(57)【要約】      （修正有）【課題】複数の波長を同時に検出することができるとともに、小型化および低コスト化を実現することのできる赤外線撮像素子を提供する。【解決手段】第１、第２の凹部２１０が表面に設けられた支持基板２２０と、前記第１の凹部の上方に設けられ、外部から入射した第１の赤外線と波長の異なる第２の赤外線とを検出する第１の赤外線検出部を有する第１のセル部２０と、前記第１のセル部を前記第１の凹部の上方に支持しかつ前記第１の赤外線検出部によって変換された電気信号を送出する第１、第２の配線を有する第１の支持脚部を含む第１の画素部１１と、前記第２の凹部の上方に設けらた第２の赤外線検出部を有する第２のセル部と、前記第２のセル部を前記第２の凹部の上方に支持しかつ前記第２の赤外線検出部によって変換された電気信号を送出する第３および第４の配線を有する第２の支持脚部と、を含む第２の画素部と、を備えている。【選択図】図２Ａ
2015096842.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１および第２の凹部が表面に設けられた基板と、
前記第１の凹部の上方に設けられ、外部から入射した第１の赤外線と前記第１の赤外線と波長の異なる第２の赤外線とを検出し、電気信号に変換する第１の赤外線検出部を有する第１のセル部と、前記第１のセル部を前記第１の凹部の上方に支持しかつ前記第１の赤外線検出部によって変換された電気信号を送出する第１および第２の配線を有する第１の支持脚部と、を含む第１の画素部と、
前記第２の凹部の上方に設けられ、前記第２の赤外線を検出し、電気信号に変換する第２の赤外線検出部を有する第２のセル部と、前記第２のセル部を前記第２の凹部の上方に支持しかつ前記第２の赤外線検出部によって変換された電気信号を送出する第３および第４の配線を有する第２の支持脚部と、を含む第２の画素部と、
を備えた赤外線撮像素子。
【請求項２】
前記第１の赤外線検出部は、
前記第１および第２の赤外線一部を吸収し残りの前記第１および第２の赤外線を透過する第１の赤外線吸収層と、
前記第１の赤外線吸収層の下層に設けられ前記第１および第２の赤外線の一部を吸収し残りの前記第１および第２の赤外線を透過する第２の赤外線吸収層と、
前記第１の赤外線吸収層と前記第２の赤外線吸収層との間に設けられ前記第１の赤外線の一部を透過し残りの前記第１の赤外線を吸収または反射する導電層と、
前記第１および第２の赤外線吸収層ならびに前記導電層によって発生された熱を電気信号に変換する第１の熱電変換部と、
を備え、
前記第２の赤外線検出部は、
前記第１および第２の赤外線の一部を吸収し残りの前記第１および第２の赤外線を透過する第３の赤外線吸収層と、
前記第３の赤外線吸収層の下層に設けられ前記第１および第２の赤外線の一部を吸収し残りの前記第１および第２の赤外線を透過する第４の赤外線吸収層と、
前記第３および第４の赤外線吸収層によって発生された熱を電気信号に変換する第２の熱電変換部と、
を備えている請求項１記載の赤外線撮像素子。
【請求項３】
前記第１および第２の熱電変換部はそれぞれ、ｐ型の第１半導体領域と、前記第１半導体領域の一部の領域上に設けられ前記第１半導体領域よりもｐ型の不純物濃度の低いｐ型の第２半導体領域と、前記第２半導体領域の一部の領域上に設けられたｎ型の第３半導体領域と、前記第１半導体領域および前記第３半導体領域上にそれぞれ設けられた第１およぶ第２のシリサイド層と、を備え、
前記第１の熱電変換部において、前記第１および第２のシリサイド層ならびに前記第２半導体領域は前記第２の赤外線吸収層によって覆われかつ前記第１および第２のシリサイド層のそれぞれと前記導電層との間の光学距離は前記第１の赤外線の波長の１／４であり、前記第１および第２のシリサイド層はそれぞれ前記第１および第２の画素内配線に接続され、
前記第２の熱電変換部において、前記第１および第２のシリサイド層ならびに前記第２半導体領域は前記第４の赤外線吸収層によって覆われ、前記第１および第２のシリサイド層はそれぞれ前記第１および第２の配線に接続され、前記第１および第２のシリサイド層はそれぞれ前記第３および第４の配線に接続される請求項２記載の赤外線撮像素子。
【請求項４】
前記第１の赤外線検出部は、
前記第１および第２の赤外線の一部を吸収し残りの前記第１および第２の赤外線を透過する第１の赤外線吸収層と、
前記第１の赤外線吸収層の下層に設けられ前記第１および第２の赤外線の一部を吸収し残りの前記第１および第２の赤外線を透過する第２の赤外線吸収層と、
ｐ型の第１半導体領域と、前記第１半導体領域の一部の領域上に設けられ前記第１半導体領域よりもｐ型の不純物濃度の低いｐ型の第２半導体領域と、前記第２半導体領域の一部の領域上に設けられたｎ型の第３半導体領域と、前記第１半導体領域および前記第３半導体領域上にそれぞれ設けられた第１および第２のシリサイド層と、を有し、前記第１および第２の赤外線吸収層によって発生され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の赤外線吸収層上に設けられ前記第１および第２の配線とそれぞれ接続する第１および第２の画素内配線と、
前記第２の赤外線吸収層に設けられ前記第１の画素内配線と前記第１のシリサイド層と接続する第１のコンタクトと、
前記第２の赤外線吸収層に設けられ前記第２の画素内配線と前記第２のシリサイド層と接続する第２のコンタクトと、
を備え、
前記第２の赤外線検出部は、
前記第１および第２の赤外線の一部を吸収し残りの前記第１および第２の赤外線を透過する第３の赤外線吸収層と、
