(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に２次元に配列され、入射した赤外線を熱に変換する光熱変換部とこの光熱変換部の下に設けられ前記光熱変換部で生じた熱を電気信号に変換する熱電変換部とをそれぞれ有する複数のセルと、これら複数のセルのうち一部のセルを選択する選択部と、選択された前記セルの前記熱電変換部で生じた電気信号を出力する出力部とを備えた熱型赤外線撮像素子であって、前記光熱変換部は、第１の光熱変換層とこの第１の光熱変換層上に当該第１の光熱変換層と離間して設けられるとともに前記第１の光熱変換層と異なる波長帯の赤外線を熱に変換する第２の光熱変換層とを備え、かつ前記第１の光熱変換層は前記第１の熱電変換部上に第１の支持柱により支持され、前記第２の光熱変換層は前記第２の熱電変換部上に第２の支持柱により支持されてなり、前記熱電変換部は、前記第１の光熱変換層で生じた熱を電気信号に変換する第１の熱電変換部とこの第１の熱電変換部と熱的に分離されて設けられ前記第２の光熱変換層で生じた熱を電気信号に変換する第２の熱電変換部とを備えることを特徴とする熱型赤外線撮像素子。
【請求項２】
基板上にそれぞれ少なくとも１本の断熱支持脚により支持されて２次元に配列され、入射した赤外線を熱に変換する光熱変換部とこの光熱変換部の下に設けられ前記光熱変換部で生じた熱を電気信号に変換する熱電変換部とをそれぞれ有する複数のセルと、これら複数のセルのうち一部のセルを選択する選択部と、選択された前記セルの前記熱電変換部で生じた電気信号を出力する出力部とを備えた熱型赤外線撮像素子であって、前記光熱変換部は、第１の光熱変換層とこの第１の光熱変換層上に当該第１の光熱変換層と離間して設けられるとともに前記第１の光熱変換層と異なる波長帯の赤外線を熱に変換する第２の光熱変換層とを備え、かつ前記第１の光熱変換層は前記第１の熱電変換部上に第１の支持柱により支持され、前記第２の光熱変換層は前記第２の熱電変換部上に第２の支持柱により支持されてなり、前記熱電変換部は、前記第１の光熱変換層で生じた熱を電気信号に変換する第１の熱電変換部と前記第２の光熱変換層で生じた熱を電気信号に変換する第２の熱電変換部とを備えることを特徴とする熱型赤外線撮像素子。
【請求項３】
第１の支持柱は前記第２の支持柱の外側に位置して設けられていることを特徴とする請求項１、２のいずれかに記載の熱型赤外線撮像素子。
【請求項４】
前記第２の光熱変換層は前記第１の光熱変換層よりも広い受光面を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の熱型赤外線撮像素子。
【請求項５】
前記第１の熱電変換部と前記第２の熱電変換部との間には、両者を熱的に分離する空隙部が設けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の熱型赤外線撮像素子。
【請求項６】
前記第１の光熱変換層は、前記第２の光熱変換層よりも短い波長帯の赤外線を熱に変換することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の熱型赤外線撮像素子。
【請求項７】
前記第２の光熱変換層が二酸化ケイ素からなり、前記第１の光熱変換層がホウ素及びリンを含むケイ酸ガラスからなることを特徴とする請求項６記載の熱型赤外線撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は熱型赤外線撮像素子に係わり、特に１画素で複数の波長帯に感度がある熱型赤外線撮像素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、冷却装置を必要としない熱型赤外線イメージセンサとして、マイクロマシニング技術を用いた酸化バナジウムのボロメータ型や、ＢＳＴ(Barium-Strontium-Titanium)の焦電型のものが製品化されている。これらの製品は赤外線を吸収して温度を上昇させる感熱部と、この感熱部をシリコン基板と熱的に分離するための支持脚と、画素を選択するための水平アドレス線と垂直信号線によって構成されている。
【０００３】
原理としては、被写体から放射される赤外線を感熱部で吸収し、その際感熱部の温度上昇を抵抗変化、容量変化等で検知する。このため感熱部を支持する支持脚は、断熱効果を高めるために断面積を小さくし長さを長くする構造になっている。
【０００４】
