(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、支持脚によって基板から離れて保持された温度検知部とを備え、温度検知部が前記支持脚に設けられた第１配線によって基板上の第２配線に接続された熱型赤外線撮像素子であって、前記第２配線は基板上に形成された下層配線と該下層配線より基板から離れた上層に設けられかつ前記下層配線に接続された上層配線とを有してなり、
前記第１配線と前記下層配線とは一部が絶縁体層を介して重なっており、その重なった部分で前記下層配線と前記第１配線とは前記絶縁体層に設けられたバイアホールを介して接続されている熱型赤外線撮像素子。
【請求項２】
前記下層配線と前記上層配線とは一部が絶縁体層を介して重なっており、その重なった部分で前記下層配線と前記上層配線とは前記絶縁体層に設けられた第２バイアホールを介して接続されている請求項１記載の熱型赤外線撮像素子。
【請求項３】
前記バイアホールと前記第２バイアホールは少なくとも一部が重なって設けられている請求項２記載の熱型赤外線撮像素子。
【請求項４】
基板と、支持脚によって基板から離れて保持された温度検知部とを備え、温度検知部が前記支持脚に設けられた第１配線によって基板上の第２配線に接続された熱型赤外線撮像素子であって、前記第２配線は基板上に形成された下層配線と該下層配線より基板から離れた上層に設けられかつ前記下層配線に接続された上層配線とを有してなり、
前記下層配線及び前記第１配線より基板から離れた上層で、かつ前記上層配線より基板に近い下層の前記基板上に設けられた中間配線をさらに有し、前記下層配線と前記中間配線とが接続されている熱型赤外線撮像素子。
【請求項５】
前記第１配線と前記下層配線とは一部が絶縁体層を介して重なっており、その重なった部分で前記下層配線と前記第１配線とは前記絶縁体層に設けられたバイアホールを介して接続されている請求項４記載の熱型赤外線撮像素子。
【請求項６】
前記下層配線と前記上層配線とは一部が絶縁体層を介して重なっており、その重なった部分で前記下層配線と前記上層配線とは前記絶縁体層に設けられた第２バイアホールを介して接続されている請求項５記載の熱型赤外線撮像素子。
【請求項７】
請求項１〜６のうちのいずれか１つに記載の熱型赤外線検出素子がアレイ状に配列された熱型赤外線検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、熱型赤外線撮像素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
熱型赤外線撮像素子は、赤外線吸収構造体により吸収された赤外線を熱に変換し、この熱により生ずる温度変化を何らかの方法で電気信号に変換する素子である。従来の熱型赤外線撮像素子においては、温度検知部上の配線を信号読み出し配線の薄膜配線のみとし、温度検知部の熱容量を低減する構造が提案されている（例えば特許文献１）。
さらに、温度検知部の熱容量を増加させることなく赤外線吸収効率を向上させる構造として、温度検知部と赤外線吸収構造体との間に、基板に熱的に接地された反射膜を設ける方法が提案されている（例えば特許文献２）。
【０００３】
熱型赤外線撮像素子においては、画素サイズの縮小による多画素化と温度検知部の高性能化が求められている。通常画素サイズを縮小していくと、１画素あたりの赤外線吸収面積が縮小することなどの理由で性能が劣化していく。これを防ぐ対策としては、１画素内での赤外線吸収構造の占める割合（開口率）の向上、赤外線吸収効率の向上などによる光学的方法、温度検知部の熱電変換効率を上げる方法、空隙構造である温度検知部と支持基板とを熱的に分離する支持脚の構造改善による熱的な方法などがある。
熱的な方法については、支持脚の熱コンダクタンスを小さくすることが有効である。画素サイズを縮小していくと支持脚を配置できる面積が小さくなり、従来の熱コンダクタンスを維持していくには支持脚の薄膜化、微細化が必須である。
【特許文献１】特開２００２−３４０６８５号公報
【特許文献２】特開２００５−２３３６７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、支持脚薄膜化のために支持脚部の配線を薄膜化していくと、これより上層にある読み出し配線として使用している低抵抗配線との直接接続が困難となるという問題があった。
【０００５】
