(57)【要約】【課題】本発明は、テラヘルツ帯をはじめとする長波長光を、輻射熱揺らぎの影響を受けることなく、電気信号に変換し、おもに映像信号として出力する固体撮像素子及びその製造方法並びに撮像装置を提供する。【解決手段】セル部１０は、入射された電波を受信することにより電気信号を生成するアンテナ部１４２と、アンテナ部に電気的に接続され、電気信号に応じたジュール熱を生成することにより、セル部の温度を変化させる電気抵抗１２と、支持構造配線部１１１と電気的に接続されると共に、アンテナ部及び電気抵抗と電気的に絶縁され、かつ電気抵抗と熱的に接続され、セル部の温度変化を検出することにより、電気信号を生成する熱電変換素子３１とを有し、セル部のうち電波の入射面側は、遠赤外線を反射する材料によって形成されている。【選択図】図１
2008039684.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板上に設けられた読み出し配線部と、
前記半導体基板の表面部分に形成された凹部の上方に配置され、前記読み出し配線部と電気的に接続された接続配線を有する支持構造部と、
前記凹部の上方に配置され、前記支持構造部によって支持されたセル部と
を備え、前記セル部は、
入射された電波を受信することにより電気信号を生成するアンテナ部と、
前記アンテナ部に電気的に接続され、前記電気信号に応じたジュール熱を生成することにより、前記セル部の温度を変化させる電気抵抗と、
前記支持構造部と電気的に接続されると共に、前記アンテナ部及び前記電気抵抗と電気的に絶縁され、かつ前記電気抵抗と熱的に接続され、前記セル部の温度変化を検出することにより、電気信号を生成する熱電変換素子と、
前記セル部のうち前記電波の入射面側に設けられた赤外線を反射する部材と、
を備えることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
前記アンテナ部は、第１及び第２のアンテナ部分を有し前記セル部のうち前記電波の入射面側に配置され、
前記赤外線を反射する部材は金属膜であり、前記電気抵抗を除く前記セル部の領域のうち前記第１及び第２のアンテナ部分によって覆われない当該セル部の表面部分に設けられている
ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記金属膜は、前記熱電変換素子に電気的に接続された配線部を備える
ことを特徴とする請求項２に記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記赤外線を反射する部材は金属膜であり、
前記熱電変換素子は、
直列接続された少なくとも２つのpn接合ダイオードを備え、
前記金属膜は、前記pn接合ダイオード間を接続する配線部を備える
ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項５】
前記アンテナ部は、前記セル部のうち前記電波の入射面側に配置され、
前記セル部は、前記電波の入射側に位置する表面が、前記電気抵抗を除き、前記アンテナ部によって覆われている
ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項６】
前記金属膜の上面と、前記アンテナ部の下面との間に挟まれた領域の光路長は、４〜６[μm]の自然数倍となる
ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項７】
前記金属膜の上面と、前記アンテナ部の下面との間に挟まれた領域の光路長の略半分に相当する位置に、前記読み出し配線部から張り出して設けられた赤外線吸収膜
をさらに備えることを特徴とする請求項６に記載の固体撮像素子。
【請求項８】
前記熱電変換素子は、
直列接続された少なくとも２つのpn接合ダイオードを備え、前記支持構造配線部を介して前記pn接合ダイオードに順方向バイアス電圧を印加して一定電流を流し、前記電波を受信することによって生じる、前記熱電変換素子の両端の電位差の変化を検出することにより、前記セル部の温度変化に応じた電気信号を生成する
ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項９】
半導体基板上に、熱電変換素子、熱電変換素子配線部、支持構造配線部、読み出し配線部及び層間絶縁膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜にパターニングを行ってエッチングホールを形成することにより、支持構造保護膜を形成する工程と、
前記支持構造保護膜の上部と前記熱電変換素子配線部の上方に形成されている層間絶縁膜とにエッチングを行って除去する工程と、
前記エッチングホールを埋め込むように、前記半導体基板上に犠牲層を形成する工程と、
