JP4011851B2 - 赤外線固体撮像素子 - Google Patents
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Description
本発明は入射された赤外線を検出して吸収し、熱に変換する熱型赤外線検出器を用いた2次元赤外線固体撮像素子に関するものである。
背景技術
熱型赤外線検出器とは、赤外線が照射されると、照射された赤外線を吸収して温度が上昇し、かつ温度変化を検出するものである。
第11図は、温度で抵抗値が変化するボロメータ薄膜を用いた従来の熱型赤外線検出器を用いた2次元固体撮像素子の一個の画素の構造例を示す斜視図である。
図において、1は例えばシリコンなどの半導体からなる半導体基板であり、10はこの半導体基板1と空間を隔てて設けられた赤外線検出器部、11はボロメータ薄膜、21、22は赤外線検出器部10をシリコン半導体基板から浮かせて持ち上げるための支持脚、31、32はボロメータ薄膜に電流を流すための金属配線、40は金属配線31、32とボロメータ薄膜11を通して流れる電流のオン、オフを行なうスイッチ・トランジスタ、50は金属配線32に接続された信号線、60はスイッチ・トランジスタのオン、オフを制御するための制御クロック線、70は検出器部と光学的共振動構造をつくり赤外線検出器部10での赤外線の吸収を増大させるための金属反射膜である。
第12図は、第11図に示した従来の熱型赤外線検出器を用いた2次元固体撮像素子の画素の構造の電流経路に沿った断面構造を示す図で、ここでは本発明に直接関係のないスイッチ・トランジスタ40、信号線50、制御クロック線60などは省略している。
前述したように赤外線検出器部10の上にはボロメータ薄膜11が形成されており、ボロメータ薄膜11には金属配線31、32が接続し、コンタクト部の121、122を通してシリコン半導体基板上に形成された信号読出回路(図示なし)と接続している。
このボロメータ薄膜11と金属配線31、32はシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜などからなる絶縁膜100、110に覆われており、この絶縁膜100、110が赤外線検出器部10と支持脚21、22の機械的構造を形作っている。80は半導体基板1上に形成された信号読出回路と配線31、32を絶縁するための絶縁膜で、この絶縁膜80の上の金属反射膜70の上に空洞部90を介して光検出器部10が配置されている。金属反射膜70の表面には別の絶縁膜が形成される場合もある。
次に、この熱型赤外線検出器を用いた従来の2次元赤外線固体撮像素子の動作について説明する。
赤外線は光検出器部10が存在する側から入射し、光検出器部10で吸収される。
入射した赤外線は金属反射膜70の存在により金属反射膜70の位置が節となるような定在波ができ赤外線検出器部10と金属反射膜70の間隔を適切に設定することで赤外線検出器部10における赤外線エネルギの吸収を増大させることができる。
赤外線検出器部10で吸収された赤外線のエネルギは熱に変換され、赤外線検出器部10の温度を上昇させる。温度上昇は入射する赤外線の量に依存(入射する赤外線の量は撮像対象物の温度と放射率に依存)する。
温度上昇の量はボロメータ薄膜11の抵抗値の変化を測定することで知ることができるので、撮像対象物が放射している赤外線の量をボロメータ薄膜11の抵抗値の変化から知ることができる。
温度変化による抵抗変化の大きなボロメータ材料としては、文献P.W.Krise,”Uncooled IR Focal Plane Arrays”,Proceedings of SPIE,vol.2552,pp.556−563にあるように酸化バナジウム(VOx)等の半導体が用いられる。
ボロメータ薄膜11の抵抗温度係数が同じであれば、赤外線検出器部10の温度上昇が大きいほど同じ量の赤外線入射で得られる抵抗変化が大きくなり、感度が高くなるが、温度上昇を高くするためには赤外線検出器部10からシリコン半導体基板1に逃げる熱をできるだけ小さくすることが効果的であり、このために支持脚21、22は熱抵抗を出来るだけ小さくするよう設計される。
また、撮像素子のフレーム時間に比べ赤外線検出器部10の温度時定数が短くなるよう赤外線検出器部10の熱容量を小さくすることも重要である。
赤外線は画素内に全体に入射するが、赤外線検出器部10の温度上昇に寄与するのは赤外線検出器10の部分に入射したものだけ(若干は赤外線検出器部10に近い支持脚に入射した赤外線も有効ではあるが)であり、それ以外の領域に入射した赤外線は無効となってしまう。
この為、感度を高くするには開口率(画素面積に対する赤外線検出器部10の面積の割合)を大きくすることも有効であることは容易に理解できる。
上記の従来例で説明したボロメータで温度変化を検出する方式では、温度による抵抗変化が大きく、雑音の小さな材料として酸化バナジウム(VOx)等の通常シリコンプロセスでは使用しない材料を使う必要がある。
こうした材料はシリコンプロセスと同じ製造技術を用いて成膜、写真製版、エッチング等などの処理を行うことができるが、シリコンプロセスの汚染の観点から、シリコンVLSIと同じ製造ライン内で処理を行うことが難しかった。
