(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に複数の行および列のマトリクス状に配列され、温度変化を電気信号に変換する感熱素子部をそれぞれ備えた複数のセルと、
前記複数のセルの間に設けられ、前記複数のセルの各々を分離する枠体部と、
前記枠体部の上面に固着され、前記複数のセルを個別に真空封止し且つ赤外線を透過する蓋部と、
前記複数のセルの各行または各列のいずれか一方における前記感熱素子部のそれぞれに対して接続される複数の選択線と、
前記複数のセルの各行または各列の他方における前記感熱素子部のそれぞれに対して接続される複数の信号線とを備え、
前記複数の選択線および前記複数の信号線は前記枠体部中に埋め込まれてなることを特徴とする赤外線センサ。
【請求項２】
前記複数のセルのそれぞれは、前記感熱素子部を前記基板上に支持する断熱支持脚を備えることを特徴とする請求項１記載の赤外線センサ。
【請求項３】
前記感熱素子部は、シリコン層に形成されたｐｎ接合ダイオードであることを特徴とする請求項１又は２に記載の赤外線センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は赤外線センサに関する。
【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−Ｔｉａｎｉｕｍ）を用いた焦電型のものが製品化されている。
【０００３】
これらの熱型赤外線イメージセンサは、赤外線を吸収して温度を上昇させる感熱素子部と、この感熱素子部を支持すると共にシリコン基板と熱的に分離するための断熱支持脚とからなるセルを具備し、このセルをシリコン基板上に２次元的に複数配列し、これらのセル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。
【０００４】
このような構成によって、被写体から放射される赤外線を感熱素子部で吸収し、その際に生じる感熱素子部の温度上昇にともなう抵抗変化或いは容量変化等をで検知することで被写体を撮像する。このため感熱素子部が被写体以外からの温度変化を受けないようにするために、感熱素子部を支持する断熱支持脚の断熱効果を高める必要がある。このために断熱支持脚は、断面積を小さくし長さを長くする構造になっている。
【０００５】
このような基板からの熱伝導の影響を防ぐほかに、赤外線センサは、空気の対流による熱伝導により感熱素子部の温度変化を少なくする必要がある。
【０００６】
図８は、空気の対流による熱伝導を防ぐための従来の素子全体を真空パッケージして実装したものである。８１は真空パッケージ、８２はセンサチップ、８３は真空排気ポート、８４はボンディングワイヤー、８５はボンディングパッド、８６は蓋、８７は赤外線透過窓である。赤外線透過窓８７が形成された蓋８６を真空パッケージ８１に取り付け、真空排気ポート８３で真空引きすることで真空封止する。
【０００７】
従来ワイヤーボンディング後にパッケージを真空に封じきるため、真空封止工程中にボンディングワイヤー８４の短絡や断線といった不良が多くなる問題がある。
【０００８】
図７にはイメージエリア全体をこのような素子全体を真空パッケージした赤外線センサの断面図を示す。この赤外線センサはＲａｙｔｈｅｏｎの文献（“Ａｄｖａｎｃｅｓ  ｉｎ  Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  ＵｎｃｏｏｌｅｄＩＲ  Ｓｙｓｔｅｍｓ"  ，  Ｊ．Ｂｒａｄｙ，  ｅｔ  ａｌ．，  Ｐｒｏｃ．  ＳＰＩＥ  Ｖｏｌ．３６９８（１９９９）ｐ．１６１−１６７）に記載されている。
【０００９】
図７に示すように、この赤外線センサは、シリコン基板２１にはと、このシリコン基板２１上に埋め込み酸化膜２０３が形成され、この上にシリコン層２０４が形成されている。シリコン層２０４中には、ＣＭＯＳトランジスタ２０５が形成されている。シリコン基板２１上の酸化膜層２０３に配線２４が埋め込まれ形成されている。これらの配線２４を外部と接続するためのボンディングパッド２２が酸化膜層２０３シリコン基板２１の周辺部に形成されている。また、シリコン基板２１上にはこれらの配線２４と接続されたＣＭＯＳトランジスタが形成されている。
【００１０】
各ＣＭＯＳトランジスタ２０５上には、感熱素子部２３が形成され、２次元的に配列されたセルによってイメージエリア２６を構成している。感熱素子部２３は断熱支持部２８によってセルごとに支持されている。
【００１１】