前記第３の赤外線吸収層の下層に設けられ前記第１および第２の赤外線の一部を吸収し残りの前記第１および第２の赤外線を透過する第４の赤外線吸収層と、
ｐ型の第４半導体領域と、前記第４半導体領域の一部の領域上に設けられ前記第４半導体領域よりもｐ型の不純物濃度の低いｐ型の第５半導体領域と、前記第５半導体領域の一部の領域上に設けられたｎ型の第６半導体領域と、前記第４半導体領域および前記第６半導体領域上にそれぞれ設けられた第３および第４のシリサイド層と、を有し、前記第３および第４の赤外線吸収層によって発生された熱を電気信号に変換する第２の熱電変換部と、
前記第４の赤外線吸収層上に設けられ前記第３および第４配線にそれぞれ接続する第３および第４の画素内配線と、
前記第３の画素内配線と前記第３のシリサイド層と接続する第３のコンタクトと、
前記第４の画素内配線と前記第４のシリサイド層と接続する第４のコンタクトと、
を備え、
前記第３および第４のシリサイド層の幅はそれぞれ、前記第１および第２のシリサイド層の幅よりも狭く、第３および第４のコンタクトと実質的に同じサイズである請求項１記載の赤外線撮像素子。
【請求項５】
前記第１の赤外線検出部は、
前記第１および第２の赤外線の一部を吸収し残りの前記第１および第２の赤外線を透過する第１の赤外線吸収層と、
前記第１の赤外線吸収層の下層に設けられ前記第１および第２の赤外線の一部を吸収し残りの前記第１および第２の赤外線を透過する第２の赤外線吸収層と、
ｐ型の第１半導体領域と、前記第１半導体領域の一部の領域上に設けられ前記第１半導体領域よりもｐ型の不純物濃度の低いｐ型の第２半導体領域と、前記第２半導体領域の一部の領域上に設けられたｎ型の第３半導体領域と、前記第１半導体領域および前記第３半導体領域上にそれぞれ設けられた第１およぶ第２のシリサイド層と、を有し、前記第１および第２の赤外線吸収層によって発生され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の赤外線吸収層上に設けられ前記第１および第２配線にそれぞれ接続する第１および第２の画素内配線と、
前記第１の画素内配線と前記第１のシリサイド層と接続する第１のコンタクトと、
前記第２の画素内配線と前記第２のシリサイド層と接続する第２のコンタクトと、
を備え、
前記第２の赤外線検出部は、
前記第１および第２の赤外線の一部を吸収し残りの前記第１および第２の赤外線を透過する第３の赤外線吸収層と、
前記第３の赤外線吸収層の下層に設けられ前記第１および第２の赤外線の一部を吸収し残りの前記第１および第２の赤外線を透過する第４の赤外線吸収層と、
ｐ型の第４半導体領域と、前記第４半導体領域の一部の領域上に設けられ前記第４半導体領域よりもｐ型の不純物濃度の低いｐ型の第５半導体領域と、前記第５半導体領域の一部の領域上に設けられたｎ型の第６半導体領域と、前記第４半導体領域および前記第６半導体領域上にそれぞれ設けられた第３およぶ第４のシリサイド層と、を有し、前記第３および第４の赤外線吸収層によって発生された熱を電気信号に変換する第２の熱電変換部と、
前記第４の赤外線吸収層上に設けられ前記第３および第４配線にそれぞれ接続する第３および第４の画素内配線と、
前記第３の画素内配線と前記第３のシリサイド層と接続する第３のコンタクトと、
前記第４の画素内配線と前記第４のシリサイド層と接続する第４のコンタクトと、
を備え、
前記第２の熱電変換部の幅は、前記第１の熱電変換部の幅よりも狭く、
前記第３および第４のシリサイド層の幅はそれぞれ、前記第１および第２のシリサイド層の幅よりも狭い請求項１記載の赤外線撮像素子。
【請求項６】
前記第２半導体領域上にシリサイドブロック膜が設けられている請求項３乃至５のいずれかに記載の赤外線撮像素子。
【請求項７】
前記第１および第２の凹部は、前記基板の表面に行方向および列方向のそれぞれにおいて交互に配置され、各第１の凹部の上方に前記第１の画素部が設けられ、各第１の凹部の上方に前記第１の画素部が設けられ、各第２の凹部の上方に前記第２の画素部が設けられる請求項１乃至６のいずれかに記載の赤外線撮像素子。
【請求項８】
各行に対応して隣接する行間の前記基板上に設けられ、対応する行における前記第１の画素部の前記第１の配線および前記第２の画素部の前記第３の配線が接続される第１の配線部と、
各列に対応して隣接する列間の前記基板上に設けられ、対応する列における前記第１の画素部の前記第２の配線および前記第２の画素部の前記第４の配線が接続される第２の配線部と、
を備えている請求項７記載の赤外線撮像素子。
【請求項９】
前記第１の赤外線は中赤外線であり、前記第２の赤外線は遠赤外線である請求項１乃至８のいずれかに記載の赤外線撮像素子。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれかに記載の赤外線撮像素子と、
前記赤外線撮像素子によって撮像されて信号を処理する信号処理部と、
を備えた撮像装置。
【請求項１１】
請求項１０記載の撮像装置と、
前記撮像装置の前記信号処理部よって処理された信号に基づいて、被写体の判別を行う判別装置と、
前記判別装置によって判別結果に応じて警報を発生する警報装置と、
を備えている撮像システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、赤外線撮像素子、撮像装置、および撮像システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
赤外線を利用した赤外線撮像素子は、被写体の温度分布を検知できる光源不要なパッシブ型のセンサである。可視光を検知する撮像素子よりも煙や霧に対して透過性が高く、昼夜を問わず撮像可能であるという特長を有する。
【０００３】