また、第11図、第12図に示す従来の赤外線固体撮像装置の構造では、赤外線検出器部10は少なくとも支持脚21、22およびこの支持脚とシリコン半導体基板1上に形成された読出回路を接続するコンタクト部分を除いた領域に形成しなくてならないため、開口率はこの支持脚とコンタクト部分、およびこれらの部分と赤外線検出器部10との間隔余裕の設計に従った制約を受けており、高感度化を阻害していた。
さらに、この問題は画素が小さくなるほど顕著になり、感度を維持したまま小さな画素を用いて高解像度化して行くことを難しくしていた。
本発明は上記のような問題点を解消するためになされたもので、信号読出回路と同一半導体基板上に熱型赤外線検出器を形成する2次元赤外線固体撮像素子において、従来のシリコンVLSI製造ラインで最終の犠牲層(一般的に、下の層をエッチングして上の層を残す場合に、下の除去される層のことを犠牲層と称する)除去の工程を除いた全ての工程の加工を行うことができると共に、さらに、断熱構造を形成する支持脚や金属配線、コンタクト等の設計に依存せず、高い開口率を達成できる熱型赤外線検出器の実現を可能とし、これにより製造工程が容易で、かつ感度の高い赤外線固体撮像素子を提供することを目的とする。
発明の開示
本発明の赤外線固体撮像素子は、2次元に配列された各画素毎に対応して形成され、入射された赤外線を吸収して熱に変換する赤外線吸収部と、半導体基板上で各画素毎に対応して形成され、順方向にバイアスされた複数の直列接続されたシリコンpn接合ダイオードで構成された温度検出器部と、半導体基板上の温度検出器部が形成される各領域に形成された空洞部と、熱抵抗の大きな材料で構成され、温度検出器部を空洞部上で半導体基板上に支持する支持機構と、赤外線吸収部を温度検出器部より離して保持すると共に、赤外線吸収部と温度検出器部とを熱的に結合する接合柱とを備えたので、犠牲層除去を除く全ての製造工程をシリコンVLSIプロセスラインで処理することができる共に、画素部分には温度検出器用のシリコンpn接合ダイオード以外の能動素子が不要となるため、生産性の改善された安価で均一性の高い赤外線撮像素子を安定に製造することができる。
さらに、赤外線吸収部と温度検出器部を別の層として形成し、赤外線吸収部と温度検出器部を機械的・熱的に接合する手段である接合柱を設けたので、実効的に開口率を決める赤外線吸収部の面積を大きくして、高開口率化・高感度化を図ることができる。
また、本発明の赤外線固体撮像素子は、半導体基板としてSOI基板を用いることにより、容易に温度検出用シリコンpn接合ダイオードを結晶Siを構成部材として形成することができる。
また、本発明の赤外線固体撮像素子の温度検出器部のシリコンpn接合ダイオードは、単結晶シリコン層に交互にp層とn層を形成して複数のシリコンpn接合ダイオードを構成すると共に、電圧印加時に逆方向となる接合間を金属配線で接続されているので、画素内の面積の限られた領域内にシリコンpn接合ダイオードを高密度に配置することが可能となり、シリコンpn接合ダイオードの数を増やして高感度化を図ることができる。
また、本発明の赤外線固体撮像素子は、短絡用の金属配線として配線開口部分に自己整合的に形成される白金シリサイドを用いたので、プロセスの簡素化が図れる。
また、本発明の赤外線固体撮像素子は、半導体基板としてp型半導体基板を用いる共に、温度検出器部の順方向にバイアスされた複数の直列接続されたシリコンpn接合ダイオードは該p型半導体上に設けられたn型不純物領域層内形成されるので、温度検出器部の下には絶縁膜を必要とせず、電解エッチングで対応でき、半導体基板としてSOI基板より安価な従来の基板を用いることができる。
また、本発明の赤外線固体撮像素子の赤外線吸収部は、赤外線吸収金属薄膜、絶縁膜および金属反射膜の層より構成されているので、赤外線吸収部を薄く構成し、干渉吸収構造にすることにより、赤外線の吸収を増大することが可能となり、高感度化を図ることができる。
また、本発明の赤外線固体撮像素子の赤外線吸収部は、絶縁膜および金属反射膜の層より構成されているので、赤外線吸収金属薄膜を形成する工程が不要となり、製造工程の簡略化が図れる。
また、本発明の赤外線固体撮像素子の接合柱は、赤外線吸収部の構成部材の一部で構成されているので、接合柱を赤外線吸収部と同時に形成することができ、製造工程の簡略が図れる。
また、本発明の赤外線固体撮像素子は、半導体基板内の空洞部形成領域の周辺部に、空洞部をエッチングするエッチャントに対してエッチング耐性を持つエッチングストップ層を設けたので、不要にエッチングが広がる心配がなく、エッチングされる領域とエッチングされない領域に作るべき構造の間のマージンを小さくでき、温度検出器部の領域が稼げることにより、温度検出用のシリコンpn接合ダイオードの高密度化が可能となる。
また、画素と画素の間の距離を小さくできるので、結果として画素を小さくでき、画素を縮小して高密度に配置できる。
また、本発明の赤外線固体撮像素子は、各垂直ライン毎に1端を固定電位に接続された定電流源を備えたので、この定電流源は各垂直ライン毎に設けられた出力信号検出用の負荷となり、画素数が増えても1画素あたりの通電時間を長くとれ、十分な信号読み出しが可能となり、狭帯域化で出力信号の雑音低減を図ることができる。
また、本発明の赤外線固体撮像素子は、各垂直ライン毎に1端を固定電位に接続された抵抗を備えたので、この抵抗は各垂直ライン毎に設けられた出力信号検出用の負荷となり、画素数が増えても1画素あたりの通電時間を長くとれ、十分な信号読み出しが可能となり、狭帯域化で出力信号の雑音低減を図ることができる。