そこで、本発明は、支持脚部の薄膜化、微細化が可能で、赤外線吸収効率を維持しつつ小型化でき、安定した製造が可能な熱型赤外線撮像素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
以上の目的を達成するために、本発明に係る熱型赤外線撮像素子は、基板と、支持脚によって基板から離れて保持された温度検知部とを備え、温度検知部が前記支持脚に設けられた第１配線によって基板上の第２配線に接続された熱型赤外線撮像素子であって、前記第２配線は基板上に形成された下層配線と該下層配線より基板から離れて上層に設けられかつ前記下層配線に接続された上層配線とを有してなり、前記第１配線と前記下層配線とは一部が絶縁体層を介して重なっており、その重なった部分で前記下層配線と前記第１配線とは前記絶縁体層に設けられたバイアホールを介して接続されている。
本発明に係る他の熱型赤外線撮像素子は、基板と、支持脚によって基板から離れて保持された温度検知部とを備え、温度検知部が前記支持脚に設けられた第１配線によって基板上の第２配線に接続された熱型赤外線撮像素子であって、前記第２配線は基板上に形成された下層配線と該下層配線より基板から離れた上層に設けられかつ前記下層配線に接続された上層配線とを有してなり、前記下層配線及び前記第１配線より基板から離れた上層で、かつ前記上層配線より基板に近い下層の前記基板上に設けられた中間配線をさらに有し、前記下層配線と前記中間配線とが接続されている。
【発明の効果】
【０００７】
以上のように構成された本発明に係る熱型赤外線撮像素子では、前記基板上に形成された第２配線を下層配線と該下層配線より上層に設けられた上層配線とを含むように形成し、前記第１配線が下層配線に接続されているので、支持脚を加工する時の基板上の配線により生ずる段差が軽減され、微細で寸法精度の高い支持脚が形成できる。
これにより、小型かつ高感度で感度均一性の高い熱型赤外線撮像素子が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施形態１．
以下、図面を参照しながら、本発明に係る実施形態１の熱型赤外線撮像素子について説明する。図１は、本発明に係る実施形態１の熱型赤外線撮像素子の平面図であり、図２は、図１のＡ-Ｂ線についての断面図である。図１の平面図においては、支持脚２上の反射膜パターン、赤外線吸収構造体１２は図示していない。
【０００９】
図２に示すように、本実施形態１の熱型赤外線撮像素子では、基板３において温度検知部１の下方のトレンチ４で囲まれた部分は除去されて凹部が形成され、これにより、照射された赤外線を吸収する赤外線吸収構造体１２と赤外線吸収構造体１２で生じた熱が伝達されその熱を電気信号に変換する温度検知部１とは、支持脚２により支えられ基板３から離れて中空に保持されている。これにより温度検知部１は基板３から熱的に分離される。
【００１０】
一方、電気的には、水平駆動配線５から供給される電気信号が温度検知部１の温度変化に応じて変化し、変化した信号が垂直信号読み出し配線６から信号読み出し回路（図示せず）へと読み出される。
【００１１】
以下、各部分の構成について詳細に説明する。
以下の説明において、主として図２の断面図を参照して説明する下層配線８、上層配線１１に関して、基板３に近い層を下層といい、下層より上にあり、基板３から離れた層を上層という。また、本明細書において、同層とは、複数の層が基板３から同じ距離だけ離れて形成されていることをいう。また、主として、図１の平面図に示される水平駆動配線５、垂直信号読み出し配線６はそれぞれ、下層配線８と上層配線１１が接続されてなる、回路構成面からみた名称である。すなわち、水平駆動配線５の一部は下層配線８により構成され、残りの部分は上層配線１１からなり、垂直信号読み出し配線６の一部は下層配線８により構成され、残りは上層配線１１により構成される。
【００１２】
温度検知部１は、単結晶シリコン層（ＳＯＩ層）に形成したＰＮ接合ダイオード７を複数含む。薄膜配線９は、ＰＮ接合ダイオード７間、ＰＮ接合ダイオードと支持脚２の間を接続し、水平駆動配線５、垂直信号読み出し配線６の一部である下層配線８に接続している。
【００１３】
下層配線８は、周辺回路部のトランジスタのゲート配線と共用する。支持脚２は、薄膜配線９が絶縁体によって被覆されてなり、絶縁体に埋設された薄膜配線９により温度検知部１と水平駆動配線５間及び温度検知部１と垂直信号読み出し配線６間を電気的には接続するとともに、赤外線吸収構造体１２が取り付けられた温度検知部１を基板から離れた状態で保持する。また、支持脚２は、基板３と温度検知部１とを熱的に分離するために熱コンダクタンスが小さくなるように狭い幅でかつ薄く形成されることが好ましく、例えば、薄膜配線９はチタン化合物で厚さは５０ｎｍ程度に形成され、支持脚２の幅は０．５μｍ程度に設定される。