一方、複数の波長の映像を同時に検知可能な多波長センサも開発されている。複数の波長映像を取得することで被写体の放射率を知ることができるため、被写体の材質や絶対温度を検出することが可能である。そのため、サーモグラフィーとしての用途の他、リモートセンシング、ガス検知等へも応用できる。
【０００４】
上記のような複数の波長を同時に検知できる多波長センサは、入射された赤外線による電子のバンドギャップ間の遷移を利用する量子型の赤外線センサとして実現されている。この量子型の赤外線センサは熱励起を防止するために低温度で動作する。このため、冷却機構が必要であり、装置全体が大きくなると共に高価となる。
【０００５】
なお、透過する波長帯が異なる複数のレンズを切り換える方法もある。しかし、この場合、レンズ切り換え機構が必要となり、同様に装置サイズやコストの抑制が困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−３３７０６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本実施形態は、複数の波長を同時に検出することができるとともに、小型化および低コスト化を実現することのできる赤外線撮像素子、撮像装置、および撮像システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本実施形態による赤外線撮像素子は、第１および第２の凹部が表面に設けられた基板と、前記第１の凹部の上方に設けられ、外部から入射した第１の赤外線と前記第１の赤外線と波長の異なる第２の赤外線とを検出し、電気信号に変換する第１の赤外線検出部を有する第１のセル部と、前記第１のセル部を前記第１の凹部の上方に支持しかつ前記第１の赤外線検出部によって変換された電気信号を送出する第１および第２の配線を有する第１の支持脚部と、を含む第１の画素部と、前記第２の凹部の上方に設けられ、前記第２の赤外線を検出し、電気信号に変換する第２の赤外線検出部を有する第２のセル部と、前記第２のセル部を前記第２の凹部の上方に支持しかつ前記第２の赤外線検出部によって変換された電気信号を送出する第３および第４の配線を有する第２の支持脚部と、を含む第２の画素部と、を備えている。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１実施形態による赤外線撮像素子を示す平面図。
【図２Ａ】第１実施形態の第１の画素部を切断線Ａ−Ａで切断した断面図。
【図２Ｂ】第１実施形態の第１の画素部を切断線Ａ’−Ａ’で切断した断面図。
【図３Ａ】第１実施形態の第２の画素部を切断線Ｂ−Ｂで切断した断面図。
【図３Ｂ】第１実施形態の第２の画素部を切断線Ｂ’−Ｂ’で切断した断面図。
【図４】第１実施形態の第１の画素部の作用を説明する図。
【図５】第１実施形態の第２の画素部の作用を説明する図。
【図６】第１実施形態の第１および第２画素部の作用効果を説明する図。
【図７】第１実施形態の赤外線撮像素子の製造工程を示す断面図。
【図８】第１実施形態の赤外線撮像素子の製造工程を示す断面図。
【図９】第１実施形態の赤外線撮像素子の製造工程を示す断面図。
【図１０】第１実施形態の赤外線撮像素子の製造工程を示す断面図。
【図１１】第１実施形態の赤外線撮像素子の製造工程を示す断面図。
【図１２】第１実施形態の赤外線撮像素子の製造工程を示す断面図。
【図１３】第１実施形態の赤外線撮像素子の製造工程を示す断面図。
【図１４】第１実施形態の赤外線撮像素子の製造工程を示す断面図。
【図１５】第１実施形態の赤外線撮像素子の製造工程を示す断面図。
【図１６】第１実施形態の赤外線撮像素子の製造工程を示す断面図。
【図１７】第１実施形態の赤外線撮像素子の製造工程を示す断面図。
【図１８】第２実施形態に係る第１の画素部を示す断面図。
【図１９】第２実施形態に係る第２の画素部を示す断面図。
【図２０】第２実施形態の変形例に係る第１の画素部を示す断面図。
【図２１】第２実施形態の変形例に係る第２の画素部を示す断面図。
【図２２】第３実施異形態による撮像システムを示すブロック図。
【図２３】ガソリンの炎、高温物体、および低温物体の相対強度スペクトルを示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に図面を参照して実施形態を説明する。
【００１１】
（第１実施形態）
第１実施形態による赤外線撮像素子を図１に示す。図１は、第１実施形態の赤外線撮像素子１０を示す平面図である。この第１実施形態の赤外線撮像素子１０は、マトリクス状に配列された複数の第１および第２の画素部１１、１２と、各列に対応して設けられかつ対応する列に沿って配置された第１の配線部２６と、各行に対応して設けられ対応する行に沿って配置された第２の配線部２７と、を備える。
【００１２】
第１の画素部１１および第２の画素部１２は、行方向および列方向において互いに交互に配列される。各第１の配線部２６は、行方向において隣接する第１の画素部１１と第２の画素部１２との間に配置される。各第２の配線部２７は、列方向において隣接する第１の画素部１１と第２の画素部１２との間に配置される。
【００１３】
第１の画素部１１は、第１のセル部２０と、この第１のセル部２０を支える第１の支持脚２１ａ、２１ｂと、を備える。第１の支持脚２１ａ、２１ｂは第１の画素内配線２２ａ、２２ｂをそれぞれ含み、第１のセル部２０は、第１の熱電変換部２３を含む。この第１の熱電変換部２３は一端が第１の画素内配線２２ａを介して対応する列の第１の配線部２６に接続され、他端が第１の画素内配線２２ｂを介して対応する行の第２の配線部２７に接続される。
【００１４】
