WO2010114001A1 - 赤外線アレイセンサ - Google Patents

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infrared
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cantilever
infrared array
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辻　幸司
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パナソニック電工株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to an infrared array sensor.
  • Patent Document 1 discloses a conventional infrared array sensor.
  • infrared array sensors have been researched and developed in various places.
  • This infrared array sensor is manufactured using a micromachining technology or the like.
  • the infrared array sensor has a base and a plurality of pixel portions.
  • Each pixel unit includes an infrared absorption unit.
  • the plurality of pixel portions are arrayed on the surface of the base substrate.
  • FIG. 23 shows the infrared array sensor disclosed in Patent Document 1.
  • the infrared array sensor has a base substrate 1 and a plurality of pixel units 2.
  • FIG. 23 shows only one pixel portion.
  • the base substrate 1 is formed using a silicon substrate.
  • the plurality of pixel units 2 are arranged on the surface of the base substrate 1.
  • Each pixel portion has a pixel formation region. This pixel formation area is divided into four rectangular small areas by a cross-shaped boundary 18.
  • a plurality of dug portions 11 are formed on the base.
  • the pixel unit is arranged on the base substrate 1 so that each small region is positioned on each dug unit 11.
  • Each small region has a small thin film structure 3aa.
  • the pixel part 2 is arrange
  • the small thin film structure portion 3aa holds an infrared absorption portion 33a having a laminated structure.
  • the infrared absorbing portion 33a is composed of a first SiO 2 film, a temperature sensitive element, a second SiO 2 film, and an infrared absorbing film.
  • the temperature sensitive element is composed of a metal thin film resistor (resistance bolometer). This metal thin film resistor is disposed on the first SiO 2 film.
  • the second SiO 2 film is disposed so as to cover the temperature sensitive element.
  • the infrared absorbing film is disposed on the second SiO 2 film.
  • the infrared absorption part is connected to the edge of the dug part of the base substrate 1 by two bridges 3bb.
  • the temperature sensitive element is constituted by a resistance bolometer.
  • the pixel unit 2 has a temperature sensing unit configured by connecting four temperature sensing elements in series, so that the output change with respect to the temperature change is larger than when the output is taken out for each temperature sensing element. It is set to be.
  • Patent Document 1 also describes that each thermosensitive element can use a thermopile or a pyroelectric element.
  • the infrared array sensor not only the above-mentioned structure but the infrared array sensor provided with a MOS transistor is also known.
  • the MOS transistor is a switching element for pixel selection for reading out the output of the temperature sensing unit.
  • the infrared array sensor having the pixel portion 2 in which the pixel formation region is divided into four small regions has a faster response speed than the infrared array sensor having the pixel portion 2 which is one thin film structure portion having a large formation region.
  • the infrared absorption part of the infrared array sensor having the pixel part 2 in which the pixel formation area is divided into four small areas is an infrared ray having the pixel part 2 which is one thin film structure part having a large formation area.
  • the heat capacity is reduced as compared with the infrared absorption part of the array sensor, thereby reducing the time constant (thermal time constant). As a result, the response speed is increased.
  • the small thin film structure portion 3aa is not formed at the boundary portion 18. Therefore, the area occupied by the small thin film structure portion 3aa in each pixel portion 2 increases. From this point, it is difficult to increase the sensitivity of the infrared array sensor.
  • the thickness dimension of the infrared absorbing portion 33a is increased, the heat capacity of the infrared absorbing portion 33a is increased. As a result, the response speed of the infrared array sensor decreases.
  • the thickness dimension of the infrared absorbing portion 33a is reduced, the sensitivity is lowered.
  • the thickness dimension of the infrared absorbing portion 33a is reduced, the small thin film structure portion 3aa is likely to be warped. As a result, it is damaged during manufacturing, and the yield is reduced.
  • the stability of the structure is lowered, and the sensitivity is lowered.
  • the small thin film structure 3aa is instructed from both by two linear bridges 3bb. Therefore, the small thin film structure portion 3aa may be deformed by stress or thermal stress from the base substrate 1 or the outside (for example, a mounting substrate on which the infrared array sensor is mounted). As a result, the sensitivity of the infrared array sensor may change.
  • a first object of the present invention is to provide an infrared array sensor with improved structural stability.
  • the second purpose is to improve response speed and sensitivity.
  • the infrared array sensor of the present invention has a base substrate and a plurality of pixel portions.
  • the base substrate has a surface.
  • the surface of the base substrate has a plurality of dug portions and a plurality of edges located around each of the dug portions.
  • Each digging portion has an inner periphery defined by the front end of the edge.
  • the pixel portion is disposed on the surface of the base substrate so as to cover the dug portion.
  • the pixel portion includes a thin film structure, a plurality of first infrared absorption layers, and a plurality of temperature sensitive elements.
  • the thin film structure is provided with a first slit, and the first slit penetrates from the back surface to the front surface of the thin film structure.
  • the first slit divides the thin film structure into a plurality of cantilevers.
  • the cantilevers are arranged along an edge.
  • the cantilever has a length and a width.
  • the cantilever has a first end at one end in the length direction and a second end at the other end.
  • the first end of the cantilever is fixed to the edge.
  • the first infrared absorption layer is held by each cantilever so as to be located inside the inner periphery.
  • the first infrared absorbing layer emits heat by absorbing infrared rays.
  • the heat generated by the first infrared absorption layer is transmitted to the temperature sensitive element.
  • the temperature sensitive element is provided in the cantilever.
  • the temperature sensing element is configured to generate an output signal corresponding to the temperature change when the temperature of the temperature sensing element changes.
  • the response speed and sensitivity can be improved, and the structural stability can be improved.
  • all the temperature sensing elements are electrically connected to each other in a predetermined connection relationship. All the temperature sensing elements are set to have a larger output change with respect to a temperature change than an output signal generated by each temperature sensing element due to the predetermined connection relationship.
  • the response speed and sensitivity can be improved, and the structural stability can be improved.
  • All the temperature sensing elements are electrically connected to each other in a predetermined connection relationship, so that when the temperature of the temperature sensing element changes, the temperature sensing elements cooperate to generate a second output signal. It is preferable that it is comprised. The second output signal is larger than the output signal.
  • the temperature sensing element is preferably a thermopile.
  • the predetermined connection relationship is preferably a serial connection.
  • the dug portion is formed in a quadrangular pyramid shape.
  • the engraved part is preferably formed from the back surface of the base substrate.
  • the digging portion is formed in a shape whose inner surface is a concave curved surface.
  • an opening for communicating a plurality of dug portions is formed on the other surface side of the base substrate.
  • the cantilever has a second slit formed between the first end and the second end.
  • the second slit penetrates from the back surface of the cantilever to the front surface.
  • the second slit is formed so as to overlap the dug portion in the thickness direction of the base substrate.
  • the first infrared absorbing layer is formed between the second slit and the second end.
  • the thermopile has a thermocouple, a hot junction located at one end of the thermocouple, and a cold junction located at the other end.
  • the hot junction is disposed between the second end and the second slit.
  • the cold junction is disposed between the first end and the second slit.
  • the response speed and sensitivity can be improved, and the structural stability can be improved.
  • the cantilever has a bridge portion between one end in the width direction and the second slit.
  • the thermocouple is disposed in the bridge portion.
  • the said hot junction is connected with the said cold junction via the thermocouple arrange
  • the hot junction is disposed between the first infrared absorption layer and the second slit.
  • the infrared array sensor preferably further includes a second infrared absorption layer.
  • the second infrared absorption layer is disposed between the second slit and the second end.
  • the hot junction is disposed between the second infrared absorption layer and the first infrared absorption layer.
  • the second slit is preferably formed along a direction intersecting the length direction of the cantilever.
  • the cantilever preferably includes a bridge portion, a holding plate, and a sub holding plate.
  • the first end of the bridge portion is attached to the edge.
  • the bridge portion extends from the edge toward the inner side of the inner periphery, and thereby has a second end located on the opposite side to the first end.
  • the holding plate is held at the second end of the bridge portion so as to overlap the dug portion in the thickness direction of the base substrate.
  • the sub holding plate extends from the holding plate toward the first end of the cantilever.
  • the sub holding plate is spaced apart from the bridge portion, whereby the cantilever has a U-shaped second slit.
  • the second infrared absorbing layer is held by the sub-holding plate, whereby the second infrared absorbing layer is located between the second slit and the second end. Is arranged.
  • the thermocouple is provided in the cantilever so as to pass through the bridge portion.
  • the cantilever is preferably formed such that the width gradually decreases from the first end toward the second end.
  • the digging portion has an opening perpendicular to the thickness direction.
  • the opening is hexagonal, whereby the edge has six sides.
  • the first end of each cantilever is attached to each side.
  • Each cantilever extends toward the center of the opening.
  • Each cantilever is separated from the adjacent cantilever by the first slit.
  • FIG. 3 is a plan layout diagram of a pixel portion in the infrared array sensor of Embodiment 1.
  • FIG. It is a plane layout figure of the pixel part in an infrared array sensor same as the above. It is a plane layout figure of an infrared array sensor same as the above. The principal part of the pixel part in an infrared array sensor same as the above is shown, (a) is a plan layout view, and (b) is a schematic sectional view corresponding to the DD section of (a). It is a plane layout figure of the principal part of the pixel part in an infrared array sensor same as the above. It is a plane layout figure of the principal part of the pixel part in an infrared array sensor same as the above.
  • the principal part of the pixel part in an infrared array sensor same as the above is shown, (a) is a plane layout view, and (b) is a schematic sectional view.
  • the principal part of the pixel part in an infrared array sensor same as the above is shown, (a) is a plane layout view, and (b) is a schematic sectional view. It is a schematic sectional drawing of the principal part of the pixel part in an infrared array sensor same as the above. It is a schematic sectional drawing of the principal part of the pixel part in an infrared array sensor same as the above. It is an equivalent circuit diagram of an infrared array sensor same as the above.
  • FIG. 10 is a plan layout diagram of a pixel portion in the infrared array sensor of Embodiment 5. It is a principal part enlarged view of the planar layout figure of a pixel part same as the above. It is a principal part schematic perspective view of the infrared array sensor which shows a prior art example.
  • the infrared array sensor A of the present embodiment includes a plurality of pixel units 2 (see FIG. 3) and a base substrate 1.
  • Each pixel unit 2 includes a thermal infrared detection unit 3 and a MOS transistor 4 which is a pixel selection switching element.
  • the plurality of pixel portions 2 are arranged in an array on the surface of the base substrate 1. More specifically, the plurality of pixel portions 2 are arranged in a two-dimensional array on the surface of the base substrate 1.
  • the base substrate 1 is formed using a silicon substrate 1a.
  • m ⁇ n (8 ⁇ 8 in the example shown in FIGS. 3 and 11) pixel portions 2 are formed on the surface of one base substrate 1.
  • the number and arrangement of the pixel units 2 are not particularly limited.
  • the temperature sensing unit 30 of the thermal infrared detection unit 3 includes a plurality of (here, six) temperature sensing elements 30a (see FIG. 1) connected in series. Each temperature sensing element 30a is made of a thermopile.
  • an equivalent circuit of the temperature sensing unit 30 of the thermal infrared detection unit 3 is represented by a voltage source Vs corresponding to the thermoelectromotive force of the temperature sensing unit 30.
