(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
温度検出部上に赤外線吸収部が支持された、複数の赤外線センサを、半導体基板上に二次元配置した赤外線固体撮像素子であって、
半導体基板と、
該半導体基板上に、互いに直交する行方向および列方向に沿って、それぞれ所定の画素ピッチでマトリックス状に配置された温度検出部と、
それぞれの該温度検出部上に、該温度検出部から離間するように支持部を介して支持された赤外線吸収部とを含み、
該赤外線吸収部が、該温度検出部の上面とほぼ同じ大きさに形成され、
奇数行目に設けられた該赤外線吸収部と、偶数行目に設けられた該赤外線吸収部とが、それぞれの該赤外線吸収部が支持された該温度検出部に対して、該奇数行目と該偶数行目とが互いに逆方向となるように、列方向にずれて設けられたことを特徴とする赤外線固体撮像素子。
【請求項２】
上記温度検出部の表面が略矩形形状であり、上記赤外線吸収部が、該温度検出部と略同一の略矩形の表面形状を有する板状体からな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。
【請求項３】
上記変位量が、上記画素ピッチの略２分の１の量であ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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、赤外線固体撮像素子に関し、特に、実画素数を増やさずに分解能を向上させた赤外線固体撮像素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図７は、全体が７００で表される、従来構造の、熱型の赤外線固体撮像素子の部分的な上面図である（特開平１０−２０９４１８号公報）。
赤外線固体撮像素子７００は、行方向（縦方向）、列方向（横方向）に並置された複数の赤外線アレイを含む。それぞれの赤外線アレイは、基板に形成された温度検出部１０００〜１００７と、各温度検出部１０００〜１００７の上に支持部１４０〜１４７で支持された赤外線吸収部１３０〜１３７を含む。
【０００３】
図８は、図７に含まれる１画素分の赤外線センサを、VII−VII方向に見た場合の断面図である。
赤外線センサは、温度検出部１０００、支持部１４０、および赤外線吸収部１３０からなる。温度検出部１０００は、シリコン基板１を含む。シリコン基板１には、トランジスタ等の回路部２０が設けられている。更に、シリコン基板１の上にはコンタクト部２１、２２が形成された酸化シリコン膜１１０が設けられている。酸化シリコン膜１１０の上には、金属配線３１、３２と、ボロメータ材料からなる検知膜１１が設けられている。金属配線３１、３２は、コンタクト部２１、２２を介して回路部２０等に接続されている。酸化シリコン膜１１０の上には、金属配線３１、３２や検知膜１１を覆うように、酸化シリコン膜１２０が設けられている。酸化シリコン膜１２０の上には、同じく酸化シリコンからなる支持部１４０で支えられた、傘状の赤外線吸収部１３０が設けられている。赤外線吸収部１３０は、例えば窒化バナジウムからなる。一方、検知膜１１の下方のシリコン基板１には、エッチングで除去された中空部１５０が設けられている。
赤外線検出部１３０は、温度検出部１０００の上部領域のみに形成する必要はなく、図７に示すように、温度検出部１０００の上部領域から右横方向にずれて配置しても構わない。
【０００４】
熱型の赤外線固体撮像素子７００では、表面側（図８では上側）から入射した赤外線は、例えば、赤外線吸収部１３０に吸収されて熱に変換される。かかる熱は、支持部１４０を通って温度検出部１０００に伝えられる。温度検出部１０００では、伝えられた熱により検知膜１１の温度が変化し、抵抗値等の電気的特性が変化する。この電気的特性の変化を周辺回路部１１０が電気信号として読み出し、各赤外線センサ（画素）に入射した赤外線を特定する。
ここで、支持部１４０の熱抵抗は、温度検出部１０００の熱抵抗に比較して小さいため、赤外線センサに赤外線が入射した場合の、温度検出部１０００の温度上昇は、赤外線吸収部１３０の温度上昇とほぼ等しくなる。従って、赤外線吸収部１３０の面積により、赤外線固体撮像素子７００の検出特性が決定される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、赤外線固体撮像素子７００では、図７に示すように、縦方向（行方向）、横方向（列方向）に、赤外線センサが繰り返し配置された構造となっている。赤外線固体撮像素子７００の分解能（解像度）を高くするためには、それぞれの画素（赤外線センサ）を小さくして画素数を増やす必要があるが、一方で、それぞれの赤外線センサが小さくなり赤外線の検出感度が低下するという問題があった。また、製造工程が複雑になり製造歩留りが低下するという問題もあった。