第２の画素部１２は、第２のセル部３０と、この第２のセル部３０を支える第２の支持脚３１ａ、３１ｂと、を備える。第２の支持脚３１ａ、３１ｂは第２の画素内配線３２ａ、３２ｂをそれぞれ含み、第２のセル部３０は第２の熱電変換部３３を含む。この第２の熱電変換部３３は一端が第２の画素内配線３２ａを介して対応する列の第１の配線部２６に接続され、他端が第２の画素内配線３２ｂを介して対応する行の第２の配線部２７に接続される。
【００１５】
第１の画素部１１および第２の画素部１２の詳細な構造について図２Ａ乃至図３Ｂを参照して説明する。図２Ａおよび図２Ｂは、第１実施形態の赤外線撮像素子１０の第１の画素部１１を図１に示すＡ−Ａ線およびＡ’−Ａ’線で切断した断面図であり、図３Ａおよび図３Ｂは、第１実施形態の赤外線撮像素子１０の第２の画素部１２を図１に示すＢ−Ｂ線およびＢ’−Ｂ’線で切断した断面図である。
【００１６】
第１のセル部２０は、支持基板２２０、絶縁膜２２１、およびＳＯＩ（Silicon on insulator）層からなるＳＯＩ基板の支持基板２２０に設けられた凹部２１０の上方に、第１の支持脚２１ａ、２１ｂによって支持される（図１、図２Ａ、図２Ｂ）。第２の配線部２７は凹部２１０が設けられていない、基板２２０の領域上に設けられる（図２Ａ、２Ｂ）。
【００１７】
第１のセル部２０は、外部から入射した赤外線を吸収するための第１の赤外線吸収部２８と、赤外線吸収によって発生した熱を電気信号に変換する第１の熱電変換部２３と、を備える。第１の赤外線吸収部２８は、導電層２０５と、この導電層２０５を保護するための保護膜２２４ａと、赤外線吸収層２２３ａと、を備える。
【００１８】
第１の熱電変換部２３は、ＳＯＩ基板のＳＯＩ層に設けられ、ｐｎジャンクションダイオードを構成し、ｎ＋領域２００ａと、ｐ−領域２０１ａと、ｐ＋領域２０２ａと、を含む。ｐｎジャンクションはｎ＋領域２００ａとｐ−領域２０１ａとの間に形成される。第１の熱電変換部２３は、側面が絶縁膜２２２によって取り囲まれている。ｐ−領域２０１ａはｐ＋領域２０２ａよりも低いｐ型の不純物濃度を有する。
【００１９】
更に、第１のセル部２０は、シリサイドブロック膜２０４ａと、画素内配線２２ａ、２２ｂと、シリサイド膜２０３ａ１、２０３ａ２と、を備える。シリサイドブロック膜２０４ａは、ｐｎジャンクションにおけるショートを防止する。シリサイド膜２０３ａ１およびシリサイド層２０３ａ２はそれぞれ、ｎ＋領域２００ａおよびｐ＋領域２０２ａに設けられ、画素内配線２２ａ、２２ｂと第１の熱電変換部２３との間を低抵抗で接続する。ここで、導電層２０５と画素内配線２２ａ、２２ｂとの間の距離および導電層２０５とシリサイド膜２０３ａ２との間の距離をＬ、導電層２０５と画素内配線２２ａ若しくは２２ｂ若しくはシリサイド膜２０３ａ２の間の屈折率をｎ，検出波長をλとした時に，次式が成り立つことが望ましい。
ｎ・Ｌ＝λ／４                    …（１）
後述する通り，第１のセル部２０は導電層２０５と，画素内配線２２ａ若しくは２２ｂ若しくはシリサイド膜２０３ａ２の間で干渉による共振を起こさせることによって中赤外線（２μｍ〜６μｍ）を吸収するように設計されるから，式（１）により距離Ｌは０．７〜２．２μｍの範囲で設定するのが好ましい。
【００２０】
なお、画素内配線２２ａは図１に示すように、対応する第１の配線部２６まで延在している。同様に、図１、図２Ｂに示すように、画素内配線２２ｂは、対応する第２の配線部２７まで延在している。
【００２１】
第２のセル部３０は、第１のセル部２０と同様に、ＳＯＩ基板の支持基板２２０に設けられた凹部２１０の上方に、第２の支持脚３１ａ、３１ｂによって支持される（図１、図３Ａ、図３Ｂ）。すなわち、第１および第２のセル部２０、３０の下方の支持基板にはそれぞれ凹部２１０が設けられ、第１および第２のセル部２０、３０が凹部２１０の上方に支持されることによってＳＯＩ基板から受ける熱の影響を抑制している。
【００２２】
第２のセル部３０は、外部から入射した赤外線を吸収するための第２の赤外線吸収部２９と、赤外線吸収によって発生した熱を電気信号に変換する第２の熱電変換部３３と、を備える。第２の赤外線吸収部２９は、第１の赤外線吸収層２２４ｂと、第２の赤外線吸収層２２３ｂとを備える。
【００２３】
第２の熱電変換部３３は、ＳＯＩ基板のＳＯＩ層に設けられ、ｐｎ接合ダイオードを構成し、ｎ＋領域２００ｂと、ｐ−領域２０１ｂと、ｐ＋領域２０２ｂとを含む。ｐｎ接合はｎ＋領域２００ｂとｐ−領域２０１ｂとの間に形成される。第２の熱電変換部３３は、側面が絶縁膜２２２によって取り囲まれている。
【００２４】
更に、第２のセル部３０は、シリサイドブロック膜２０４ｂと、画素内配線３２ａ、３２ｂと、シリサイド膜２０３ｂ１、２０３ｂ２と、を備える。シリサイドブロック膜２０４ｂは、ｐｎジャンクションにおけるショートを防止する。シリサイド膜２０３ｂ１およびシリサイド膜２０３ｂ２はそれぞれ、ｎ＋領域２００ｂおよびｐ＋領域２０２ｂに設けられ、画素内配線３２ａ、３２ｂと第２の熱電変換部３３との間を低抵抗で接続する。なお、画素内配線３２ａは図１に示すように、対応する第１の配線部２６まで延在している。同様に、図１、図３Ｂに示すように、画素内配線３２ｂは、対応する第２の配線部２７まで延在している。
【００２５】
第１のセル部２０に対応する第１の配線部２６は、図２Ｂに示すように、絶縁膜２２２上に設けられた画素内配線２２ａを覆う赤外線吸収膜２２３と、この赤外線吸収膜２２３内に設けられたビア２６２と、この赤外線吸収膜２２３上に設けられビア２６２に接続する配線層２６４と、この配線層２６４を覆う赤外線吸収層２２４と、赤外線吸収層２２４上に設けられた絶縁膜２２５と、を備える。配線層２６４は、バリアメタル層２６６と、このバリアメタル層２６６に覆われたメタル配線２６８と、を備える。なお、第１のセル部２０に対応する第２の配線部２７は、図２Ａに示す断面図には表示されないが、第１の配線部２６と同じ構造を有している。