前記犠牲層にエッチングを行って、前記層間絶縁膜の表面を露出させることにより、コンタクトホールを形成する工程と、
前記コンタクトホール内であってかつ前記層間絶縁膜上に、電気抵抗膜を成膜しパターニングを行って電気抵抗を形成する工程と、
前記犠牲層、前記層間絶縁膜及び前記電気抵抗上に、アンテナ下層保護膜、アンテナコンタクト、金属膜及びアンテナ上層保護膜を順次形成する工程と、
前記アンテナ上層保護膜、前記金属膜及び前記アンテナ下層保護膜にエッチングを行って、アンテナ部を形成すると共に、前記犠牲層の表面を露出させる工程と、
前記犠牲層と、前記熱電変換素子の下方に位置する前記半導体基板とにエッチングを行って、前記半導体基板の表面部分に凹部を形成する工程と、
前記アンテナ上層保護膜にエッチングを行って除去する工程と、
を備える固体撮像素子の製造方法。
【請求項１０】
前記熱電変換素子配線部上に残存している前記層間絶縁膜にエッチングを行って除去する工程をさらに備えることを特徴とする請求項９に記載の固体撮像素子の製造方法。
【請求項１１】
半導体基板上に、熱電変換素子、熱電変換素子配線部、支持構造配線部、読み出し配線部及び層間絶縁膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜にパターニングを行ってエッチングホールを形成することにより、支持構造保護膜を形成する工程と、
前記支持構造保護膜の上部に形成されている層間絶縁膜にエッチングを行って除去する工程と、
前記エッチングホールを埋め込むように、前記半導体基板上に犠牲層を形成する工程と、
前記犠牲層にエッチングを行って、前記層間絶縁膜の表面を露出させることにより、コンタクトホールを形成する工程と、
前記コンタクトホール内であってかつ前記層間絶縁膜上に、電気抵抗膜を成膜しパターニングを行って電気抵抗を形成する工程と、
前記犠牲層、前記層間絶縁膜及び前記電気抵抗上に、アンテナ下層保護膜、アンテナコンタクト、金属膜及びアンテナ上層保護膜を順次形成する工程と、
前記アンテナ上層保護膜、前記金属膜及び前記アンテナ下層保護膜にエッチングを行って、アンテナ部を形成すると共に、前記犠牲層の表面を露出させる工程と、
前記犠牲層と、前記熱電変換素子の下方に位置する前記半導体基板とにエッチングを行って、前記半導体基板の表面部分に凹部を形成する工程と、
前記アンテナ上層保護膜と前記熱電変換素子配線部上に残存している前記層間絶縁膜とにエッチングを行って除去する工程と、
を備える固体撮像素子の製造方法。
【請求項１２】
半導体基板と、
前記半導体基板に画素アレイとしてマトリクス状に配置された複数の固体撮像素子と、
前記各固体撮像素子によって検出された電気信号を映像信号として順次読み出す読出し回路とを備え、
前記固体撮像素子は、
前記半導体基板上に設けられた読み出し配線部と、
前記半導体基板の表面部分に形成された凹部の上方に配置され、前記読み出し配線部と電気的に接続された接続配線を有する支持構造部と、
前記凹部の上方に配置され、前記支持構造部によって支持されたセル部と
を備え、前記セル部は、
入射された電波を受信することにより電気信号を生成するアンテナ部と、
前記アンテナ部に電気的に接続され、前記電気信号に応じたジュール熱を生成することにより、前記セル部の温度を変化させる電気抵抗と、
前記支持構造部と電気的に接続されると共に、前記アンテナ部及び前記電気抵抗と電気的に絶縁され、かつ前記電気抵抗と熱的に接続され、前記セル部の温度変化を検出することにより、電気信号を生成する熱電変換素子と、
前記セル部のうち前記電波の入射面側に設けられた赤外線を反射する部材と、
を備えることを特徴とする撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テラヘルツ帯をはじめとする長波長光のイメージ（画像）に対する固体撮像素子に関するものであり、特に高感度、高解像度な固体撮像素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
入射した遠赤外線(8〜12μm帯)をセル部によって吸収することにより、一旦熱エネルギーに変換し、同セル部内に設けられた熱電変換素子で電気信号に変換する赤外線センサがある（例えば特許文献１参照）。しかし、この構成では、遠赤外線よりも波長の長い光(あるいは電波)を検出することはできない。
【特許文献１】特開２００１−２８１０６５号公報
【特許文献２】ＵＳ６,４４１,３６８Ｂ１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は、テラヘルツ帯をはじめとする長波長光を、輻射熱揺らぎの影響を受けることなく、電気信号に変換し、おもに映像信号として出力する固体撮像素子及びその製造方法並びに撮像装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の一態様による固体撮像素子は、
