JP3529596B2 - 赤外線固体撮像装置及びその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、赤外線固体撮像装
置に係わり、特に非冷却型の赤外線固体撮像装置及びそ
の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】赤外線撮像は、昼夜にかかわらず撮像可
能であると共に、可視光により煙，霧に対して透過性が
高いという特長があり、また被写体の温度情報をも得る
ことができることから、防衛分野をはじめ監視カメラや
火災検知カメラとして広い応用範囲を有する。

【０００３】近年、従来の主流素子である光電変換型赤
外線固体撮像装置の最大の欠点である低温動作のための
冷却機構を不要にした、「非冷却型赤外線固体撮像素
子」の開発が盛んであり、次のような各種方式が提案さ
れている。

【０００４】(1) ゼーベック効果により温度差を電位差
に変換する、サーモパイルを熱電変換素子として用いた
赤外線固体撮像装置（Toshio Kanno, et al., Proc. SP
IE Vol.2269, pp.450-459, 1994 ）。

【０００５】(2) 抵抗体の温度変化により温度変化を抵
抗変化に変換する、ボロメータを熱電変換素子とて用い
た赤外線固体撮像装置（R. A. Wood, Proc. IEDM, pp.1
75-177, 1993）。

【０００６】(3) 焦電効果により温度変化を電荷に変換
する、焦電素子を熱電変換素子として用いた赤外線固体
撮像装置（Charles Hanson, et al., Proc. SPIE Vol.2
020,pp.330-339, 1993 ）。

【０００７】一方、上記の３種類の熱電変換方式を比較
した場合には、その素子製造工程の全てを現行のシリコ
ンプロセスにより実現可能であるという点で、特にポリ
シリコン膜を熱電変換材料としたサーモパイル素子が製
造上で有利と考えられる。

【０００８】ところで、赤外線固体撮像装置の感度Ｒ
は、サーモパイル型の場合には次式によって表現される
（例えば、Paul W. Kruse, Proc. SPIE, Vol.2552, pp.
556-563 ）。

【０００９】 Ｒ＝Ｎ・Ｓ・η／｛Ｇ（１＋ω² τ² ）^1/2 ｝ ＝Ｎ・Ｓ・η／（Ｇ² ＋ω² Ｃ² ）^1/2 …（式１） 但し、Ｎ：サーモパイルの直列回数 Ｓ：サーモパイルのゼーベック係数 η：赤外線吸収率 Ｇ：熱コンダクタンス ω：入射赤外線の変調角周波数 τ：熱応答時間（τ＝Ｃ／Ｇ） Ｃ：熱電変換部の熱容量 また、ボロメータ型における感度Ｒは、次式で表現され
る。

【００１０】 Ｒ＝Ｉｂ・α・Ｒｅ・η／｛Ｇ（１＋ω² τ² ）^1/2 ｝
…（式２） 但し、Ｉｂ：バイアス電流 α：抵抗の温度係数（＝(1/Re)・(dRe/dT)） Ｒｅ：素子抵抗 なお、Ｉｂ増加による感度向上は可能であるが、その場
合にはＩｂ² ・Ｒｅなるエネルギー消費に伴う自己発熱
の影響を考慮する必要がある。

【００１１】（式１），（式２）共に熱コンダクタンス
Ｇ及び熱容量Ｃを含む、熱的な項は同一の表式では次式
で表現されている。

【００１２】 Ｒｔ＝１／｛Ｇ（１＋ω² τ² ）^1/2 ｝ ＝１／（Ｇ² ＋ω² Ｃ² ）^1/2 ‥‥‥‥（式３） このＲｔを向上するためには、熱コンダクタンスＧと熱
容量Ｃを低減することが重要であることが分る。ここ
で、特に低周波領域では熱コンダクタンスＧの低減によ
り感度が向上する。逆に、熱容量Ｃについては、高周波
領域での感度、いわゆるレスポンスへの寄与が大きい。

【００１３】このとき、（式１）〜（式３）における熱
コンダクタンスＧ及び熱容量Ｃは、サーモパイル或いは
ボロメータからの出力信号を半導体基板側に伝達するた
めの、必然的に発生する値のみでは無く、熱電変換の材
料と半導体基板との間に存在する材料層による熱コンダ
クタンスＧ及び熱容量Ｃの値も含まれている。

【００１４】上記の理由から非冷却型赤外線固体撮像装
置では、熱電変換素子部と読み出しのための半導体基板
とを熱的に分離し、熱コンダクタンスＧの増加を低減す
るために、半導体基板に窪みを形成して中空構造とした
り（図１２（ａ）：特公平８−２５６０８２４号公
報）、半導体基板上の多層構造中に犠牲層を形成した後
にエッチング除去して中空構造としたり（図１２
（ｂ）：特開平７−１３４０６６号公報）、或いは熱的
に相互を分離した熱電変換素子群と半導体基板をバンプ
で接続するという方法を用いており、これらの熱的分離
構造により高感度を実現している。