【００２６】
第２のセル部３０に対応する第１の配線部２６は、図３Ｂに示すように、絶縁膜２２２上に設けられた画素内配線３２ａを覆う赤外線吸収膜２２３と、この赤外線吸収膜２２３内に設けられたビア２６２と、赤外線吸収膜２２３上に設けられビア２６２に接続する配線層２６４と、この配線層２６４を覆う赤外線吸収膜２２４と、赤外線吸収膜２２４上に設けられた絶縁膜２２５と、を備える。配線層２６４は、バリアメタル層２６６と、このバリアメタル層２６６に覆われたメタル配線２６８と、を備える。なお、第２のセル部３０に対応する第２の配線部２７は、図３Ａに示す断面図には表示されないが、第１の配線部２６と同じ構造を有している。
【００２７】
（作用）
図４、図５を参照して第１実施形態の赤外線撮像素子の作用について説明する。図４は第１の画素部１１における動作を説明する第１のセル部２０の断面図である。赤外線撮像素子の外部に設けられた光学系を介して入射した電磁波の内、中赤外線４０（波長２μｍ〜６μｍ）と、遠赤外線４１（７μｍより長い波長）の軌跡を示している。
【００２８】
中赤外線４０は酸化膜若しくは窒化膜で構成された保護膜２２４ａを透過して、導電層２０５に到達する。導電層２０５は半透過膜として作用し、入射した中赤外線４０の一部は導電層２０５で吸収若しくは反射され、一部は透過して第１のセル部２０の深さ方向に進行する。中赤外線４０は酸化膜若しくは窒化膜で構成された赤外線吸収層２２３ａも透過し、画素内配線２２ｂ若しくはシリサイド膜２０３ａ２に到達する。画素内配線２２ｂおよびシリサイド膜２０３ａ２は反射膜として作用するため、進行してきた中赤外線４０は画素内配線２２ｂ若しくはシリサイド膜２０３ａ２で反射し、再び赤外線吸収層２２３ａを透過して導電層２０５に到達する。導電層２０５に到達した中赤外線４０の一部は導電層２０５で反射する。ここで前術した通り、導電層２０５と画素内配線２２ｂ若しくはシリサイド膜２０３ａ２との距離はその光学距離が式（１）を満たすように設計されている。これにより、シリサイド膜２０３ａ２で反射して導電層２０５に向かう中赤外線と，第１のセル部２０の外部から入射して導電層２０５を透過する中赤外線若しくは導電層２０５で反射して再度シリサイド膜２０３に向かう中赤外線は互いに共振する。その結果，中赤外線は導電層２０５とシリサイド膜２０３ａ２との間で吸収される。なお，中赤外線が画素内配線２２ａ若しくはシリサイド膜２０３ａ１に到達した場合も同様の現象が生じる。
【００２９】
一方、第１のセル部２０において、遠赤外線４１は酸化膜若しくは窒化膜で吸収されるから、入射した遠赤外線４１は赤外線吸収層２２４ａ若しくは赤外線吸収層２２３ａにて吸収される。従って、第１のセル２０においては、中赤外線４０、遠赤外線４１共に吸収され、セル２０の内部において熱エネルギーに変換される。変換された熱エネルギーは熱電変換部２３において電気信号に変換され、配線２２ａ、２２ｂを通じてセル２０の外部へと伝達される。
【００３０】
次に、第２の画素部１２の作用について図５を参照して説明する。第２の画素部１２に入射した電磁波の内、中赤外線４０は赤外線吸収層２２４ｂ、赤外線吸収層２２３ｂを透過して画素内配線２２ｂ若しくはシリサイド膜２０３ｂ２に到達する。前記の通り、これらは反射膜として作用するため、進行してきた中赤外線４０は画素内配線３２ｂ若しくはシリサイド膜２０３ｂ２で反射する。その後、再び赤外線吸収膜２２３ｂ、赤外線吸収膜２２４ｂを透過して、第２のセル部３０の外へと進行する。つまり、第２のセル部３０に入射した中赤外線は第２のセル部３０の内部で吸収されることがない。なお，中赤外線が画素内配線３２ａ若しくはシリサイド膜２０３ｂ１に到達した場合も同様である。
【００３１】
一方、遠赤外線４１は赤外線吸収膜２２４ｂ若しくは赤外線吸収膜２２３ｂで吸収され、熱エネルギーに変換される。変換された熱エネルギーは熱電変換部３３において電気信号に変換され、画素内配線３２ａ、３２ｂを通じて第２のセル部３０の外へと伝達される。
【００３２】
以上説明したように、第１の画素部１１においては、入射した電磁波の内、中赤外線４０および遠赤外線４１の双方は、セル２２内部で吸収され、最後は電気信号に変換される。これに対して、第２の画素部１２においては、入射した電磁波の内、遠赤外線４１がセル３０の内部で吸収され、最後に電気信号に変換される。つまり、第１の画素部１１によって、中赤外線と遠赤外線の吸収による第１の情報（図６に示す実線で表示）が得られ、第２の画素部１２によって、遠赤外線の吸収による第２の情報（図６に示す破線で表示）が得られる。これらの情報を加工することで、具体的には第１の情報から第２の情報を減算することで中赤外線の吸収による情報が得られる。したがって、本実施形態によれば、中赤外線による情報と遠赤外線による情報を同時に得ることができるようになる。
【００３３】
（製造方法）
以下、本実施形態の赤外線撮像素子１０の製造方法について図７乃至図１７を参照して説明する。図７乃至図１７は、本実施形態の赤外線撮像素子１０の製造方法を例示する工程断面図である。
【００３４】
まず図７に示すように、支持基板２２０上に絶縁膜２２１を形成し、絶縁膜２２１上に半導体層２０６を形成する。支持基板２２０には、例えば単結晶シリコン基板が用いられる。絶縁膜２２１には、例えば、埋め込みシリコン酸化膜が用いられる。半導体層２０６には、例えば単結晶シリコン層が用いられる。すなわち、ＳＯＩ基板が形成される。