また、本発明の赤外線固体撮像素子は、各垂直ライン毎に1端を固定電位に接続されたダイオードを備えたので、このダイオードは各垂直ライン毎に設けられた出力信号検出用の負荷となり、画素数が増えても1画素あたりの通電時間を長くとれ、十分な信号読み出しが可能となり、狭帯域化で出力信号の雑音低減を図ることができる。
また、本発明の赤外線固体撮像素子の各垂直ライン毎に1端を固定電位に接続されたダイオードは、画素の温度検出器部のシリコンpn接合ダイオードと同じ形状のものが同じ個数直列に接続されたものであるので、素子の温度変化に対して温度検出器部のシリコンpn接合ダイオードと同じように特性が変化し、素子温度変化よる出力変化の補償が可能となる。
また、本発明の赤外線固体撮像素子の各垂直ラインは、水平選択トランジスタを介してに1端を固定電位に接続された共通負荷を備えているので、各垂直ライン毎の負荷のばらつきによる出力信号のばらつきを無くすることができる。
また、本発明の赤外線固体撮像素子の各垂直ラインに対する共通負荷はダイオードであり、温度検出器部のシリコンpn接合ダイオードと同じ形状のものを同じ個数直列に接続されたものであるので、各垂直ライン毎の負荷のばらつきによる出力信号のばらつきを無くすることができると共に、素子の温度変化に対して温度検出器部のシリコンpn接合ダイオードと同じように特性が変化し、素子温度変化よる出力変化の補償が可能となる。
発明を実施するための最良の形態
本発明をより詳細に説述するために、添付の図面に基づいて説明する。尚、図において、従来と同一符号は従来のものと同一あるいは相当のものを表す。
第1の実施例
第1図は、本発明の第1の実施例を示す熱型赤外線検出器を用いた2次元赤外線固体撮像素子の画素の断面構造を示す図である。
第1図は、簡単のために半導体基板1上に設けられた信号読み出し用の配線は省略している。
半導体基板1としてはSOI(Silicon on Insulator)シリコン半導体基板が用いられており、図において、100はこのSOI半導体基板1内に埋め込まれたシリコン酸化膜で形成された絶縁膜であって、この絶縁膜100の上に形成した300は温度検出器部であって、n型シリコン領域(n型不純物領域とも称す)1a、1b、1c、1dとp型シリコン領域(p型不純物領域とも称す)2a、2b、2c、2dからなる直列シリコンpn接合ダイオードで構成されている。
2aと1b、2bと1c、2cと1dの間は短絡用金属配線3a、3b、3cによりショートされており、pn接合ダイオードとしては1aと2a間、1bと2b間、1cと2c間、1dと2d間のみがが有効に働く。
また、110、120はシリコン酸化膜、シリコン窒化膜等からなる絶縁膜であり、31、32は金属配線である。21、22はSOI半導体基板1の中に形成した空洞部200の上に温度検出器部300を浮かして支持する支持脚であり、絶縁膜100、110、120と金属配線31、32の一部がこの支持脚21、22の構造を構成している。
温度検出器部300の上に形成された400は赤外線を吸収して熱に変換する赤外線吸収部であって、赤外線吸収部400は金属反射膜150、絶縁膜130、赤外線吸収金属薄膜160からなる。
また、140は赤外線吸収部400を温度検出器部300から離して保持すると共に、赤外線吸収部400と温度検出器部300を熱的に結合する手段である接合柱である。
190は空洞部200を形成するのに等方性エッチングを用いた場合に不要に広くエッチングが進行するのを防ぐためのエッチングストッパであるエッチングストップ層である。
第2図は、第1図に示した第1の実施例による赤外線吸収部(熱型赤外線検出器)を用いた2次元赤外線固体撮像素子の画素の構造において、赤外線吸収部400を除いた部分の平面レイアウトを示す図である。
図において、1000は画素全体を差しており、500は信号を読み出すための垂直信号線、600は前述した直列シリコンpn接合ダイオード(以下、単に直列ダイオードあるいはダイオードとも称す)に電圧を供給するためのバイアス線である。
また、1a〜1mはn型シリコン領域(n型不純物領域)、2a〜2mはp型シリコン領域(p型不純物領域)、3a〜3lは短絡用金属配線であり、第2図では直列ダイオードの数は第1図より多くなっているが、ダイオードは多数接続するほど感度が多くなるので、第2図のように蛇行させて多数配置するのが好ましい。
また、説明では支持脚21、22と金属配線31、32は従来構造と同じ単純な形状としたが、熱抵抗を大きくするために蛇行などのレイアウト方法でできるだけ長さを稼ぐことが好ましい。
第3図は、第1図、第2図に示した画素をマトリックス状に複数配列して撮像素子を構成(図では簡単のために4x4画素アレイを示しているが、全体で数万〜数十万画素となる)した状態を示した図である。
図において、1011〜1044は第2図の1000で示した画素を示しており、各画素の中の直列pn接合ダイオードは第3図では簡単のために一つのダイオードの記号で表わされている。
501〜504と601〜604はそれぞれ第2図の500、600に対応するもので、垂直信号線およびバイアス線である。
1201〜1204、1301〜1304が垂直および水平の走査回路1400、1500からのクロックで動作する垂直および水平走査トランジスタ、1600は垂直信号線501〜504に現われた信号をサンプル・ホールドし、水平信号線700に出力するための垂直−水平インターフェース回路、1800は出力アンプ、1500はバイアス電源、1900は出力端子である。