半導体基板と、
前記半導体基板上に設けられた読み出し配線部と、
前記半導体基板の表面部分に形成された凹部の上方に配置され、前記読み出し配線部と電気的に接続された接続配線を有する支持構造部と、
前記凹部の上方に配置され、前記支持構造部によって支持されたセル部と
を備え、前記セル部は、
入射された電波を受信することにより電気信号を生成するアンテナ部と、
前記アンテナ部に電気的に接続され、前記電気信号に応じたジュール熱を生成することにより、前記セル部の温度を変化させる電気抵抗と、
前記支持構造部と電気的に接続されると共に、前記アンテナ部及び前記電気抵抗と電気的に絶縁され、かつ前記電気抵抗と熱的に接続され、前記セル部の温度変化を検出することにより、電気信号を生成する熱電変換素子と、
前記セル部のうち前記電波の入射面側に設けられた赤外線を反射する部材と、
を備える。
【０００５】
また本発明の一態様による固体撮像素子の製造方法は、
半導体基板上に、熱電変換素子、熱電変換素子配線部、支持構造配線部、読み出し配線部及び層間絶縁膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜にパターニングを行ってエッチングホールを形成することにより、支持構造保護膜を形成する工程と、
前記支持構造保護膜の上部と前記熱電変換素子配線部の上方に形成されている層間絶縁膜とにエッチングを行って除去する工程と、
前記エッチングホールを埋め込むように、前記半導体基板上に犠牲層を形成する工程と、
前記犠牲層にエッチングを行って、前記層間絶縁膜の表面を露出させることにより、コンタクトホールを形成する工程と、
前記コンタクトホール内であってかつ前記層間絶縁膜上に、電気抵抗膜を成膜しパターニングを行って電気抵抗を形成する工程と、
前記犠牲層、前記層間絶縁膜及び前記電気抵抗上に、アンテナ下層保護膜、アンテナコンタクト、金属膜及びアンテナ上層保護膜を順次形成する工程と、
前記アンテナ上層保護膜、前記金属膜及び前記アンテナ下層保護膜にエッチングを行って、アンテナ部を形成すると共に、前記犠牲層の表面を露出させる工程と、
前記犠牲層と、前記熱電変換素子の下方に位置する前記半導体基板とにエッチングを行って、前記半導体基板の表面部分に凹部を形成する工程と、
前記アンテナ上層保護膜にエッチングを行って除去する工程と、
を備える。
【０００６】
また本発明の一態様による固体撮像素子の製造方法は、
半導体基板上に、熱電変換素子、熱電変換素子配線部、支持構造配線部、読み出し配線部及び層間絶縁膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜にパターニングを行ってエッチングホールを形成することにより、支持構造保護膜を形成する工程と、
前記支持構造保護膜の上部に形成されている層間絶縁膜にエッチングを行って除去する工程と、
前記エッチングホールを埋め込むように、前記半導体基板上に犠牲層を形成する工程と、
前記犠牲層にエッチングを行って、前記層間絶縁膜の表面を露出させることにより、コンタクトホールを形成する工程と、
前記コンタクトホール内であってかつ前記層間絶縁膜上に、電気抵抗膜を成膜しパターニングを行って電気抵抗を形成する工程と、
前記犠牲層、前記層間絶縁膜及び前記電気抵抗上に、アンテナ下層保護膜、アンテナコンタクト、金属膜及びアンテナ上層保護膜を順次形成する工程と、
前記アンテナ上層保護膜、前記金属膜及び前記アンテナ下層保護膜にエッチングを行って、アンテナ部を形成すると共に、前記犠牲層の表面を露出させる工程と、
前記犠牲層と、前記熱電変換素子の下方に位置する前記半導体基板とにエッチングを行って、前記半導体基板の表面部分に凹部を形成する工程と、
前記アンテナ上層保護膜と前記熱電変換素子配線部上に残存している前記層間絶縁膜とにエッチングを行って除去する工程と、
を備える。
【０００７】
また本発明の一態様による撮像装置は、
半導体基板と、
前記半導体基板に画素アレイとしてマトリクス状に配置された複数の固体撮像素子と、
前記各固体撮像素子によって検出された電気信号を映像信号として順次読み出す読出し回路とを備え、
前記固体撮像素子は、
前記半導体基板上に設けられた読み出し配線部と、
前記半導体基板の表面部分に形成された凹部の上方に配置され、前記読み出し配線部と電気的に接続された接続配線を有する支持構造部と、
前記凹部の上方に配置され、前記支持構造部によって支持されたセル部と
を備え、前記セル部は、
入射された電波を受信することにより電気信号を生成するアンテナ部と、
前記アンテナ部に電気的に接続され、前記電気信号に応じたジュール熱を生成することにより、前記セル部の温度を変化させる電気抵抗と、
