 신호판독회로는 생략되어 있다. 도 1에 있어서, 부호 1은 반도체 기판으로서의 실리콘 기판이고, 부호 11은 온도변화를 검출하는 온도검출소자로서의 볼로미터 박막이다. 부호 21 및 22는 지지다리이고, 이 지지다리는 실리콘 기판(1)의 안에 형성한 공동부(200)의 위에 있고, 또한, 볼로미터 박막을 포함하는 온도검출부(300)를 띄우고 있다. 부호 31 및 32는 금속배선이고, 이 금속배선은 예를들면 알루미늄, 티타늄, 텅스텐 및 질화티타늄 등으로 이루어지고, 볼로미터 박막(11)과 판독회로를 접속하고 있다. 부호 100은 절연막(보호절연막)이고, 부호 110은 절연막이고, 이 2 개의 절연막은, 실리콘 기판으로의 열의 유출을 제어하는 열저항이 큰 재료인 실리콘 산화막, 실리콘 질화막 등으로 이루어지고, 또한 상기 2개의 절연막은, 지지다리(21 및 22) 및 온도검출부(300)의 기계적구조를 구성하여 온도검출부를 지탱하고 있다. 부호 121 및 122는, 금속배선(31 및 32)과 신호판독회로를 접속하는 콘택부이고, 알루미늄이나 텅스텐 등을 사용하여 스패터법이나 CVD 법등에 의해 형성할 수 있다. 부호 130은, 적외선을 흡수하여 열로 변환하는 적외선 흡수부이고, 산화실리콘(SiO2)이나 질화실리콘(SiN) 등을 사용하여 CVD 법 등으로 형성할 수 있다. 또한, 적외선 흡수부는, 이들 산화실리콘이나 질화실리콘의 적층막으로서 구성하는 것도 가능하다. 부호 140은 접합기둥이고, 이 접합기둥은, 적외선 흡수부를 온도검출부(300)로부터 떼어 유지함과 동시에 적외선 흡수부(130)와 온도검출부(300)를 열적으로 결합하고 있고, 산화실리콘이나 질화실리콘 등을 사용하여 CVD 법등으로 형성할 수 있다. 또한, 접합기둥은, 이 들 산화실리콘이나 질화실리콘의 적층막으로서 구성하는 것도 가능하다. 부호 200은 실리콘 기판(1)의 속에 형성한 공동부이고, 부호 300은 온도검출부이다. 여기에서, 열형 광검출기는, 종래와 같이, 적외선이 조사되면 적외선을 흡수하여, 온도가 상승하며, 동시에 온도변화를 검출하는 것이고, 본 발명에 있어서는 적외선 흡수부와 온도검출소자로 구성된다. 온도검출소자는, 입사 적외선에 의해서 적외선 흡수부에 생기는 온도변화가 접합기둥을 통해 전달되고, 예를들면 전기저항의 변화 등의 특성변화가 검출되는 것에 따라서 온도변화를 검출하는 것이다. 온도검출소자에 생긴 특성변화를 검출하는 수단은, 금속배선, 신호판독회로 및 콘택부로 이루어진다. 본 발명에 있어서는, 온도검출소자로서 사용되는 재료에는, 볼로미터 박막, 초전효과를 가지는 강유전체 또는 서모파일 등을 들 수 있다. 여기서, 볼로미터 박막의 예로서는, 산화바나듐, 폴리실리콘, 비정질 실리콘 등을 들 수 있다. 또한, 초전효과를 가지는 강유전체의 예로서는 티타늄산 지르콘산 납(PZT), 티탄산납(PT) 및 티탄산바륨·스트론튬(BST)을 들 수 있다. 또한, 서모파일의 재료의 예로서는, p 형 폴리실리콘과 n 형 폴리실리콘의 접합이나, 폴리실리콘과 알루미늄의 접합 등을 들 수 있다. 또한, 본 발명에 관계되는 2차원 적외선 고체 촬상소자에 있어서는, 상기 열형 광검출기와, 상기 입사 적외선에 의한 열형 광검출기의 특성변화를 검출하는 수단이 집적되어 온도검출기구를 구성하고 있고, 해당 온도검출기구가 실리콘 기판상에서 각 화소마다 2차원으로 배열된다.
도 2는, 도 1에 나타낸 구조의 2차원 적외선 고체 촬상소자의 1개의 화소의 적외선 흡수부(130)를 제외한 부분의 평면레이아웃을 나타내는 평면설명도이다. 도 2에 있어서, 부호 1000은 1개의 화소전체를 나타내고 있고, 부호 400은, 화소부분에 설치한 MOS 트랜지스터 다이오드 등으로 이루어진 신호판독회로의 일부이고, 부호 500은 신호를 판독하기 위한 신호선이고, 부호 600은 신호판독회로(400)를 제어하는 제어클럭펄스라인이고, 부호 33은 신호판독회로(400)와 제어클럭버스라인(600)을 접속하는 금속배선이고, 부호 123 및 124는, 금속배선(33)과 신호판독회로(400)와 제어클럭버스라인(600)을 접속하는 콘택부이다. 그 밖의 부분은 도 1에 나타낸 부호와 같은 부호는 동일한 것을 나타내고 있다.