しかし、支持脚の長さを長くすると、赤外線を吸収して熱に変換してその熱を電気信号に変える感熱部の面積が減少しトレードオフになる。さらに、感熱部面積が減少することによってイメージエリアの不感領域が増加する。遠方の小物体を撮影する場合、イメージエリアに結像するスポットは回折限界の約１４μｍ程度になるため、この１４μｍのスポットが不感領域に結像した場合、何も撮影することはできない。このため、図２４に示すように感熱部１２３を光熱変換部１２５と熱電変換部１２４とに分け光熱変換部１２５の面積を大きくとる構造が示されている（特開平10-209418号公報等）。１２１は基板、１２２はボンディングパッド、１２６は中空部、１２７は感熱部１２３を基板１２１上に支持するための支持脚、１２８は垂直信号線である。
【０００５】
また、物体から放射される複数の赤外線の強度が得られることにより被測定物体の放射率を推定でき、材質の特定が容易になる他、絶対温度を精度良く測定することが可能になる。これを一括して画像で処理することは、特開平9-232616号公報や特開2000-188407号公報に示されているように、積層構造を容易に作製することができ、しかも吸収波長域が非常に狭いため各層で選択的に各波長域の赤外線を吸収できるHgCdTeやGaAlAs/GaAs系量子井戸構造型の冷却型イメージセンサで実現している。
【０００６】
しかし、非冷却型（熱型）の赤外線イメージセンサでは、例えば特願2001-201400号公報に開示されているように１行ごとあるいは１列ごとに２つの波長の検出画素が交互に配置されたものに結像する方法が示されているに過ぎない。しかしながら、この場合、各波長域での不感領域が増大し遠方の小物体を撮影することが困難になってしまう。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来、物体から放射される複数の赤外線の強度を得ることにより、被測定物体の放射率を推定でき、材質の特定が容易になる他、絶対温度を精度良く測定することが可能であったが、各波長域での不感領域が増大し遠方の小物体を撮影することが困難になってしまうという問題があった。
【０００８】
本発明は、かかる問題に鑑みてなされたものであり、各波長域での不感領域の増大を防止して優れた撮像特性を得ることができる信頼性の高い熱型赤外線撮像素子を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
（構成）上述した課題を解決するために、本発明の第１の熱型赤外線撮像素子は、基板上に２次元に配列され、入射した赤外線を熱に変換する光熱変換部とこの光熱変換部の下に設けられ前記光熱変換部で生じた熱を電気信号に変換する熱電変換部とをそれぞれ有する複数のセルと、これら複数のセルのうち一部のセルを選択する選択部と、選択された前記セルの前記熱電変換部で生じた電気信号を出力する出力部とを備えた熱型赤外線撮像素子であって、前記光熱変換部は、第１の光熱変換層とこの第１の光熱変換層上に当該第１の光熱変換層と離間して設けられるとともに前記第１の光熱変換層と異なる波長帯の赤外線を熱に変換する第２の光熱変換層とを備え、かつ前記第１の光熱変換層は前記第１の熱電変換部上に第１の支持柱により支持され、前記第２の光熱変換層は前記第２の熱電変換部上に第２の支持柱により支持されてなり、前記熱電変換部は、前記第１の光熱変換層で生じた熱を電気信号に変換する第１の熱電変換部とこの第１の熱電変換部と熱的に分離されて設けられ前記第２の光熱変換層で生じた熱を電気信号に変換する第２の熱電変換部とを備えることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の第２の熱型赤外線撮像素子は、基板上にそれぞれ少なくとも１本の断熱支持脚により支持されて２次元に配列され、入射した赤外線を熱に変換する光熱変換部とこの光熱変換部の下に設けられ前記光熱変換部で生じた熱を電気信号に変換する熱電変換部とをそれぞれ有する複数のセルと、これら複数のセルのうち一部のセルを選択する選択部と、選択された前記セルの前記熱電変換部で生じた電気信号を出力する出力部とを備えた熱型赤外線撮像素子であって、前記光熱変換部は、第１の光熱変換層とこの第１の光熱変換層上に当該第１の光熱変換層と離間して設けられるとともに前記第１の光熱変換層と異なる波長帯の赤外線を熱に変換する第２の光熱変換層とを備え、かつ前記第１の光熱変換層は前記第１の熱電変換部上に第１の支持柱により支持され、前記第２の光熱変換層は前記第２の熱電変換部上に第２の支持柱により支持されてなり、前記熱電変換部は、前記第１の光熱変換層で生じた熱を電気信号に変換する第１の熱電変換部と前記第２の光熱変換層で生じた熱を電気信号に変換する第２の熱電変換部とを備えることを特徴とする。
【００２７】
（作用）
本発明によれば、第１波長域の赤外線及び第２波長域の赤外線を分離して検出しそれぞれを出力することができるので、物体から放射される複数の赤外線の強度を得ることにより被測定物体の放射率を推定でき、材質の特定が容易になる他、絶対温度を精度良く測定することが可能になる。これにより、赤外線によるイメージのコントラストを向上させることができ、また画像のカラー化を図ることも可能である。