また、イメージエリア２６の外側にはインジウム等の金属を用いたシールリング２７が形成され赤外線を透過させる蓋（赤外線透過窓）２５を真空中で圧接することによって、イメージエリア２６を真空封止している。このようにして形成されたチップは、汎用のパッケージにマウントされている。
【００１２】
このような従来の赤外線センサは、イメージエリア２６全体を真空封止するために、赤外線透過窓２５の一部でも不良があるとイメージエリア２６全体の真空が保てなくなり空気による熱伝導が非常に大きなノイズ源となり素子として機能できなくなる。
【００１３】
また、赤外線透過窓２５の一部でも不良があると素子として不良品となるために、歩留まりが低いという問題がある。さらに赤外線透過窓２５は使用中においても破損されやすく、耐久性に問題がある。さらに、従来ワイヤーボンディング後にパッケージを真空に封じきるため、真空封止工程中にワイヤーの短絡や断線といった不良が多くなる問題がある。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の熱型赤外線イメージセンサは、赤外線透過窓の一部でも不良があると真空が破られ素子の不良が生じやすく、歩留まりが低いという問題がある。
【００１５】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、真空が破られ難く不良が生じ難い赤外線センサを提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、基板と、
前記基板上に複数の行および列のマトリクス状に配列され、温度変化を電気信号に変換する感熱素子部をそれぞれ備えた複数のセルと、
前記複数のセルの間に設けられ、前記複数のセルの各々を分離する枠体部と、
前記枠体部の上面に固着され、前記複数のセルを個別に真空封止し且つ赤外線を透過する蓋部と、
前記複数のセルの各行または各列のいずれか一方における前記感熱素子部のそれぞれに対して接続される複数の選択線と、
前記複数のセルの各行または各列の他方における前記感熱素子部のそれぞれに対して接続される複数の信号線とを備え、
前記複数の選択線および前記複数の信号線は前記枠体部中に埋め込まれてなることを特徴とする赤外線センサを提供する。
【００１７】
このとき、前記複数のセルのそれぞれは、前記感熱素子部を前記基板上に支持する断熱支持脚を備えることが好ましい。
【００１８】
また、前記感熱素子部は、シリコン層に形成されたｐｎ接合ダイオードであることが好ましい。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について説明する。
【００２４】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る赤外線センサのチップの断面を示す図である。
【００２５】
この赤外線センサは、断熱支持脚１７及びこの断熱支持脚１７により支持されている感熱素子部１３とを具備するセルがシリコン基板１１上に複数個配列され、感熱素子部１３の温度変化を信号として順次出力できるようになっている。図１中１２は、外部と電気的に接続するためのボンディングパッドである。また、１０１は埋め込み酸化膜である。
【００２６】
この赤外線センサは、個々のセルを分離する水平アドレス線及び垂直信号線１４を埋め込んでいる酸化シリコンからなる枠体部と、この上に形成された赤外線を透過する蓋（赤外線透過窓）１５によって、複数のセルが個別に真空封止されている。１０３は、これらを接着するための接着材である。また、１０２はひとつのセルを示す領域である。
【００２７】
次に、この赤外線センサの製造方法について簡単に説明する。
【００２８】
先ず、通常のＳｉ−ＣＭＯＳプロセスによって、トランジスタが形成されたＳＯＩシリコン基板１１を準備する。このときボンディングパッド１２は、Ｓｉ−ＣＭＯＳプロセスにより素子構造を製造した後に、最後に開孔する。その際、平坦化工程によりアルミ配線上の酸化膜を平坦化しておく。
【００２９】
次に、このＳＯＩシリコン基板１１上に、感熱素子部１３となるｐｎ接合ダイオードとトランジスタを形成すべき領域を活性領域として残し、他の部分を酸化シリコン領域にする。この酸化シリコン領域が感熱素子部１３を支持する断熱支持部１７となる。次に活性領域にイオン注入によってｐｎ接合ダイオードとトランジスタを犠牲層を形成する。犠牲層としては酸化シリコン層等を用いることができる。次に、この犠牲層上に、感熱素子部１３及びこれを支持する断熱支持部１７となる多結晶或いはアモルファスシリコン層を形成する。次に、信号伝達用のアルミ配線とそれを保護するための酸化膜（酸化シリコン）を形成する。その際平坦化工程によって、この酸化膜表面を平坦化しておく。ボンディングパッド１２を開孔した後、断熱支持部と感熱素子部を残すように溝をドライエッチングにより形成する。最後にアルカリ溶液によりＳＯＩシリコン基板のシリコン基板部を異方性エッチングして感熱素子部をシリコン基板と熱的に分離する。ここで、埋め込み絶縁膜をエッチング除去してもよい。