본 발명에 관계되는 2차원 적외선 고체 촬상소자에서는, 입사 적외선에 의한 열형 광검출기의 특성변화를 검출하는 수단은, 상술한 바와 같이 금속배선, 신호판독회로 및 콘택부로 이루어지지만, 상기 수단과 열형 광검출기가 집적되어 각 화소에 설치되고, 반도체 기판으로서의 실리콘 기판상에 각 화소마다 2차원으로 배열된다. 온도검출부(300)는, 2개의 절연막(100 및 110) 및 볼로미터 박막(11)으로 이루어지고, 해당 볼로미터 박막은, 그 상층에 절연막(100) 및 하층에 절연막(110)을 배치한 구성에 의해서 기계적 구조체로서 지탱되고 있다. 또한 온도검출부는 절연막(100) 상에 접합기둥이 형성되어 있고, 해당 접합기둥을 통해 적외선 흡수부(130)로부터의 열을 받고, 해당 열에 의한 볼로미터 박막의 저항변화는, 금속배선(31) 및 콘택부(121)를 통한 신호선(500)과, 금속배선(32) 및 콘택부(122)를 통한 신호판독회로(400)와의 사이에서 생긴다. 지지다리(21)는 2 개의 절연막(100 및 110)이 금속배선(31)을 낀 형태의 기계적 구조체로 되며, 또한, 지지다리(22)도 지지다리(21)와 같은 기계적 구조체로 되어 있고, 예를들면 각각 두께 수백 nm의 절연막이 폭 1 내지 3 μm 정도, 두께의 합계가 1 μm 정도라는 형상으로 형성되어 있다. 이와 같이 하여 2 개의 지지다리(21 및 22)가, 온도검출부(300) 및 금속배선(31 및 32)을 지지하고 있고, 공동부(200) 상에서 뜨게 한 구조로 되어있다. 2개의 절연막(100 및 110)으로 이루어진 지지다리(21 및 22)가 지탱하는 기계적 구조체로서의 온도검출부(300)는, 볼로미터 박막(11), 지지기둥(140) 및 지지기둥(140)에 의해서 지탱되는 적외선 흡수부를 지지하고 있다. 또한, 지지다리(21 및 22)는, 상술한 것같이, 실리콘 기판으로의 열의 유출을 제어하는 열저항이 큰 재료로 이루어진 절연막에 의하여 구성되어 있지만, 또한 열저항을 크게하기 위해서 도 1에 나타낸 바와 같이 금속배선(31 및 32)과 동시에 지그재그로 하여 길이를 늘리는 것이 바람직하다.
도 3은, 도 1 및 도 2에 나타낸 화소를 실리콘 기판(도시생략) 상에 복수개 배열한 상태를 나타낸 평면설명도이고, 간단히 하기 위해 2×4개의 화소의 배열 및, 인접하는 4 개의 적외선 흡수부의 각각의 일부를 나타내고 있다. 도 3에 있어서, 파선으로 나타낸 장방형의 부분(1000 내지 1007)은 각각, 도 2에서 부호 1000으로 나타낸 화소와 같은 화소를 나타내고 있고, 화소의 내용물의 구조는, 실선으로 나타낸 접합기둥(140 내지 147) 이외는 생략하여 나타내고 있다. 또한, 도 3에 있어서, 실선으로 나타낸 장방형의 부분(130 내지 137)은, 도 1에서 부호 130으로 나타낸 적외선 흡수부이고, 해당 적외선 흡수부는, 접합기둥(140 내지 147)에 의해 실리콘 기판과는 떨어져 지지되어 있다. 실리콘 기판면에 형성된 화소(1000 내지 1007)와 적외선 흡수부(130 내지 137)는, 평면적으로 보아 겹치는 동일영역에 형성되어질 필요는 없고, 도면에 나타낸 바와 같이 어긋나 있어도 상관없다. 도면에서 분명한 것같이 적외선 흡수부(130 내지 137)의 각각의 면적은 화소면적으로부터 적외선 수광소자간의 약간의 간격을 제외한 면적이 되고있고, 이 부분의 개구율은 매우 커지고 있다. 따라서, 종래는 적외선 흡수부와, 온도검출부가 일체이기 때문에, 적외선 흡수부의 면적을 크게 할 수 없는 제약이 있었지만, 본 발명에 의해, 적외선 흡수부의 면적을 크게할 수 있었다.
다음에 본 발명에 의한 열형 광검출기를 사용한 2차원 적외선 고체 촬상소자의 화소의 동작에 대하여 설명한다. 적외선은 적외선 흡수부(130)측에서 입사한다. 입사한 적외선은 적외선 흡수부(130)로 흡수되고, 적외선 흡수부(130)의 온도를 상승시킨다. 적외선 흡수부(130)의 온도변화는 접합기둥(140)을 통해서 온도검출부(300)에 전달되고, 온도검출부(300)의 온도를 상승시킨다. 접합기둥(140)의 열저항은 지지다리(21,22)의 열저항에 비교하여, 보다 작게 설계되어 있고, 온도검출부(300), 접합기둥(140), 적외선 흡수부(130)의 3 개의 구조체를 합계한 열용량과, 지지다리(21,22)의 열저항으로 결정되는 시정수는, 프레임시간(1 화면분에 상당하는 신호를 모두 판독하는데 요하는 시간 또는, 고체 촬상소자의 전체 화소의 신호를 판독하는데 요하는 시간) 보다도 짧게 되도록 설계되어 있기 때문에, 온도검출부(300)의 온도상승은 적외선 흡수부(130)의 온도상승과 거의 동일하게 된다. 따라서, 실효적인 개구율은 적외선 흡수부(130)의 면적으로 결정되어 있기 때문에, 앞에서 서술하여 설명한 바와 같이 개구율을 매우 크게 할 수 있다.
다음에, 이 실시형태에 관계되는 구조의 2차원 적외선 고체 촬상소자의 제조법에 대하여 설명한다. 도 4a 내지 도 5b는, 본 실시형태에 관계되는 2차원 적외선 고체 촬상소자의 1 개의 화소에 대하여 본 공정단면 설명도이다. 도 4a에서는, 실리콘 기판(1)의 위에 신호판독회로(도시하지 않고 있다)를 형성한 후, 절연막(110), 콘택부(121 및 122)를 형성한 후, 금속배선(31 및 32) 및 볼로미터 박막(11)을 형성하고, 마지막에 절연막(보호절연막: 100)으로 표면을 덮은 상태를 나타내고 있다. 여기까지의 구조는 통상의 반도체 제조 프로세스에서 사용되는 기술을 이용하여 용이하게 만들 수 있다.