前記支持構造部と電気的に接続されると共に、前記アンテナ部及び前記電気抵抗と電気的に絶縁され、かつ前記電気抵抗と熱的に接続され、前記セル部の温度変化を検出することにより、電気信号を生成する熱電変換素子と、
前記セル部のうち前記電波の入射面側に設けられた赤外線を反射する部材と、
を備える。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、結像された長波長光を、10μm帯付近の輻射熱揺らぎに影響されることなく、非冷却において高感度に電気信号に変換し、画像あるいは動画として出力することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
【００１０】
図１および図２に、本発明の第１の実施の形態による固体撮像素子１の構成を示す。図１は、本実施の形態による固体撮像素子１の断面図であり、図２は、当該固体撮像素子１を上方から目視した場合における平面図である。図１は、固体撮像素子１をＡ−Ａ線（図２）に沿って切断した場合の縦断面図を示す。なお、この固体撮像素子１は、１検出器(すなわち１画素)を形成する。
【００１１】
アンテナ部142は、電気抵抗の非常に低い金属膜であり、入射した電波を受信する。アンテナ部１４２の抵抗値は、たとえば10Ω以下の低抵抗であることが望ましい。さらにアンテナ部142の幅は、入射する電波の波長の1/2程度であることが望ましく、これにより前記波長の電波を選択的に受信することができる。
【００１２】
図２のように、アンテナ部１４２は、例えば２部位（第１及び第２のアンテナ部分）に分割されており、それらは、アンテナコンタクト１４１を介して１個の抵抗体（電気抵抗）１２に電気的に接続されている。ここで、前記アンテナコンタクト１４１は、アンテナ部１４２と同様、10Ω以下の低抵抗であることが望ましい。なお、抵抗体１２の抵抗値は、例えば２００Ω程度である。
【００１３】
アンテナ部１４２が受信した電波は、アンテナ部１４２、アンテナコンタクト１４１および抵抗体１２の間に電流（すなわち電気信号）を発生させる。前記電流の周波数は、受信した電波の周波数に等しい。本実施の形態による固体撮像素子１の処理対象である電磁波は、GHz〜THz領域の非常に周波数の高いものであり、これを電気的に処理することは困難である。したがって、前記発生電流が抵抗体１２において発生させるジュール発熱を利用する。このジュール熱は、発生した電流をIa, 抵抗体１２の抵抗値をＲaとすると、
【数１】
2008039684.tif 000003
であらわされる。
【００１４】
ここで生じた熱エネルギーPaは、セル部１０の温度を上昇させる。ここで固体撮像素子１は、真空中に設置されており、またセル部１０は、半導体基板５をエッチングして作製された空洞部４４によって、半導体基板５から熱的に隔離されている。
【００１５】
セル部１０を支持する支持構造部は、支持構造配線部（接続配線）１１１および支持構造保護膜１１２を備え、これらはそれぞれ読み出し配線２０１および読み出し配線保護膜２０２と連結されており、セル部１０の同じ高さの部分を取り巻くような構造となっている。また、支持構造配線部１１１は、読み出し配線２０１と電気的に接続されている。セル部１０の熱隔離性は、この支持構造の熱コンダクタンスによって決定され、支持構造を長く構成すればするほど、また細く構成すればするほど断熱性は向上する。
【００１６】
支持構造全体の熱コンダクタンスをGthとすると、上記において生じた熱エネルギーPaによってセル部１０の温度は
【数２】
2008039684.tif 000004
にしたがって上昇していく。ここでtは受信開始後の経過時間であり、Ｃthは、セル部１０の熱容量である。
【００１７】
アンテナ部１４２が一定の電波を受信しているとき、セル部１０の温度は熱時定数τで定常状態になる。前記熱時定数は
【数３】
2008039684.tif 000005
により計算される。
【００１８】
セル部１０のサイズを30μm×30μm程度、高さを4〜5μm程度とし、また支持構造が２本構成され、支持構造保護膜１１２の断面サイズを1μm×1μm程度、セル部１０から読み出し配線保護膜２０２までの長さを70μm程度としたときには、上記熱時定数は、おおよそ20msec〜50msec程度となる。
【００１９】
定常状態では、セル部１０の温度は、
【数４】
2008039684.tif 000006
に近い値となる。この（４）式からわかるように、定常状態でセル部１０の温度を決定するのは、生じたジュール熱のエネルギー量と、支持構造の熱コンダクタンスのみである。
【００２０】
セル部１０の温度上昇ΔTは、セル部１０の下層に構成された熱電変換素子３１によって検出される。例えば熱電変換素子３１に、読み出し配線２０１および支持構造配線部１１１を介して一定電流を流し、その状態で、当該熱電変換素子３１の両端に生じる電圧（すなわち電位差）の変化を計測する方法が簡便である。