犠牲層をエッチングし、多結晶或いはアモルファスシリコンからなる感熱素子部１３及び断熱支持脚１７を、中空に分離するようにパターニングすることによって、感熱素子部１３をシリコン基板１１と熱的に分離する。
【００３０】
シフトレジスタ回路や信号処理回路等を形成したシリコン基板１１と感熱素子部１３とを、熱的に分離するために断熱支持脚１７は、その長さ及び断面積を調整することによって、熱コンダクタンスが約２×１０−７Ｗ／Ｋ以下になっている。また、この工程において、水平アドレス線及び垂直信号線等の配線部１４のそれぞれは、各セルに接続されるとともに、各セルを囲むように残される。配線部１４は前記酸化膜中に形成されている。
【００３１】
次に、チップを真空装置内に導入し１Ｐａ以下の真空に引いた後、Ｇｅ、Ｓｉ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、、カルコゲナイド系カルコパイライト系材料等の赤外線透過窓１５を、水平アドレス線及び垂直信号線１４を含む酸化シリコンの枠体部の上面に静電接着する。こうすることで個々のセルを分離して、個別に真空封止することができる。
【００３２】
このとき赤外線透過窓１５を接着する際、真空用接着剤１０３を塗布し接着することで、個々のセル内の真空度を向上させることも可能である。接着剤を用いれば、赤外線透過窓１５として、通常のプラスチック材も用いることができる。
【００３３】
次に、図２に、実施形態１に係る赤外線センサにおける一つのセル１０２（図１）の拡大図（ａ）及びこの上面図（ｂ）を示す。図２（ｂ）のＡ−Ａ'で切り取ったものが図２（ａ）の断面図である。
【００３４】
図２（ａ）（ｂ）に示すように、感熱素子部１３がセルの中央部に形成され、２本の断熱支持脚１７によって、水平アドレス線及び垂直信号線を含む酸化シリコンの枠体部の側壁に支持されている。こうすることで感熱素子部１３は、その周囲及び下に中空１００に設けることができシリコン基板１１と熱的に分離することが可能となっている。ここで感熱素子部１３は、シリコン膜２０中にｐｎ接合１９が形成され、これらが配線１８によって直列に接続された構造となっている。
【００３５】
次に、図３に、実施形態１に係る赤外線センサの上面図を示す。
【００３６】
図３に示すように、この赤外線センサは、シリコン基板１１上にイメージエリア６１が形成されている。イメージエリア６１上には赤外線透過窓６２により蓋がされている。
【００３７】
このイメージエリア６１の周辺には、水平アドレス線を駆動するための垂直シフトレジスタ６３が形成されている。また、イメージエリア６３の周辺には増幅回路６６を介して、垂直信号線を駆動するための水平シフトレジスタ６７が形成されている。
【００３８】
また、シリコン基板１１上には出力回路６５が形成され、これと外部とを電気的に接続するためのボンディングパッド６４が形成されている。
【００３９】
このようにして作製された赤外線センサについて、従来のイメージエリア全てを一括して真空封止したものと比較した。その結果７０℃における加速試験においてセル内の圧力が１Ｐａになるまでの平均時間が従来のものは約５０００時間であったものが、本実施形態では約１２０００時間に向上した。
【００４０】
また、チップアセンブリ時に生じる赤外線透過窓６２の欠損等による不良率も従来のものが８％であったものが本実施形態では１％以下まで減少した。
【００４１】
（実施形態２）
次に、本発明の実施形態２に係る赤外線センサについて説明する。
【００４２】
図４は、実施形態２に係る赤外線センサのチップの断面を示す図である。
【００４３】
実施形態２では、感熱素子部の周囲及び下部を埋め込んで空洞化させないセルをリファレンス用センサ３７として、赤外線透過窓１５の接着面下に配置する点が実施形態１のものと異なる。また、赤外線を透過する蓋１５は接着材１０３によって接着した。また、埋め込み絶縁膜は形成していないが、形成してもよい。その他の構造は、実施形態１と同様であるので、その詳しい説明は省略する。
【００４４】