도 4b에서는, 도 4a의 구조의 위에, 후의 공정에서 제거하는 희생층(170)을 형성하고, 희생층(170) 중 접합기둥을 형성하는 부분을 사진제판기술로 제거하여, 접합기둥이 되는 재료로 제거한 부분을 매설하고 있다. 희생층에 사용되는 재료는, 접합기둥을 형성하는 데에 있어서, 접합기둥을 에칭하기 어려운 엣첸트로 용이하게 에칭할 수 있으면 어느것이나 좋고, 예를들면 희생층이 폴리실리콘의 경우라면, 산화실리콘(SiO2) 등을 들 수 있다. 또한, 희생층의 두께는, 1 내지 2 μm 정도이다. 이 공정에서는 최표면이 평활하게 되도록 에치백 기술 등으로 평탄화하는 것이 바람직하다. 희생층을 형성하기 전에, 나중에 실리콘 기판을 에칭하여 기판내에 공동부(200)을 형성하기 위한 에칭창을 사진제판으로 절연막(100,110)을 부분적으로 제거하여 형성해 둔다.
도 4c에서는, 적외선 흡수부(130)가 되는 박막을 도 4b의 구조의 위에 형성하고, 도 2에 나타내는 평면레이아웃과 같이 각 화소마다의 적외선 흡수부가 분리되도록 패터닝된다.
도 5a는, 적외선 흡수부(130)의 주변의 개구부분으로부터 희생층(170)을 에칭하여 적외선 흡수부(130)의 아래를, 접합기둥(140)을 남겨 실리콘 기판(1)으로부터 띄운 상태를 나타내고 있다.
도 5b는, 도 1과 같은, 최후의 공정에서의 본 발명에 관계되는 2차원 적외선 고체 촬상소자의 1개의 화소구조를 나타내고 있고, 이것보다 이전의 공정에서 도 4b의 공정에서 설명한 실리콘 기판의 에칭홀부분의 실리콘이 노출하기 때문에, 이 부분에서 실리콘 기판을 에칭하고, 실리콘 기판중에 공동부(200)를 형성한 상태를 나타내고 있다. 실리콘의 에칭은 수산화칼륨(KOH)이나, 수산화 테트라메틸 암모늄(Tetramethyl ammonium hydroxide, 생략하여 TMAH) 등의 액을 사용하는 것에 의해, (111) 결정면이 표면에 노출하면 에칭속도가 느리게 되어, 이방성에칭이 가능하다. 따라서, 일반적으로 MOS 반도체소자나 CMOS 반도체소자에 사용되는 (100) 결정면을 가진 실리콘 기판을 사용하는 것으로 공동부의 표면형상을 일정한 크기로부터 크게 넓히는 일없이 도면과 같은 단면형상의 공동부를 만들 수 있다.
본 실시형태에서는 접합기둥이 1개인 경우를 설명하였지만, 접합기둥은 복수라도 좋다. 이 사정은 이하에 나타내는 모든 실시형태에 대하여 공통으로 언급되는 것이다.
또한, 평면적으로 본 경우의 접합기둥의 위치는 임의이지만, 기계구조적으로 적외선 흡수부를 지탱하는 것이 가능하고, 적외선 흡수부에 큰 온도분포를 생기게 하지 않은 위치가 바람직하다. 이 조건을 만족하는 접합기둥의 위치로서는 적외선 흡수부의 중심에 인접한 위치의 아래가 알맞다. 이 사정은 이하에 나타내는 모든 실시형태에 대하여 공통으로 적용되는 것이다.
또한, 접합기둥은 굵기 수 μm 각정도의 크기로 형성되지만, 형상은 임의이고, 적외선 흡수부의 온도와 온도검출부의 온도에 큰 차이를 생기게 하지 않기 때문에 온도검출부와 실리콘 기판을 열적으로 접속하는 지지다리의 열저항과 비교하여 충분히 작은 열저항을 갖도록 설계할 필요가 있다. 이 사정은 이하에 나타내는 모든 실시형태에 대하여 공통으로 적용되는 것이다.
(실시형태 2)
도 6은, 본 발명에 이러한 열형 광검출기를 사용한 2차원 적외선 고체 촬상소자의 다른 실시형태를 나타내는 1개의 화소의 단면구조를 나타내는 단면 설명도이다. 도면에 있어서, 부호 150은 반사막으로서의 금속반사막이고, 부호 160은 금속적외선 흡수막이다. 이 구조에서는 적외선 흡수부(130)하에 얇은 금속반사막(150)을, 위에 매우 얇은 금속적외선 흡수막(160)을 설치하여, 3층구조의 적외선 흡수부로서 광학적 공진구조를 형성하고 있다. 또는, 도시하지 않고 있지만, 금속반사막(150)을 적외선 흡수부(130) 하에 설치하여 2층으로 이루어진 적외선 흡수구조로 하는 것도 가능하다. 본 실시예의 형태에 의하면, 도 1에 나타낸 구조의 화소와 비교하여 적외선의 흡수를 보다 효율적으로 행할 수 있다. 금속반사막(150)은, 예를들면 알루미늄 등으로 이루어지고, 두께는 수백 nm이다. 금속적외선 흡수막(160)은, 예를들면 니켈크롬합금 등으로 이루어지고, 두께는 수 nm이고, 시트저항이 377Ω 정도가 되는 것이 바람직하다. 도시하지 않고 있지만, 금속반사막(150) 아래에 또한 층간 절연막으로서의 다른 절연막을 형성하여도 좋다. 또한, 금속반사막(150)의 아래 및 금속적외선 흡수막(160)의 위에 또한 층간절연막으로서 다른 절연막을 형성하여도 좋다. 다른 절연막은 희생층 에칭시에 금속반사막(150)를 보호하는 기능을 가지는 것이 알맞고, 예를들면 산화실리콘(SiO2) 등을 들 수 있다. 또한, 이러한 2층구조의 적외선 흡수구조, 또는 3층구조의 광학적 공진구조에 의한 적외선의 흡수구조를 설치하는 위치는 적외선 흡수부의 일부만이라도 상관없다. 적외선 흡수부에 적외선 흡수구조 또는 광학적 공진구조를 설치하는 것 이외는, 실시형태 1과 같다.