また、1101〜1104は各垂直ライン毎に1端を固定電位に接続された負荷としての定電流源で、飽和領域で動作するMOSトランジスタやバイポーラトランジスタ等を用いて構成することができる。
第4図は、第1図、第2図に示した画素を複数配列した状態を示した図である。
図において、点線で示した長方形1011〜1024は第2図の1000で示した画素を示しており、画素の中味の構造は接合柱141〜148以外は省略して示している。
401〜408はそれぞれ第1図に示した赤外線吸収部400であり、接合柱141〜148により半導体基板1とは離れて支持されている。半導体基板1の上面に形成された画素1011〜1024と赤外線吸収部401〜408は同一領域に形成される必要はなく、第4図に示すように画素に対してずれていても構わない。
図より明らかなように、赤外線吸収部401〜408の各々の面積は、画素面積から隣接する赤外線吸収部間のわずかな間隔を除いた面積とすることが可能であり、従って、開口率(画素面積に対する赤外線吸収部の面積の比率)を非常に大きくすることができる。
次に、本実施例による熱型赤外線検出器を用いた2次元赤外線固体撮像素子の動作について説明する。
赤外線は赤外線吸収部400側から入射する。入射した赤外線は赤外線吸収部400で吸収され赤外線吸収部400の温度を上昇させる。
赤外線吸収部400の温度変化は接合柱140を通して温度検出器部300に伝わり、温度検出器部300の温度を上昇させる。
接合柱140の熱抵抗は支持脚21、22の熱抵抗に比べ小さく設計されており、温度検出器部300、接合柱140、赤外線吸収部400の3つの構造体を合計した熱容量と支持脚21、22の熱抵抗で決まる時定数はフレーム時間(1画面分に相当する信号をすべて読み出すの要する時間、または、固体撮像素子の全画素の信号を読み出すのに要する時間のこと)より短く設計されているので、フレーム時間毎に観測した場合に、温度検出器部300の温度上昇は赤外線吸収部400の温度上昇とほとんど同じになる。
次に、第3図を用いて画素部分の温度変化を電気信号として取り出す方法について説明する。
撮像素子の任意の1水平期間の動作について考える。まず、垂直走査回路1400の1つのクロック出力が”H”(ハイレベル)状態になり垂直選択トランジスタ1201〜1204の内の1つをオン状態にして、バイアス電源1500をバイアス線601〜604のいずれか一本に印加する。
回路的には図示していないが、選択されていないバイアス線はこのときバイアスされていない”L”(ローレベル)状態となっている。
例えば、1202のゲート(垂直選択トランジスタ)にクロックが印加されオン状態になった場合はバイアス線602にバイアス電圧が印加され、バイアス線601、603、604は電圧が加わらない状態となる。
この状態では画素1012、1022、1032、1042のダイオードのみが順方向にバイアスされた状態になり、他の画素のダイオードは逆方向にバイアスされた状態となる。
この状態では電流は、電源1500から垂直選択トランジスタ1202、垂直バイアス線602を経たのち4分割され、1つは画素1012、垂直信号線501を経て電流源1101へ、もう一つは1022から502を経て1102へ、もう一つは1032から503を経て1103へ、最後の一つは1042から504を経て1104へ流れる。
このように、画素には温度検出用のダイオードしか含まれていないが、選択される画素はバイアスを与えた行の画素のみとなる。
順方向に定電流を流すダイオードは、単素子ではすでに温度センサとして実用化されており、(例えば、米国Lake Shore Cryotronics,Inc.のシリコンダイオードセンサDTシリーズ等)温度によって定電流を流すのに必要な印加電圧が変化することが知られている。
具体的には、1つのシリコンpnダイオードでは1度の温度上昇で2〜2.5mV程度低下する。この温度による電圧変化は直列に接続するダイオードの数に比例する。
従って、前述の例では画素1012、1022、1032、1042の各画素における温度を反映して各画素に含まれるダイオードによる電圧降下の量が異なり、501、502、503、504には画素1012、1022、1032、1042の温度を反映した電圧が現われる。この電圧を垂直−水平インターフェース部1600でサンプル・ホールドし、水平走査回路1700を駆動して順水平選択トランジスタ1301〜1304をオン状態にして信号を水平信号線700、出力アンプ1800を通して外部に読み出す。次の水平期間には別の垂直選択トランジスタをオンして別の画素列を選択し、同様の動作を繰り返す。
次に、この実施例の構造の製造方法について説明する。
半導体基板1としてはSOI(Silicon on Insulator)シリコン半導体基板を用いる。
第5図(a)において、100はSOI半導体基板1内に埋め込まれたシリコン酸化膜で、始めシリコン酸化膜100上には薄い単結晶シリコン層が形成されているが、ダイオードとなる一部を除きこのシリコン単結晶層を酸化してシリコン酸化膜層120を形成する。
125は残った単結晶シリコン層で、この例ではp形とした。190は最後の工程でシリコンをエッチングするときのエッチングストッパとなるエッチングストップ層で、トレンチエッチングを行った後、表面を熱酸化し、シリコン酸化膜やポリシリコンを埋め込んで形成する。