【０００６】
そこで、本発明は、実画素数を増やさずに分解能を向上させた赤外線固体撮像素子の提供を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、温度検出部上に赤外線吸収部が支持された、複数の赤外線センサを、半導体基板上に二次元配置した赤外線固体撮像素子であって、半導体基板と、半導体基板上に、互いに直交する行方向および列方向に沿って、それぞれ所定の画素ピッチでマトリックス状に配置された温度検出部と、それぞれの該温度検出部上に、温度検出部から離間するように支持部を介して支持された赤外線吸収部とを含み、赤外線吸収部が、温度検出部の上面とほぼ同じ大きさに形成され、奇数行目に設けられた赤外線吸収部と、偶数行目に設けられた赤外線吸収部とが、それぞれの赤外線吸収部が支持された温度検出部に対して、奇数行目と偶数行目とが互いに逆方向となるように、列方向にずれて設けられたことを特徴とする赤外線固体撮像素子である。
かかる赤外線固体撮像素子では、偶数行目の赤外線吸収部が、奇数行目の赤外線吸収部から画素ピッチ以内の変位量でずれているため、偶数行と奇数行において異なった列空間座標の情報を入手できる。このため、列方向に関して、２倍の空間分解能を有することができる。
なお、互いに略直交する行方向と列方向とは、方向が異なるだけで構造的には等価に扱える。従って、偶数行目に設けられた赤外線吸収部を列方向にずらす代わりに、偶数列目に設けられた赤外線吸収部を行方向にずらしても同様の効果が得られる。これは、以下の発明においても同様である。
【０００８】
好適には、上記温度検出部の表面が略矩形形状であり、上記赤外線吸収部が、該温度検出部と略同一の略矩形の表面形状を有する板状体からなる。
【０００９】
上記変位量は、上記画素ピッチの略２分の１の量であることが好ましい。
かかる構造を用いることにとり、それぞれの赤外線センサにおける空間分解能を均一にすることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、全体が１００で表される、本実施の形態にかかる赤外線固体撮像素子の一部分の上面図であり、４行４列に画素が配置された構造を示す。図１中、基板に設けられた温度検出部を１００００台の符号で、傘状の赤外線吸収部を２００００台の符号で、赤外線吸収部を支持する支持部を３００００台の符号で表す。また、それぞれの画素に付された符号の１０００の位の数字は画素の行番号を、１０の位の数字は列番号を示す。
なお、図３〜６中で用いられる符合についても、同様の規則に従って符号が付されている。
【００１１】
赤外線固体撮像素子１００では、図１に破線で示すように、互いに略直交する行方向（縦方向）、列方向（横方向）に沿って整列した温度検出部１１０１０〜１４０４０が、基板に設けられている。温度検出部１１０１０〜１４０４０の上には、支持部３１０１０〜３４０４０が設けられ、傘状の赤外線吸収部２１０１０〜２４０４４を支持している。それぞれの温度検出部１１０１０〜１４０４０は略正方形であり、一方、赤外線吸収部２１０１０〜２４０４４は温度検出部１１０１０〜１４０４０と略同一形状となっている。
図１中、大きい方の円は支持部３１０１０〜３４０４０の位置を示し、小さい方の円は赤外線吸収部２１０１０〜２４０４４の中心を示す。
また、１つの画素は、温度検出部、支持部、及び赤外線吸収部よりなるものとする。
【００１２】
赤外線固体撮像素子１００では、奇数行目（図１では、１行目および３行目）の赤外線吸収部２１０１０〜２１０４０は、温度検出部１１０１０〜１１０４０の上部に、温度検出部１１０１０〜１１０４０を丁度覆うように配置されている。
一方、偶数行目（図１では、２行目および４行目）の赤外線吸収部２２０１４〜２２０４４は、温度検出部１２０１０〜１２０４０の位置から列方向（右横方向）に、１画素ピッチ（赤外線センサ１つ分のピッチ）以内の変位量でずれて配置されている。図１では、列方向（右横方向）に、１画素分のピッチ（以下、「画素ピッチ」という。）の、５分の２だけずれて配置されている。
【００１３】
これに対応して、奇数行目の赤外線センサでは、支持部３１０１０等が赤外線吸収部２１０１０等の略中心部を支持している。一方、偶数行目の赤外線センサでは、支持部３２０１０等が赤外線吸収部２２０１４等の略中心部から列方向（左横方向）に、画素ピッチの略２０分の３だけずれた位置を支持している。