도 22에 나타낸 종래예에서도 반사막(970)에 의해 광학적 공진구조를 형성하고 있다. 광학적 공진구조의 효과는 반사막과 흡수체와의 거리에 의존하지만, 종래 방식으로서는 이 거리가 금속반사막(970)과 적외선 검출기부(910)와의 사이의 거리가 되어, 지지다리 등이 막의 내부응력으로 변형할 가능성이 있고, 광학적 공진구조에 의한 적외선 흡수의 효과를 제어하는 것은 어려운데 대하여, 도 6에 나타내는 구조에서는 광학적 공진구조에 의한 적외선 흡수의 효과는 적외선 흡수부(130)의 막두께와 금속적외선 흡수막(160)의 막두께만으로 가능하기 때문에 상기 효과를 제어하기 쉽다.
(실시형태 3)
도 7은 본 발명의 다른 실시형태에 관계되는 열형 광검출기를 사용한 2차원 적외선 고체 촬상소자의 1개의 화소의 단면구조를 나타내는 단면 설명도이다. 도 7에서, 부호 330은, 실시형태 1에 있어서의 접합기둥이 적외선 흡수부와 동일구성부재로 일체로 형성되어 이루어진 적외선 흡수부이다. 이 실시형태에서는 도 1에 나타낸 접합기둥(140)의 대신에 적외선 흡수부와 온도검출부와의 접합을, 적외선 흡수부(330)로서 일체로 형성된 일체구조에 따라서 구성하고 있다. 접합기둥을, 적외선 흡수부와의 일체구조로 한 것 이외는, 실시형태 1과 같다.
또한, 도 8은, 도 7에 나타낸 적외선 흡수부(330)의 일부를 제거한 실시형태를 나타내는 단면 설명도이다. 도면에 있어서, 부호 340은, 실시형태 2에 있어서의 적외선 흡수부(330) 중의 일부, 즉 온도검출부에 접하는 부분(온도검출부의 중앙부근)이 제거된 적외선 흡수부이다. 제거하는 방법으로서는, 사진제판법으로 제거할 수 있다. 이 구조에서는 도 8에 도시한 바와 같이 온도검출부(300)에 접한 적외선 흡수부의 일부를 제거하였기 때문에 적외선 흡수부의 열용량이 감소하는 것이 가능하였다.
(실시형태 4)
도 9는, 본 발명의 다른 실시형태에 관계되는 열형 광검출기를 사용한 2차원 적외선 고체 촬상소자의 1개의 화소의 단면구조를 나타내는 단면 설명도이다. 도 8에 있어서, 부호 331은 적외선 흡수부이고, 부호 350은 금속반사막, 360은 금속적외선 흡수막이다. 금속반사막 및 금속적외선 흡수막에는, 실시형태 2 및 3에 나타낸 것과 같은 것을 사용할 수 있다. 이 실시형태 4에서는 실시형태 2에 있어서의 적외선 흡수부(130), 금속반사막(150) 및 금속적외선 흡수막(160)과 온도검출부(300)와의 접합을, 도 6에 나타낸 접합기둥(140)의 대신에, 적외선 흡수부, 금속반사막 및 금속적외선 흡수막을 사용하여, 일체로 형성한 일체구조로서 구성한 것이다. 즉, 접합기둥의 적어도 일부가 적외선 흡수부와 동일한 재료로 형성되어 있다. 이와 같이, 적외선 흡수부에 광학적 공진구조를 설치함과 동시에 접합기둥을, 적외선 흡수부와 광학적 공진구조와의 일체구조로서 구성한 것 이외는 실시형태 1 내지 3과 같다. 이와 같이 적외선 흡수부(331), 금속반사막(350) 및 금속적외선 흡수막(360)을 일체구조로 형성하기 위해서는, CVD 법 또는 스패터법으로 형성할 수 있다. 이 구조에 있어서도 실시형태 3의 경우와 동일하게 온도검출부(300)에 접한 적외선 흡수부(331), 금속반사막(350) 및 금속적외선 흡수막(360)의 일부를 제거한 구조로 하여, 온도검출부 중앙부근을 드러내게 하는 것도 가능하다. 또한, 도시하지 않고 있지만, 금속반사막(350)의 아래 및 금속적외선 흡수막(360)의 위에 다른 절연막(층간절연막)을 형성하여도 좋다. 또한, 이러한 3층구조의 광학적 공진구조에 의한 적외선의 흡수구조를 설치하는 위치는 실시형태 2의 경우와 마찬가지로 적외선 흡수부의 일부만이라도 상관없다.