第5図(b)では、第5図(a)で125で示した単結晶シリコン層にイオン注入法でn不純物領域2a〜2dを形成し、同時にp形領域を1a〜1dに分割する。
その後、薄い酸化膜を単結晶シリコン層125上に形成(図示していない)したのち、短絡用の金属配線3a〜3cを形成する部分を開口し、白金を蒸着し、熱処理によりシリコンと接した部分に白金シリサイドを形成する。白金シリサイド形成後、シリコン酸化膜上に残った白金は玉水で除去することができ、白金シリサイドはセルファラインで形成できる。
次に、金属配線31、32を形成し、表面をシリコン酸化膜かシリコン窒化膜またはその複合膜で覆う。白金シリサイドは金属配線31、32と単結晶シリコン薄膜が接するコンタクト部分に形成してもよい。
この状態で、図には示していないが絶縁膜100、110、120を貫通して最後にシリコンエッチングを行う際にエッチャントを供給するエッチング窓を形成する。このエッチング窓は第2図の白貫の形状している。
第5図(c)では、後にエッチングして除去する犠牲層180を形成し、接合柱140となる部分を写真製版技術で除去したのち、接合柱となる膜を形成する。
この例では、犠牲層開口部以外の接合柱となる膜材料は除去された構造になっているが、これは選択的な埋め込みやエッチバック技術を用いることで作ることができる。
但し、接合柱部分以外に接合柱の部材が残っていても何ら不都合は生じない。
犠牲層としてポリシリコンまたはアモルファスシリコンを用いると、半導体基板1内に空洞を作るエッチングを行うのと同時に犠牲層エッチングが可能である。
第5図(d)では、赤外線吸収部400の構成部材である反射膜150、絶縁膜130、赤外線吸収金属薄膜160を順次形成して、パターニングする。
犠牲層180およびシリコンエッチングの時にエッチャントに曝される金属反射膜150、赤外線吸収金属薄膜160がエッチャントに耐性がない場合は赤外線吸収部400の上下をエッチング耐性のある絶縁膜で覆う必要がある。
第5図(e)は第1図と同じものであり、第4図(b)の構造をシリコンエッチングすることで犠牲層180および温度検出器部300の下にある半導体基板1をエッチングして断熱構造を完成する。
即ち、赤外線を吸収し温度変化に変える赤外線吸収部400は接合柱140のみを介して温度検出器部300上に離れた状態で機械的・熱的に結合されると共に、温度検出器部300は高い熱抵抗を有した支持脚21、22によって半導体基板1にエッチングより形成された空洞部200上においてSOI半導体基板1と、熱的に絶縁された状態で支持される構造を実現する。
この際、温度検出器部300はシリコン酸化膜100で下面を保護されているのでエッチングされない。
この例では周辺の回路の形成工程を省いて説明しているが、周辺回路はSOI半導体基板1上に形成することもできるし、SOI半導体基板1から単結晶シリコン層125とシリコン酸化膜100を周辺回路部分だけ取り去りその上に形成することもできる。
上記実施例では接合柱140が1本の場合について説明したが、接合柱は複数であってもよい。この事情は以下に示すすべての実施例について共通にいえることである。
また、接合柱140の位置は任意であるが、機械的に赤外線吸収部400を支えることができ、赤外線吸収部400に大きな温度分布を生じさせない位置が好ましい。
この条件を満たす位置としては赤外線吸収部400の重心の下の位置が最適である。この事情は以下に示すすべての実施例について共通にいえることである。
また、接合柱140の太さについては赤外線吸収部400と温度検出器部300の温度に大きな差を生じないために温度検出器部とSOI半導体基板1を熱的に接続する支持脚の熱抵抗に比べ十分小さな熱抵抗をもつように設計する必要がある。この事情は以下に示すすべての実施例について共通にいえることである。
上記実施例では赤外線吸収部400として3層構造のものを採用したが、赤外線吸収が可能であれば単層または2層構造でもよく、3層以上の構造としても構わない。
また赤外線吸収部400は各層が連続した1つの構造物でなくてもよく、一部の層が除去された構造になっていてもよい。
上記実施例では接合柱140は赤外線吸収部400と別の構造としたが、接合柱140は赤外線吸収部400の少なくとも1部の部材を使用して構成してもよい。
上記実施例では、エッチングストップ層190を設けているが、エッチングストップ層190はエッチングマージンを考慮して、エッチングをしない領域が十分残る場合はこれを設ける必要はなく、空洞部200の周辺の1部にのみ設けてもよい。
以上のように、第1の実施例による赤外線固体撮像素子は、2次元に配列された各画素毎に対応して形成され、入射された赤外線を吸収して熱に変換する赤外線吸収部400と、半導体基板1上で各画素毎に対応して形成され、順方向にバイアスされた複数の直列接続されたシリコンpn接合ダイオードで構成された温度検出器部300と、半導体基板1上の温度検出器部300が形成される各領域に形成された空洞部200と、熱抵抗の大きな材料で構成され、温度検出器部を空洞部上で半導体基板上に支持する支持機構(支持脚21、22)と、赤外線吸収部400を温度検出器部300より離して保持すると共に、赤外線吸収部400と温度検出器部300とを熱的に結合する接合柱140とを備えたので、犠牲層除去を除く全ての製造工程をシリコンVLSIプロセスラインで処理することができる共に、画素部分には温度検出器用のシリコンpn接合ダイオード以外の能動素子が不要となるため、生産性の改善された安価で均一性の高い赤外線撮像素子を安定に製造することができる。