  • the infrared array sensor A of the present embodiment includes a plurality of vertical readout lines 7, a plurality of horizontal signal lines 6, a plurality of ground lines 8, and a common ground.
  • a line 9 and a plurality of reference bias lines 5 are provided.
  • the plurality of vertical readout lines 7 are commonly connected to one end of the temperature sensing units 30 of the plurality of thermal infrared detectors 3 in each column via the above-described MOS transistor 4 for each column.
  • the plurality of horizontal signal lines 6 are connected in common to the gate electrode 46 of the MOS transistor 4 corresponding to the temperature sensing unit 30 of the thermal infrared detector 3 in each row.
  • the plurality of ground lines 8 are commonly connected to the p + type well region 41 of the MOS transistor 4 in each column for each column.
  • the plurality of reference bias lines 5 are commonly connected to the other ends of the temperature sensing units 30 of the plurality of thermal infrared detection units 3 in each column. This configuration makes it possible to read out the outputs of the temperature sensing units 30 of all the thermal infrared detection units 3 in time series.
  • the infrared array sensor A of the present embodiment has a plurality of pixel units 2. In this pixel portion, a plurality of pixel portions 2 having a thermal infrared detecting portion 3 and a MOS transistor 4 are formed on the surface of the base substrate 1. The MOS transistor 4 is juxtaposed with the thermal infrared detector 3 in order to read the output of the thermal infrared detector 3.
  • the MOS transistor 4 has a gate electrode 46, a source electrode 48, and a drain electrode 47.
  • a gate electrode 46 is connected to the horizontal signal line 6.
  • the source electrode 48 is connected to the reference bias line 5 through the temperature sensing unit 30, and each reference bias line 5 is commonly connected to the common reference bias line 5a.
  • the drain electrode 47 is connected to the vertical readout line 7.
  • Each horizontal signal line 6 is electrically connected to a different pixel selection pad Vsel.
  • Each vertical readout line 7 is electrically connected to a separate output pad Vout.
  • the common ground line 9 is electrically connected to the ground pad Gnd.
  • the common reference bias line 5a is electrically connected to the reference bias pad Vref.
  • the silicon substrate 1a is electrically connected to the substrate pad Vdd.
  • the output voltage of the pixel unit 2 is not read from the output pad Vout.
  • the pixel selection pad Vsel, the reference bias pad Vref, the ground pad Gnd, the output pad Vout, etc. are all shown as the pads 80 without being distinguished.
  • FIG. 13 shows an infrared array sensor module.
  • This infrared array sensor module includes an infrared array sensor A, a signal processing IC chip B, and a package C.
  • the signal processing IC chip B performs signal processing on an output voltage that is an output signal of the infrared array sensor A.
  • Package C houses infrared array sensor A and signal processing IC chip B.
  • the signal processing IC chip B is provided with a plurality of pads, an amplifier circuit (not shown), a multiplexer, and the like.
  • the plurality of pads of the signal processing IC chip B are electrically connected to each pad 80 of the infrared array sensor A via a wiring 81 made of a bonding wire.
  • some of the plurality of pads (hereinafter referred to as input pads) of the signal processing IC chip B are connected to the output pads Vout of the infrared array sensor A.
  • the amplifier circuit amplifies the output voltage output from the input pad.
  • the multiplexer alternatively inputs the output voltages of the plurality of input pads to the amplifier circuit. With this configuration, an infrared image can be obtained.
  • Package C is composed of a package body 90 and a package lid 100.
  • the package main body 90 is formed in a rectangular box shape with one surface open, and is formed of a multilayer ceramic substrate (ceramic package) on which the infrared array sensor A and the signal processing IC chip B are mounted on the inner bottom surface side.
  • the package lid 100 includes a lens 110 that focuses infrared rays onto the infrared array sensor A, and is made of a metal lid provided so as to cover the one surface side of the package body 90.
  • An airtight space surrounded by the package main body 90 and the package lid 100 is a dry nitrogen atmosphere.
  • the peripheral portion of the package lid 100 is fixed to a rectangular frame-shaped metal pattern (not shown) formed on the one surface of the package body 90 by seam welding.
  • the package body 90 is not limited to a multilayer ceramic substrate, and for example, a laminate of glass epoxy resin substrates may be used.
  • a shield conductor pattern 92 is formed on the inner surface of the package body 90.
  • the infrared array sensor A and the signal processing IC chip are bonded to the shield conductor pattern 92 of the package body 90 via bonding layers 95 and 95 made of a conductive bonding material (for example, solder or silver paste).
  • the bonding method between the infrared array sensor A and the package body 90 and the bonding method between the signal processing IC chip B and the package body 90 are not limited to bonding methods using a conductive bonding material such as solder or silver paste.
  • a room temperature bonding method or a bonding method using, for example, an Au—Sn eutectic or an Au—Si eutectic may be employed.
  • a bonding method capable of direct bonding such as a room temperature bonding method
  • a bonding method using a conductive bonding material rather than a bonding method using a conductive bonding material.
  • the reason is that the distance accuracy between the infrared array sensor 5 and the lens 110 can be easily improved by using a bonding method capable of direct bonding such as a room temperature bonding method.
  • the material of the lens 110 is Si which is a kind of infrared transmitting material.
  • the lens 110 is formed using a LIGA process or a semiconductor lens manufacturing method (for example, Japanese Patent Publication No. 3897055, Japanese Patent Publication No. 3897056, etc.) using an anodizing technique. May be formed. Further, the lens 110 is adhered to the peripheral portion of the opening window 101 in the package lid 100 with a conductive adhesive (for example, solder, silver paste, etc.) so as to close the opening window 101 of the package lid 100.
  • the lens 110 is electrically connected to the shield conductor pattern 92 of the package body 90.
  • the lens 110 may be provided with an appropriate infrared optical filter unit (a band-pass filter unit, a broadband cutoff filter unit, etc.) as necessary.
  • the infrared optical filter section is formed by alternately laminating a plurality of types of thin films having different refractive indexes.
  • the base substrate 1 of the infrared array sensor A has a rectangular outer peripheral shape. All the pads 80 of the infrared array sensor A are arranged side by side along one side of the outer peripheral edge of the base substrate 1.
  • the signal processing IC chip B has a rectangular outer peripheral shape. The pads electrically connected to the pads 80 of the infrared array sensor A are juxtaposed along one side of the outer periphery of the signal processing IC chip B.
  • the infrared array sensor A and the signal processing IC chip B are arranged so that one side of the base substrate 1 of the infrared array sensor A and one side of the signal processing IC chip B are closer than other sides. Yes. Therefore, the wiring 81 connecting each pad 80 of the infrared array sensor A and each pad of the signal processing IC chip B can be shortened. Thereby, since the influence of an external noise can be reduced, noise resistance improves.
  • the thermal infrared detector 3 and the MOS transistor 4 will be described.
  • the silicon substrate 1a a single crystal silicon substrate having an n-type conductivity and the (100) plane of the one surface is used.
  • the thermal infrared detector 3 is formed in a region A1 for forming the thermal infrared detector 3 in each pixel 2 on the surface of the silicon substrate 1a.
  • the MOS transistor 4 is formed in the formation region A2 of the MOS transistor 4 in each pixel portion 2 on the surface of the silicon substrate 1a.
  • Each pixel unit 2 includes an infrared absorption unit 33 that absorbs infrared rays. Therefore, the base substrate 1 is formed with a plurality of dug portions 11 for thermally insulating the infrared absorbing portion 33 from the base substrate 1. Thereby, the edge 15 surrounding the dug part 11 as shown in FIG. 4B is provided around the dug part 11.
  • the dug portion has an inner periphery defined by an edge.
  • a thin film structure 3 a is provided on the surface of the base substrate 1.
  • the thin film structure portion 3 a covers the digging portion 11 so that the infrared absorption portion 33 is located inside the digging portion 11 in a plan view on the surface of the base substrate 1. In other words, the thin film structure part 3a is located inside the edge.
  • the thin film structure unit 3 a is provided with a plurality of linear first slits 13.
  • the first slit 13 penetrates from the back surface to the surface of the thin film structure portion 3a.
  • the first slits 13 are arranged in parallel along the circumferential direction of the digging portion, and each extend inward from the circumferential portion of the digging portion 11 in the base substrate 1 (in the example shown in FIG. 1, 6) small thin film structures 3aa. (Separated into a plurality of small thin film structures 3aa arranged in parallel along the circumferential direction of the digging portion 11 by a plurality of linear first slits 13 and cantilevered by the base substrate 1).
  • the structure part 3aa has a length and a width.
  • the small thin film structure portion 3aa has a first end at one end in the length direction and a second end at the other end in the length direction.
  • the first end of the small thin film structure portion 3aa is attached to the edge 15 of the base substrate 1, whereby the small thin film structure portion 3aa functions as the cantilever 3aa.
  • a temperature sensitive element 30a is provided for each small thin film structure (cantilever) 3aa.
  • the temperature sensitive elements 30a are electrically connected to each other in a predetermined connection relationship. More specifically, all the temperature sensing elements 30a are electrically connected in a connection relationship in which an output change with respect to a temperature change is larger than when an output is taken out for each temperature sensing element 30a.
  • all the temperature sensitive elements 30a are electrically connected so that the sum of the outputs of the temperature sensitive elements 30a is output. Thereby, when the temperature of the temperature sensing element 30a changes, the first output signal of each temperature sensing element 30a changes. Since each temperature sensing element 30a is electrically connected in a connection relationship in which the output change is large, when each temperature sensing element 30a undergoes a temperature change, each temperature sensing element 30a The second output signal is generated in cooperation with the other temperature sensing element 30a. This second output signal is larger than the first output signal.
  • segmented corresponding to each small thin film structure part (cantilever) 3aa among the infrared absorption parts 33 is called the infrared absorption part 33a.
  • the sensitivity can be increased compared to the case where all six temperature sensing elements 30a are connected in parallel or the case where the output is taken out for each temperature sensing element 30a.
  • the electrical resistance of the temperature sensing part 30 can be made low and a thermal noise is reduced. Therefore, the S / N ratio is improved.
  • each small thin film structure portion (cantilever) 3 aa for each small thin film structure portion (cantilever) 3 aa, two strip-like bridge portions 3 bb and 3 bb connecting the base substrate 1 and the infrared absorption portion 33 a are formed around the engraved portion 11. They are spaced apart in the direction.
  • the small thin film structure portion (cantilever) 3aa is formed with a second U-shaped second slit 14 communicating with the digging portion 11.
  • the second slit penetrates from the back surface to the surface of the small thin film structure 3aa. Further, the second slit 14 communicates with the digging portion 11. Therefore, the second slit 14 overlaps the dug portion 11 in the thickness direction of the base substrate.
  • the small thin film structure part (cantilever 3aa) is composed of a bridge part 3bb, a holding plate, and a sub holding plate.
  • the bridge portion has a first end attached to the edge, and extends from the edge toward the inside of the inner periphery, whereby the second end located on the opposite side of the first end. Has an edge.
  • the holding plate is held at the second end of the bridge portion so as to overlap the dug portion in the thickness direction of the base substrate.
  • the sub-holding plate extends from the holding plate toward the first end of the cantilever and is separated from the bridge portion, whereby the cantilever has a U-shaped second slit. Yes.
  • a portion of the base substrate 1 surrounding the thin film structure portion 3a in a plan view has a rectangular frame shape.