本実施形態では、実施形態１で説明した効果のほかに、空洞化されていないセルをリファレンス用センサ３７とすることによって、赤外線透過窓１７の温度をリファレンス用センサ３７で測定することが可能になり雑音となるバックグラウンド信号を除去することができる。
【００４５】
（実施形態３）
次に、本発明の実施形態３に係る赤外線センサについて説明する。
【００４６】
図５は、実施形態３に係る赤外線センサのチップの断面を示す図である。
【００４７】
実施形態３では、シリコン基板１１上に通常のＳｉ−ＣＭＯＳプロセスによって、トランジスタを形成する。次に、セル領域対応する部分に選択的に犠牲層を形成し、さらにこの上に感熱素子部１３及び感熱支持脚１７となる膜を形成する。次に、エッチングホールを形成して、犠牲層を除去して、感熱素子部１３及び断熱支持脚１７を中空に形成する。
【００４８】
また、ここでは埋め込み絶縁膜は、形成していない。また、赤外線を透過する蓋は接着材１０３で接着した。その他の構造は、実施形態１と同様であるので、その詳しい説明は省略する。
【００４９】
このようにして作製した場合でも実施形態１と同様の効果が得られる。
【００５０】
（実施形態４）
次に、本発明の実施形態４に係る赤外線センサについて説明する。
【００５１】
図６は、実施形態４に係る赤外線センサのチップの断面を示す図である。
【００５２】
実施形態４では、赤外線透過窓１５の表面上に赤外線を感熱素子部１３上に効率よく集光するためのレンズ５８が形成されたものである。
【００５３】
このレンズ５８は、樹脂をモールドによって成型することで、赤外線透過窓１５表面上に予め形成することができる。また、シリコンやゲルマニウム等の半導体を用いる場合は、中心部が厚く、周辺部が薄くなるように複数回フォトリソグラフィによるマスクエッチングを行うことにより成形することができる。また、赤外線を透過する蓋１５は接着材１０３で接着した。
【００５４】
実施形態では、実施形態１と同様の効果を奏するほかに、開口率が向上し感度を約２倍向上することができた。
【００５５】
従来は、ウエハからダイシングによってチップ化した後、１チップずつ犠牲層をエッチングしるするか或いは異方性エッチングを行って感熱素子部及び断熱支持脚の周囲及び下部を中空化していた。そのため赤外線センサの大量生産は困難であった。
【００５６】
しかしながら、上記実施形態により説明した赤外線センサでは、チップが複数個形成されたウエハ上に上記の如く赤外線透過窓を真空中で位置決めして接着することにより、個々のセルが個別に真空封止されるので、その後、ダイシングによりボンディングパッド部を露出し、さらにチップ化しても真空が破れることがなく歩留まりが落ちることはなかった。これにより、大量生産が可能になる。
【００５７】
【発明の効果】
以上述べたように本発明により、従来の技術では得られなかった安価で信頼性の高い赤外線センサが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施形態１に係る赤外線センサの断面図。
【図２】  本発明の実施形態１に係る赤外線センサにおける一つのセルの（ａ）断面図及び（ｂ）上面図。
【図３】  本発明の実施形態１に係る赤外線センサの上面図。
【図４】  本発明の実施形態２に係る赤外線センサの断面図。
【図５】  本発明の実施形態３に係る赤外線センサの断面図。
【図６】  本発明の実施形態４に係る赤外線センサの断面図。
【図７】  従来の赤外線センサの断面図。
【図８】  従来の赤外線センサを真空封止した真空封止パッケージの構成図。
【符号の説明】
１１…シリコン基板
１２…ボンディングパッド
1３…感熱素子部
１４…配線
１５…赤外線透過窓
１６…中空
１７…支持脚
３７…リファレンスセンサ
４６…溝
５８…レンズ
６１…イメージエリア
６２…赤外線透過窓
６３…垂直シフトレジスタ
６４…ボンディングパッド
６５…出力回路
６６…増幅回路
６７…水平シフトレジスタ
８１…真空パッケージ
８２…センサチップ
８３…真空排気ポート
８４…ボンディングワイヤー
８５…ボンディングパッド
８６…蓋
８７…赤外線透過窓
１０１・・・埋め込み絶縁膜
【図１】
0003680019.tif 000002
【図２】
0003680019.tif 000003
【図３】
0003680019.tif 000004
【図４】
0003680019.tif 000005
【図５】
0003680019.tif 000006
【図６】
0003680019.tif 000007
【図７】
0003680019.tif 000008
【図８】
0003680019.tif 000009