さらに、赤外線吸収部400と温度検出器部300を別の層として形成し、赤外線吸収部400と温度検出器部300を機械的・熱的に接合する手段である接合柱140を設けたので、実効的に開口率を決める赤外線吸収部400の面積を大きくして、高開口率化・高感度化を図ることができる。
また、半導体基板としてSOI基板を用いることにより、容易に温度検出用シリコンpn接合ダイオードを結晶Si上へ形成することができる。
また、温度検出器部300のシリコンpn接合ダイオードは、単結晶シリコン層に交互にp層とn層を形成して複数のシリコンpn接合ダイオードを構成すると共に、電圧印加時に逆方向となる接合間を金属配線3a〜3lで接続されているので、画素内の面積の限られた領域内にシリコンpn接合ダイオードを密に配置することが可能となり、シリコンpn接合ダイオードの数を増やして高感度化を図ることができる。
また、短絡用の金属配線3a〜3lとして配線開口部分に自己整合的に形成される白金シリサイドを用いたので、プロセスの簡素化が図れる。
また、赤外線吸収部400は、赤外線吸収金属薄膜160、絶縁膜130および金属反射膜150の層より構成されているので、赤外線吸収部を薄く構成し、干渉吸収構造にすることにより、赤外線の吸収を増大することが可能となり、高感度化を図ることができる。
また、赤外線吸収部400は、絶縁膜および金属反射膜の層より構成することにより、赤外線吸収金属薄膜160を形成する工程が不要となり、製造工程の簡略化が図れる。
また、接合柱140を赤外線吸収部400の構成部材の一部で構成することにより、接合柱140を赤外線吸収部400と同時に形成することができ、製造工程の簡略が図れる。
また、半導体基板1内の空洞部200の形成領域の周辺部に、空洞部200をエッチングするエッチャントに対してエッチング耐性を持つエッチングストップ層190を設けたので、不要にエッチングが広がる心配がなく、エッチングされる領域とエッチングされない領域に作るべき構造の間のマージンを小さくでき、高密度化が可能となる。
また、各垂直ライン毎に1端を固定電位に接続された定電流源1101〜1104を備えたので、この定電流源は各垂直ライン毎に設けられた出力信号検出用の負荷となり、画素数が増えても1画素あたりの通電時間を長くとれ、十分な信号読み出しが可能となり、狭帯域化で出力信号の雑音低減を図ることができる。
第2の実施例
前述の第1の実施例ではSIO半導体基板1に空洞部200を作るのに等方性エッチングを使用してが、異方性エッチングを使用することもでき、この場合使用するSIO半導体基板1として(100)面を用いればエッチングストップ層がなくても(111)面が現われた段階でエッチング速度が急激に遅くなり、不要に空洞領域を広げることなくエッチング可能である。
この場合の画素部断面形状を第6図に示す。201は異方性エッチングで形成された空洞部分である。
第3の実施例
第1の実施例では第3図に示すように、各行に定電流源1101〜1104を設けて信号を検出したが、これを第7図または第8図に示すように負荷抵抗1111〜1114または負荷ダイオード1121〜1124に置き換えてもよい。
なお、ダイオード負荷の場合、画素部分と同じ形状、個数のダイオードを画素のダイオードと直列に接続して負荷にして、画素ダイオードと負荷ダイオードの接続点を出力する構成をとる。
この場合、負荷のダイオードの下には空洞部200あるいは201を形成しないようにすると、画素部分のダイオード(即ち、温度検出器部300のシリコンpn接合ダイオード)は赤外線の入射によって特性が変わるのに対して、負荷のダイオードは半導体基板1と熱的によく結合されているため、外部からの赤外線入射によってほとんど特性は変化しない。
従って、赤外線入射により画素部分のダイオード(即ち、温度検出器部300のシリコンpn接合ダイオード)と負荷のダイオードの特性変化が異なるため、出力が変化する。
ダイオードの特性は絶対温度で決まるが、赤外線入射による温度変化はダイオード素子自信の温度を起点とした変化であり、素子温度が変わると赤外線が入射したときの画素ダイオード(即ち、温度検出器部300のシリコンpn接合ダイオード)の絶対温度が変化し、問題となる。
しかし、負荷ダイオードが素子の絶対温度にしたがって特性変化をしているので、この構成では負荷ダイオードを画素ダイオード(即ち、温度検出器部300のシリコンpn接合ダイオード)と同じ温度特性を持たせることで、素子温度の変化による出力の変化を補償することができる。
以上のように、第3の実施例による赤外線固体撮像素子は、各垂直ライン毎に1端を固定電位に接続された出力信号検出用の負荷抵抗1111〜1114を備えたので、画素数が増えても1画素あたりの通電時間を長くとれ、十分な信号読み出しが可能となり、狭帯域化で出力信号の雑音低減を図ることができる。
また、各垂直ライン毎に1端を固定電位に接続された出力信号検出用の負荷ダイオード1121〜1124を備えたので、画素数が増えても1画素あたりの通電時間を長くとれ、十分な信号読み出しが可能となり、狭帯域化で出力信号の雑音低減を図ることができる。