【００２１】
この方法では、熱電変換率はdV/dTで表され、セル部１０の温度上昇ΔTによって電圧変化dVが発生する。したがって定常状態では、セル部１０から、
【数５】
2008039684.tif 000007
であらわされる電圧信号（電気信号）が出力される。
【００２２】
なお、この熱電変換素子３１は、支持構造配線部１１１と電気的に接続されると共に、アンテナ部１４２及び抵抗体１２と電気的に絶縁され、かつアンテナ部１４２及び抵抗体１２と熱的に接続され、前記セル部１０の温度変化を検出することにより、電気信号を生成する。
【００２３】
ところで、波長10μm周辺の光における、輻射エネルギーのエネルギー密度は、波長100μmの光(テラヘルツ光)に比較して1000倍程度高くなる。従って、本実施の形態のような固体撮像素子１を形成する熱型センサでは、特に波長が10μm周辺の輻射熱揺らぎによるノイズの影響が大きい。
【００２４】
また、この固体撮像素子１では、抵抗体１２と熱電変換素子３１との間に、二酸化シリコンからなる層間絶縁膜３２が形成され、アンテナ部１４２の下方には、窒化シリコンからなるアンテナ下層保護膜１３１が形成されている。なお、層間絶縁膜３２の膜厚（すなわち、熱電変換素子３１の上面から、抵抗体１２の下面までの距離）は、１〜１.５μｍになるように形成されている。
【００２５】
このように、二酸化シリコン、窒化シリコンのような、10μm近傍に吸収ピークを持つ材料が、固体撮像素子１の表面に形成されると、当該材料における、10μm帯の光の輻射によるセル部１０の温度上昇が、信号成分を支配してしまうことになる。
【００２６】
よって、本実施の形態による固体撮像素子１に関しては、表面に10μm帯の光を反射する材料を露出させることが必要であり、そのために本実施の形態の固体撮像素子１では、アンテナ部１４２を電波入射側に露出させている。
【００２７】
また、アンテナ部１４２を形成する２つの部分（第１及び第２のアンテナ部分）の間には、間隙が形成されている。本実施の形態の場合、この間隙を通過する10μm帯の光を反射させるため、この間隙に位置する層間絶縁膜３２を覆うように、金属膜として熱電変換素子配線層３３を形成し、当該熱電変換素子配線層３３を露出させる。なお、この熱電変換素子配線層３３は、熱電変換素子コンタクト３４を介して熱電変換素子３１に接続される。また、この熱電変換素子配線層３３は、熱電変換素子３１に接続されないダミーの配線層であっても良い。
【００２８】
以上の方法によって、電波入射面からみたときに、10μm帯の光を反射する金属領域（すなわち、アンテナ部１４２、抵抗体１２及び熱電変換素子配線層３３）によって、セル部１０の全面を覆うことができる。なお、セル部１０を除く例えば支持構造保護膜１１２などは、10μm帯の光を吸収しても良い。
【００２９】
これにより、結像された長波長光を、10μm帯の輻射熱揺らぎに影響されることなく、非冷却で高感度に電気信号に変換し、画像あるいは動画として出力することができる。
【００３０】
なお、本実施の形態の場合、前記熱電変換素子３１は、SOI層にイオン注入を行うことによって形成されたpn接合ダイオードで構成される。pn接合ダイオードの順方向電圧は、図３に示すように、一定電流を流している状態では温度上昇に応じて低下する。
【００３１】
また、一定電流下では、直列に接続されたpn接合ダイオードの個数に比例して、熱電変換係数dV/dTが大きくなるため、pn接合ダイオードはセル部１０の中に直列に多数構成することが望ましい。
【００３２】
ここで図４に、ダイポールアンテナのアンテナ形状に対するpn接合ダイオードの配置と、配線層の配置例を示し、図５に、ボウタイ型アンテナのアンテナ形状に対するpn接合ダイオードの配置と、配線層の配置例を示す。
【００３３】
図４（ａ）は、セル部１０に３個のpn接合ダイオードを直列に形成したものである。pn接合ダイオードは、実際には、より多数形成しても良いが、本実施形態においては本質的ではないためわかり易く３個とした。
【００３４】
図４（ａ）は、ダイポールアンテナを構成したときのpn接合ダイオードおよび熱電変換素子配線層３３の配置例である。本構成では、ダイポールアンテナの長さの２倍の波長にあたる電波を選択的に受信することができる。図４（ａ）では、上面からみたときに層間絶縁膜３２の占める割合が多くなるため、pn接合ダイオード間の接続配線を拡張して、層間絶縁膜３２全体を覆うように形成している。因みに、アンテナ部１４２の下方に位置する熱電変換素子コンタクト３４は、図示されていない。
【００３５】
なお、図４（ｂ）は、図４（ａ）のうち熱電変換素子配線層３３の下面よりも深い部分(すなわち半導体基板5に近い部分)をみたときの平面図である。
【００３６】