【００１４】
反射膜１０は、主に支持脚２の上方を覆うように形成される。
上層配線１１は、この反射膜１０と実質的に同じ高さに配置され（同層ともいう。）、水平駆動配線５、垂直信号読み出し配線６に繋がる下層配線８に接続される配線機能を果たすとともに、反射膜としても機能する。反射膜１０としては例えばアルミニウム、チタン、クロムなどの低抵抗で赤外線反射率の高い金属を用いることが好ましく、このような金属を用いることにより、上層配線１１と反射膜１０とを同一材料により同じ工程で形成することができる。
【００１５】
赤外線吸収構造１２は、図中、具体的には示していないが、赤外線を吸収する金属膜とこれを挟む絶縁体層からなり、温度検知部１とは熱的に接触し、水平駆動配線５及び垂直信号読み出し配線６の一部を含む検知構造全体を覆うように形成される。ここで、絶縁体層は、例えば、酸化シリコン等の誘電体からなる。
【００１６】
以上のように構成された実施形態１の熱型赤外線撮像素子では、以下の製造過程の説明に示すように、支持脚２を形成する前の配線は下層配線８とこれに接続される薄膜配線９の２つの層のみであり、さらに薄膜配線９は、例えば、５０ｎｍ程度の厚さにできるので、低段差の面の上に支持脚２を構成するための層が形成されることになる。これにより微細でかつ寸法精度の高い支持脚を形成することが可能になる。したがって、熱コンダクタンスが小さくでき、高感度でかつ感度の均一性の高い熱型赤外線撮像素子が得られる。
【００１７】
また、水平駆動配線５、垂直信号読み出し配線６の接続を反射膜１０と同層の上層配線１１で作製することにより上層配線１１下の段差が低減されフラットな反射膜構造が形成されることから、製造歩留まりが向上し、性能的にも安定した熱型赤外線撮像素子が得られる。
【００１８】
以下、本発明の実施形態１に係る熱型赤外線撮像素子の製造方法について、図３〜７を参照しながら説明する。
本製造方法では、まず、図３に示すように、Ｓｉエッチング耐性のある膜を埋め込むことにより、基板３にトレンチ４を形成する。
次に、基板３の上に、検知膜１３を形成して、その検知膜１３より上層に、絶縁体を介して下層配線８を形成し、さらに絶縁体を形成する。このようにして、絶縁体２１ａに埋設された検知膜１３及び下層配線８を形成する。
【００１９】
下層配線８は、薄膜配線９とＰＮ接合ダイオード７とのコンタクト抵抗を低減するために、８００度以上の熱処理が必要であるため、これに耐えうる低抵抗の金属配線用材料とすることが好ましく、好ましい材料として、チタン、タングステン、ポリシリコン等が挙げられる。下層配線８は、水平駆動配線５、垂直信号読み出し配線６のうちの一部として形成され、この時点では隣接画素間は接続されない。
【００２０】
次に、公知のフォトリソグラフィ工程及びエッチング工程を用いて、絶縁体２１ａの所定の位置に下層配線８及び検知膜１３に通じる貫通孔を形成して、図４に示すように薄膜配線９を形成し、下層配線８と検知膜１３とを接続する。図４に示すように、温度検知膜１３と薄膜配線９を含むトレンチ４で囲まれた領域は、他の配線部に比べ絶縁膜２１ａが薄膜化されている。この部分は後に温度検知部１、支持脚２となる部分であり、検知部１の熱容量を低減し、支持脚２の熱コンダクタンスを低減するために、薄膜化されている。
【００２１】
この薄膜配線９は、例えば５０ｎｍ程度の膜厚のチタン合金で形成される。このように薄膜配線９は、非常に薄い膜で形成される為、薄膜配線９そのものを下層配線とすると上層の配線とのコンタクトホール形成時の加工にて薄膜配線９が除去されてしまい良好なコンタクト性能が得られない。したがって、本実施形態１では、この問題を解決する為に、上層配線１１に接続される下層配線８を薄膜配線とは別に設けて、薄膜配線９の下層の下層配線８と薄膜配線９を接続することで水平駆動配線５、垂直信号読み出し配線６と温度検知部１を接続している。
【００２２】
薄膜配線９を形成した後、１００ｎｍ程度の絶縁体層を堆積する。
通常の半導体プロセスにおいては、配線工程後はＣＭＰ(化学機械研磨法)やドライエッチングによるエッチバック法などの公知技術により平坦化処理が行われる。しかしながら、本発明の熱型赤外線撮像素子においては、図２の薄膜配線９上の絶縁体層の膜厚は薄い方が好ましく、さらに高い膜厚均一性が求められる。したがって、薄膜配線８の上層は薄膜の絶縁体層の堆積のみが行われることが好ましい。