また、各垂直ライン毎に1端を固定電位に接続された負荷ダイオード1121〜1124は、画素の温度検出器部300のシリコンpn接合ダイオードと同じ形状のものが同じ個数直列に接続されたものであるので、素子の温度変化に対して温度検出器部300のシリコンpn接合ダイオードと同じように特性が変化し、素子温度変化よる出力変化の補償が可能となる。
第4の実施例
第2の実施例あるいは第3の実施例では各行に定電流源、抵抗またはダイオードを設けて垂直−水平インターフェース部1600に信号をサンプルホールドして一時蓄積できるようにしているが、第9図に示すように、各行に対する共通負荷として撮像素子内定電流源、抵抗またはダイオードのいずれかからなる共通負荷1130を設けて、1つの水平走査回路により1行ずつ水平信号線700につなぐようにしてもよい。
この方法では1画素づつ通電する必要があるので、画素数が増えると1画素の読み出しに割り当てられる時間が少なくなり、読み出しが十分できなくなったり、1画素を読み出す周波数の帯域が広くなり雑音を発生する可能性があるが、画素数が少ない場合には、各行毎に負荷を設けるよりもこのような共通負荷の構成を採用した方が、各行の負荷のばらつきによる出力のばらつきが防止され、良好な画像を得ることがでる。なお、共通負荷1130がダイオードの場合、画素部分のダイオード(即ち、温度検出器部300のシリコンpn接合ダイオード)と同じ形状、個数のダイオードを画素部分のダイオードと直列に接続して負荷にして、画素ダイオードと負荷ダイオードの接続点を出力する構成をとる。
この場合、負荷のダイオードの下には空洞部200あるいは201を形成しないようにすると、画素部分のダイオード(即ち、温度検出器部300のシリコンpn接合ダイオード)は赤外線の入射によって特性が変わるのに対して、負荷のダイオードは半導体基板1と熱的によく結合されているため、外部からの赤外線入射によってほとんど特性は変化しない。
従って、赤外線入射により画素部分のダイオード(即ち、温度検出器部300)と負荷のダイオードの特性変化が異なるため、出力が変化する。
ダイオードの特性は絶対温度で決まるが、赤外線入射による温度変化はダイオード素子自信の温度を起点とした変化であり、素子温度が変わると赤外線が入射したときの画素ダイオード(即ち、温度検出器部300のシリコンpn接合ダイオード)の絶対温度が変化し、問題となる。
しかし、負荷ダイオードが素子の絶対温度にしたがって特性変化をしているので、この構成では負荷ダイオードを画素ダイオード(即ち、温度検出器部300のシリコンpn接合ダイオード)と同じ温度特性を持たせることで、素子温度の変化による出力の変化を補償することができる。
また、上記第1の実施乃至第4の実施例では半導体基板1としてSOI半導体基板を用いた例を示したが、レーザ再結晶化等の手法でシリコン半導体基板上に形成したシリコン酸化膜の上に単結晶シリコンを形成した半導体基板を用いることもでき、シリコン酸化膜はシリコン半導体基板全面に存在しなくても、半導体基板に空洞を形成する領域(さらに限定すれば温度検出器部300の下面のみ)のみに存在すればよく、酸素をイオン注入して形成するSIMOX構造等も使用することができる。
以上のように、第4の実施例による赤外線固体撮像素子の各垂直ラインは、水平選択トランジスタ1301〜1304を介してに1端を固定電位に接続された共通負荷1130を備えているので、各垂直ライン毎の負荷のばらつきによる出力信号のばらつきを無くすることができる。
また、各垂直ラインに対する共通負荷130はダイオードであり、温度検出器部のシリコンpn接合ダイオードと同じ形状のものを同じ個数直列に接続されたものであるので、各垂直ライン毎の負荷のばらつきによる出力信号のばらつきを無くすることができると共に、素子の温度変化に対して温度検出器部のシリコンpn接合ダイオードと同じように特性が変化し、素子温度変化よる出力変化の補償が可能となる。
第5の実施
第10図は、本発明による熱型赤外線検出器を用いた2次元赤外線固体撮像素子の第5の実施例を示す画素の断面構造である。
図において301は温度検出器部であり、図に示すように実施例2による画素の構造は実施例1のものと比較して温度検出器部の構造が異なっている。
この第5の実施例では半導体基板1はp形シリコン半導体基板であり、また、温度検出器部301内の12はn形不純部領域であって、温度検出用のpn接合ダイオードはこのn形不純物領域12の中に形成されている。
半導体基板1に空洞部200を形成するには江刺、藤田、五十嵐、杉山共著『マイクロマシニングとマイクロメカトロニクス』(培風館)p.19〜p.20に述べられている電解エッチングを用いる。
電解エッチングではp形のシリコン半導体基板はエッチングされるが、n形不純物領域はエッチングされずに残り、第10図のような構造を作ることができる。
第10図において、1a、1b、1cはp形不純物領域、2a、2b、2cはn形不純物領域であり、1a−2a、1b−2b、1c−2cが温度検出用のpnダイオードを構成している。
それぞれのpnダイオードは金属配線3a、3bにより直列に接続されている。n形不純物領域2a、2b、2cとp形不純物領域1a、1b、1cとは逆方向バイアスとなるように電圧を印加する。直列に接続されるpnダイオードは実施例1の場合と同様に多いほど感度が高くなる。
この実施例の画素を用いた赤外線撮像素子も第1の実施例に示したものと同じ回路により動作させることができる。