図５は、ボウタイ型アンテナを構成したときのpn接合ダイオードおよび熱電変換素子配線層３３の配置例である。ボウタイ型アンテナでは、ダイポールアンテナよりも受信電波の帯域幅が広くなることが特徴である。図５においても、上面からみたときに露出する層間絶縁膜３２を覆うように熱電変換素子配線層３３を構成すればよい。
【００３７】
ここで、本実施形態にかかわる固体撮像素子１の製造方法の一例を図６〜図１７に示す。まず図６に示すように、ＳＯＩ(Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ)基板を用意する。ＳＯＩ基板は、半導体基板５、埋め込み酸化膜５１およびＳＯＩ層からなり、本実施形態ではＳＯＩ層に熱電変換素子３１が形成される。ＳＯＩ層より上層には、支持構造配線部１１１、熱電変換素子配線層３３、熱電変換素子コンタクト３４、読み出し配線２０１およびそれらを包含する層間絶縁膜３２が形成される。本製造方法では通常のＣＭＯＳ−ＬＳＩ製造プロセスを適用することができ、上記の構造構成時に同時にトランジスタ、キャパシタ等からなる処理回路を形成することも可能である。
【００３８】
つぎに図７に示すように、エッチングホール４０がＲＩＥ(Reactive Ion Etching)で形成され、これによって支持構造保護膜１１２がパターニングされる。さらに図８のように、支持構造保護膜１１２、およびセル部１０の層間絶縁膜３２がエッチングされる。ここで熱電変換素子配線層３３の上部表面には、薄く層間絶縁膜３２が残されるようにエッチングされる（図示せず）。ここで、この熱電変換素子配線層３３上に残存する層間絶縁膜３２の膜厚は、０.１〜０.３μｍ程度である。このように薄く層間絶縁膜３２が残されることにより、後に犠牲層４１、半導体基板５の一部を除去する工程（図１７）において、熱電変換素子配線層３３がエッチングに晒されることを防止し、その膜減りや消失を防止することができる。なお、このエッチングによる膜減りを無視できる設計条件であれば、必ずしも熱電変換素子配線層３３上に層間絶縁膜３２を残存させなくてもよく、この場合には上記エッチングにより熱電変換素子配線層３３の上部表面が露出されることとなる。
【００３９】
ひきつづき、図９に示すように、アンテナ形成のために犠牲層４１を成膜する。犠牲層４１は、図１７でのリリース時にアンテナ部１４２と読み出し配線層保護膜２０２の接触(スティッキング)が起こりにくいように、たとえば3μmの厚みに構成することが望ましい。続いて図１０のように、コンタクトホール４２を形成し、図１１のように、コンタクトホール４２内に抵抗体１２を成膜及びパターニングする。
【００４０】
次に図１２のように、アンテナ下層保護膜１３１を成膜し、図１３のように、アンテナ下層保護膜１３１にコンタクトホールを形成し、アンテナコンタクト１４１を埋め込む。つづいて図１４のように、例えばＣＭＰ(Chemical Mechanical Polishing)プロセスによって余分なアンテナコンタクト１４１を除去すると同時に構造を平坦化する。
【００４１】
続いて図１５のように、アンテナ部１４２およびアンテナ上層保護膜１３２を形成する。アンテナ部１４２は例えばAlのような低抵抗の金属膜で構成する。アンテナ上層保護膜１３２は二酸化シリコン、およびアンテナ下層保護膜１３１は窒化シリコンであることが望ましい。これは後のシリコンエッチング工程および二酸化シリコンエッチング工程からアンテナ部１４２を保護しながら、上面のみアンテナ部１４２を暴露するためである。なお、アンテナ上層保護膜１３２の膜厚は、熱電変換素子配線層３３上に残存する層間絶縁膜３２の膜厚と略同一になるように形成される。
【００４２】
アンテナ部１４２は、図１３においてコンタクトホールを形成した後に、アンテナコンタクト１４１と同時に同じ材質(例えばAl)で形成してもよい。
【００４３】
アンテナの形状は、図１６に示したように、ＲＩＥ工程によってパターニングされる。このとき形成されたアンテナ形成ホール43は、犠牲層41を露出していることが必要である。
【００４４】
最後に、図１７に示すように、アンテナ形成ホール４３から、例えばＴＭＡＨやＫＯＨのようなエッチャント（異方性のエッチング溶液）を用いて犠牲層４１、半導体基板５の一部を除去する。上記のようなエッチャントでは、シリコンの結晶面方位に関してエッチング選択性が大きいため、図１７に示したように、（１１１）方位（図中斜め下方方向）にはエッチングが進まず、かつ（１００）方位（図中下方方向）にはエッチングが進行する条件で、セル部１０および支持構造保護膜１１２の下部の半導体基板５のみを除去することにより、空洞部４４を形成する。
【００４５】
続いて、例えばバッファード−フッ酸（Buffered-HF）処理によってアンテナ上層保護膜１３２および、熱電変換素子配線層３３の上部に残った層間絶縁膜３２をエッチングして、それぞれアンテナ部１４２、熱電変換素子配線層３３の上部(電波入射面側)を露出させる（図１）。