(실시형태 5)
도 10은, 실시형태 2에 있어서의 접합기둥의 재료를 변경한 2차원 적외선 고체 촬상소자의 1개의 화소의 단면구조를 나타내는 단면 설명도이다. 도 10에 있어서, 부호 335는 적외선 흡수부이고, 부호 355는 금속반사막, 365는 금속적외선 흡수막으로, 접합기둥이 금속반사막(355)과 일체구조로서 일체로 형성되어있다. 이 경우 금속반사막(355)은, 적외선 흡수부를 지지하는 데 필요한 강도를 얻기위해서 사용되는 재료는 알루미늄이 바람직하고, 또한, 지지기둥으로서의 치수는, 굵기 수 μm, 길이 1 내지 2 μm가 바람직하다. 본 실시형태에 있어서, 금속반사막을, 접합기둥과 일체구조로서 형성하기 위해서는, 희생층 중, 접합기둥을 형성하는 부분을 사진제판기술로 제거하고, 이 제거한 부분을, 금속반사막을 형성하는 재료 즉, 알루미늄으로 매설한 후, 이어서 금속반사막을 형성하면 된다. 이와 같이 형성하는 것에 따서 제조공정을 간략화할 수 있다.
(실시형태 6)
도 11은, 실시형태 4에 있어서의 접합기둥의 형상을 변경하여, 금속반사막이 적외선 흡수부의 아래만 설치되는 구조로 한 2차원 적외선 고체 촬상소자의 1개의 화소의 단면구조를 나타내는 단면 설명도이다. 도 11에 있어서, 부호 336은 적외선 흡수부이고, 부호 356은 금속반사막, 366은 금속적외선 흡수막이고, 접합기둥이, 적외선 흡수부 및 금속적외선 흡수막과 동일구성부재로 형성되어 있다. 즉, 접합기둥의 적어도 일부가 적외선 흡수부와 동일구성부재로 형성되어 있다. 이 경우, 적외선 흡수부를 지지하는 데 필요한 강도를 얻기 위하여 적외선 흡수부에 사용되는 재료는 산화실리콘(SiO2) 또는 질화실리콘(SiN) 또는 이 들의 적층막이 바람직하고, 또한, 지지기둥으로서의 치수는, 굵기 수 μm, 길이 1 내지 2 μm가 바람직하다. 본 실시형태에 있어서, 접합기둥을 적외선 흡수부 및 금속적외선 흡수막과 동일구성부재로 형성하기 위해서는, 희생층 중, 접합기둥을 형성하는 부분을 사진제판기술로 제거하고, 제거한 부분 이외의 희생층상에, 금속반사막을 형성한 후, 이 제거한 부분 및 희생층상에 금속반사막 및 금속적외선 흡수막을 형성하면 된다. 이와 같이 형성함으로써 제조공정을 간략화할 수 있다.
(실시형태 7)
도 12는, 본 발명의 다른 실시형태에 관계되는 열형 광검출기를 사용한 2차원 적외선 고체촬상소자의 화소의 1개의 단면구조를 나타내는 단면 설명도이다. 도면에서 간단하게 하기 위해서 본 발명과 직접 관계가 없는, 실리콘 기판상에 설치된 신호판독회로는 생략하고 있다. 도 12에 있어서, 부호 2는 반도체 기판으로서의 실리콘 기판이고, 부호 710은 온도검출부, 711은 온도변화를 검출하는 온도검출소자로서의 볼로미터 박막이다. 부호 721 및 722는 지지다리이고, 이 지지다리는 실리콘 기판(2)의 위에 형성한 공동부(790)의 위에 있고, 또한, 볼로미터 박막을 포함하는 온도검출부(710)를 띄우고 있고, 또한, 온도검출부는 실리콘 기판상에 형성된 판독회로의 상방에 위치하도록 형성되어 있다. 부호 731 및 732는 금속배선이고, 이 금속배선은 볼로미터 박막(711)과 판독회로를 접속하고 있다. 부호 750은 절연막(보호절연막)이고, 부호 760는 절연막이며, 이 2개의 절연막은 열저항이 큰 실리콘 산화막, 실리콘 질화막 등으로 이루어지고, 또한 상기 2개의 절연막은, 지지다리(721 및 722) 및 온도검출부(710)의 기계적 구조를 구성하여 온도검출부를 지탱하고 있다. 부호 771 및 772는, 금속배선(731 및 732)과 신호판독회로를 접속하는 콘택부이고, 부호 130은 적외선을 흡수하여 열로 변환하는 적외선 흡수부이다. 부호 140은 접합기둥이고, 이 접합기둥은, 적외선 흡수부를 온도검출부(710)로부터 분리하여 유지함과 동시에 적외선 흡수부(130)와 온도검출기부(710)를 열적으로 결합하고 있다. 부호 780은 절연막, 부호 790은 실리콘 기판(2)의 위에 형성한 공동부이다. 각각의 부분에 사용되는 재료 및 형성방법 등은 실시형태 1 내지 6과 같다. 여기에서, 입사 적외선에 의한 열형 광검출기의 특성변화를 검출하는 수단은, 금속배선, 신호판독회로 및 콘택부로 이루어진 점은 실시형태 1 내지 6의 경우와 동일하다. 또한, 온도검출부(710)가, 2개의 절연막(750 및 760) 및 아래에 볼로미터 박막(711)으로 이루어지고, 해당 볼로미터 박막은, 그 위에 절연막(750) 및 아래에 절연막(760)을 배치한 구성에 의해서 기계적 구조체로서 지탱되고 있는 점도, 실시형태 1 내지 6의 경우와 동일하다. 이와 같이, 본 실시형태에 관계되는 2차원 적외선 고체 촬상소자는, 도 22에 나타낸 종래의 2차원 적외선 고체 촬상소자의 구조중, 금속반사막(970)을 제외한 구조의 위에 접합기둥(140)을 통해 실시형태 1에 있어서 나타낸 적외선 흡수부(130)를 설치한 구조로 되어 있고, 기타는 실시형태 1 내지 6과 같다. 또한, 이와 같이, 적외선 흡수부 및 접합기둥을 형성하기 위해서는, 실시형태 1의 경우와 같이 행할 수 있다.