【００２８】
特に、本発明によれば、第１波長域の赤外線及び第２波長域の赤外線を分離して検出するにあたって、複数波長域の赤外線にそれぞれ対応する光熱変換層を基板表面と垂直な方向に重ねて配置し、さらに各光熱変換層で発生した熱をそれぞれ電気に変換する複数の熱電変換部を一画素中に集積して配置しているので、それぞれの波長域の赤外線に対する不感領域が増加することを防止することができ、遠方の小物体等をも感度良く撮影することが可能となる。
【００２９】
さらに、第１の熱電変換部と第２の熱電変換部との間が熱的に分離されていることにより、両者の間の熱分離を確実にして熱電変換部における感熱の精度を向上させることができ、より優れた赤外線画像を得ることが可能となる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００３１】
（第１の実施形態）
本実施形態の熱型赤外線撮像素子は多波長の赤外線を検出するものであり、その複数の画素はマトリックス状に配置されてなる。図１は、本発明の第１の実施形態に係る熱型赤外線撮像素子の１画素の構成を示す断面図である。また、図２は当該熱型赤外線撮像素子の上面図であり、図３は図２の要部（熱電変換部と光熱変換層）を抽出して示した上面図である。
【００３２】
図１に示すように、赤外線検出画素の熱電変換部１７（第２の熱電変換部，第２波長域用熱電変換部）及び熱電変換部１８（第１の熱電変換部，第１波長域用熱電変換部）は、単結晶シリコン基板１１ａの内部に形成された中空構造２０の上に浮いた状態で設けられており、ともに支持脚１２により単結晶シリコン基板１１ａに支持されている。ここで中空構造２０は、後述するように、例えば単結晶シリコン基板１１ａと埋め込み酸化膜１１ｂと単結晶シリコン層１１ｃからなるＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板の単結晶シリコン基板１１ａの一部を選択的にエッチング除去することにより形成される。１９ａは支持脚１２と単結晶シリコン基板１１ａとの間に形成される空隙部を示す。熱電変換部１７、１８及び支持脚１２が中空構造２０上に設けられることにより、入射赤外線による熱電変換部の温度変調を効率良くことができる構造になっている。なお、１１ｂは上述したように例えばＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板の埋め込み酸化膜であるが、この膜は熱電変換部１７及び１８の下面にも設けられている。
【００３３】
図１では熱電変換部１７及び１８は物理的に分断されて形成されているように見えるが、図２の上面図に示すようにこれらはそれぞれ一体的な素子領域に形成されている。即ち、この素子領域は支持脚１２により単結晶シリコン基板１１ａに支持されており、当該素子領域に選択的に２本のストライプ状の溝１９ｂがお互いに平行に形成されている。熱電変換部１７はこれらの２本のストライプ状の溝１９ｂの間に設けられ、熱電変換部１８は当該溝１９ｂの外側の領域に設けられている。１１ｄは熱電変換部１７と熱電変換部１８との間に設けられる素子分離絶縁膜であり、例えばシリコン酸化膜からなるものである。
【００３４】
図３に示すように、熱電変換部１７は熱電変換要素１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄから構成され、これらの熱電変換要素１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄはお互いに直列に接続されている。熱電変換要素１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄのそれぞれは、例えばｐｎ接合を有するダイオードから構成され、本実施形態ではシリコン層に形成されたダイオードからなるものである。ダイオードのｐｎ接合の両側に位置するｐ層及びｎ層は基板表面と平行な方向に並んでいても良いし、基板表面と垂直な方向に積層されていてもよい。一方、熱電変換部１８も熱電変換要素１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄから構成されており、２本の溝１９ｂの片側に１８ａ及び１８ｂが、他方の側に１８ｃ及び１８ｄが設けられている。これらの熱電変換要素１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄも熱電変換部１７と同様にお互いに直列に接続されており、例えばシリコン層に形成されたｐｎ接合を有するダイオードから構成されるものである。
【００３５】