  • a portion of the base substrate 1 surrounding the thin film structure portion 3 a has a rectangular frame shape on a surface perpendicular to the thickness direction of the base substrate 1.
  • the bridge portion 3bb is spatially separated from the infrared absorbing portion 33a and the base substrate 1 by the first slit 13 and the second slit 14 described above, except for the connecting portion between the infrared absorbing portion 33 and the base substrate 1.
  • the dimension in the extending direction of the small thin film structure part (cantilever) 3aa from the base substrate 1 is 93 ⁇ m
  • the dimension in the width direction orthogonal to the extending direction of the small thin film structure part (cantilever) 3aa is 75 ⁇ m
  • each bridge part The width dimension of 3bb is set to 23 ⁇ m
  • the widths of the first slits 13 and the second slits 14 are set to 5 ⁇ m.
  • these values are examples and are not particularly limited.
  • the above-described thin film structure portion 3a is formed by patterning a laminated structure portion of the silicon oxide film 1b, the silicon nitride film 32, the temperature sensing portion 30, the interlayer insulating film 50, and the passivation film 60.
  • the silicon oxide film 1b is formed on the surface of the silicon substrate 1a.
  • the silicon nitride film 32 is formed on the silicon oxide film 1b.
  • the temperature sensing unit 30 is formed on the silicon nitride film 32.
  • the interlayer insulating film 50 is made of a BPSG film formed so as to cover the surface side of the silicon nitride film 32.
  • the passivation film 60 is a laminated film of a PSG film formed on the interlayer insulating film 50 and an NSG film formed on the PSG film.
  • portions of the silicon nitride film 32 other than the bridge portions 3bb and 3bb of the thin film structure portion 3a constitute the above-described infrared absorbing portion 33.
  • the base substrate 1 is constituted by the silicon substrate 1a, the silicon oxide film 1b, the silicon nitride film 32, the interlayer insulating film 50, and the passivation film 60.
  • the laminated film of the interlayer insulating film 50 and the passivation film 60 is formed across the formation area A1 of the thermal infrared detector 3 and the formation area A2 of the MOS transistor 4.
  • the portion formed in the formation region A1 of the thermal infrared detector 3 also serves as the infrared absorption film 70 (see FIG. 4B).
  • the interlayer insulating film 50 has a thickness of 0.8 ⁇ m
  • the passivation film 60 has a thickness of 1 ⁇ m
  • the PSG film has a thickness of 0.5 ⁇ m
  • the NSG film has a thickness of 0.5 ⁇ m.
  • the infrared absorption film 70 is not limited to the above-described configuration, and may be configured by a silicon nitride film, for example.
  • each temperature sensing element 30a is a thermopile.
  • the connection relationship of the temperature sensing element 30a is a series connection.
  • the inner peripheral shape of the dug part 11 is rectangular.
  • the thermosensitive element 30a made of a thermopile has a plurality of thermocouples.
  • This thermocouple (nine in the example shown in FIG. 1) is made of a metal material (for example, one end portions of the n-type polysilicon layer 34 and the p-type polysilicon layer 35 on the infrared incident surface side of the infrared absorbing portion 33a). , Al—Si, etc.).
  • the n-type polysilicon layer 34 and the p-type polysilicon layer 35 are formed on the silicon nitride film 32 and are formed across the small thin film structure (cantilever) 3aa and the base substrate 1.
  • the thermocouple is provided in the cantilever so as to pass through the bridge portion.
  • thermopile constituting the temperature sensing element 30a is configured such that the one end portion of the n-type polysilicon layer 34, the one end portion of the p-type polysilicon layer 35, and the connection portion 36 form a hot junction 300 on the infrared absorbing portion 33a side.
  • the other end portion of the n-type polysilicon layer 34, the other end portion of the p-type polysilicon layer 35, and the connection portion 37 constitute a cold junction 310 on the base substrate 1 side.
  • the thermopile outputs a predetermined output signal depending on the temperature difference between the hot junction and the cold junction. That is, the thermopile generates an output signal corresponding to the temperature change when the temperature difference between the hot junction and the cold junction changes.
  • the shape of the digging portion 11 is a square pyramid shape. Moreover, the depth dimension is larger in the central part in plan view than in the peripheral part.
  • the digging portion 11 has an opening perpendicular to the thickness direction of the base substrate 1, and this opening has an opening size. The opening size is reduced as it goes from the front surface to the back surface of the dug portion 11.
  • the planar layout of the temperature sensitive element 30a in each pixel portion 2 is designed so that the hot junctions are gathered at the center of the thin film structure portion 3a. That is, in the two small thin film structure portions 3aa in the middle in the vertical direction of FIG. 1, as shown in FIGS.
  • connection portions 36 are provided along the juxtaposed direction of the three small thin film structure portions (cantilever) 3aa. They are arranged side by side.
  • the connection portions 36 are concentrated on the side close to 3aa.
  • the lower two small thin film structure portions 3aa in the vertical direction are close to the middle small thin film structure portion (cantilever) 3aa in the juxtaposed direction of the three small thin film structure portions (cantilever) 3aa.
  • the connecting portions 36 are concentrated on the side. Therefore, in the infrared array sensor A of the present embodiment, the arrangement of the plurality of connecting portions 36 of the upper and lower small thin film structure portions (cantilever) 3aa in the vertical direction in FIG. 1 is the middle small thin film structure portion (cantilever). ) Since the temperature change of the hot junction can be increased as compared with the case where the arrangement of the plurality of connection portions 36 of 3aa is the same, sensitivity can be improved.
  • the small thin film structure portion (cantilever) 3aa has an infrared absorption layer 39 (first infrared absorption layer 39a, second infrared absorption layer) in a region where the temperature sensitive element 30a is not formed on the infrared incident surface side of the silicon nitride film 32.
  • Layer 39b and third infrared absorbing layer 39c) are formed.
  • the infrared absorption layer 39 (39a, 39b, 39c) is made of an n-type polysilicon layer that suppresses the warp of the small thin film structure (cantilever) 3aa and absorbs infrared rays.
  • the first infrared absorption layer 39a is provided at the second end in the length direction of the thin film structure 3aa and is located on the opposite side to the first end. (However, the first infrared absorption layer 39a may be between the second slit 14 and the second end.) Therefore, the hot junction is located between the second end and the second slit. Further, the hot junction 300 is located between the first infrared absorption layer 39 a and the second slit 14. The second infrared absorption layer 39b is disposed between the second slit 14 and the second end so as to be separated from the first infrared absorption layer 39a. Therefore, the second infrared absorption layer 39 b is located between the hot junction 300 and the second slit 14.
  • the second infrared absorption layer is held by the sub-holding plate, whereby the second infrared absorption layer, the second infrared absorption layer, the second slit 14 and the second slit. It is arranged between the ends.
  • the hot junction 300 is disposed between the second infrared absorption layer 39b and the first infrared absorption layer 39a.
  • the third infrared absorption layer 39c is provided only on the two small thin film structure portions (cantilever) 3aa located in the center among the six small thin film structure portions (cantilever) 3aa.
  • the third infrared absorption layer 39c is disposed between the first infrared absorption layer 39a and the second infrared absorption layer 39b.
  • a chamfered portion is formed between the leading edge in the extending direction of the small thin film structure portion (cantilever) 3aa and both side edges in the width direction. Therefore, the damage at the time of manufacture can be reduced compared with the case where the chamfer is not formed as shown in FIG. Further, the formation of the dug portion 11 is facilitated, and the production yield can be improved.
  • the chamfered portion is a C chamfered portion, but is not limited to the C chamfered portion, and may be an R chamfered portion, for example.
  • the infrared array sensor A of the present embodiment is routed to each pixel portion 2 so as to straddle the base substrate 1, one bridge portion 3 bb, the infrared absorption portion 33 a, the other bridge portion 3 bb, and the base substrate 1.
  • a fault diagnosis wiring 139 made of an n-type polysilicon layer is provided. All the fault diagnosis wirings 139 are connected in series. Therefore, it is possible to detect the presence or absence of breakage such as breakage of the bridge portion 3bb by energizing the series circuit of the m ⁇ n failure diagnosis wirings 139.
  • the infrared absorption layers 39a, 39b, 39c and the failure diagnosis wiring 139 described above contain the same n-type impurity (for example, phosphorus) as the n-type polysilicon layer 34 at the same impurity concentration (for example, 1018 to 1020 cm ⁇ 3 ). It is out. Therefore, the infrared absorption layers 39a, 39b, 39c and the failure diagnosis wiring 139 are formed simultaneously with the n-type polysilicon layer 34. Further, for example, boron may be adopted as the p-type impurity of the p-type polysilicon layer 35. In this case, the impurity concentration may be set as appropriate within a range of about 10 18 to 10 20 cm ⁇ 3, for example.
  • the impurity concentration may be set as appropriate within a range of about 10 18 to 10 20 cm ⁇ 3, for example.
  • the impurity concentration of each of the n-type polysilicon layer 34 and the p-type polysilicon layer 35 is 10 18 to 10 20 cm ⁇ 3 , the resistance value of the thermocouple can be reduced, and the S / N ratio can be improved.
  • I can plan.
  • the infrared absorption layers 39a, 39b, 39c and the failure diagnosis wiring 139 are doped with the same n-type impurity as the n-type polysilicon layer 34 at the same impurity concentration.
  • the same impurity as that of the silicon layer 35 may be doped with the same impurity concentration.
  • the refractive index of the n-type polysilicon layer 34, the p-type polysilicon layer 35, the infrared absorption layers 39a, 39b, 39c and the failure diagnosis wiring 139 is n1
  • the center wavelength of the infrared light to be detected is ⁇ .
  • the thickness t1 of each of the n-type polysilicon layer 34, the p-type polysilicon layer 35, the infrared absorption layers 39a, 39b, and 39c and the failure diagnosis wiring 139 is set to ⁇ / 4n1.
  • the absorption efficiency of infrared rays having a wavelength to be detected (for example, 8 to 12 ⁇ m) can be increased, and high sensitivity can be achieved.
  • a wavelength to be detected for example, 8 to 12 ⁇ m
  • t1 ⁇ 0.69 ⁇ m may be set.
  • the n-type polysilicon layer 34, the p-type polysilicon layer 35, the infrared absorption layers 39a, 39b, 39c, and the fault diagnosis wiring 139 each have an impurity concentration of 10 18 to 10 20 cm ⁇ 3 . . Therefore, reflection of infrared rays can be suppressed while increasing the absorption rate of infrared rays. As a result, the S / N ratio of the output of the temperature sensing unit 30 can be increased. In addition, since the infrared absorption layers 39a, 39b, 39c and the failure diagnosis wiring 139 can be formed in the same process as the n-type polysilicon layer 34, the cost can be reduced.
  • connection part 36 and the connection part 37 of the temperature sensitive part 30 are insulated and separated by the above-described interlayer insulating film 50 on the surface of the base substrate 1 (see FIGS. 7 and 8). That is, the connecting portion 36 on the warm junction side is electrically connected to the one end portions of the polysilicon layers 34 and 35 through the contact holes 50a1 and 50a2 formed in the interlayer insulating film 50. The connecting portion 37 on the cold junction side is electrically connected to the other end portions of the polysilicon layers 34 and 35 through contact holes 50a3 and 50a4 formed in the interlayer insulating film 50.
  • the MOS transistor 4 is formed in the formation region A2 of the MOS transistor 4 in each pixel portion 2 on the surface of the silicon substrate 1a.