(실시형태 8)
도 13은, 본 발명의 다른 실시형태에 관계되는 열형 광검출기를 사용한 2차원 적외선 고체 촬상소자의 1개의 화소의 단면구조를 나타내는 단면 설명도이다. 본 실시형태에 관계되는 2차원 적외선 고체 촬상소자는, 도 22에 나타낸 종래의 2차원 적외선 고체 촬상소자의 구조(금속반사막(970)를 제외한다)의 위에, 도 12에 나타낸 접합기둥(140)의 대신에 적외선 흡수부(130)와 온도검출부(300)의 접합을 적외선 흡수부(130)와 동일구성부재로 일체로 형성된 일체구조의 적외선 흡수부(330)를 설치한 구조로 되어있고, 기타는 실시형태 7와 동일하다. 또한, 이와 같이, 접합기둥을 적외선 흡수부와 일체구조로 형성하기 위해서는, 실시형태 3의 경우와 마찬가지로 행할 수 있다.
(실시형태 9)
도 14는, 본 발명의 다른 실시형태에 관계되는 열형 광검출기를 사용한 2차원 적외선 고체 촬상소자의 1개의 화소의 단면구조를 나타내는 단면 설명도이다. 본 실시형태에 관계되는 2차원 적외선 고체 촬상소자는, 도 22에 나타낸 종래의 2차원 적외선 고체 촬상소자의 구조의 위에 접합기둥(140) 및 해당 접합기둥을 통해 적외선 흡수부(130), 금속반사막(150) 및 금속적외선 흡수막(160)을 설치하여, 3층구조의 적외선 흡수부로서 광학적 공진구조를 형성한 구조로 되어있다. 또는, 도시하지 않고 있지만, 금속반사막(150)을 적외선 흡수부(130)의 아래에 설치하여 2층으로 이루어진 적외선 흡수구조로 하는 것도 가능하다. 이와 같이 적외선 흡수부에 적외선 흡수구조 또는 광학적 공진구조를 설치한 것 이외는 실시형태 6과 같다. 또한, 도시하지 않고 있지만, 적외선 흡수구조의 금속반사막(150) 아래에 다른 절연막을 형성하여도 좋고, 또한, 광학적 공진구조의 금속반사막(150)의 아래 및 금속적외선 흡수막(160)의 위에 다른 절연막을 형성하여도 좋다. 또한, 이러한 2층구조의 적외선 흡수구조 또는 3층구조의 광학적 공진구조에 의한 적외선의 흡수구조를 설치하는 위치는 적외선 흡수부의 일부만이라도 상관없다.
(실시형태 10)
도 15는, 본 발명의 다른 실시형태에 관계되는 열형 광검출기를 사용한 2차원 적외선 고체 촬상소자의 1개의 화소의 단면구조를 나타내는 단면 설명도이다. 본 실시형태에 관계되는 2차원 적외선 고체 촬상소자는, 도 22에 나타낸 종래의 2차원 적외선 고체 촬상소자의 구조(금속반사막(970)을 제외한다)의 위에, 적외선 흡수부(331), 금속반사막(350) 및 금속적외선 흡수막(360)을 일체로 형성한 일체구조로서 설치하고 있다. 즉, 접합기둥의 적어도 일부가 적외선 흡수부와 동일한 재료로 형성되고, 금속반사막(350) 및 금속적외선 흡수막(360)으로 이루어진 광학적 공진구조부착 적외선 흡수부를 설치한 구조로 되어 있고, 기타는 실시형태 9과 동일하다. 또한, 도시하지 않고 있지만, 금속반사막(350)의 아래 및 금속적외선 흡수막(360)의 위에 다른 절연막을 형성하여도 좋다. 또한, 3층구조의 광학적 공진구조에 의한 적외선의 흡수구조를 설치하는 위치는 적외선 흡수부의 일부만이라도 상관없다.
(실시형태 11)
도 16는, 실시형태 9에 있어서의 접합기둥의 재료를 변경한 2차원 적외선 고체 촬상소자의 1개의 화소의 단면구조를 나타내는 단면 설명도이다. 도 16에 있어서, 도 22에 나타낸 종래의 2차원 적외선 고체 촬상소자(금속반사막(970)를 제외한다)의 위에, 금속반사막(355)이 접합기둥과 일체구조로서 일체로 형성되어 있고, 이와 같이 형성하는 방법은, 실시형태 5의 경우와 같고, 기타는, 실시형태 9와 동일하다. 또한, 도시하지 않고 있지만, 금속반사막(355)의 아래 및 금속적외선 흡수막(365)의 위에 다른 절연막을 형성하여도 좋다. 또한, 3층구조의 광학적 공진구조에 의한 적외선의 흡수구조를 설치하는 위치는 적외선 흡수부의 일부만이라도 상관없다.
(실시형태 12)
도 17은, 실시형태 10에 있어서의 접합기둥의 형상을 변경하여, 금속반사막(356)이 적외선 흡수부 아래에만 설치되는 구조로 한 2차원 적외선 고체 촬상소자의 1개의 화소의 단면구조를 나타내는 단면 설명도이다. 도 17에 있어서, 접합기둥이 적외선 흡수부 및 금속적외선 흡수막(366)과 동일구성부재로 형성되어 있다. 즉, 접합기둥의 적어도 일부가 적외선 흡수부와 동일한 재료로 형성되어 있다. 이와 같이 형성하는 방법은, 실시형태 6의 경우와 같고, 기타는 실시형태 10과 동일하다. 또한, 도시하지 않고 있지만, 금속반사막(356)의 아래 및 금속적외선 흡수막(366)의 위에 다른 절연막을 형성하여도 좋다. 또한, 3층구조의 광학적 공진구조에 의한 적외선의 흡수구조를 설치하는 위치는 적외선 흡수부의 일부만이라도 상관없다.