また、図３に示すように熱電変換部１７（第２の熱電変換部，第２波長域用熱電変換部）の熱電変換要素１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄ上には光熱変換層１４ａ（第２の光熱変換層，第２波長域用光熱変換層）が支持柱１４ｂにより支持されて基板水平方向に広がって設けられている。さらに、熱電変換部１８（第１の熱電変換部，第１波長域用熱電変換部）の熱電変換要素１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ各々の上には４つの光熱変換層１３ａ（第１の光熱変換層，第１波長域用光熱変換層）がそれぞれ支持柱１３ｂにより支持されて基板水平方向に広がって設けられている。図１に示すように光熱変換層１３ａは光熱変換層１４ａの下に設けられており、これらの光熱変換層１３ａとしては例えばＢＰＳＧ（ボロンリンドープケイ酸ガラス）やＢＳＧ（ボロンドープケイ酸ガラス、ＰＳＧ（リンドープケイ酸ガラス）等を用いることができ、、光熱変換層１４ａとしては例えばシリコン酸化膜の上にシリコン窒化膜を積層した積層膜やＦＳＧ（フッ素ドープケイ酸ガラス）等を用いることができる。
【００３６】
次に、支持脚１２についてさらに詳しく説明する。支持脚１２は、絶縁膜（例えば、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜等）からなる支持梁の中に配線１２ａ、１２ｂ、及び１２ｃが形成されたものであり、熱電変換部１７及び１８等が形成された素子領域と単結晶シリコン基板１１ａとの間に当該素子領域を周回するように設けられており、当該素子領域を支持している。支持脚１２の熱コンダクタンスは約２×１０-7Ｗ／Ｋ以下であり、上記素子領域と単結晶シリコン基板１１ａとの間を熱的に分離する構造になっている。支持脚１２は必ずしも２本である必要はなく、必要に応じてそれより多くしても良いし１本であっても良い。１２ａ及び１２ｂは後述するようにそれぞれ第１波長域用及び第２波長域用の出力配線であり、配線１２ｃは第１波長域用及び第２波長域用の共通の入力配線である。即ち、熱電変換部１８は熱電変換要素１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄが順に直列に接続されて構成されており、出力配線１２ａの一端がその最も出力側（垂直信号線側）の熱電変換要素１８ｄに接続され、他端が第１波長域用垂直信号配線１５に接続されている。また、熱電変換部１７も熱電変換要素１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄも順に直列に接続されて構成されており、出力配線１２ｂの一端がその最も出力側（垂直信号線側）の熱電変換要素１７ｄに接続され、他端が第２波長域用垂直信号配線１６に接続されている。第１波長域用垂直信号配線１５と第２波長域用垂直信号配線１６とはお互いに平行に設けられており、列方向に配列した画素に共通に接続されている。一方、入力配線１２ｃの一端は熱電変換部１８の最も入力側（水平信号線側）の熱電変換要素１８ａと熱電変換部１７の最も入力側（水平信号線側）の熱電変換要素１７ａとに接続され、他端は第１及び第２波長域用の共通の水平信号配線（水平アドレス線）２１に接続されている。水平信号配線（水平アドレス線）２１は行方向に配列した画素に共通に接続されている。
【００３７】
図４は、本実施形態の熱型赤外線撮像素子のレイアウトを示す上面図である。図４において、５１は上記した赤外線撮像素子の検出画素がマトリックス状に配列されたイメージエリアであり、５２は水平アドレス線２１が接続された垂直シフトレジスタ回路、５３は第１波長域用垂直信号配線１５と第２波長域用垂直信号配線１６がともに接続された水平シフトレジスタ回路、５５は第１波長域用信号処理回路、５６は第２波長域用信号処理回路、５７は第１波長域用信号出力回路、５８は第２波長域用信号出力回路、５９は第１波長域用信号出力パッド、６０は第２波長域用信号出力パッド、５４はその他シフトレジスタや増幅回路の駆動用パルスを供給するためのボンディングパッドである。
【００３８】
次に、上記した本実施形態の熱型赤外線撮像素子の動作について説明する。図５は、本実施形態の熱型赤外線撮像素子の動作を説明する概略図である。図５に示されるように、３２は外部から入射する赤外線であり、レンズ３１により集光されて上述した熱型赤外線撮像素子のイメージエリア５１に入射する。入射した赤外線のうち第２波長域の赤外線（例えば波長帯域８μｍ〜１２μｍ。）は光熱変換層１４ａで吸収されて熱に変換される。発生した熱は支持柱１４ｂを経由して熱電変換部１７に伝わり、この部分で電気に変換される。この変換により生じた電気的な信号は、出力配線１２ｂを経由して第２波長域用垂直信号配線１６に伝送され、図４の水平シフトレジスタ回路５３を経て、第２波長域用信号処理回路５６で信号処理されて、第２波長域用信号出力回路５８を通じて第２波長域用信号出力パッド６０から出力される。
【００３９】