  • ap + type well region 41 is formed on the surface of the silicon substrate 1a.
  • An n + -type drain region 43 and an n + -type source region 44 are formed in the p + -type well region 41 so as to be separated from each other.
  • the p + -type well region 41, p ++ type channel stopper region 42 which surrounds the n + -type drain region 43 and the n + -type source region 44 is formed.
  • a gate electrode 46 made of an n-type polysilicon layer is formed.
  • a drain electrode 47 made of a metal material (eg, Al—Si) is formed on the n + -type drain region 43.
  • a source electrode 48 made of a metal material (eg, Al—Si) is formed on the n + -type source region 44.
  • the gate electrode 46, the drain electrode 47, and the source electrode 48 are insulated and separated by the interlayer insulating film 50 described above.
  • the drain electrode 47 is electrically connected to the n + -type drain region 43 through the contact hole 50 d formed in the interlayer insulating film 50, and the source electrode 48 is n + -type through the contact hole 50 e formed in the interlayer insulating film 50. It is electrically connected to the source region 44.
  • each pixel part 2 of the infrared array sensor A of the present embodiment the source electrode 48 of the MOS transistor 4 and one end of the temperature sensing part 30 are electrically connected, and the other end of the temperature sensing part 30 is the reference.
  • the bias line 5 is electrically connected.
  • the drain electrode 47 of the MOS transistor 4 is electrically connected to the vertical readout line 7.
  • the gate electrode 46 is electrically connected to the horizontal signal line 6 made of an n-type polysilicon wiring formed integrally with the gate electrode 46.
  • a ground electrode 49 made of a metal material (for example, Al—Si) is formed on the p ++ type channel stopper region 42 of the MOS transistor 4.
  • the ground electrode 49 is electrically common ground line 8 for element isolation biased to a potential lower than the p ++ type channel stopper region 42 n + -type drain region 43 and the n + -type source region 44 It is connected to the.
  • the ground electrode 49 is electrically connected to the p ++ type channel stopper region 42 through a contact hole 50f formed in the interlayer insulating film 50.
  • a first silicon oxide film 31 having a first predetermined film thickness (for example, 0.3 ⁇ m) and a silicon nitride film 32 having a second predetermined film thickness (for example, 0.1 ⁇ m) are formed on the surface of the silicon substrate 1a.
  • An insulating layer forming step of forming an insulating layer made of the laminated film is performed.
  • a portion corresponding to the formation region A2 of the MOS transistor 4 is left using the photolithography technique and the etching technique while leaving a part of the insulating layer corresponding to the formation area A1 of the thermal infrared detector 3.
  • an insulating layer patterning process is performed to remove the film by etching.
  • the silicon oxide film 31 is formed by thermally oxidizing the silicon substrate 1a at a predetermined temperature (for example, 1100 ° C.), and the silicon nitride film 32 is formed by LPCVD.
  • a well region forming step for forming a p + -type well region 41 on the surface of the silicon substrate 1a is performed.
  • a channel stopper region forming step for forming a p ++ type channel stopper region 42 in the p + type well region 41 on the surface of the silicon substrate 1 is performed.
  • the structure shown in FIG. 14B is obtained.
  • the following first step, second step, and third step are performed.
  • a second silicon oxide film (thermal oxide film) 51 is selectively formed by thermally oxidizing the exposed portion of the surface of the silicon substrate 1a at a predetermined temperature.
  • the silicon oxide film 51 is patterned using a photolithography technique and an etching technique using a mask for forming the p + -type well region 41 in the second process.
  • ion implantation of p-type impurities for example, boron
  • the third step ion implantation of p-type impurities (for example, boron) is performed in the third step, and then drive-in is performed. In this way, the p + type well region 41 is formed.
  • the channel stopper region forming step the following first step, second step, and third step are performed.
  • a third silicon oxide film (thermal oxide film) 52 is selectively formed by thermally oxidizing the surface of the silicon substrate 1a at a predetermined temperature.
  • the third silicon oxide film 52 is patterned by using a photolithography technique and an etching technique using a mask for forming the p ++ type channel stopper region 42.
  • p-type impurities for example, boron
  • a third step p-type impurities (for example, boron) are ion-implanted and then drive-in is performed. In this way, the p ++ type channel stopper region 42 is formed.
  • the first silicon oxide film 31, the second silicon oxide film 51, and the third silicon oxide film 52 constitute the silicon oxide film 1b on the surface of the silicon substrate 1a.
  • a source / drain forming step is performed.
  • the following first step and second step are performed. That is, in the first step, ion implantation of an n-type impurity (for example, phosphorus or the like) is performed on regions where the n + -type drain region 43 and the n + -type source region 44 are to be formed in the p + -type well region 41. Subsequently, driving is performed in the second step. Thus, the source and drain formation step of forming a n + -type drain region 43 and the n + -type source region 44 is performed.
  • an n-type impurity for example, phosphorus or the like
  • a polysilicon layer forming step is performed in which a non-doped polysilicon layer having a predetermined film thickness (for example, 0.69 ⁇ m) serving as the basis of the diagnostic wiring 139 is formed by the LPCVD method. Thereafter, the gate electrode 46, the horizontal signal line 6, the n-type polysilicon layer 34, the p-type polysilicon layer 35, and the infrared absorption layers 39a, 39b, and 39c among the non-doped polysilicon layers using photolithography technology and etching technology. Then, a polysilicon layer patterning process is performed so as to leave a portion corresponding to each of the fault diagnosis wirings 139.
  • a predetermined film thickness for example, 0.69 ⁇ m
  • a p-type polysilicon layer 35 is formed by ion implantation of a p-type impurity (for example, boron) into a portion of the non-doped polysilicon layer corresponding to the p-type polysilicon layer 35 and then driving.
  • a p-type polysilicon layer forming step is performed.
  • n-type impurities for example, n-type polysilicon layer 34, infrared absorption layers 39a, 39b, 39c, failure diagnosis wiring 139, gate electrode 46, and horizontal signal line 6 in the non-doped polysilicon layer are formed.
  • N-type polysilicon layer 34, infrared absorption layers 39a, 39b, and 39c, failure diagnosis wiring 139, gate electrode 46, and horizontal signal line 6 are formed by driving after ion implantation of phosphorus, etc.)
  • a polysilicon layer forming step is performed. As a result, the structure shown in FIG. The order of the p-type polysilicon layer forming step and the n-type polysilicon layer forming step may be reversed.
  • an interlayer insulating film forming step for forming an interlayer insulating film 50 on the surface of the silicon substrate 1a is performed, followed by a photolithography technique. And a contact hole forming step for forming the contact holes 50a1, 50a2, 50a3, 50a4, 50d, 50e, and 50f (see FIGS. 7, 8, and 10) in the interlayer insulating film 50 by using an etching technique.
  • a BPSG film having a predetermined thickness (for example, 0.8 ⁇ m) is deposited on the surface of the silicon substrate 1a by the CVD method, and then reflowed at a predetermined temperature (for example, 800 ° C.). Thereby, the planarized interlayer insulating film 50 is formed.
  • connection portions 36, 37, drain electrode 47, source electrode 48, reference bias line 5, vertical readout line 7, ground line 8, common ground line 9 are formed on the entire surface of the silicon substrate 1a.
  • a metal film for forming a metal film for example, an Al-Si film having a predetermined film thickness (for example, 2 ⁇ m), which is the basis of each pad Vout, Vsel, Vref, Vdd, Gnd, etc. (see FIG. 11) by sputtering or the like. A formation process is performed.
  • the metal film is patterned using a photolithography technique and an etching technique to thereby connect the connection portions 36 and 37, the drain electrode 47, the source electrode 48, the reference bias line 5, the vertical readout line 7, the ground line 8, and the common ground.
  • a metal film patterning process for forming the line 9 and the pads Vout, Vsel, Vref, Vdd, Gnd and the like is performed.
  • Etching in the metal film patterning step is performed by RIE.
  • a PSG film having a predetermined film thickness (for example, 0.5 ⁇ m) and a predetermined film thickness (for example, 0.5 ⁇ m) are formed on the surface of the silicon substrate 1a (that is, the surface side of the interlayer insulating film 50).
  • the passivation film forming step of forming the passivation film 60 made of a laminated film with the NSG film) by the CVD method is performed.
  • the passivation film 60 is not limited to a stacked film of a PSG film and an NSG film, and may be, for example, a silicon nitride film.
  • a thermal insulating layer composed of a laminated film of the silicon oxide film 31 and the silicon nitride film 32, a temperature sensitive portion 30 formed on the thermal insulating layer, and a surface side of the thermal insulating layer
  • the above-described small thin film structure portion (cantilever) 3aa is patterned by patterning the laminated structure portion of the interlayer insulating film 50 formed so as to cover the temperature sensitive portion 30 and the passivation film 60 formed on the interlayer insulating film 50.
  • a layered structure portion patterning step is performed to form a layer. As a result, the structure shown in FIG. In the laminated structure patterning step, the first slit 13 and the second slit 14 described above are formed.
  • a pad opening for forming a pad opening for exposing the pads Vout, Vsel, Vref, Vdd, and Gnd using a photolithography technique and an etching technique.
  • a formation process is performed.
  • an etching solution is introduced using each of the first slit 13 and the second slit 14 as an etching solution introduction hole, and the silicon substrate 1a is anisotropically etched to form the digging portion 11 in the silicon substrate 1a.
  • a recessed portion forming step is performed. Thereby, the infrared array sensor A in which the pixel portions 2 having the structure shown in FIG. 17B are arranged in a two-dimensional array is obtained.
  • the etching in the pad opening forming step is performed by RIE.
  • a TMAH solution heated to a predetermined temperature for example, 85 ° C.
  • the etching solution is not limited to the TMAH solution, and other alkaline solution (for example, KOH solution) may be used.
  • a separation process for separating the individual infrared array sensors A may be performed.
  • a known general MOS transistor manufacturing method is employed in terms of a method for manufacturing the MOS transistor 4.
  • thermal oxide film formation by thermal oxidation by repeating the basic steps of thermal oxide film formation by thermal oxidation, thermal oxide film patterning by photolithography technique and etching technique, impurity ion implantation, and drive-in (impurity diffusion), p + -type well region 41 , A p ++ -type channel stopper region 42, an n + -type drain region 43 and an n + -type source region 44.
  • the infrared array sensor A of the present embodiment described above has a base substrate and a plurality of pixel units.
  • the base substrate has a surface, and the surface has a plurality of digging portions and a plurality of edges located around the digging portions.
  • the digging portion has an inner periphery defined by the edge.
  • the pixel portion is disposed on the surface of the base substrate so as to cover the dug portion.
  • the pixel portion includes a thin film structure, a plurality of first infrared absorbing portions, and a plurality of temperature sensitive elements.
  • the thin film structure is provided with a slit, and the slit penetrates from the back surface to the surface of the thin film structure. Accordingly, the slit divides the thin film structure into a plurality of cantilevers.
  • the cantilevers are arranged along an edge.
  • the cantilever has a length and a width.
  • the cantilever has a first end at one end in the length direction and a second end at the other end. The first end is fixed to the edge.
  • the first infrared absorbing portion is held by each cantilever so as to be located inside the inner circumference.
  • the temperature sensitive element is provided in the cantilever.