【００３５】
次に図８に示すように、熱電変換部２３、３３が形成される領域以外の半導体層２０６を、フォトリソグラフィー技術とエッチング技術とを用いて除去し、半導体層２０６が除去された領域に素子分離絶縁膜２２２を埋め込む。エッチングには、例えばＲＩＥ（Reactive Ion Etching）を用いることができる。素子分離絶縁膜２２２には、例えばシリコン酸化膜を用いることができる。この素子分離絶縁膜２２２は、例えば、半導体層２０６が除去された空間に、シリコン酸化膜をＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition）法により埋め込み、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）で平坦化することによって形成される。この素子分離絶縁膜２２２に用いられるシリコン酸化膜は、赤外線撮像領域の内部と外部とを分離する素子分離絶縁膜、および複数の画素（赤外線検出素子）どうしを分離する素子分離絶縁膜としても用いられる。続いて、半導体層２０６の表面部分に、絶縁層２０７を形成する。この絶縁層２０７は、半導体層２０６の表面の部分を酸化させて形成しても良く、また、半導体層２０６および素子分離絶縁膜２２２上に別途シリコン酸化膜を設けて形成しても良い。
【００３６】
次に、図９に示すように、熱電変換部２３、３３となるｐｎ接合ダイオードを形成する。例えば、半導体層２０６において、フォトリソグラフィー技術とイオン注入により、ｐ＋領域２０２、ｐ−領域２０１、およびｎ＋領域２００を形成する。具体的には、例えば、フォトリソグラフィー技術により、ｎ＋領域２００が形成される領域を規定し、イオン注入を行い、ｎ＋領域２００を形成する。続いて、半導体層２０６の深い領域に、ｐ＋領域２０２の一部となるｐ＋電極領域２０２１を形成し、半導体層２０６の浅い領域（表面）に、ｐ＋領域２０２の別の一部となるｐ＋コンタクト領域２０２２を形成する。ｐ＋コンタクト領域２０２２は、半導体層２０６の浅い領域（表面）において、ｎ＋領域２００と離間している。ｐ＋コンタクト領域２０２２とｐ＋電極領域２０２１との間に、両者を連結するｐ＋領域２０２が形成される。ｐ＋領域２０２とｎ＋領域２００との間に、ｐ−領域２０１が形成される。この後、すべての領域において絶縁層２０７が除去される。
【００３７】
続いて、半導体層２０６の表面において、ｐ＋領域２０２のｎ＋領域２００側の端部から、ｎ＋領域２００のｐ＋領域２０２の側の端部までを覆うように、ブロック膜２０４を形成する（図９）。ブロック膜２０４には、例えばシリコン酸化膜を用いることができる。このブロック膜２０４は、例えば、半導体層２０６の表面を含む全面にシリコン酸化膜をＣＶＤ法によって形成した後、フォトリソグラフィーとＲＩＥ法によりこのシリコン酸化膜をパターニングすることによって形成される。また、場合によっては、上記の絶縁層２０７を除去せず、所定の形状に加工してブロック膜２０４とすることができる。ブロック膜２０４は、後述するシリサイド工程において、ｎ＋領域２００とｐ−領域２０１若しくはｐ＋領域２０２とが電気的に導通しないように、ブロックするための機能を有する。
【００３８】
次に、図１０に示すように、画素内配線２１となる金属膜２０８を例えばスパッタ法により形成する。金属膜２０８には、例えばＴｉ膜を用いることができる。金属膜２０８の厚さは、例えば５０ｎｍとすることができる。この後、例えば、６５０℃の窒素雰囲気中においてアニールすることにより、ｎ＋領域２００の金属膜２０８の側の部分にシリサイド膜２０３１が形成され、ｐ＋領域２０２の金属膜２０８の側の部分にシリサイド膜２０３２が形成される。本例では、シリサイド膜２０３１およびシリサイド膜２０３２は、ＴｉＳｉ膜である。半導体層２０６の表面において、ｎ＋領域２００とｐ＋領域２０２との間の領域がブロック膜２０４によって覆われているので、ｎ＋領域２００とｐ＋領域２０２との間の領域にはシリサイド膜が形成されず、ｎ＋領域２００とｐ−領域２０１若しくはｐ＋領域２０２とは電気的に導通しない。なお、金属膜２０８には、Ｔｉの他に、ＣｏおよびＮｉなどシリサイドを形成できる任意の金属を用いることができる。
【００３９】
この製造方法では、第１のセル部２０および第２のセル部３０における金属膜２０８の基板２２０側の層はシリサイド膜、すなわちシリサイド膜２０３１およびシリサイド膜２０３２である。これにより、金属膜２０８と熱電変換部２３，３３との低抵抗接続が可能となる。
【００４０】
次に、図１１に示すように、金属膜２０８のうち画素内配線として必要な部分以外を除去することで画素内配線２２ａ、２２ｂを形成する。なお、図１１は、第１の画素部１１を示しているので、第２の画素部１２の画素内配線３２ａ、３２ｂは表示されていない。しかし、画素内配線２２ａ、２２ｂの形成と同時に画素内配線３２ａ、３２ｂも形成される。画素内配線の具体的な製造工程は、以下のように行われる。まず、金属膜２０８のうち画素内配線となる部分をレジスト層（図示せず）で被覆する。続いて、被覆したレジスト層をマスクにして、金属膜２０８をエッチングして、レジスト層に覆われていない部分の金属膜２０８を除去する。このエッチングには、例えば、アンモニアと過酸化水素との混合液によるウエットエッチングを用いることができる。この後、上記レジスト層を剥離する。このようにして、画素内配線が形成される。
【００４１】
次に、図１２に示すように、ＣＶＤ法を用いて、赤外線吸収層２２３ａおよび２２３ｂとなるシリコン酸化膜２２３を形成する。