さらに、入射した赤外線のうち光熱変換層１４ａで吸収されなかった第１波長域の赤外線（例えば波長帯域３μｍ〜５μｍ。）は光熱変換層１３ａで吸収されて熱に変換される。発生した熱は支持柱１３ｂを経由して熱電変換部１８に伝わり、この部分で電気に変換される。この変換により生じた電気的な信号は、出力配線１２ａを経由して第１波長域用垂直信号配線１５に伝送され、図４の水平シフトレジスタ回路５３を経て、第１波長域用信号処理回路５５で信号処理されて、第１波長域用信号出力回路５７を通じて第１波長域用信号出力パッド５９から出力される。
【００４０】
以上のようにして、第１波長域の赤外線及び第２波長域の赤外線を分離して検出しそれぞれを出力することができるので、物体から放射される複数の赤外線の強度を得ることにより被測定物体の放射率を推定でき、材質の特定が容易になる他、絶対温度を精度良く測定することが可能になる。これにより、赤外線によるイメージのコントラストを向上させることができ、また画像のカラー化を図ることも可能である。
【００４１】
特に、本発明によれば、第１波長域の赤外線及び第２波長域の赤外線を分離して検出するにあたって、上記実施形態のように複数波長域の赤外線にそれぞれ対応する光熱変換層を基板表面と垂直な方向に重ねて配置し、さらに各光熱変換層で発生した熱をそれぞれ電気に変換する複数の熱電変換部を一画素中に集積して配置しているので、それぞれの波長域の赤外線に対する不感領域が増加することを防止することができ、遠方の小物体等をも感度良く撮影することが可能となる。
【００４２】
さらに、２本のストライプ状の溝１９ｂを熱電変換部１７と熱電変換部１８との間に設けることにより、両者の間の熱分離を確実にして熱電変換部における感熱の精度を向上させることができ、より優れた赤外線画像を得ることが可能となる。
【００４３】
従来技術として知られている１列ごとに交互に感度波長の異なる画素を並べた場合と比較すると、画素のサイズと画素数が同じでもイメージエリアが小さくなり光学系を小さく作ることが可能になり、低価格の多波長赤外線イメージセンサが可能になる。また、イメージエリアサイズが同じ場合は、画素サイズを大きくすることができ高感度な多波長赤外線イメージセンサが可能になる。
【００４４】
また、上記実施形態では、上層の光熱変換層１４ａ（第２の光熱変換層）は下層の光熱変換層１３ａ（第１の光熱変換層）よりも広い受光面を有し、光熱変換層１３ａは光熱変換層１４ａよりも短い波長帯の赤外線を熱に変換する構成としたが、その理由は以下の通りである。即ち、赤外線が先に通過する上層部分に長い波長帯の赤外線を吸収する光熱変換層１４ａを設けることにより、上層部分で反射等されやすい長い波長帯の赤外線を効率よく吸収し、反射等による吸収効率の低下を抑制することができる。そして、下層部分に短い波長帯の赤外線を吸収する光熱変換層１３ａを設け、この部分で短い波長帯の赤外線を吸収すれば、多波長帯域の赤外線を全体として効率よく吸収することができる。
【００４５】
また、光熱変換層の構造上、上層に大きな面積の光熱変換層１４ａを設け、下層にこれより小さな面積の光熱変換層１３ａを設ける方が逆の場合よりも製造プロセスが容易である。大きな面積の光熱変換層１４ａはより長い波長の赤外線を吸収しやすく、小さな面積の光熱変換層１３ａはより短い波長の赤外線を吸収しやすい。このことは上述した赤外線吸収効率の点でも有利である。即ち、赤外線吸収効率及び製造プロセスの両方の点で本実施形態の構造が好ましい。
【００４６】
特に、上層の光熱変換層１４ａにおける受光面の大きさが少なくとも１辺１０μm以上で、下層の光熱変換層１３ａにおける受光面の大きさが少なくとも１辺３μｍ以上８μm未満であることが望ましい。
【００４７】
（第２の実施形態）
本実施形態では、第１の実施形態の熱型赤外線撮像素子の製造方法について説明する。図６乃至図２３は、その熱型赤外線撮像素子の製造方法を説明する工程断面図である。それぞれの工程断面図は、図２の線分Ａ−Ａ′で切断した断面図に相当する。
【００４８】
まず、図６に示すように、半導体基板として単結晶シリコン支持基板１１ａ上に埋め込みシリコン酸化膜１１ｂ、単結晶シリコン層１１ｃが順次積層された、いわゆるＳＯＩ基板を準備する。一般的なＬＳＩ製造工程における素子分離の例としてＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ−Ｔｒｅｎｃｈ−Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）工程を行う。