【００２３】
次に図５に示すように、支持脚２となる部分を、例えば、エッチングにより温度検知部１から分離して、支持脚２を形成する。支持脚２を形成した後に、図６に示すように、犠牲層１４を形成する。犠牲層１４は耐熱性のある有機系膜で形成する。次に、図６に示すように、絶縁膜を堆積して、フォトリソグラフィ技術により犠牲層１４上を開口し、さらに下層配線８上の一部の絶縁体層のみ除去して開口して、反射膜１０、上層配線１１を同時に形成する。上層配線１１は、上記開口を介して下層配線８に接続される。ここでは、犠牲層１４として有機系膜をスピンコートなどの手段を用いて堆積しているのでこの反射膜構造形成の際に特別な平坦化処理をする必要がない。ここで、本実施形態１において、反射膜構造は、反射膜１０と上層配線１１とによって構成される。
【００２４】
次に反射膜１０及び上層配線１１の上層に絶縁体層を堆積し、その絶縁体層に犠牲層１４に達する開口孔を形成する。次に、犠牲層１５を絶縁体層上に形成する。これにより、絶縁体層に形成された開口孔で犠牲層１４に繋がった犠牲層１５が形成される。
次に、温度検知部１の中央部で犠牲層１５と犠牲層１４とを貫通して温度検知部１に達する貫通孔を形成して、該貫通孔を介して温度検知部１に繋がる赤外線吸収構造１２を形成する。この赤外線吸収構造１２は、金属層が絶縁体層にはさまれた構造となっており、例えば、厚さ５ｎｍのクロム膜と、例えば１００ｎｍの酸化シリコンにて形成される。
【００２５】
次に、基板３のうち図１のトレンチ４に囲まれた領域を二弗化キセノンなどによる等方性エッチングにて除去して凹形状を形成し、最後に犠牲層１４、１５が除去される。このようにして、この赤外線吸収構造１２とそれに接続された温度検知部１とが、基板から分離された状態で基板に保持される。ここで、赤外線吸収構造１２は、図２に示すように、温度検知部１、支持脚２、反射膜１０の上方の画素全体を覆うように形成され温度検知部１のみと熱的に接続される。
以上のようにして、図２の熱型赤外線検出器が完成する。
【００２６】
実施形態２．
図８及び図９を参照しながら、本発明に係る実施形態２の熱型赤外線撮像素子について説明する。図８は、実施形態２の熱型赤外線撮像素子の平面図、図９は、図８のＣ-Ｄ線についての断面図である。図８の平面図においては、温度検知部１、支持脚２上の反射膜１パターン、赤外線吸収構造１２は図示していない。この実施形態２の熱型赤外線撮像素子は、基本構造は実施形態１と同様であるが、下層配線８と上層配線１１の間に中間配線１６を有している点で、実施形態１の熱型赤外線撮像素子とは異なっている。
【００２７】
下層配線８は、薄膜配線９が水平駆動配線５、垂直信号読み出し配線６に繋がる接続部分のみに形成され、垂直信号読み出し配線６は中間配線１６のみで構成され、水平駆動配線５は薄膜配線９の上部を除き上層配線１１のみにより構成される。薄膜配線９の上部に上層配線１１を形成しないようにしたのは、支持脚２を構成する層を形成前の画素周辺の段差を小さくするためである。
【００２８】
すなわち、実施形態１では支持脚加工前の配線は下層配線８と薄膜配線９の２層であったが、本実施例においては下層配線８と薄膜配線９の上層に中間配線１６を追加する。この構成では、中間配線１６は薄膜配線９より上層にあるため半導体材料としては比較的融点の低いアルミニウム等が使用できる。アルミニウムは非常に抵抗が低く、また半導体プロセスではよく使用される金属で加工技術も確立されており汎用性が高いという利点がある。さらに本実施例において垂直信号読み出し配線６を中間配線１６、水平駆動配線５を上層配線１１としてもよいことは言うまでもない。
【００２９】
以上のように構成された実施形態２では、薄膜配線９を下層配線８を介して上層の垂直信号読み出し配線６あるいは水平駆動配線５を接続することにより、支持脚２が形成される前の画素内段差を従来例よりも低減することが出来、実施形態１と同様の効果が得られる。また、中間配線１６を追加することにより、比較的高抵抗ななる下層配線８による配線長を実施形態１よりも短くできるので、低抵抗な配線が実現できる。これにより、配線の信頼性向上し、出力電圧分布の少ない熱型赤外線撮像素子が実現できる。
【００３０】
実施形態３．