  • the temperature sensing element is configured to generate an output signal corresponding to a temperature change when the temperature of the temperature sensing element changes. Therefore, the heat absorbed by the first infrared absorbing portion on the cantilever is reliably transmitted to the temperature sensitive element.
  • thermosensitive element when the heat generated by the first infrared absorbing portion absorbing infrared rays changes, the temperature of the thermosensitive element changes. Thereby, the temperature sensitive element can detect a temperature change reliably. In addition, it is possible to suppress the deformation of each small thin film structure portion 30aa due to the base substrate 1 or external stress or thermal stress, thereby improving the structural stability.
  • all the temperature sensing elements are electrically connected to each other in a predetermined connection relationship. All the temperature sensing elements are set to have a larger output change with respect to a temperature change than an output signal generated by each temperature sensing element due to the predetermined connection relationship. Therefore, response speed and sensitivity can be improved.
  • all the temperature sensing elements are electrically connected to each other in a predetermined connection relationship, thereby generating a second output signal in cooperation with each other when the temperature of the temperature sensing element changes. Is configured to do.
  • the second output signal is larger than the output signal. Therefore, the response speed and sensitivity can be improved.
  • the temperature sensing element is a thermopile. Therefore, since it is not necessary to pass a current through each temperature sensing element 30a and self-heating does not occur, each small thin film structure portion (cantilever) caused by self-heating is compared with the case where each temperature sensing element 30a is constituted by a resistance bolometer. ) There is an advantage that 3aa warp does not occur, an advantage that power consumption can be reduced, and an advantage that sensitivity is constant and high accuracy regardless of temperature.
  • a thermopile is adopted as each temperature sensing element 30a, if all the temperature sensing elements 30a are connected in series, the thermoelectromotive force of each temperature sensing element 30a is added and output.
  • the temperature sensing element 30a may be a thermal infrared detection element, and is not limited to a thermopile or a resistance bolometer, and may employ a pyroelectric element.
  • each temperature sensing element 30a is a pyroelectric element, If a plurality of pyroelectric elements are connected in parallel, the charges generated by the pyroelectric effect are added and output, so that the above connection relationship can be satisfied and the sensitivity is increased.
  • the digging portion is formed in a quadrangular pyramid shape. Therefore, when the base substrate 1 is formed using a silicon substrate, the digging portion 11 can be easily formed by anisotropic etching using an alkaline solution.
  • a second slit is formed between the first end and the second end.
  • the second slit penetrates from the back surface of the cantilever to the front surface.
  • the second slit is formed to overlap the dug portion in the thickness direction of the base substrate.
  • the first infrared absorbing part is formed between a second slit and the second end.
  • the thermopile has a thermocouple, a hot junction located at one end of the thermocouple, and a cold junction located at the other end.
  • the hot junction is disposed between the second end and the second slit.
  • the cold junction is disposed between the first end and the second slit. Therefore, response speed and sensitivity can be improved.
  • the hot junction is disposed between the first infrared absorbing portion and the second end. Therefore, response speed and sensitivity can be improved.
  • the infrared array sensor further includes a second infrared absorbing portion, and the second infrared absorbing portion is disposed between the second slit and the second end.
  • the hot junction is disposed between the second infrared absorbing portion and the first infrared absorbing portion. Therefore, response speed and sensitivity can be improved.
  • the second slit is formed along a direction intersecting the length direction of the cantilever. Therefore, the response speed and sensitivity can be improved.
  • the silicon nitride film 32 is prevented from being etched and thinned when the n-type polysilicon layer 34 and the p-type polysilicon layer 35 are formed (here, the above-described polysilicon layer).
  • the silicon nitride film 32 is etched and thinned during over-etching when etching the non-doped polysilicon layer that is the basis of the n-type polysilicon layer 34 and the p-type polysilicon layer 35 in the patterning step).
  • the uniformity of the stress balance of the thin film structure portion 3a can be enhanced, and the infrared absorption portion 3 While achieving thinning also it becomes possible to prevent warping of the small thin film structure (cantilever) 3aa, thereby improving the sensitivity.
  • the n-type polysilicon layer 34, the p-type polysilicon layer 35, the infrared absorption layers 39a, 39b, and 39c and the fault diagnosis wiring 139 are used as the etching solution (for example, TMAH solution) used in the above-described trench forming process.
  • the etching solution for example, TMAH solution
  • the n-type polysilicon layer 34, the p-type polysilicon layer 35, the infrared absorption layers 39a, 39b, 39c, and the failure diagnosis wiring 139 are set to the same thickness. Therefore, the uniformity of the stress balance of the small thin film structure (cantilever) 3aa is improved, and the warpage of the small thin film structure (cantilever) 3aa can be suppressed.
  • the infrared array sensor A of the present embodiment has the MOS transistor 4 for reading the output of the temperature sensing unit 30 for each pixel unit 2, the number of output pads Vout can be reduced and the size can be reduced. In addition, the cost can be reduced.
  • Embodiment 2 The basic configuration of the infrared array sensor A of the present embodiment is substantially the same as that of the first embodiment, and as shown in FIG. 18, the digging portion 11 of the base substrate 1 is formed from the back surface of the base substrate 1. Is different.
  • symbol is attached
  • an etching solution is introduced from the surface of the base substrate 1 through the first slit 13 and the second slit 14 to crystallize the silicon substrate 1 a at an etching rate.
  • the digging portion 11 is formed by anisotropic etching utilizing the plane orientation dependency.
  • the digging portion forming step for forming the digging portion 11 in the manufacture of the infrared array sensor A of the present embodiment, the digging portion 11 in the silicon substrate 1a from the other surface side of the base substrate 1 is formed.
  • the region to be formed may be formed using an anisotropic etching technique using, for example, an inductively coupled plasma (ICP) type dry etching apparatus.
  • ICP inductively coupled plasma
  • each small thin film structure (cantilever) 3aa of the thin film structure 3a to the base substrate 1 can be further suppressed, and further enhancement of sensitivity can be achieved.
  • the basic configuration of the infrared array sensor A of the present embodiment is substantially the same as that of the first embodiment, and as shown in FIG. 19, the digging portion 11 is formed in a shape in which the inner surface of the digging portion 11 is a concave curved surface. Is different.
  • symbol is attached
  • the digging portion 11 was formed by anisotropic etching utilizing the crystal plane orientation dependence of the etching rate.
  • the dug portion 11 is formed by isotropic etching.
  • the infrared light transmitted through the thin film structure portion 3a can be reflected by the inner surface of the digging portion 11 toward the thin film structure portion 3a, and thus infrared absorption by the infrared absorption portion 33 is performed.
  • the amount can be increased and the sensitivity can be improved.
  • the basic configuration of the infrared array sensor A of the present embodiment is substantially the same as that of the first and third embodiments, and as shown in FIG. 20, an opening through which a plurality of dug portions 11 communicate with the other surface side of the base substrate 1. The difference is that the portion 12 is formed.
  • symbol is attached
  • an anisotropic etching technique using, for example, an ICP type dry etching apparatus is used to form a region where the opening 12 is to be formed in the silicon substrate 1a from the other surface side of the base substrate 1. To be formed.
  • the basic configuration of the infrared array sensor A of the present embodiment is substantially the same as that of the first to fourth embodiments.
  • the planar view shape of the pixel unit 2 is a hexagonal shape. Are different from each other in that they are arranged in a honeycomb shape. Note that the same components as those in the first to fourth embodiments are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
  • the digging portion 11 is formed on the surface of the base substrate 1.
  • the dug portion 11 has a hexagonal opening perpendicular to the thickness direction of the base substrate 1. Therefore, a hexagonal edge is located around the dug portion 11. This hexagonal edge has six sides.
  • the thin film structure 3a is arrange
  • the thin film structure 3a is divided into six cantilever small thin film structures 3aa by slits.
  • the small thin film structure 3aa gradually decreases in width from the first end toward the second end.
  • the width of the cantilever becomes narrower from the first end toward the second end. Therefore, the heat capacity of the cantilever is reduced.
  • the temperature of the thermosensitive element 30a changes rapidly due to the change of the heat absorbed by the infrared absorbing portion 33. Thus, the detection performance of the temperature sensitive element 30a can be improved.
  • the infrared array sensor A of the present embodiment can prevent deformation of each small thin film structure (cantilever) 3aa and can increase the arrangement density of the pixel units 2.
  • the MOS transistor 4 is provided in each pixel unit 2, but the MOS transistor 4 is not necessarily provided.