【００１４】
赤外線固体撮像素子１００では、偶数行目の赤外線吸収部２２０１４等が、奇数行目の赤外線吸収部２１０１０等から１画素ピッチ以内（図１では２／５画素）ずれているため、偶数行と奇数行において異なった列空間座標の情報を入手できる。即ち、列方向（横方向）に関しては、図７に示す従来構造の赤外線固体撮像素子７００の、２倍の空間分解能を有する。
【００１５】
次に、赤外線固体撮像素子１００において、列方向の分解能（解像度）が向上する原理について、図２を参照しながら説明する。
図２（ａ）は、赤外線固体撮像素子１００に入射する赤外線の分布であり、横軸に画素位置、縦軸に赤外線強度を示す。横軸において、破線で挟まれた長さが、１の画素ピッチである。
【００１６】
まず、図２（ａ）に示すように、２画素ピッチで１周期となるサイン波状の強度分布を有する赤外線が赤外線固体撮像素子１００に入射する場合を考える。また、説明を簡単にするために、各赤外線センサ（画素）でサンプリング（標本化）される赤外線強度は、画素の中心における赤外線強度とする。
【００１７】
図２（ｂ）は、従来の赤外線固体撮像素子７００でサンプリングした各画素位置における赤外線強度であり、それぞれの画素におけるサンプリング値を白丸で表す。赤外線固体撮像素子７００では、赤外線強度の極大値、極小値が、それぞれの画素の中心における強度としてサンプリングされる。
【００１８】
これに対して、本実施の形態にかかる赤外線固体撮像素子１００でサンプリングした各画素位置における赤外線強度を、図２（ｃ）、（ｄ）に示す。ここでは、簡単のために、偶数行目の画素のずれは、１画素ピッチの２分の１とする（図３参照）。
図２（ｃ）は奇数行目（１、３行目）における赤外線強度のサンプリング結果である。赤外線吸収部を含む画素配置は、上述の赤外線固体撮像素子７００と同じであるため、白丸で表される赤外線強度のサンプリング結果も、図２（ｂ）と同様となる。
一方、図２（ｄ）は偶数行目（２、４行目）における赤外線強度のサンプリング結果である。上述のように、各画素は、２分の１画素分だけ右横方向にずれているため、偶数行目の画素の中心における赤外線強度は、図２（ｄ）に示すような値となる。
【００１９】
従って、奇数行目、偶数行目から得られた情報を組み合わせることにより、図２（ｅ）に示すような赤外線強度の分布が得られる。即ち、本実施の形態にかかる赤外線固体撮像素子１００を用いることにより、図２（ｂ）に示す、従来の赤外線固体撮像素子７００で得られた赤外線強度の分布に比較して、列方向で２倍の空間分解能を得ることが可能となる。
【００２０】
次に、このように、列方向に２倍の分解能で、赤外線強度を検出した赤外線固体撮像素子１００からの、画素情報の読み出し方法および表示方法について説明する。
画素の読み出し方法は、基本的には従来の赤外線固体撮像素子７００と同様であり、各行毎に、左側から右側へ、順番に温度検出部の信号を読み出す。
上述のように、本実施の形態にかかる赤外線固体撮像素子１００では、偶数行目の赤外線吸収部が、１画素ピッチ以内で列方向にずれているため、列方向には、従来の２倍の空間分解能を有している。
従って、このように２倍の空間分解能を有して得られた情報を有効に活用するためには、以下のような表示方法を用いる。即ち、読み出した情報を実際の画像として表示する表示方法において、各画素の中間に仮想画素を設定し、例えば、仮想画素（温度検出部１２０１０の位置に相当）の値を、前後の行の直近の画素（温度検出部１１０１０、１３０１０の位置に相当）の情報の平均値として算出する等の方法により求める。これにより、列方向に関しては２倍の分解能を有する画質を得ることができる。仮想画素の計算について、これ以外に、補間アルゴリズムを用いる方法等を用いてもかまわない。
【００２１】
また、一般に画像の標本化（サンプリング）に際して、最高の空間周波数が標本化周波数の半分よりも高い場合には、標本化周波数の半分（以下、「ナイキスト周波数」という。）までの画像情報は、標本化された映像信号から再び元の画像に復元できる。しかしながら、ナイキスト周波数よりも高い周波数の画像情報は標本化周波数との差の成分に変わり、ナイキスト周波数以下の領域に折り返されてくる。この成分は偽の信号で、折り返しひずみと呼ばれる。折り返しひずみの多い信号から画像を組み立てると、空間周波数の高い部分にモアレと呼ばれる画質劣化が生じる。
これに対して、本実施の形態にかかる赤外線固体撮像素子１００では、列方向の標本化周波数が向上するため、モアレの発生を低減することができる。