(실시형태 13)
도 18은, 도 7에 나타낸 실시형태 3의 볼로미터 박막의 위치를 변경한 실시형태의 2차원 적외선 고체 촬상소자의 1개의 화소의 단면구조를 나타내는 단면 설명도이다. 도면에 있어서, 부호 12는 온도검출소자로서의 볼로미터 박막이고, 부호 125, 126은 콘택부이며, 부호 332는 접합기둥을 겹쳐서 일체구조로서 형성된 적외선 흡수부이다. 본 실시형태에 있어서는, 도 7에 나타내는 실시형태와 같은 접합기둥(140)의 대신에, 적외선 흡수부(332)와 온도검출부(300)와의 접합을, 적외선 흡수부(332)와 동일구성부재로 일체로 형성된 일체구조로 구성하고 있고, 볼로미터 박막(12)이 적외선 흡수부(332)의 상면에 형성되고, 콘택부(125)로 금속배선(31)과 접속하고, 콘택부(126)로 금속배선(32)과 접속한 구조로 되어있다. 볼로미터 박막(12)이 적외선 흡수부의 상면에 형성되는 것 이외는 실시형태 3에 나타낸 경우와 같다. 또한, 이 구조라도 온도검출부(300)에 접한 적외선 흡수부(332)의 일부를 제거한 구조로 하는 것도 가능하다.
(실시형태 14)
도 19는, 실리콘 기판의 에칭방법으로서 등방성에칭을 채용하는 경우의 2차원 적외선 고체 촬상소자의 1개의 화소의 단면구조를 나타내는 단면 설명도이다. 도면에 있어서, 부호 3은 반도체 기판으로서의 실리콘 기판이고, 부호 13은 온도검출소자로서의 볼로미터 박막, 부호 180은 에칭홀, 부호 201은 공동부이며, 부호 333은 적외선 흡수부, 441은 접합기둥이다. 본 실시형태에 있어서도, 각각의 부분을 형성하기 위해서 사용되는 재료 및 형성방법 등은 실시형태 1과 같다. 본 실시형태의 경우는 실리콘 기판중에 형성하는 공동부의 거의 중심부근에 위치한 부분에, 실리콘 기판에 대한, 에칭홀(180)을 설치한 구조로 되어있고, 에칭홀(180)은, 그 직경이 수μm 정도이고, 또한, 적외선 흡수부(333)로부터 공동부(201)에 도달하고 있다. 도 4에 나타낸 희생층(170)을 제거하기 전에 에칭홀(180)을 통해서 실리콘을 에칭하면 도면에 나타내는 것같이 등방적으로 에칭이 진행하여, 도면에 나타내는 공동부(201)를 형성할 수 있다. 등방성에칭은 수산화칼륨이나 수산화 테트라 메틸 암모늄에 의한 이방성에칭에 의해서 행할 수 있다.
도 19는, 도 1에 대응하여 에칭홀을 설치하는 구조를 나타내는 단면 설명도이지만, 도 6, 도 7, 도 8에 나타낸 구조에 대하여도 같은 에칭홀을 설치하는 구조변경이 가능하다. 또한, 도 19에 나타낸 구조에서는 접합기둥(140)을 관통하여 에칭홀(180)이 형성되어 있지만, 에칭홀이 접합기둥(140)을 관통할 필요는 없고, 예를들면, 지지다리가 배치된 장소 이외에 설치하여도 좋다. 또한 에칭홀이 공동부(201)의 중심부근에 복수개 배치되어도 상관없다. 이 경우, 기판내에 공동부를 형성하고 나서 희생층(170)를 제거할 수 있어, 제조공정의 선택의 자유도가 증가한다.
(실시형태 15)
도 20은, 실리콘 기판의 에칭방법으로서 등방성에칭을 채용하는 경우의 구조를 나타내는 단면 설명도이다. 도면에 있어서, 부호 4는 반도체 기판으로서의 실리콘 기판이고, 부호 190은 에칭스톱층, 202는 공동부이다. 도면에 나타낸 바와 같이, 공동부(202)의 주위에 에칭을 저지하는 에칭스톱층(190)이 형성되어 있다. 이 에칭스톱층(190)을 형성하는 재료로서는, 공동부를 형성할 때에 사용되는 엣첸트에 내성이 있는 재료로서, 예를들면 실리콘 산화막이나 이온주입으로 형성한 고농도의 p 형불순물층 등을 사용할 수 있고, 판독회로를 만드는 공정중에서 실리콘 기판중 매설하여 형성할 수 있다.
또한, 지금까지 나타낸 모든 실시형태에서는 온도변화를 검출하는 온도검출소자로서 볼로미터 박막을 사용한 것을 나타내었지만, 본 발명에서는 온도변화를 검출하는 수단으로서 상술한 바와 같이 초전도체, 서모파일등을 사용한 것이라도 동일한 효과를 얻는다.
본 발명의 실시형태중, 실용상 최량의 형태는, 실시형태 1 또는 11에 의거하여 적외선 흡수부와 온도검출부를 별개의 층에 형성한 형태이다. 이러한 형태에 있어서는, 적외선 흡수부는 적외선 흡수가능한 광학설계가 가능한 재료인 CVD 법 등으로 형성된 산화실리콘(SiO2) 또는 질화실리콘 또는 이것들의 적층막에 의해서 구성된다. 접합기둥은 기계구조적으로 충분한 강도와 작은 열용량을 실현할 수 있는 CVD 법 등으로 형성하는 산화실리콘 또는 질화실리콘 및 이 들의 적층막에 의해서 구성된다. 온도검출소자에는 볼로미터 박막이 바람직하고, 볼로미터 박막의 재료로서 저항온도계수가 크고, 고감도화의 실현에 유리한 산화 바나듐, 폴리실리콘 또는 비정질 실리콘 등이 사용된다.