即ち、フォトリソグラフィー等の技術をもちいて素子分離領域を規定し、素子分離領域の単結晶シリコン層１１ｃを、例えばＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ−Ｉｏｎ−Ｅｔｃｈｉｎｇ）等の技術によりエッチング除去した後に、素子分離シリコン酸化膜１１ｄをＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ−Ｖａｐｏｒ−Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）等の技術により埋め込み、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ−Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）等の技術で平坦化する。このとき、支持構造の領域も素子分離領域として定義され、素子分離シリコン酸化膜１１ｄが埋め込まれることは言うまでも無い。
【００４９】
次に、図７に示すように単結晶シリコン層１１ｃにｐｎ接合を有するダイオードを作製する。熱電変換部１７にはダイオード（熱電変換要素）１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄを、熱電変換部１８にはダイオード（熱電変換要素）１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄをそれぞれ作製する。ダイオードの作製には不純物のイオン注入及び熱処理活性化や拡散等の技術を用いることができる。例えば、ｐ型シリコン層の表面にｎ+型シリコン層を形成する場合は、イオン種Ａｓを加速電圧５０ｋV、ドーズ量５×１０15ｃｍ-2でイオン注入することができる。図７乃至図２３では、ｐ型（若しくはｎ型）導電型半導体層４８ａの表面に選択的にｎ型（若しくはｐ型）導電型半導体層４８ｂが形成されている。なお、素子分離絶縁膜の作製及びダイオードの作製の順序は逆でも良い。
【００５０】
次に、図８に示すようにアルミニウム等の金属膜を形成してこの金属膜をＲＩＥ等によりパターンに加工することにより、入力配線１２ｃ及び出力配線１２ａを形成する。出力配線１２ａは第１の実施形態でも説明したように第１波長域用の出力配線であり、図８の断面と異なる断面位置でダイオード１８ｄに対して接続させる（図８にはコンタクト部分は現れない。）。配線１２ｃは第１波長域用及び第２波長域用の共通の入力配線であり、同様に図８の断面と異なる断面位置でダイオード１８ａ及びダイオード１７ａに対して接続させる（図８にはコンタクト部分は現れない。）。
【００５１】
次に、図９に示すように酸化シリコン等からなる層間絶縁膜１１ｅを形成して、この層間絶縁膜１１ｅ上に出力配線１２ｂを金属膜の成膜及び加工により形成する。この出力配線１２ｂはコンタクトホール（図示せず。）を介して図９の断面と異なる断面位置でダイオード１７ｄに対して接続させる（図９にはコンタクト部分は現れない。）。さらに、出力配線１２ｂ上を含む全面に酸化シリコン等からなる層間絶縁膜１１ｆを形成する（図１０）。
【００５２】
次に、図１１に示すように、層間絶縁膜１１ｆ上に接続配線１５′及び１６′、並びに第１波長域用垂直信号配線１５及び第２波長域用垂直信号配線１６を設ける。接続配線１５′及び１６′はそれぞれ、ダイオード１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ間、１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄ間を接続する配線である。それぞれのダイオードにはコンタクトホールを介して接続されるが、いずれのコンタクトホールも図１１には現れていない。その後、接続配線１５′及び１６′、並びに第１波長域用垂直信号配線１５及び第２波長域用垂直信号配線１６を覆うように全面に酸化シリコン等からなる層間絶縁膜１１ｇを形成する（図１２）。さらに、全面に酸化シリコン等からなる層間絶縁膜１１ｈを形成する（図１３）。
【００５３】
次に、図１４に示すように、エッチングマスク（図示せず。）を用いてＲＩＥ等により層間絶縁膜１１ｈから埋め込みシリコン酸化膜１１ｂに至るエッチングホール７１を開口する。エッチングホール７１は出力配線１２ａ及び１２ｂ、入力配線１２ｃの周囲の領域に開口されるとともに、熱電変換部１７と熱電変換部１８間の領域にも開口される。
【００５４】
その後、図１５に示すように全面に犠牲層７２をＣＶＤ法等により形成する。この犠牲層７２の材料はアモルファスシリコンやポリイミド等である。この時、エッチングホール７１内にも犠牲層７２が埋め込まれる。さらに、図１６に示すように犠牲層７２上に図示しないマスクを設け、このマスクを用いてＲＩＥを行うことにより犠牲層７２の一部をエッチング除去する。この結果、犠牲層パターン７２′が、画素の周辺領域（出力配線１２ａ、１２ｂ、及び入力配線１２ｃ上の領域、並びにそれらの周りのエッチングホール７１内を含む。）に残存するとともに、熱電変換部１７と熱電変換部１８間のエッチングホール７１内にも残存する。