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Abstract

赤外線アレイセンサは、ベース基板と、複数の画素部とを有する。ベース基板は、掘込部が設けられている。掘込部を覆うように、ベース基板上に画素部が配置されている。前記画素部は、薄膜構造体と、複数の第１赤外線吸収部と、複数の感温素子とを有している。前記薄膜構造体は、スリットが設けられており、前記スリットは、前記薄膜構造体を複数のカンチレバに分割する。前記カンチレバは、長さ方向の一端に第１端を有しており且つ他端に第２端を有している。前記感温素子は、前記カンチレバに設けられている。感温素子は、前記感温素子の温度が変化したときに温度変化に応じた出力信号を発生するように構成されている。

Description

赤外線アレイセンサ
　本発明は、赤外線アレイセンサに関するものである。
　日本公開特許公報特開２００１－３０９１２２号公報（以下、特許文献１として説明する）は、従来の赤外線アレイセンサを開示している。従来から、様々なところで、赤外線アレイセンサが研究及び開発されている。この赤外線アレイセンサは、マイクロマシニング技術などを利用して製造される。赤外線アレイセンサは、ベースと、複数の画素部とを有している。各画素部は、赤外線吸収部を備えている。そして、複数の画素部は、ベース基板の表面にアレイ上に配列されている。
　図２３は、特許文献１に開示された赤外線アレイセンサを示している。図２３に示すように、赤外線アレイセンサは、ベース基板１と、複数の画素部２とを有している。なお、図２３には、１つの画素部のみを表している。ベース基板１は、シリコン基板を用いて形成されている。複数の画素部２は、ベース基板１の表面に配置されている。各画素部は、画素形成領域を有している。この画素形成領域は、十字状の境界部１８によって、４つの矩形状の小領域に分割されている。そして、ベースは、複数の掘込部１１が形成されている。そして、各小領域が各掘込部１１の上に位置するように、画素部はベース基板１上に配置されている。また、各小領域は、小薄膜構造部３ａａを有している。そして、小薄膜構造部３ａａが各掘込部１１の縁の内側に位置するように、画素部２は、ベース基板１の上に配置されている。
　小薄膜構造部３ａａは、積層構造を有する赤外線吸収部３３ａを保持している。この赤外線吸収部３３ａは、第１のＳｉＯ2膜と、感温素子と、第２のＳｉＯ2膜と、赤外線吸収膜とからなる。具体的に説明すると、感温素子は、金属薄膜抵抗（抵抗ボロメータ）からなる。この金属薄膜抵抗は、第１のＳｉＯ2膜上に配置されている。第２のＳｉＯ2膜は、感温素子を覆うように配置されている。赤外線吸収膜は、第２のＳｉＯ2膜上に配置されている。赤外線吸収部は、２本のブリッジ３ｂｂにより、ベース基板１の掘込部の縁に連結されている。
　また、図２３に示した構造では、感温素子が抵抗ボロメータにより構成されている。そして、画素部２は、４つの感温素子が直列接続されて構成される感温部を有しており、これにより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設定されている。そして、特許文献１は、各感温素子は、サーモパイルや焦電素子を用いることができ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、ＭＯＳトランジスタを備える赤外線アレイセンサも知られている。ＭＯＳトランジスタは、感温部の出力を読み出すための画素選択用のスイッチング素子である。
　ここで、画素形成領域が４つの小領域に区画された画素部２を有する赤外線アレイセンサは、形成領域が大きな１つの薄膜構造部である画素部２を有する赤外線アレイセンサよりも応答速度が速い。より具体的に説明すると、画素形成領域が４つの小領域に区画された画素部２を有する赤外線アレイセンサの赤外線吸収部は、形成領域が大きな１つの薄膜構造部である画素部２を有する赤外線アレイセンサの赤外線吸収部よりも熱容量が低減され、これにより時定数（熱時定数）が低減される。その結果、応答速度が高まる。
　しかしながら、この赤外線アレイセンサの画素部２の画素形成領域は、境界部１８には小薄膜構造部３ａａが形成されていない。したがって、各画素部２における小薄膜構造部３ａａの占める面積は増大する。このような点から、赤外線アレイセンサの感度を高めることが難しかった。
　また、図２３に示した構成の赤外線アレイセンサの場合、赤外線吸収部３３ａの厚さ寸法を大きくすると、赤外線吸収部３３ａの熱容量が大きくなってしまう。その結果、赤外線アレイセンサの応答速度が低下してしまう。これに対して、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。しかしながら、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。加えて、赤外線吸収部３３ａの厚さ寸法を小さくすると、小薄膜構造部３ａａに反りが発生しやすくなる。その結果、製造時に破損してしまい、歩留まりが低下する。また、構造の安定性が低下してしまい、感度が低下してしまう。また、図２３に示した構成の赤外線アレイセンサは、小薄膜構造部３ａａは、２本の直線状のブリッジ３ｂｂによって両方から指示されている。したがって、ベース基板１や外部（例えば、赤外線アレイセンサを実装する実装基板など）からの応力や熱応力によって小薄膜構造部３ａａが変形してしまう恐れがあった。そしてその結果、赤外線アレイセンサの感度が変化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る。本発明の第１の目的は、構造の安定性を向上させた赤外線アレイセンサを提供することにある。また、第２の目的は、応答速度および感度の向上を図ることである。
　上記課題を解決するために、本発明の赤外線アレイセンサは、ベース基板と複数の画素部とを有している。前記ベース基板は、表面を有している。ベース基板の表面は、複数の掘込部と、前記各掘込部の周囲に位置する複数の縁を有している。各掘込部は、前記縁の前端で定義される内周を有している。前記画素部は、前記掘込部を覆うように、前記ベース基板の前記表面に配置されている。前記画素部は、薄膜構造体と、複数の第１赤外線吸収層と、複数の感温素子とを有している。前記薄膜構造体は、第１スリットが設けられており、前記第１スリットは、前記薄膜構造体の裏面から表面まで貫通している。これにより、前記第１スリットは、前記薄膜構造体を複数のカンチレバに分割する。前記カンチレバは、縁に沿って配列されている。カンチレバは、長さ及び幅を有している。カンチレバは、長さ方向の一端に第１端を有しており、他端に第２端を有している。カンチレバの前記第１端は、前記縁に固定されている。前記第１赤外線吸収層は、前記内周の内側に位置するように、各カンチレバに保持されている。第１赤外線吸収層は、赤外線を吸収することにより、熱を発する。第１赤外線吸収層が発した熱は、感温素子に伝達される。感温素子は、前記カンチレバに設けられている。感温素子は、前記感温素子の温度が変化したときに温度変化に応じた出力信号を発生するように構成されている。
　この場合、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。
　全ての前記感温素子は、所定の接続関係で互いに電気的に接続されていることが好ましい。全ての前記感温素子は、前記所定の接続関係により、各感温素子ごとが発生する出力信号よりも温度変化に対する出力変化が大きく設定されている。
　この場合も、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。
　全ての前記感温素子は、所定の接続関係で互いに電気的に接続されており、これにより、前記感温素子の温度が変化したときに、互いに協働して第２出力信号を発生するように構成されていることが好ましい。第２出力信号は、前記出力信号よりも大きい。
　前記感温素子は、サーモパイルであることが好ましい。
　前記所定の接続関係は、直列接続であることが好ましい。
　前記掘込部は、四角錘状に形成されてなることが好ましい。
　前記堀込部は、前記ベース基板の裏面から形成されてなることが好ましい。
　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が好ましい。
　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が好ましい。
　前記カンチレバは、前記第１端と前記第２端との間に第２スリットが形成されていることが好ましい。第２スリットは、前記カンチレバの裏面から表面に向かって貫通している。第２スリットは、前記掘込部と、前記ベース基板の厚み方向において重複するように形成されている。第１赤外線吸収層は、第２スリットと前記第２端との間に形成されている。サーモパイルは、熱電対と、前記熱電対の一端に位置する温接点と、他端に位置する冷接点とを有している。温接点は、前記第２端と前記第２スリットとの間に配置されている。冷接点は、前記第１端と前記第２スリットとの間に配置されている。
　この場合も、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。
　前記カンチレバは、幅方向の一端と、前記第２スリットとの間にブリッジ部を有している。この場合、前記熱電対は、前記ブリッジ部に配置されていることが好ましい。これにより、前記温接点は、前記冷接点と、前記ブリッジ部に配置された熱電対を介して接続される。
　前記温接点は、前記第１赤外線吸収層と前記第２スリットとの間に配置されていることが好ましい。
　前記赤外線アレイセンサは、さらに第２の赤外線吸収層を有していることが好ましい。前記第２赤外線吸収層は、前記第２スリットと前記前記第２端との間に配置されている。温接点は、前記第２赤外線吸収層と前記第１赤外線吸収層との間に配置されている。
　前記第２スリットは、前記カンチレバの長さ方向と交差する方向に沿って形成されていることが好ましい。
　これに代えて、前記カンチレバは、ブリッジ部と、保持板と、サブ保持板とからなることも好ましい。この場合、ブリッジ部は、第１端が前記縁に取り付けられている。ブリッジ部は、前記縁から前記内周の内側に向かって延出しており、これにより、前記第１端と反対側に位置する第２端を有している。保持板は、前記ベース基板の厚み方向において掘込部と重複するように、前記ブリッジ部の第２端に保持されている。サブ保持板は、前記保持板から前記カンチレバの第１端に向かって延出している。サブ保持板は、前記ブリッジ部から離間しており、これによりカンチレバはＵ字状の第２スリットを有している。前記第２赤外線吸収層は、前記サブ保持板に保持されており、これにより、前記第２赤外線吸収層は、前記第２赤外線吸収層は、前記第２スリットと前記前記第２端との間に配置されている。熱電対は、前記ブリッジ部を通るように、前記カンチレバに設けられている。
　前記カンチレバは、前記幅は、前記第１端から前記第２端に向かうに伴って徐々に小さくなるように形成されていることが好ましい。
　前記掘込部は、厚み方向に直交する開口を有していることが好ましい。前記開口は、六角形であり、これにより前記縁は６つの辺を有している。各カンチレバの前記第１端は、前記各辺に取り付けられている。各カンチレバは、開口の中心に向かって延出している。各カンチレバは、隣接するカンチレバから、前記第１スリットによって離間されている。
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等価回路図である。 同上の赤外線アレイセンサにおける画素部の他の構成例の平面レイアウト図である。 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。 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、複数の画素部２（図３参照）と、ベース基板１とを有している。各画素部２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は、ベース基板１の表面においてアレイ状に配列されている。詳しく説明すると、複数の画素部２は、ベース基板１の表面において２次元アレイ状に配列されている。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の上記表面にｍ×ｎ個（図３および図１１に示した例では、８×８個）の画素部２が形成されている。しかしながら、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は、直列に接続された複数個（ここでは６個）の感温素子３０ａ（図１参照）で構成されている。各感温素子３０ａは、それぞれサーモパイルからなる。図１１では、熱型赤外線検出部３の感温部３０の等価回路が、当該感温部３０の熱起電力に対応する電圧源Ｖｓで表されている。
　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１１に示すように、複数の垂直読み出し線７と、複数の水平信号線６と、複数のグラウンド線８と、共通グラウンド線９と、複数の基準バイアス線５とを備えている。複数の垂直読み出し線７は、各列の複数の熱型赤外線検出部３の感温部３０の一端と、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ている。複数の水平信号線６は、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と、各行ごとに共通接続されている。複数のグラウンド線８は、各列のＭＯＳトランジスタ４のｐ+形ウェル領域４１と、各列ごとに共通接続されている。複数の基準バイアス線５は、各列の複数個の熱型赤外線検出部３の感温部３０の他端と、各列ごとに共通接続されている。この構成は、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を可能にしている。要するに、本実施形態の赤外線アレイセンサＡは、複数の画素部２を有する。この画素部は、ベース基板１の表面に、熱型赤外線検出部３と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。ＭＯＳトランジスタ４は、当該熱型赤外線検出部３の出力を読み出すために熱型赤外線検出部３に並設されている。
　ＭＯＳトランジスタ４は、ゲート電極４６とソース電極４８とドレイン電極４７とを有する。ゲート電極４６が水平信号線６に接続されている。ソース電極４８は、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に共通接続されている。ドレイン電極４７は、垂直読み出し線７に接続されている。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ている。各垂直読み出し線７それぞれは、各別の出力用パッドＶoutに電気的に接続されている。共通グラウンド線９は、グラウンド用パッドＧndに電気的に接続されている。共通基準バイアス線５ａは、基準バイアス用パッドＶrefと電気的に接続されている。シリコン基板１ａは、基板用パッドＶddに電気的に接続されている。
　したがって、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により、各画素部２の出力電圧たる出力信号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としたとき、ＭＯＳトランジスタ４がオンとなる。これにより、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）が読み出される。画素選択用パッドＶselの電位を０Ｖとした場合、ＭＯＳトランジスタ４がオフとなる。これにより、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。
　図１３は、赤外線アレイセンサモジュールを示している。この赤外線アレイセンサモジュールは、赤外線アレイセンサＡと、信号処理ＩＣチップＢと、パッケージＣとを備える。信号処理ＩＣチップＢは、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。パッケージＣは、赤外線アレイセンサＡおよび信号処理ＩＣチップＢを収納する。この場合、信号処理ＩＣチップＢには、複数のパッド、増幅回路（図示せず）、マルチプレクサなどが設けられる。信号処理ＩＣチップＢの複数のパッドは、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。また、信号処理ＩＣチップＢの複数のパッドの一部（以下、入力用パッドと称する）は、赤外線アレイセンサＡの出力用パッドＶoutに接続される。増幅回路は、入力用パッドから出力される出力電圧を増幅する。マルチプレクサは、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。この構成により、赤外線画像を得ることができる。
　パッケージＣは、パッケージ本体９０と、パッケージ蓋１００とで構成されている。パッケージ本体９０は、一面が開口した矩形箱状に形成されており、且つ、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。パッケージ蓋１００は、赤外線アレイセンサＡへ赤外線を収束するレンズ１１０を備えており、且つ、パッケージ本体９０の上記一面側を覆うように設けられたメタルリッドからなる。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は、ドライ窒素雰囲気となっている。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が形成されている。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とパッケージ本体９０との接合方法や、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れない。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、導電性接合材料を用いた接合法よりも、常温接合法などの直接接合が可能な接合法を用いるほうが好ましい。理由は、常温接合法などの直接接合が可能な接合法を用いたほうが、赤外線アレイセンサ５とレンズ１１０との距離精度を容易に向上させることができるためである。