なお、以上で述べた画素情報の読み出し方法、表示方法は、以下の実施の形態２〜４にかかる赤外線固体撮像素子２００〜５００にも適用できる。
【００２２】
赤外線固体撮像素子１００では、温度検出部は、従来構造と同じ配置としているため、温度検出部形成工程までは、従来と同じ製造プロセスを使用できる。即ち、従来の製造工程からの変更は、赤外線吸収部の形成工程のみであり、変更に必要なコストを抑えて、高解像度の赤外線固体撮像素子１００を作製することができる。
また、本実施の形態では、偶数行目の赤外線吸収部の位置をずらしたが、逆に、奇数行目の赤外線吸収部の位置をずらしても同様の効果が得られる。
更に、本実施の形態では、列方向に赤外線吸収部の位置をずらしたが、行方向に赤外線吸収部の位置をずらしても同様の効果が得られる。
【００２３】
図３は、全体が２００で表される、本実施の形態にかかる他の赤外線固体撮像素子の上面図である。図３中、図１と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
赤外線固体撮像素子２００では、偶数行目の画素のずれ（変位量）を、画素ピッチの２分の１としている。このように、画像のずれを画素ピッチの２分の１とすることにより、空間分解能の精度を均一化できる。
なお、以下で説明する実施の形態２〜４においても、画像のずれを画素ピッチの２分の１とすることにより、同様の効果を得ることができる。
【００２４】
実施の形態２．
図４は、全体が３００で表される、本実施の形態にかかる赤外線固体撮像素子の一部分の上面図であり、４行４列に画素が配置された構造を示す。図４中、図１と同一符号は、同一又は相当部分を示す。
【００２５】
赤外線固体撮像素子３００では、図４に破線で示すように、行方向（縦方向）、列方向（横方向）に整列した温度検出部１１０１０〜１４０４０が、基板に設けられている。
また、赤外線固体撮像素子３００では、奇数行目（図４では、１行目および３行目）の赤外線吸収部２１０１０等は、温度検出部１１０１０等の位置から列方向（左横方向）に、１画素ピッチ以内でずれて配置されている。図４では、列方向（左横方向）に、１画素の４分の１だけずれて配置されている。
一方、偶数行目（図４では、２行目および４行目）の赤外線吸収部２２０１５等は、温度検出部１２０１０等の位置から列方向（右横方向）に、１画素ピッチ以内でずれて配置されている。図４では、列方向（右横方向）に、１画素の４分の１だけずれて配置されている。
【００２６】
赤外線固体撮像素子３００では、奇数行目、偶数行目の赤外線吸収部を、それぞれ逆方向にずらすことにより、それぞれの赤外線吸収部のずれ量を小さくしている。
このため、実施の形態１の効果に加えて、赤外線吸収部の略中央を支持部で支持でき、各赤外線センサが構造的に安定となる効果が得られる。
また、全ての赤外線センサにおいて、赤外線吸収部の略中央を支持部で支持するため、赤外線吸収部で吸収した熱が、それぞれの赤外線センサで、同じ条件で温度検出部に伝えることができる。この結果、赤外線の検出精度が向上する。
【００２７】
実施の形態３．
図５は、全体が４００で表される、本実施の形態にかかる赤外線固体撮像素子の一部分の上面図であり、４行４列に画素が配置された構造を示す。図５中、図１と同一符号は、同一又は相当部分を示す。
【００２８】
赤外線固体撮像素子４００では、温度検出部１１０１０〜１４０４０と、赤外線吸収部２１０１０〜２４０４４とが、ともに、奇数行目（図５では、１行目および３行目）に対して偶数行目（図５では、２行目および４行目）が１画素ピッチ以内でずれた配置となっている。
図５では、奇数行目の温度検出部１１０１０等、赤外線吸収部２１０１０等に対して、偶数行目の温度検出部１２０１０等、赤外線吸収部２２０１４等が、列方向（右横方向）に１画素ピッチの５分の２だけずれて配置されている。
【００２９】
このように、赤外線固体撮像素子４００では、列方向で２倍の空間分解能を得ることができるとともに、モアレの発生を低減することができる。
また、赤外線吸収部と温度検出部が、共に、一体となってずれた構造となっているため、赤外線吸収部の略中央に支持部を配置できる。このため、赤外線吸収部で吸収した熱を同じ条件で温度検出部に伝えることができ、高精度な画像を得ることができる。
更に、温度検出部と赤外線吸収部とが同一領域に、重なって形成されているため、入射した赤外線の一部が赤外線吸収部を透過した場合でも、同一の赤外線センサに含まれる温度検出部に入射し吸収される。このため、隣接する画素（赤外線センサ）との干渉が発生せず、高感度な画像検出が可能となる。