【００５５】
次に、図１７に示すように、例えばＢＰＳＧ（ボロンリンドープケイ酸ガラス）膜７３を全面に形成する。さらに、図示しないマスクを用いてこのＢＰＳＧ膜７３をエッチングし（図１８）、この結果、ＢＰＳＧパターン７３′が図１の光熱変換層１３ａ及び支持柱１３ｂとして形成される。本実施形態では、ＢＰＳＧパターン７３′の大きさを１辺５μｍとし、その厚みを約０．４μｍとする。
【００５６】
次に、図１９に示されるように、全面に犠牲層７４をＣＶＤ法により形成する。この犠牲層７４の材料もアモルファスシリコンやポリイミド等である。さらに、図２０に示すように犠牲層７４上に図示しないマスクを設け、このマスクを用いてＲＩＥを行うことにより犠牲層７４の一部をエッチング除去する。この結果、犠牲層パターン７４′が、ＢＰＳＧパターン７３′を覆う領域（出力配線１２ａ、１２ｂ、及び入力配線１２ｃ上の領域、並びに熱電変換部１７と熱電変換部１８間のエッチングホール７１上の領域を含む。）に残存する。
【００５７】
次に、図２１に示すように、例えば下から順にシリコン酸化膜とシリコン窒化膜を積層した積層膜を全面に形成する。さらに、図示しないマスクを用いてこの積層膜をエッチングし、この結果、積層膜パターン７５が図１の光熱変換層１４ａ及び支持柱１４ｂとして形成される。本実施形態では、積層膜パターンの大きさを１辺１０μｍとし、その厚みをシリコン酸化膜約０．４μｍ、シリコン窒化膜約０．２μｍとする。
【００５８】
次に、図２２に示すように犠牲層パターン７２′及び７４′並びにエッチングホール７１内に埋め込まれた犠牲層材料を選択的に除去するために、ＫＯＨやＴＭＡＨ（Ｔｅｔｒａ−Ｍｅｔｈｙｌ−Ａｍｍｏｎｉｕｍ−Ｈｙｄｒｏｘｉｄｅ）といったアルカリエッチング溶液等を用いて犠牲層材料のエッチングを行う。この工程では、層間絶縁膜１１ｅ〜１１ｈ、埋め込みシリコン酸化膜１１ｂ、ＢＰＳＧパターン７３′、及び積層膜パターン７５はエッチングされない。この結果、エッチングホール７１の底の単結晶シリコン支持基板１１ａが露出して空隙部１９ａ及び溝１９ｂが形成されるとともに、光熱変換層１３ａ及び支持柱１３ｂと光熱変換層１４ａ及び支持柱１４ｂとの間に空隙が生成され、光熱変換層１３ａの下にも空隙が生成される。
【００５９】
その後、図２３に示すようにＴＭＡＨ等のエッチング液をエッチングホール７１を介して単結晶シリコン支持基板１１ａに供給して、この単結晶シリコン支持基板１１ａを選択的に異方性エッチングする。この異方性エッチングにより、熱型赤外線撮像素子の画素の下の単結晶シリコン支持基板１１ａに空洞部が生成され中空構造２０が形成される。以上の工程により、図１に示す第１の実施形態の熱型赤外線撮像素子の画素を製造することができる。本実施形態では、このようにして製造される画素を３２０画素×２４０画素の２次元アレイ状に並べた。
【００６０】
なお、図５のイメージエリア５１は以上の工程により作製することができるが、イメージエリア５１以外の領域は通常の半導体プロセスにより製造可能である。図２２及び図２３の一連のエッチング工程では、イメージエリア５１以外の領域がエッチングされないようにこれらの領域にはエッチング防止のための保護層を設ける。この保護層としてはＣＶＤにより成膜したシリコン酸化膜等を用いることが可能である。
【００６１】
なお、本発明は上記実施形態に限定されることはない。例えば、熱的分離構造として、複数の熱電変換部の間に溝を設ける構造を採用したが、かかる構造に限られず、Ｖ字溝を形成した後、そのＶ字溝に多孔質セラミックス等を埋め込んだ構造等の他の構造を用いることができる。
【００６２】
また、熱電変換部としてダイオード以外の素子を用いることも可能であり、例えばエンハンス型ＭＯＳトランジスタやディプリーション型ＭＯＳトランジスタやこれらの組み合わせ、さらには酸化バナジウムのボロメータ、アモルファスシリコンのボロメータ等の他の素子を用いることも可能である。
【００６３】
さらにまた、上記実施形態では、ＳＯＩ基板の単結晶シリコン支持基板をエッチングすることにより当該支持基板と熱型赤外線撮像素子の画素との間に中空構造を形成したが、ＳＯＩ基板を用いる方法及び構造に限られず、支持基板上に酸化物や窒化物等からなる絶縁膜、多結晶や単結晶のシリコン層を下から順に形成し、支持基板表面や絶縁膜をエッチング除去して除去部分に中空構造を形成する方法及び構造を採用することも可能である。
【００６４】