　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である。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、日本特許公報第３８９７０５５号公報、日本特許公報第３８９７０５６号公報など）などを利用して形成すればよい。また、パッケージ蓋１００の開口窓１０１をふさぐように、レンズ１１０は、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）によって接着されている。また、レンズ１１０は、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。この構成により、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、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）を設けられる。赤外線光学フィルタ部は、屈折率の異なる複数種類の薄膜を交互に積層することなどにより形成される。
　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る。赤外線アレイセンサＡの全てのパッド８０は、ベース基板１の外周縁の一辺に沿って並設されている。信号処理ＩＣチップＢは、外周形状が矩形状である。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は、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いる。そして、赤外線アレイセンサＡのベース基板１の一辺と、信号処理ＩＣチップＢの一辺とが、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。したがって、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を短くすることができる。これにより、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の上記表面の各画素部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に形成されている。ＭＯＳトランジスタ４は、シリコン基板１ａの上記表面の各画素部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。
　各画素部２は、赤外線を吸収する赤外線吸収部３３を備えている。したがって、ベース基板１には、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複数の掘込部１１が形成されている。これにより、掘込部１１の周囲には、図４（ｂ）に示すような掘込部１１を囲む縁１５が設けられている。そして、掘込部は、縁で定義される内周を有している。ベース基板１の上記表面には、薄膜構造部３ａが設けられている。この薄膜構造部３ａは、ベース基板１の上記表面で平面視において掘込部１１の内側に赤外線吸収部３３が位置するように、掘込部１１を覆っている。言い換えると、薄膜構造部３ａは、縁の内側に位置する。また、各画素部２では、薄膜構造部３ａが複数の線状の第１スリット１３が設けられている。この第１スリット１３は、薄膜構造部３ａの裏面から表面に貫通している。第１スリット１３により、掘込部の周方向に沿って並設され、且つ、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に分離される。（複数の線状の第１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に片持ち支持された複数の小薄膜構造部３ａａに分離される。）この小薄膜構造部３ａａは、長さ及び幅を有している。そして、小薄膜構造部３ａａは、長さ方向の一端に第１端を有しており、長さ方向の他端に第２端を有している。小薄膜構造部３ａａは、その第１端が、ベース基板１の縁１５に取り付けられており、これにより、小薄膜構造部３ａａは、カンチレバ３ａａとして機能する。各小薄膜構造部（カンチレバ）３ａａごとに感温素子３０ａが設けられている。さらに、各感温素子３０ａは、所定の接続関係で互いに電気的に接続されている。詳しく説明すると、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。さらに詳しく説明すると、各感温素子３０ａの出力の和が出力されるように、全ての感温素子３０ａが電気的に接続されている。これにより、感温素子３０ａの温度に変化が生じたとき、各感温素子３０ａの第１出力信号は変化する。各感温素子３０ａは、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ため、各感温素子３０ａに温度変化が生じたとき、各感温素子３０ａは他の感温素子３０ａと協働して、第２出力信号を発生する。この第２出力信号は、第１出力信号よりも大きい。以下では、赤外線吸収部３３のうち各小薄膜構造部（カンチレバ）３ａａそれぞれに対応して分割された各部位を赤外線吸収部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い。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い。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る。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。したがって、Ｓ／Ｎ比が向上する。
　ここで、画素部２では、小薄膜構造部（カンチレバ）３ａａごとに、ベース基板１と赤外線吸収部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いる。そして、小薄膜構造部（カンチレバ）３ａａは、掘込部１１と連通する平面視Ｕ字状の第２スリット１４が形成されている。この第２スリットは、小薄膜構造部３ａａの裏面から表面に向かって貫通している。また、第２スリット１４は、掘込部１１と連通している。したがって、第２スリット１４は、掘込部１１と、ベース基板の厚み方向において重複している。したがって、小薄膜構造部（カンチレバ３ａａ）は、ブリッジ部３ｂｂと、保持板と、サブ保持板とから構成される。前記ブリッジ部は、第１端が前記縁に取り付けられており、且つ、前記縁から前記内周の内側に向かって延出しており、これにより、前記第１端と反対側に位置する第２端を有している。前記保持板は、前記ベース基板の厚み方向において掘込部と重複するように、前記ブリッジ部の第２端に保持されている。前記サブ保持板は、前記保持板から前記カンチレバの第１端に向かって延出しており、且つ、前記ブリッジ部から離間しており、これによりカンチレバはＵ字状の第２スリットを有している。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。言い換えると、ベース基板１のうち薄膜構造部３ａを囲む部位は、ベース基板１の厚み方向に垂直な面において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第１スリット１３，第２スリット１４により赤外線吸収部３３ａおよびベース基板１と空間的に分離されている。すなわち、ここで、小薄膜構造部（カンチレバ）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（カンチレバ）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、各第１スリット１３，第２スリット１４の幅を５μｍに設定している。しかしながら、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、シリコン酸化膜１ｂと、シリコン窒化膜３２と、感温部３０と、層間絶縁膜５０と、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。シリコン酸化膜１ｂは、シリコン基板１ａの上記表面に形成されている。シリコン窒化膜３２は、当該シリコン酸化膜１ｂ上に形成されている。感温部３０は、当該シリコン窒化膜３２上に形成されている。層間絶縁膜５０は、シリコン窒化膜３２の表面側でを覆うように形成されたＢＰＳＧ膜からなる。パッシベーション膜６０は、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。
　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を構成する。そして、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。しかしながら、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。したがって、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る。そして、感温素子３０ａ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となっている。
　サーモパイルからなる感温素子３０ａは、複数の熱電対を有している。この熱電対（図１に示した例では、９個）は、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されている。ｎ形ポリシリコン層３４及びｐ形ポリシリコン層３５は、シリコン窒化膜３２上に形成され小薄膜構造部（カンチレバ）３ａａとベース基板１とに跨って形成されている。言い換えると、熱電対は、ブリッジ部を通るように、前記カンチレバに設けられている。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とで赤外線吸収部３３ａ側の温接点３００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３１０を構成している。サーモパイルは、温接点と冷接点の温度差によって所定の出力信号を出力する。すなわち、サーモパイルは、温接点と冷接点との温度差が変化したときに、温度変化に応じた出力信号を発生する。
　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の形状が四角錘状である。また、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。言い換えると、掘込部１１は、ベース基板１の厚み方向に垂直な開口を有しており、この開口は開口サイズを有している。この開口サイズは、掘込部１１の表面から裏面に向かうに伴って小さくなっている。そして、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（カンチレバ）３ａａの並設方向に沿って接続部３６を並べて配置してある。一方、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（カンチレバ）３ａａの並設方向において真ん中の小薄膜構造部（カンチレバ）３ａａに近い側に接続部３６を集中して配置してある。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（カンチレバ）３ａａの並設方向において真ん中の小薄膜構造部（カンチレバ）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（カンチレバ）３ａａの複数の接続部３６の配置が、真ん中の小薄膜構造部（カンチレバ）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（カンチレバ）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、赤外線吸収層３９（第１赤外線吸収層３９ａ，第２赤外線吸収層３９ｂ，第３赤外線吸収層３９ｃ）（図１、図４および図８参照）が形成されている。この赤外線吸収層３９（３９ａ，３９ｂ，３９ｃ）は、小薄膜構造部（カンチレバ）３ａａの反りを抑制し、且つ、赤外線を吸収するｎ形ポリシリコン層からなる。具体的に説明すると、第１赤外線吸収層３９ａは、薄膜構造部３ａａの長さ方向の第２端に設けられており、第１端と反対側に位置する。（しかしながら、第１赤外線吸収層３９ａは、第２スリット１４と第２端との間にあればよい。）したがって、温接点は第２端と第２スリットとの間に位置する。さらに、温接点３００は、第１赤外線吸収層３９ａと第２スリット１４との間に位置する。また、第２赤外線吸収層３９ｂは、第１赤外線吸収層３９ａから離間するように、第２スリット１４と第２端との間に配置されている。したがって、第２赤外線吸収層３９ｂは、温接点３００と第２スリット１４との間に位置する。言い換えると、前記第２赤外線吸収層は、前記サブ保持板に保持されており、これにより、前記第２赤外線吸収層は、前記第２赤外線吸収層は、前記第２スリット１４と前記前記第２端との間に配置されている。また、温接点３００は、第２赤外線吸収層３９ｂと第１赤外線吸収層３９ａとの間に配置されている。また、第３赤外線吸収層３９ｃは、６つの小薄膜構造部（カンチレバ）３ａａのうち、中央に位置する２つの小薄膜構造部（カンチレバ）３ａａにのみ設けられている。第３赤外線吸収層３９ｃは、第１赤外線吸収層３９ａと第２赤外線吸収層３９ｂとの間に配置されている。また、本実施形態の赤外線アレイセンサＡは、小薄膜構造部（カンチレバ）３ａａの延長方向の先端縁と幅方向の両側縁との間に面取り部を形成してある。したがって、図１２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製造時の破損を低減できる。また、掘込部１１の形成が容易になり、製造歩留まりの向上を図れる。なお、上記面取り部は、Ｃ面取り部としてあるが、Ｃ面取り部に限らず、例えば、Ｒ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が設けられている。そして、全ての故障診断用配線１３９は、直列接続されている。したがって、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３９ａ，３９ｂ，３９ｃ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）で含んでいる。したがって、赤外線吸収層３９ａ，３９ｂ，３９ｃおよび故障診断用配線１３９は、ｎ形ポリシリコン層３４と同時に形成される。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い。この場合、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３９ａ，３９ｂ，３９ｃ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３９ａ，３９ｂ，３９ｃ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３９ａ，３９ｂ，３９ｃ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。したがって、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３９ａ，３９ｂ，３９ｃ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。したがって、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る。その結果、感温部３０の出力のＳ／Ｎ比を高めることができる。また、赤外線吸収層３９ａ，３９ｂ，３９ｃ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の上記表面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７および図８参照）。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ている。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の上記表面における各画素部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１０に示すように、シリコン基板１ａの上記表面にｐ+形ウェル領域４１が形成されている。そして、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が形成されている。そして、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において、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ており、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ている。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が形成されている。当該グラウンド用電極４９は、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１４～図１７を参照しながら簡説明する。