以下、図１０、図１１を参照しながら、本発明に係る実施形態３の熱型赤外線撮像素子について説明する。図１０は熱型赤外線撮像素子の平面図、図１１は図１０のＥ-Ｆ線についての断面図である。図１０の平面図においては、温度検知部１、支持脚２上の反射膜パターン、赤外線吸収構造１２は図示していない。この実施形態３の熱型赤外線撮像素子は、基本構造は実施形態１のものと同様であるが、本実施形態３では、下層配線８と上層配線１１とを接続するためのコンタクトホールと、下層配線８と薄膜配線９とを接続するためのコンタクトホールとをほぼ同じ位置に重ねて形成した点で実施形態１とは異なっている。
【００３１】
以上のような構成では、薄膜配線９は、下層配線及び上層配線に比較して薄膜である為、上層配線１１のコンタクトホール形成する時に、そのコンタクトホール部の薄膜配線９は除去されるが、下層配線８と上層配線１１が接続されるため問題ない。また、２つのコンタクトホールを同じ大きさではなく、例えば、縦横比等を変えて下層配線８と薄膜配線９のみ、下層配線８と上層配線１１のみのコンタクト領域を確保することにより下層配線を介して薄膜配線９と上層配線１１の良好な接続を確保することもできる。
【００３２】
以上のように構成された実施形態３では、下層配線８と薄膜配線９、上層配線１１の接続をほぼ共通の位置とすることで画素内における薄膜配線９と垂直信号読み出し配線６、水平駆動配線５との接続に要する面積を減らすことが出来る。これにより、画素面積の縮小が可能となる。また、下層配線８は上層配線１１に比べて抵抗が高いものが多く、本実施形態では下層配線８に要する面積（配線長）を減らすことができることから、垂直信号読み出し配線６、水平駆動配線５の抵抗を減らすことが可能になる。
【００３３】
実施形態４．
本実施形態４は、実施例１の熱型赤外線撮像素子複数個をアレイ状に並べた熱型赤外線撮像装置である。図１２は、熱型赤外線撮像装置の平面図、図１３はそのＧ−Ｈ線についての断面図である。以上のように構成された熱型赤外線撮像装置では、水平駆動配線５により駆動された信号は、各温度検知部１で温度変化に対応して電気信号に変換されて順次垂直信号読み出し配線６を介して読み出される。本実施形態４では、Ｘ＝２、Ｙ＝２画素のアレイとしたが、Ｘ，Ｙはどのような組み合わせでもよい。
【００３４】
本実施形態４の熱型赤外線撮像装置は、各素子部において支持脚の製造ばらつきを少なくでき、また、反射膜がフラットに形成できることから、画素間の性能ばらつきを少なくでき、高歩留まりで製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明に係る実施形態１の熱型赤外線撮像素子を示す平面図である。
【図２】本発明に係る実施形態１の熱型赤外線撮像素子を示す断面図である。
【図３】本発明に係る実施形態１の熱型赤外線撮像素子の製造方法の第１段階を示す断面図である。
【図４】本発明に係る実施形態１の熱型赤外線撮像素子の製造方法の第２段階を示す断面図である。
【図５】本発明に係る実施形態１の熱型赤外線撮像素子の製造方法の第３段階を示す断面図である。
【図６】本発明に係る実施形態１の熱型赤外線撮像素子の製造方法の第４段階を示す断面図である。
【図７】本発明に係る実施形態１の熱型赤外線撮像素子の製造方法の第５段階を示す断面図である。
【図８】本発明に係る実施形態２の熱型赤外線撮像素子を示す平面図である。
【図９】本発明に係る実施形態２の熱型赤外線撮像素子を示す断面図である。
【図１０】本発明に係る実施形態３の熱型赤外線撮像素子を示す平面図である。
【図１１】本発明に係る実施形態３の熱型赤外線撮像素子を示す断面図である。
【図１２】本発明に係る実施形態４の熱型赤外線撮像素子を示す平面図である。
【図１３】本発明に係る実施形態４の熱型赤外線撮像素子を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３６】
１  温度検知部、２  支持脚、３  基板、４  トレンチ、５  水平駆動配線、６  垂直信号読み出し配線、７  PN接合ダイオード、８  下層配線、９  薄膜配線、１０  反射膜、１１  上層配線、１２  赤外線吸収構造、１３  温度検知膜、１４  犠牲層（１層目）、１５  犠牲層（２層目）、１６  中間配線、２１ａ、２１ｂ  絶縁体層。
【図１】
0005016527.tif 000002
【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】
0005016527.tif 000011
【図１１】
0005016527.tif 000012
【図１２】
0005016527.tif 000013
【図１３】
0005016527.tif 000014