以上のように、第5の実施例による赤外線固体撮像素子は、半導体基板1としてp型半導体基板を用いる共に、温度検出器部301の順方向にバイアスされた複数の直列接続されたシリコンpn接合ダイオードは該p型半導体上に設けられたn型不純物領域12の層内に形成されるので、温度検出器部301の下には絶縁膜を必要とせず、電解エッチングで対応でき、半導体基板としてSOI基板より安価な従来の基板を用いることができる。
産業上の利用の可能性
以上のように、本発明に係る赤外線固体撮像装置は、画素部分に温度検出と画素選択の両方の機能を兼用したシリコンpn接合ダイオードを形成することにより、犠牲層除去を除く全ての製造工程をシリコンVLSIプロセスラインで処理することができる生産性の改善された安価で均一性の高い赤外線固体撮像素子を実現するのに適している。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の第1の実施例の赤外線固体撮像素子の画素の断面構造を示す図、第2図は本発明の第1の実施例の赤外線固体撮像素子の画素の赤外線吸収部を除いた平面レイアウ図、第3図は本発明の第1の実施例の赤外線固体撮像素子の読み出し回路の構成を示す図、第4図は本発明の第1の実施例の赤外線固体撮像素子の赤外線吸収部のレイアウトを示す図、第5図は本発明の第1の実施例の赤外線固体撮像素子の画素の製造工程フローを示す図である。
また、第6図は本発明の第2の実施例の赤外線固体撮像素子の画素の断面構造を示す図、第7図は本発明の第3の実施例の赤外線固体撮像素子の読み出し回路の構成例を示す図、第8図は本発明の第3の実施例の赤外線固体撮像素子の読み出し回路の構成の他の例を示す図、第9図は本発明の第4の実施例の赤外線固体撮像素子の読み出し回路の構成を示す図、第10図は本発明の第5の実施例の赤外線固体撮像素子の画素の断面構造を示す図である。
また、第11図は従来の赤外線固体撮像素子の画素の構造を示す斜視図、第12図は従来の赤外線固体撮像素子の画素の構造を示す断面図である。
Claims (14)
- 2次元に配列された各画素毎に対応して形成され、入射された赤外線を吸収して熱に変換する赤外線吸収部と、半導体基板上で上記各画素毎に対応して形成され、順方向にバイアスされた複数の直列接続された単結晶シリコン層に形成されたシリコンpn接合ダイオードで構成された温度検出器部と、上記2次元に配列された各画素毎の温度検出器部の信号電圧を読み出す複数の垂直信号線と、上記垂直信号線と直交し各温度検出器部にバイアス電圧を印加する複数のバイアス線と、上記半導体基板上の上記温度検出器部が形成される各領域に形成された空洞部と、上記温度検出器部を上記空洞部上で上記半導体基板上に支持する支持機構と、上記赤外線吸収部を上記温度検出器部より離して保持すると共に、上記赤外線吸収部と上記温度検出器部とを熱的に結合する接合柱とを備え、上記支持機構の熱抵抗は上記接合柱の熱抵抗より大きいことを特徴とする赤外線固体撮像素子。
- 半導体基板としてSOI基板を用いることを特徴とする請求項1に記載の赤外線固体撮像素子。
- 温度検出器部のシリコンpn接合ダイオードは、単結晶シリコン層に交互にp層とn層を形成して複数のシリコンpn接合ダイオードを構成すると共に、電圧印加時に逆方向となる接合間を金属配線で接続したことを特徴とする請求項1に記載の赤外線固体撮像素子。
- 短絡用の金属配線として配線開口部分に自己整合的に形成される白金シリサイドを用いたことを特徴とする請求項3に記載の赤外線固体撮像素子。
- 半導体基板としてp型半導体基板を用いると共に、温度検出器部の順方向にバイアスされた複数の直列接続されたシリコンpn接合ダイオードは、上記p型半導体上に設けられたn型不純物領域層内に形成されたことを特徴とする請求項1に記載の赤外線固体撮像素子。
- 赤外線吸収部は、上層から順に赤外線吸収金属薄膜、絶縁膜および金属反射膜の層より構成されていることを特徴とする請求項1または5に記載の赤外線固体撮像素子。
- 接合柱は、赤外線吸収部の構成部材の一部で構成されたことを特徴とする請求項1または5に記載の赤外線固体撮像素子。
- 半導体基板内の空洞部形成領域の周辺部に、空洞部をエッチングするエッチャントに対してエッチング耐性を持つエッチングストップ層を設けたことを特徴とする請求項1に記載の赤外線固体撮像素子。
- 各垂直信号線毎に1端を固定電位に接続された定電流源を備えたことを特徴とする請求項1または5に記載の赤外線固体撮像素子。
- 各垂直信号線毎に1端を固定電位に接続された抵抗を備えたことを特徴とする請求項1または5に記載の赤外線固体撮像素子。
- 各垂直信号線毎に1端を固定電位に接続されたダイオードを備えたことを特徴とする請求項1または5に記載の赤外線固体撮像素子。
- 1端を固定電位に接続されたダイオードは、温度検出器部のシリコンpn接合ダイオードと同じ形状のものが同じ個数直列に接続されたものであることを特徴とした請求項11に記載の赤外線固体撮像素子。
- 垂直信号線は、水平選択トランジスタを介して1端を固定電位に接続された共通負荷を備えたことを特徴とする請求項1または5に記載の赤外線固体撮像素子。
- 共通負荷はダイオードであり、温度検出器部のシリコンpn接合ダイオードと同じ形状のものを同じ個数直列に接続されたものであることを特徴とする請求項13に記載の赤外線固体撮像素子。
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