【００４６】
以上の工程によって、ＬＳＩ回路が形成されたＳＯＩ基板上に、本実施形態のアンテナ構造を形成することができる。
【００４７】
なお、図２７に示すように、上述の図８における工程を実行する際、支持構造保護膜１１２のみにエッチングを行って、セル部１０の層間絶縁膜３２、すなわち熱電変換素子配線層３３上に形成されている層間絶縁膜３２をそのまま残存させることも可能である。この場合には、これ以降、上述の図９〜図１７と同様の工程を順次実行することにより、図２８に示すように、層間絶縁膜３２の上端角部付近に、段部３２Ａが形成された固体撮像素子１を製造する。即ち、図１７の工程を行うことにより、熱電変換素子配線層３３上面の一部若しくは全部が露出し、この露出面が赤外線を反射する面となる。かかる方法によっても、薄く層間絶縁膜３２が残されることにより、後に犠牲層４１、半導体基板５の一部を除去する工程（図１７）において、熱電変換素子配線層３３がエッチングに晒されることを防止し、その膜減りや消失を防止することができる。
【００４８】
ところで、本実施の形態は、図１８に示すように、アンテナ部１４２の下面と、熱電変換素子配線層３３の上面との間の光路長Ｌを調整することにより、該部位での遠赤外線の吸収率を低減することもできる。
【００４９】
具体的には、たとえばアンテナ下層保護膜１３１の厚みをL1,屈折率をn1とし、アンテナ下層保護膜１３１の下面から熱電変換素子配線層３３の上面までの距離をL2、真空の屈折率をn0とすると、アンテナ部１４２の下面と、熱電変換素子配線層３３の上面との間の光路長Lは以下の式で表される。
L=n1L1 + n0L2  ・・・・(6)
【００５０】
上記光路長Lが、反射させたい光の波長λの半波長λ/2の自然数倍となるように設計することにより、波長λの光の吸収率を低減することができる。
【００５１】
通常、赤外線センサでは、上記光路長Lをλ/4の自然数倍とすることで、熱電変換素子配線層３３の上面が光波の固定端、アンテナ下層保護膜１３１部位に光波の山が位置し、アンテナ下層保護膜１３１での吸収率を向上させる技術が用いられる。これに対して、本実施形態では、逆に光波の谷をアンテナ下層保護膜１３１部位に位置させることにより、吸収率を下げるものである。
【００５２】
したがって、上記光路長Lを、吸収させたくない波長帯、すなわち8〜12μmの半波長の自然数倍となるように設計することにより、遠赤外線の吸収率を低減させることができる。実際には、成膜プロセスのスペックを考慮して、L=4〜6μmとなるようにすればよい。本実施形態のセル部１０の製造工程としては、前述の犠牲層４１形成プロセスにおいて、犠牲層41の膜厚を制御することによってLを調整すればよい。
【００５３】
すなわち、要は、熱電変換素子配線層３３の上面と、アンテナ部１４２の下面との間に位置する領域の光路長を、４〜６[μm]の自然数倍になるように形成すれば良い。
【００５４】
さらに、図１９に示すように、上記光路長Lの1/2にあたる位置(熱電変換素子配線層３３の上面からL3（=L/2）だけ高い位置)に、読み出し配線層保護膜２０２から張り出した遠赤外線吸収膜133を形成することにより、アンテナ部１４２を透過した遠赤外線のエネルギーを読み出し配線層保護膜２０２に逃がすことができる。
【００５５】
ここで、遠赤外線吸収膜133の製造方法を図２０〜図２４に示す。本製造方法は、上述の製造方法のうち、図６〜図８までの工程については同様であるが、犠牲層を２層形成する必要がある点で異なる。まず図２０に示すように、犠牲層４１Ａを、厚みが上記L/2となるように形成する。
【００５６】
次に図２１に示すように、読み出し配線層保護膜２０２上の犠牲層４１Ａをエッチングにより除去した後、図２２に示すように、読み出し配線層保護膜２０２上に遠赤外線吸収膜１３３を成膜する。
【００５７】
続いて図２３に示すように、遠赤外線吸収膜１３３のうち中央部付近の領域をエッチングした後、２層目の犠牲層４１Ｂを堆積する。そして上述の図１０、図１１における工程と同様に、コンタクトホール４２を形成し、抵抗体１２を成膜及びパターニングする。これ以降は、上述の図１２〜図１７における工程と同様の工程を実行する。
【００５８】
ここで、図２５に、上述の固体撮像素子１をマトリクス状に配置することにより形成された撮像装置３００の構成を示す。
【００５９】
この図２５のように、撮像装置３００は、かかる固体撮像素子１を縦横に列設してなる画素アレイ１００と、読み出し回路とからなり、当該読み出し回路は、前記画素アレイ１００に対し行順次でバイアス電圧を印加する垂直スキャナ６１と、選択された行に位置する固体撮像素子１からの出力信号を列並列で処理するノイズ減算・積分回路６２と、Ａ／Ｄ変換回路６３と、並列に読み出された信号をシリアルで読み出す水平スキャナ６４と、シリアルで読み出された信号に対し、エッジ検出処理、キズ補正処理及び補間処理等を施す信号処理回路６５とからなる。