이 때 적외선 흡수부의 면적은, 화소의 크기를 50μm, 사진제판에 의한 적외선 흡수부의 패터닝을 제외한 폭을 2μm로 하면 48μm이고, 개구율은 92%로 되어있고, 종래 구조와 비교하여 매우 커지고 있기 때문에, 고감도화를 달성할 수 있다.
본 발명에서는, 상기와 같이 적외선 흡수부와 온도검출부를 별도의 층으로서 형성하고, 적외선 흡수부와 온도검출부를 기계적이고 또한 열적으로 접합하는 수단으로서 접합기둥을 설치하였기 때문에, 온도검출부의 설계와는 독립적으로 적외선 흡수부를 설계할 수 있어, 고개구율화, 고감도화를 실현할 수 있다.
본 발명에 관계되는 2차원 고체 촬상소자는, 화소마다, 반도체 기판으로의 열의 유출을 제어하는 열저항이 큰 재료로 이루어진 지지다리에 의해서 지탱되고 있고 또한 온도검출소자를 포함하는 온도검출부와, 해당 온도검출부와 적어도 1개의 접합기둥으로 결합된 적외선 흡수부를 상기 반도체 기판상에 설치하였기 때문에, 온도검출부를 기계적으로 또한 열적으로 접합하는 수단으로서 접합기둥을 설치하였기 때문에, 온도검출부의 설계와는 독립적으로 적외선 흡수부를 설계할 수 있어, 고개구율화, 고감도화를 실현할 수 있는 효과를 얻는다.
상기 온도검출부가, 상기 반도체 기판중에 형성된 공동부의 위에 설치되기 때문에, 열저항을 크게하여 고감도화하는 효과를 얻는다.
본 발명에 관계되는 2차원 적외선 고체 촬상소자에는, 상기 공동부의 주위의 상기 반도체 기판중에, 상기 공동부를 형성할 때에 사용되는 엣첸트에 내성이 있는 재료로 이루어진 에칭스톱층이 설치되어 있기 때문에, 기판의 불필요한 에칭을 감소하여, 제조공정선택일 때의 자유도를 확대하는 효과를 얻는다.
본 발명의 2차원 적외선 고체 촬상소자의 제조방법은,
a) 반도체 기판상에 신호판독회로를 형성한 후, 절연막, 콘택부를 형성하고, 또한 금속배선 및 온도검출소자를 형성하여, 보호절연막으로 전체를 덮는 공정,
b) 상기 보호절연막 위에 희생층을 형성하고, 해당 희생층 중, 나중에 접합기둥을 형성하는 영역을 사진제판기술로 제거한 후, 제거한 부분에 상기 접합기둥이 되는 재료를 매설하는 공정,
c) 상기 희생층 및 상기 접합기둥의 위에 적외선 흡수부가 되는 박막을 형성하고, 각 화소마다 적외선 흡수부가 분리되도록 패터닝하는 공정,
d) 상기 희생층을 에칭하여 제거하는 공정, 및
e) 상기 실리콘 기판을 에칭하여, 해당 실리콘 기판중에 공동부를 형성하는 공정으로 이루어지기 때문에, 생산성이 높은 제조효과를 얻는다.

Claims (3)

  1. 열형(heat type) 광검출기와, 입사 적외선에 의한 상기 열형 광검출기의 특성변화를 검출하는 수단이 집적되어 이루어진 온도검출기구가, 반도체 기판상에 각 화소마다 2차원으로 배열된 2차원 적외선 고체 촬상소자에 있어서,
    상기 각 화소마다, 상기 반도체 기판으로의 열 유출을 제어하는 열저항이 큰 재료로 이루어진 지지다리에 의해서 지탱되며, 온도 검출소자를 포함하는 온도검출부와,
    상기 온도검출부와 적어도 1 개의 접합기둥으로 결합된 적외선 흡수부를 상기 반도체 기판상에 설치하여 이루어진 것을 특징으로 하는 적외선 고체 촬상소자.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 온도검출부가, 상기 반도체 기판 중에 형성된 공동부의 위에 설치되고, 상기 공동부 주위의 상기 반도체 기판 중에, 상기 공동부를 형성할 때에 사용되는 엣첸트(etchant)로 내성이 있는 재료로 이루어진 에칭스톱(etching stop)층이 설치되어 이루어진 것을 특징으로 하는 적외선 고체 촬상소자.
  3. 제 1 항에 기재된 적외선 고체 촬상소자의 제조방법에 있어서,
    a) 반도체 기판 상에 신호 판독회로를 형성한 후, 절연막, 콘택부를 형성하고, 또한 금속배선 및 온도검출소자를 형성하며, 보호절연막으로 전체를 덮는 공정과,
    b) 상기 보호절연막상에 희생층(犧牲層)을 형성하고, 상기 희생층 중에서 나중에 접합기둥을 형성하는 영역을 사진제판기술로 제거한 후, 제거한 부분에 상기 접합기둥이 되는 재료를 매설하는 공정과,
    c) 상기 희생층 및 상기 접합기둥의 위에 적외선 흡수부로 이루어지는 박막을 형성하고, 각 화소마다 적외선 흡수부가 분리되도록 패터닝(patterning)하는 공정과,
    d) 상기 희생층을 에칭하여 제거하는 공정과,
    e) 상기 실리콘 기판을 에칭하여, 상기 실리콘 기판중에 공동부를 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 고체 촬상소자의 제조방법.
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