【００１５】また、図１３に示すように、熱電対をＮ対
直列接続することでサーモパイルからの出力電圧を増大
する方法が一般的である（：Ｎ＝１２の例、特開平７−
１３４０６６号公報）。

【００１６】しかしながら、上述したようにシリコンプ
ロセスが使用できるという点で製造上有利と考えられる
サーモパイル型赤外線固体撮像装置においては、原理的
に、熱的分離構造上の不利が生じてしまう。

【００１７】何故なら、抵抗体の抵抗変化により温度変
化を検知するボロメータ型においては、抵抗変化を検知
する手段として、一対の配線対を感熱側としてヒートシ
ンク側との間に形成すれば良いので、その場合には感熱
部とヒートシンクとの間の熱伝導経路は２つで済む。こ
れに対してサーモパイル型素子においては、熱電対の温
接点と冷接点との間の温度差を電位差に変換するという
ゼーベック効果を動作原理としているために、その電位
差を増大させるためには、熱電対を直列接続することが
必要である。その結果として、温接点と冷接点との間
に、直列接続する熱電対数の２倍の数の熱伝導経路が熱
電対自身により形成されてしまうからである。

【００１８】従って、特にサーモパイル型の場合には、
熱電対を直列接続することに伴う、熱電対材料自身によ
る熱コンダクタンスＧ及び熱容量Ｃの増加を抑制するこ
とが極めて重要となる。

【００１９】このとき、熱電対材料であるポリシリコン
自身による熱コンダクタンス：Ｇpolyは次式により表現
できる。

【００２０】 Ｇpoly＝２Ｎ・Ｇ0(Si) ・Ｓpoly／Ｌpoly…（式４） 但し、Ｇ0(Si) ：ポリシリコンの熱伝導率（= 29 W/K/
m） Ｓpoly：ポリシリコンの断面積［ｍ² ］ Ｌpoly：温接点端部と冷接点端部との間のポリシリコン
の長さ［ｍ］ 従って、同一の画素寸法の中で、より長いＬpolyを実現
するかという設計技術が、極めて重要である。

【００２１】ところが、前述のように複数の熱電対を直
列接続する方法では、熱伝導パスの数が増加するだけで
なく、このＬpolyを十分に長くできないために、単一の
熱伝導パスの熱コンダクタンスを十分に低減できないと
いう欠点もある。

【００２２】さらに、上述の画素内部での熱電変換構造
において、熱電対の温接点及びこれに熱的に接続されて
いる赤外光吸収体と熱電対の配線部分との熱分離構造
は、これまでに配慮されないことが多かったが、例えば
同一のダイアフラム上に両者が存在することによって、
熱電対の温接点と半導体基板との間の熱コンダクタンス
は増加しており、さらに高感度化をはかる場合には何ら
かの対策手段が必要である。

【００２３】前記の中空構造を構築するための支持層と
しては、シリコン酸化膜或いはシリコン窒化膜により形
成する方法が報告されている（Toshio Kanno, et., Pro
c. SPIE Vol.2269,pp.450-459,1994, R.A.Wood, Proc.
IEDM,pp.175-177,1993）。しかし、画素サイズの縮小に
伴い熱電変換材料が微細化するに従い、この支持層の存
在による熱コンダクタンスＧや熱容量Ｃの増加が感度に
及ぼす影響が無視できなくなっている。

【００２４】従って、仮に同一の中空構造を構築したと
しても、熱電変換素子自身による熱伝導経路を多数持つ
サーモパイル型素子は、ボロメータ型素子と比較して、
熱電変換素子部と半導体基板との間の熱コンダクタンス
Ｃが高くなってしまい、その結果として感度が低下して
しまう。

【００２５】さらに、感度と共に重要な特性の一つであ
る雑音等価温度差（Noise Equivalent Temperature Dif
ference :NETD ）については、検出面積Ａｄと感度Ｒの
積（Ａｄ・Ｒ）の逆数に比例するので、赤外線固体撮像
装置の画素サイズ縮小のためには、感度Ｒを維持するに
止まらず、検出面積Ａｄの減少によるＮＥＴＤの低下を
補うために、感度Ｒをさらに向上させることが必要なこ
とが判る。

【００２６】一方、従来の加工技術においては、ポリシ
リコンの薄膜化によってＳpolyを低減してきたが、ポリ
シリコン幅はフォトグラフィー技術により制限されるた
めに十分なＳpolyの微細化を行うことができなかった。