　まず、シリコン基板１ａの上記表面に第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う。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。これにより、図１４（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の上記表面にｐ+形ウェル領域４１を形成するウェル領域形成工程を行う。続いて、シリコン基板１の上記表面における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。これにより、図１４（ｂ）に示す構造を得る。ここで、ウェル領域形成工程では、次の第１工程，第２工程，第３工程が行われる。第１工程において、シリコン基板１ａの上記表面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を選択的に形成する。第１工程の後、第２工程において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をパターニングする。第２工程に続いて、第３工程においてｐ形不純物（例えば、ボロンなど）のイオン注入を行い、その後ドライブインを行う。このようにして、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、次の第１工程、第２工程、第３工程が行われる。第１工程において、シリコン基板１ａの上記表面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を選択的に形成する。第１工程の後、第２工程において、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をパターニングする。第２工程に続いて、第３工程において、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。このようにして、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の上記表面のシリコン酸化膜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、ソース・ドレイン形成工程が行われる。ソース・ドレイン形成工程においては、次の第１工程及び第２工程が行われる。すなわち、第１工程では、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）のイオン注入を行う。続いて、第２工程において、ドライブを行う。これにより、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・ドレイン形成工程が行われる。当該ソース・ドレイン形成工程の後、シリコン基板１ａの上記表面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う。続いて、シリコン基板１ａの上記表面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３９ａ，３９ｂ，３９ｃ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う。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３９ａ，３９ｂ，３９ｃ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う。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う。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３９ａ，３９ｂ，３９ｃ、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３９ａ，３９ｂ，３９ｃ、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。これにより、図１５（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の上記表面に層間絶縁膜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７、図８および図１０参照）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１５（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の上記表面に所定膜厚（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の上記表面の全面に接続部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１１参照）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う。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。これにより、図１６（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の上記表面（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。これにより、図１６（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（カンチレバ）３ａａを形成する積層構造部パターニング工程を行う。これにより、図１７（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、上述の各第１スリット１３，第２スリット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を露出させるパッド用開口部（図示せず）を形成するパッド用開口部形成工程を行う。続いて、上述の各第１スリット１３，第２スリット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。これにより、図１７（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、パッド用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。しかしながら、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いる。すなわち、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は、ベース基板と、複数の画素部とを有する。前記ベース基板は、表面を有しており、前記表面は、複数の掘込部と、前記各掘込部の周囲に位置する複数の縁を有している。前記掘込部は、前記縁で定義される内周を有している。前記画素部は、前記掘込部を覆うように、前記ベース基板の前記表面に配置されている。前記画素部は、薄膜構造体と、複数の第１赤外線吸収部と、複数の感温素子とを有している。前記薄膜構造体は、スリットが設けられており、前記スリットは、前記薄膜構造体の裏面から表面まで貫通している。これにより前記スリットは、前記薄膜構造体を複数のカンチレバに分割する。前記カンチレバは、縁に沿って配列されている。前記カンチレバは、長さ及び幅を有している。カンチレバは、長さ方向の一端に第１端を有しており且つ他端に第２端を有している。前記第１端は、前記縁に固定されている。前記第１赤外線吸収部は、前記内周の内側に位置するように、各カンチレバに保持されている。前記感温素子は、前記カンチレバに設けられている。前記感温素子は、前記感温素子の温度が変化したときに温度変化に応じた出力信号を発生するように構成されている。したがって、カンチレバ上の第１赤外線吸収部が吸収した熱は、確実に感温素子に伝わる。したがって、第１赤外線吸収部が赤外線を吸収して発する熱が変化したとき、感温素子の温度が変化する。これにより、感温素子は、温度変化を確実に検出することができる。しかも、ベース基板１や外部からの応力や熱応力に起因して各小薄膜構造部３０ａａが変形するのを抑制でき、構造安定性の向上を図れる。
　さらに、全ての前記感温素子は、所定の接続関係で互いに電気的に接続されている。全ての前記感温素子は、前記所定の接続関係により、各感温素子ごとが発生する出力信号よりも温度変化に対する出力変化が大きく設定されている。したがって、応答速度および感度の向上を図れる。
　また、全ての前記感温素子は、所定の接続関係で互いに電気的に接続されており、これにより、前記感温素子の温度が変化したときに、互いに協働して第２出力信号を発生するように構成されている。前記第２出力信号は、前記出力信号よりも大きい。したがって、したがって、応答速度および感度の向上を図れる。
　さらに、前記感温素子は、サーモパイルである。したがって、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（カンチレバ）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、前記掘込部は、四角錘状に形成されてなる。したがって、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。
　さらに、小薄膜構造部（カンチレバ）３ａａは、前記第１端と前記第２端との間に第２スリットが形成されている。前記第２スリットは、前記カンチレバの裏面から表面に向かって貫通している。前記第２スリットは、前記掘込部と、前記ベース基板の厚み方向において重複するように形成されている。前記第１赤外線吸収部は、第２スリットと前記第２端との間に形成されている。前記サーモパイルは、熱電対と、前記熱電対の一端に位置する温接点と、他端に位置する冷接点とを有している。前記温接点は、前記第２端と前記第２スリットとの間に配置されている。前記冷接点は、前記第１端と前記第２スリットとの間に配置されている。したがって、応答速度および感度の向上を図れる。
　また、温接点は、前記第１赤外線吸収部と前記第２端との間に配置されている。したがって、応答速度および感度の向上を図れる。
　さらに、赤外線アレイセンサは、さらに第２の赤外線吸収部を有しており、前記第２赤外線吸収部は、前記第２スリットと前記前記第２端との間に配置されている。温接点は、前記第２赤外線吸収部と前記第１赤外線吸収部との間に配置されている。したがって、応答速度および感度の向上を図れる。
　また、第２スリットは、前記カンチレバの長さ方向と交差する方向に沿って形成されている。したがって、したがって、応答速度および感度の向上を図れる。
　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３９ａ，３９ｂ，３９ｃおよび故障診断用配線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（カンチレバ）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３９ａ，３９ｂ，３９ｃおよび故障診断用配線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、第１スリット１３，第２スリット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３９ａ，３９ｂ，３９ｃ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（カンチレバ）３ａａの応力バランスの均一性が向上し、小薄膜構造部（カンチレバ）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１８に示すように、ベース基板１の堀込部１１が、ベース基板１の裏面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。
　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の上記表面から第１スリット１３，第２スリット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（カンチレバ）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１９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２０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（カンチレバ）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２１および図２２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１～４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。
　図２１及び図２２には示されていないが、本実施形態において、ベース基板１の表面には、掘込部１１が形成されている。この掘込部１１は、ベース基板１の厚み方向に垂直な六角形の開口を有している。したがって、掘込部１１の周囲には、六角形の縁が位置する。この六角形の縁は、６つの辺を有している。そして、そして、薄膜構造体３ａは、掘込部１１を覆うように、ベース基板１の表面上に配置されている。薄膜構造体３ａは、スリットによって、６つのカンチレバたる小薄膜構造体３ａａに分割される。この小薄膜構造体３ａａは、第１端から第２端に向かうに伴って、徐々にその幅が小さくなっている。
　このように、カンチレバは、第１端から第２端に向かうに伴って、その幅が狭くなっている。したがって、カンチレバの熱容量は、低減される。カンチレバの熱容量が低減されると、赤外線吸収部３３によって吸収された熱が変化することにより、感温素子３０ａの温度が速やかに変化する。このように、感温素子３０ａの検知性能を向上させることができる。
　また、本実施形態の赤外線アレイセンサＡは、各小薄膜構造部（カンチレバ）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。

Claims (15)

  1. 　ベース基板と、複数の画素部とを有する赤外線アレイセンサであって、
    　前記ベース基板は、表面を有しており、前記表面は、複数の掘込部と、前記各掘込部の周囲に位置する複数の縁を有しており、前記掘込部は、前記縁で定義される内周を有しており、
    　前記画素部は、前記掘込部を覆うように、前記ベース基板の前記表面に配置されており、
    　前記画素部は、薄膜構造体と、複数の第１赤外線吸収層と、複数の感温素子とを有しており、
    　前記薄膜構造体は、第１スリットが設けられており、前記第１スリットは、前記薄膜構造体の裏面から表面まで貫通しており、これにより前記第１スリットは、前記薄膜構造体を複数のカンチレバに分割し、前記カンチレバは、縁に沿って配列されており、
    　前記カンチレバは、長さ及び幅を有しており、長さ方向の一端に第１端を有しており且つ他端に第２端を有しており、前記第１端は、前記縁に固定されており、
    　前記第１赤外線吸収層は、前記内周の内側に位置するように、各カンチレバに保持されており、
    　前記感温素子は、前記カンチレバに設けられており、
    　前記感温素子は、前記感温素子の温度が変化したときに、温度変化に応じた出力信号を発生するように構成されていることを特徴とする赤外線アレイセンサ。
  2. 　全ての前記感温素子は、所定の接続関係で互いに電気的に接続されており、
    　全ての前記感温素子は、前記所定の接続関係により、各感温素子ごとが発生する出力信号よりも温度変化に対する出力変化が大きく設定されていることを特徴とする請求項１に記載の赤外線アレイセンサ。
  3. 　全ての前記感温素子は、所定の接続関係で互いに電気的に接続されており、これにより、前記感温素子の温度が変化したときに、互いに協働して第２出力信号を発生するように構成されており、
    　前記第２出力信号は、前記出力信号よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の赤外線アレイセンサ。
  4. 　前記感温素子は、サーモパイルであることを特徴とする、請求項２または３に記載の赤外線アレイセンサ。
  5. 　前記所定の接続関係は、直列接続であることを特徴とする、請求項２～４のいずれかに記載の赤外線アレイセンサ。
  6. 　前記掘込部は、四角錘状に形成されてなることを特徴とする請求項２～５のいずれかに記載の赤外線アレイセンサ。
  7. 　前記堀込部は、前記ベース基板の裏面から形成されてなることを特徴とする請求項２～５のいずれかに記載の赤外線アレイセンサ。
  8. 　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請求項２～５のいずれかに記載の赤外線アレイセンサ。
  9. 　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１～８のいずれか１項に記載の赤外線アレイセンサ。
  10. 　前記カンチレバは、前記第１端と前記第２端との間に第２スリットが形成されており、
    　前記第２スリットは、前記カンチレバの裏面から表面に向かって貫通しており、
    　前記第２スリットは、前記掘込部と、前記ベース基板の厚み方向において重複するように形成されており、
    　前記第１赤外線吸収層は、第２スリットと前記第２端との間に形成されており、
    　前記サーモパイルは、熱電対と、前記熱電対の一端に位置する温接点と、他端に位置する冷接点とを有しており、
    　前記温接点は、前記第２端と前記第２スリットとの間に配置されており、
    　前記冷接点は、前記第１端と前記第２スリットとの間に配置されていることを特徴とする請求項１～９に記載の赤外線アレイセンサ。
  11. 　前記温接点は、前記第１赤外線吸収層と前記第２スリットとの間に配置されていることを特徴とする請求項１０に記載の赤外線アレイセンサ。
  12. 　前記画素部は、さらに第２の赤外線吸収層を有しており、前記第２赤外線吸収層は、前記第２スリットと前記前記第２端との間に配置されており、
    　前記温接点は、前記第２赤外線吸収層と前記第１赤外線吸収層との間に配置されていることを特徴とする請求項１１に記載の赤外線アレイセンサ。
  13. 　前記第２スリットは、前記カンチレバの長さ方向と交差する方向に沿って形成されていることを特徴とする請求項１～１２のいずれかに記載の赤外線アレイセンサ。
  14. 　前記カンチレバは、前記幅は、前記第１端から前記第２端に向かうに伴って徐々に小さくなるように形成されていることを特徴とする請求項１～１３のいずれかに記載の赤外線アレイセンサ。
  15. 　前記掘込部は、厚み方向に直交する開口を有しており、
    　前記開口は、六角形であり、これにより前記縁は６つの辺を有しており、
    　前記各カンチレバの前記第１端は、前記各辺に取り付けられており、
    　前記各カンチレバは、開口の中心に向かって延出しており、
    　前記各カンチレバは、隣接するカンチレバから、前記第１スリットによって離間されていることを特徴とする請求項１４に記載の赤外線アレイセンサ。
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