【００３０】
実施の形態４．
図６は、全体が５００で表される、本実施の形態にかかる赤外線固体撮像素子の一部分の上面図である。図６中、図１と同一符号は、同一又は相当部分を示す。
赤外線固体撮像素子５００では、図６に示すように、各画素（赤外線センサ）を、行方向（図６では上下方向）に対して、略４５°傾けて配置している。
温度検出部１１０１０〜１４０４０と、赤外線吸収部２１０１０〜２２５４５とは、ともに、偶数行目、偶数列目の画素を、奇数行目、奇数列目の画素に対して、１画素ピッチ以内、図６では１画素ピッチの２分の１だけずらして配置してある。なお、ここでは、１画素ピッチのずれは、略正方形の画素の、対角線の長さに相当する。
【００３１】
具体的には、１行目の、温度検出部１１０１０、１１０２０、１１０３０、１１０４０と、赤外線吸収部２１０１０、２１０２０、２１０３０、２１０４０に対して、２行目の、温度検出部１２０１０、１２０２０、１２０３０、１２０４０と、赤外線吸収部２１５１５、２１５２５、２１５３５、２１５４５は、行方向（上下方向）に、２分の１画素ピッチだけずれて配置されている。
【００３２】
同様に、１列目の、温度検出部１１０１０、１３０１０と、赤外線吸収部２１０１０、２２０１０に対して、２列目の、温度検出部１２０１０、１４０１０と、赤外線吸収部２１５１５、２２５１５は、列方向（左右方向）に、２分の１画素ピッチだけずれて配置されている。
【００３３】
なお、奇数行及び偶数行（あるいは奇数列及び偶数列）の画素ピッチ（図６で、上下方向又は左右方向の距離）は、従来と同様であっても、画素数が２倍になっているため、赤外線吸収部の大きさは２分の１になっている。
【００３４】
このように、本実施の形態にかかる赤外線固体撮像素子５００では、赤外線吸収部と温度検出部とを、一体として、偶数行と偶数列を共に、奇数行と奇数列から、１画素ピッチ以内でずらした。これにより、全体の画素数は、実施の形態１にかかる赤外線固体撮像素子１００の２倍となるが、行方向、列方向ともに、各画素の中間の空間座標の情報を入手できるようになる。従って、これら画素の情報を用いて、実画素の２倍の空間分解能を有する、高精度な画像を得ることができる。また、モアレの発生を低減することができる。
【００３５】
また、赤外線吸収部と温度検出部が、共に、一体となってずれた構造となっているため、赤外線吸収部の略中央に支持部を配置することができ、赤外線吸収部で吸収した熱を同じ条件でそれぞれの温度検出部に伝えることができる。
更に、温度検出部と赤外線吸収部とが同一領域に重なって形成されているため、入射した赤外線の一部が赤外線吸収部を透過した場合でも、同一の赤外線センサに含まれる温度検出部に入射し吸収される。このため、隣接する画素（赤外線センサ）との干渉が発生せず、高感度な画像検出が可能となる。
【００３６】
なお、ここでは、略正方形の画素（赤外線センサ）を、行方向（図６では上下方向）に対して、略４５°傾けて配置した場合について説明したが、画素の形状には、６角形等の他の形状を用いても構わない。
【００３７】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明にかかる赤外線固体撮像素子では、画素数を増やすことなく分解能を向上させ、高画質の画像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本実施の形態１にかかる赤外線固体撮像素子の上面図である。
【図２】  赤外線固体撮像素子の画素位置と赤外線強度との関係を表すグラフである。
【図３】  本実施の形態１にかかる他の赤外線固体撮像素子の上面図である。
【図４】  本実施の形態２にかかる赤外線固体撮像素子の上面図である。
【図５】  本実施の形態３にかかる赤外線固体撮像素子の上面図である。
【図６】  本実施の形態４にかかる赤外線固体撮像素子の上面図である。
【図７】  従来の赤外線固体撮像素子の上面図である。
【図８】  従来の赤外線固体撮像素子の断面図である。
【符号の説明】
１００、２００、３００、４００、５００  赤外線固体撮像素子、１１０１０  温度検出部、２１０１０  赤外線吸収部、３１０１０  支持部。
【図１】
0003987379.tif 000002
【図２】
0003987379.tif 000003
【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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