【００６０】
なお上述の実施の形態は一例であって、本発明を限定するものではない。例えば、図２６のように、アンテナ部１４２によって形成された平面的な間隙の下方に位置する領域を避けるようにして、セル部１０の層間絶縁膜３２を形成することもできる。すなわち、アンテナ部１４２及び抵抗体１２が形成されている領域の下方に、層間絶縁膜３２を形成する。
【００６１】
この場合、セル部１０は、電波の入射側に位置する表面が、抵抗体１２を除き、アンテナ部１４２によって覆われるように形成される。なお、その際、熱電変換素子３１の抵抗値を保つことができれば、層間絶縁膜３２を種々の形状に形成することが可能である。
【００６２】
これにより、アンテナ部１４２の平面形状に対する、熱電変換素子配線層３３のレイアウト自由度を向上させることができる。
【００６３】
その他、上述した実施形態では、アンテナ部１４２、熱電変換素子配線層３３、或いは抵抗体１２等の表面が露出している構成を採用しているが、これらの表面上に薄く二酸化シリコンその他の絶縁膜が残されている構成も用いることができる。例えば、厚みが０より大きく１０ｎｍ以下程度の絶縁膜を用いれば、当該絶縁膜による赤外線の吸収を十分に抑制しつつ、赤外線を反射する効果を十分発揮させることが可能である。
【００６４】
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できる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の実施の形態に係わる固体撮像素子の断面図。
【図２】同固体撮像素子の平面図。
【図３】pn接合ダイオードの順方向電圧と電流との関係。
【図４】ダイポールアンテナのアンテナ形状に対するpn接合ダイオードの配置と、配線層の配置例。
【図５】ボウタイ型アンテナのアンテナ形状に対するpn接合ダイオードの配置と、配線層の配置例。
【図６】本発明の実施の形態に係わる固体撮像素子の製造方法例。
【図７】本発明の実施の形態に係わる固体撮像素子の製造方法例。
【図８】本発明の実施の形態に係わる固体撮像素子の製造方法例。
【図９】本発明の実施の形態に係わる固体撮像素子の製造方法例。
【図１０】本発明の実施の形態に係わる固体撮像素子の製造方法例。
【図１１】本発明の実施の形態に係わる固体撮像素子の製造方法例。
【図１２】本発明の実施の形態に係わる固体撮像素子の製造方法例。
【図１３】本発明の実施の形態に係わる固体撮像素子の製造方法例。
【図１４】本発明の実施の形態に係わる固体撮像素子の製造方法例。
【図１５】本発明の実施の形態に係わる固体撮像素子の製造方法例。
【図１６】本発明の実施の形態に係わる固体撮像素子の製造方法例。
【図１７】本発明の実施の形態に係わる固体撮像素子の製造方法例。
【図１８】同固体撮像素子における光路長の関係を示す図。
【図１９】本発明の他の実施の形態に係わる固体撮像素子の断面図。
【図２０】本発明の他の実施の形態に係わる固体撮像素子の製造方法例。
【図２１】本発明の他の実施の形態に係わる固体撮像素子の製造方法例。
【図２２】本発明の他の実施の形態に係わる固体撮像素子の製造方法例。
【図２３】本発明の他の実施の形態に係わる固体撮像素子の製造方法例。
【図２４】本発明の他の実施の形態に係わる固体撮像素子の製造方法例。
【図２５】撮像装置の構成を示すブロック図。
【図２６】本発明の他の実施の形態に係わる固体撮像素子の平面図。
【図２７】本発明の他の実施の形態に係わる固体撮像素子の製造方法例。
【図２８】本発明の他の実施の形態に係わる固体撮像素子の製造方法例。
【符号の説明】
【００６６】
10  セル部
111  支持構造配線部
112  支持構造保護膜
12  抵抗体
131  アンテナ下層保護膜
132  アンテナ上層保護膜
141  アンテナコンタクト
142  アンテナ部
201  読み出し配線
202  読み出し配線保護膜
31  熱電変換素子
32  層間絶縁膜 
33  熱電変換素子配線層
34  熱電変換素子コンタクト
40  エッチングホール
41  犠牲層
42  コンタクトホール
43  アンテナ形成ホール
44  空洞部
5  半導体基板
51  埋め込み酸化膜
【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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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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