【００４２】
続いて、図１３に示すように第１の画素部１１内の第１のセル部２０の位置において、導電膜２０５を例えばスパッタ法により形成する。導電膜２０５の材料としては、例えばＴｉ，Ｎｉ，Ｃｏ等が好適である。導電膜２０５の厚さは５ｎｍ以下が望ましく、数十ｎｍ以下とすることもできる。なお、第２の画素部１２の第２のセル部においては、導電膜２０５は形成しない。
【００４３】
次に、図１４に示すように、導電層２０５の上から赤外線吸収膜２２４を形成し、更にその上から絶縁膜２２５を形成する。かかる状態からフォトリソグラフィー技術とエッチングにより、配線領域以外の絶縁膜２２５を除去する（図１５）。
【００４４】
次に、第１および第２のセル部２０、３０と配線領域を分離させるように絶縁膜２２１、素子分離絶縁膜２２２、赤外線吸収膜２２３、赤外線吸収膜２２４の一部を除去してエッチングホール２８０を形成する（図１６）。エッチングホール２８０の底面は支持基板２２０が露出される。この時、平面的には図１に示すように第１支持脚２１ａ、２１ｂおよび第２の支持脚３１ａ、３１ｂが残るように処理がなされる。処理はフォトリソグラフィー技術とエッチングにより行われる。
【００４５】
そして、図１７に示すように、エッチングホール２８０を介して、支持基板２２０の表面部分をエッチングして、第１のセル部２０および第２のセル部３０と支持基板２２０との間に凹部２１０を形成する。このエッチングには、例えばＴＭＡＨ(Tetra-Methyl-Ammonium-Hydroxide)等の異方性ウエットエッチング材料を用いることができる。以上の工程によって、赤外線撮像素子１０が形成される。
【００４６】
なお、上記製造工程において、図２Ｂおよび図３Ｂで示した第１の配線部２６の配線層２６４およびビア２６２の製造工程は省略している。
【００４７】
以上説明したように、本実施形態によれば、光学レンズの切り換えを伴わずに、複数の波長を同時に検出することができる赤外線撮像素子を提供することが可能となる。この赤外線撮像素子は熱電変換により赤外線を検出する方式であるため常温での動作が可能であり、冷却機構が不要となる。このように、本実施形態においては、冷却機構が不要であり、光学レンズの切り換えも伴わないことから、小型化および低コストを実現することができる。
【００４８】
（第２実施形態）
次に、図１８、図１９を参照して第２実施形態による赤外線撮像素子について説明する。図１８は、第２実施形態の赤外線撮像素子の中赤外線および遠赤外線を吸収する第１の画素部１１を示す断面図であり、図１９は、第２実施形態の赤外線撮像素子の遠赤外線を吸収する第２の画素部１２を示す断面図である。
【００４９】
図２Ａ、２Ｂに示す第１実施形態の赤外線撮像素子においては、配線層２２ａ、２２ｂがシリサイド層２０３ａ１、２０３ａ２の直上に設けたのに対し、図１８に示す第２実施形態の第１画素部においては、配線層２２ａ、２２ｂが赤外線吸収層２２３上に設けられている点および導電層２０５が設けられない点で異なる。なお、図１８、図１９においては、図２Ｂおよび図３Ｂに示す配線層２６４およびビア２６２は省略している。
【００５０】
この第２実施形態の第１の画素部１１においては、ｐｎ接合ダイオード上に形成されたシリサイド層２０３ａ１と配線層２２ａとの間はコンタクト層３００ａによって電気的に接続され、シリサイド層２０３ａ２と配線層２２ｂとの間はコンタクト層３００ｂによって電気的に接続されている。
【００５１】
外部から入射した中赤外線は、赤外線吸収層２２４を透過し、一部が配線層２２ａ、２２ｂによって反射され、残りの中赤外線が配線層２２ａ、２２ｂを透過するとともに、赤外線吸収層２２３に進行する。そして、シリサイド層２０３ａ１、２０３ａ２によって反射される。この反射された中赤外線は、赤外線吸収層２２３を通って配線層２２ａ、２２ｂに達し、配線層２２ａ、２２ｂによって反射される。そうすると、第１実施形態と同様に配線層２２a、２２ｂを透過して入射する中赤外線とシリサイド層２０３ａ１、２０３ａ２によって反射される中赤外線は、シリサイド層２０３ａ１と配線層２２ａとの間およびシリサイド層２０３ａ２と配線層２２ｂとの間で共振を起こし、赤外線吸収層２２３で吸収される。なお、シリサイド層２０３ａ１と配線層２２ａとの間およびシリサイド層２０３ａ２と配線層２２ｂとの間の光学距離は、第１実施形態で説明したように、式（１）を満足するように設定される。遠赤外線については赤外線吸収層２２３若しくは赤外線吸収層２２４において吸収される。
【００５２】
一方，図１９に示す第２実施形態の第２の画素部１２は、基本的な構造は図１８に示す第２実施形態の第１の画素部１１と同様であるが、第１の画素部１１に比べてシリサイドブロック膜２０４ｂの幅（図面上で左右方向の長さ）を大きくしかつシリサイド膜２０３ｂ１、２０３ｂ２の幅（図面上で左右方向の長さ）がコンタクト３００ａ、３００ｂを形成できる最小幅となるように設定されている。すなわち、シリサイド膜２０３ｂ１、２０３ｂ２のサイズがコンタクト３００ａ、３００ｂのサイズと実質的に同一となっている。このように構成すると、シリサイド層２０３ｂ１、２０３ｂ２と配線層３２ａ、３２ｂが赤外線吸収層２２３を介して対向する領域はほとんどなく、中赤外線の共振現象は生じにくくなる。遠赤外線については赤外線吸収層２２３若しくは２２４において吸収される。したがって、図１９に示す第２の画素部１２は、遠赤外線にのみ反応することとなる。
【００５３】
このように、第１の画素部１１と第２の画素部１２において、シリサイド層と配線層とが赤外線吸収層２２３を介して対向する面積を大きく異ならせることによっても、二波長を分離して捉えることが可能である。