また、上記実施形態では、配線材料としてアルミニウムを用いたが、その他の金属材料を用いることもできる。特に、出力配線１２ａ、１２ｂ、入力配線１２ｃ、第１波長域用垂直信号配線１５、第２波長域用垂直信号配線１６等にポリサイド構造（多結晶シリコン層と金属シリサイド層の積層構造）を採用して、周辺回路のＭＯＳトランジスタのゲート電極と同時に作製すると、プロセスの簡略化を図ることができる。さらに低抵抗化が可能であるポリメタル構造（多結晶シリコン層と金属層の積層構造）の適用も可能であり、周辺回路のＭＯＳトランジスタのゲート電極と同時に作製することができるとともに、支持脚の配線部分（出力配線１２ａ、１２ｂ、入力配線１２ｃ）の電気抵抗に起因する熱雑音をより低減可能であり、高感度化可能である。この場合、支持脚配線（出力配線１２ａ、１２ｂ、入力配線１２ｃ）及びゲート電極の積層構造としては、例えば多結晶シリコン層上に、バリアメタルとしての窒化チタン膜と低抵抗化のためのタングステン膜を積層形成することが可能である。
【００６５】
さらにまた、上記支持脚配線の側壁に選択的にシリコン窒化膜を残すこともできる。この場合、周辺回路のＭＯＳトランジスタのゲート側壁に形成するシリコン窒化膜と同層で形成することが可能であるので、工程数の短縮化の効果が著しい。特に、シリコン窒化膜の形成工程と、前述した周辺回路のＭＯＳトランジスタのゲート電極と同層で支持脚配線を形成する工程とをともに用いることにより、プロセスの整合性を最大限に生かして高感度の支持構造を歩留まり良く低コストで製造することが可能である。
【００６６】
その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することが可能である。
【００６７】
【発明の効果】
本発明によれば、感度が良く優れた画像を得ることができる信頼性の高い多波長の熱型赤外線撮像素子を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の実施形態に係る熱型赤外線撮像素子の１画素の構成を示す断面図。
【図２】  図１の熱型赤外線撮像素子の上面図。
【図３】  図２の要部（熱電変換部と光熱変換層）を抽出して示した上面図。
【図４】  第１の実施形態の熱型赤外線撮像素子のレイアウトを示す上面図。
【図５】  本実施形態の熱型赤外線撮像素子の動作を説明する概略図。
【図６】  本発明の第１の実施形態に係る熱型赤外線撮像素子の製造方法を示す工程断面図。
【図７】  図６に続く工程断面図。
【図８】  図７に続く工程断面図。
【図９】  図８に続く工程断面図。
【図１０】  図９に続く工程断面図。
【図１１】  図１０に続く工程断面図。
【図１２】  図１１に続く工程断面図。
【図１３】  図１２に続く工程断面図。
【図１４】  図１３に続く工程断面図。
【図１５】  図１４に続く工程断面図。
【図１６】  図１５に続く工程断面図。
【図１７】  図１６に続く工程断面図。
【図１８】  図１７に続く工程断面図。
【図１９】  図１８に続く工程断面図。
【図２０】  図１９に続く工程断面図。
【図２１】  図２０に続く工程断面図。
【図２２】  図２１に続く工程断面図。
【図２３】  図２２に続く工程断面図。
【図２４】  従来の熱型赤外線撮像素子の１画素の構成を示す断面図。
【符号の説明】
１１ａ…単結晶シリコン基板
１１ｂ…埋め込み酸化膜
１１ｃ…単結晶シリコン層
１１ｄ…素子分離絶縁膜
１１ｅ、１１ｆ、１１ｇ、１１ｈ…層間絶縁膜
１２…支持脚
１２ａ、１２ｂ…出力配線
１２ｃ…入力配線
１３ａ、１４ａ…光熱変換層
１３ｂ、１４ｂ…支持柱
１５…第１波長域用垂直信号配線
１６…第２波長域用垂直信号配線
１５′、１６′…接続配線
１７、１８…熱電変換部
１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄ…熱電変換要素
１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ…熱電変換要素
１９ａ…空隙部
１９ｂ…溝
２０…中空構造
２１…水平信号配線（水平アドレス線）
３１…レンズ
３２…外部から入射する赤外線
４８ａ…ｐ型（若しくはｎ型）導電型半導体層
４８ｂ…ｎ型（若しくはｐ型）導電型半導体層
５１…イメージエリア
５２…垂直シフトレジスタ回路
５３…水平シフトレジスタ回路
５４…ボンディングパッド
５５…第１波長域用信号処理回路
５６…第２波長域用信号処理回路
５７…第１波長域用信号出力回路
５８…第２波長域用信号出力回路
５９…第１波長域用信号出力パッド
６０…第２波長域用信号出力パッド
７１…エッチングホール
７２、７４…犠牲層
７２′、７４′…犠牲層パターン
７３…ＢＰＳＧ膜
７３′…ＢＰＳＧパターン
７５…積層膜パターン
１２１…基板
１２２…ボンディングパッド
１２３…感熱部
１２４…熱電変換部
１２５…光熱変換部
１２６…中空部
１２７…支持脚
１２８…垂直信号線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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