【００５４】
第２実施形態も第１実施形態と同様に、複数の波長を同時に検出することができる赤外線撮像素子を提供することが可能となる。また、冷却機構が不要であり、光学レンズの切り換えも伴わないことから、小型化および低コストを実現することができる。
【００５５】
（変形例）
第２実施形態の変形例による赤外線撮像素子の第１および第２の画素部１１、１２の断面をそれぞれ図２０、２１に示す。第１の画素部１１における第１の熱電変換部２３のｎ＋領域２００ａおよびｐ＋領域２０２ａの幅（図面上で左右方向の長さ）を、第２の画素部１２における第２の熱電変換部３３のｎ＋領域２００ｂおよびｐ＋領域２０２ｂの幅（図面上で左右方向の長さ）に比べて広くなるように構成されている。
【００５６】
この変形例のように、熱電変換部２３、３３のサイズを大きく変えることで、シリサイド層と配線層が赤外線吸収層２２３を介して対向する面積を第１および第２の画素部で変えることができ、第２実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００５７】
（第３実施形態）
次に、第３実施形態による撮像システムについて、図２２および図２３を参照して説明する。図２２は、第３実施形態による撮像システムを示すブロック図である。この実施形態の撮像システムは、第１乃至第２実施形態およびその変形例のいずれかの赤外線撮像素子１０および信号処理部３５０を有する撮像装置４００と、この撮像装置４００からの信号により被写体の判別を行う判別装置４１０と、この判別装置４１０の判別結果に基づいてアラームを発生させるための警報装置４２０と、を備える。信号処理部３５０は赤外線撮像素子１０から信号を処理して映像信号を生成する。
【００５８】
この実施形態の撮像システムは、例えば，ガソリンの炎検知として使用することができる。ガソリンの炎の相対強度スペクトル、高温物体（例えば１４００Ｋ）の相対強度スペクトル、および低温物体（例えば３５０Ｋ）の相対強度スペクトルをそれぞれ図２３のグラフｇ１、ｇ２、およびｇ３に示す。図２３からわかるように、ガソリンの炎は中赤外域において、スパイク状のスペクトルを有する。また、ガソリンの炎は中赤外域の強度が遠赤外域の強度に対して非常に高いのに対し、高温物体は中赤外から遠赤外まで幅広く強度が分布している。このため、ガソリンの炎を周知の中赤外線センサで検知することは可能であるが、トータル強度が等しい高温体との区別をすることは困難である。
【００５９】
そこで、本実施形態の撮像装置４００の赤外線撮像素子１０を用いると、中赤外域の映像と遠赤外域の映像が同時に撮像される。赤外線撮像素子１０によって撮像された映像は、信号処理部３５０において処理され、映像信号が作成される。続いて撮像装置４００によって得られた映像信号に基づいて、中赤外映像と遠赤外映像の画素値の比率を判別装置４１０において計算する。そうすると、中赤外映像の画素値に対する遠赤外映像の画素値の比率によって、被写体の性質を分離することができる。比率と対応する物質のデータを予め判別装置４１０に保持しておく。そして、撮像された映像がガソリンの炎であると判断された場合には、警報指示信号を警報装置４２０に送信する。警報装置４２０では警報指示信号が入力された場合にアラームを発生させ、異常発生をユーザに知らせる。
【００６０】
第３実施形態の撮像システムによれば、第１実施形態と同様に、複数の波長を同時に検出することができる。また、冷却機構が不要であり、光学レンズの切り換えも伴わないことから、小型化および低コストを実現することができる。
【００６１】
このように二波長の映像を同時に取得し、それぞれのデータを使用して演算を施すことにより、対象となる物質の検知が可能となる。撮像装置４００に用いる光学系は中赤外域から遠赤外域まで透過する材料が望ましく、ゲルマニウムやカルコゲナイドガラスを基材として表面に中赤外域以上の長波長を透過するように設計された反射防止膜を形成したものが好適である。
【００６２】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００６３】
１０  赤外線撮像素子
１１  第１の画素部
１２  第２の画素部
２０  第１のセル部
２１ａ、２１ｂ  第１の支持脚
２２ａ、２２ｂ  画素内配線
２３  第１の熱電変換部
２６  第１の配線部
２７  第２の配線部
２８  第１の赤外線吸収部
２９  第２の赤外線吸収部
３０  第２のセル部
３１ａ、３１ｂ  第２の支持脚
３２ａ、３２ｂ  画素内配線
３３  第２の熱電変換部
２００ａ  ｎ＋領域
２０１ａ  ｐ−領域
２０２ａ  ｐ＋領域
２００ｂ  ｎ＋領域
２０１ｂ  ｐ−領域
２０２ｂ  ｐ＋領域
２０３ａ１、２０３ａ２  シリサイド層
２０３ｂ１、２０３ｂ２  シリサイド層
２０４ａ、２０４ｂ  シリサイドブロック膜  
２０５  導電層
２１０  凹部
２２０  支持基板
２２１  絶縁膜
２２２  絶縁膜
２２３、２２３ａ、２２３ｂ  赤外線吸収層
２２４、２２４ａ、２２４ｂ  赤外線吸収層
２２５  絶縁層
２６２  ビア
２６４  配線層
２６６  バリアメタル層
２６８  メタル配線
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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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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