【００２７】さらに、微細画素構造において熱電対の温
接点の熱容量Ｃを低減し、かつ熱コンダクタンスＧを低
減するためには、中空構造上の熱電対を熱電対自身で支
持することが有効である。

【００２８】ところで、このように中空構造上の熱電対
を熱電対自身で支持する場合には、熱電対材料自身に支
持体としての機械的強度が要求される。

【００２９】前述の（式４）において用いたポリシリコ
ンによる熱電対構造を考え、冷接点端部で固定されたポ
リシリコンの温接点側に荷重をかけた場合の温接点部で
の重力方向への変位：Ｚは次式で表現される。単純化の
ために断面構造は長方形とした。

【００３０】 Ｚ＝（４Ｌpoly³ ／Ｗpoly・Ｈpoly³ ）×｛Ｍ・ｇ／Ｅ
(Si)｝……（式５） 但し、Ｗpoly：ポリシリコンの幅［ｍ］ Ｈpoly：ポリシリコンの高さ［ｍ］ Ｍ：温接点の質量［ｋｇ］ ｇ：重力加速度［ｍ／se^c2］ Ｅ(Si)：シリコンのヤング率(=113.0[GN/m² ]) （式５）から明らかなように、同一の断面積を得る場合
には、よりＷpolyを微細化して、よりＨpolyを大きくす
ることが熱電対の変形を防止するために、極めて重要で
ある。

【００３１】この傾向は、今後益々進むであろう画素の
微細化において、特に重要となるはずであるが、従来の
技術ではＳpolyの微細化においては、むしろ逆に傾向に
あり、そのために熱コンダクタンスＧや熱容量Ｃの増加
という犠牲を払いながらも、酸化シリコンや窒化シリコ
ン膜による支持層を形成することが必要である。

【００３２】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来の非
冷却型赤外線固体撮像装置においては、熱電変換手段と
しての熱電対の温接点と半導体基板との間の熱コンダク
タンスを十分小さくすることができず、このために感度
の向上をはかるにも限界があった。また、熱電対を直列
接続して感度の向上をはかる試みもあるが、直列接続す
ることに伴う熱電対材料自身による熱コンダクタンス及
び熱容量の増大を招き、十分な感度向上を達成すること
は困難であった。

【００３３】本発明は、上記の事情を考慮して成された
もので、その目的とするところは、熱電変換手段として
の熱電対の温接点と半導体基板との間の熱コンダクタン
スを十分に小さくすることができ、赤外線検出感度の向
上をはかり得る赤外線固体撮像装置を提供することにあ
る。

【００３４】

【課題を解決するための手段】

（構成）上記課題を解決するために本発明は、次のよう
な構成を採用している。

【００３５】（１）半導体基板上に、赤外線吸収体層へ
の赤外線照射により生じた温度変化を電気的信号に変換
するための熱電変換手段と、この熱電変換手段により発
生した信号を出力する信号出力手段とを有する赤外線固
体撮像装置であって、前記熱電変換手段は熱電対により
構成されており、該熱電対の温接点及び前記赤外線吸収
体層を支持する第１のダイアフラムと前記熱電対の配線
部分を支持する第２のダイアフラムとが形成され、第１
及び第２のダイアフラムは前記半導体基板との間に各々
第１及び第２の支持部分を独立に有しており、前記赤外
線吸収体層と前記熱電対の温接点及び配線部分は第１及
び第２のダイアフラムにより半導体基板上の中空構造上
に配置されていることを特徴とする。

【００３６】（２）（１）において、第１のダイアフラ
ムは矩形状に形成され、その一つの角部が第１の支持部
分を介して前記半導体基板に接続され、第２のダイアフ
ラムは第１のダイアフラムの回りを囲むように形成さ
れ、第１の支持部分に近接した２箇所の第２の支持部分
を介して前記半導体基板に接続され、第１のダイアフラ
ム上に形成される赤外線吸収体層は第１のダイアフラム
の第１の支持部分の対角位置で前記熱電対の温接点と接
続されること。

【００３７】（３）半導体基板上に、赤外線吸収体層へ
の赤外線照射により生じた温度変化を電気的信号に変換
するための熱電変換手段と、この熱電変換手段により発
生した信号を出力する信号出力手段を有する赤外線固体
撮像装置であって、前記熱電変換手段は熱電対により構
成されており、該熱電対の温接点及び前記赤外線吸収体
層を支持する第１のダイアフラムと前記熱電対の配線部
分を支持する第２のダイアフラムとが同一材料層により
一体形成されており、第２のダイアフラムは前記半導体
基板との間に支持部分を有しており、第１のダイアフラ
ムは前記半導体基板との間には直接の支持部分を持た
ず、前記熱電対の温接点と前記赤外線吸収体層との接続
部分において第１のダイアフラムに支持されており、前
記赤外線吸収体層と前記熱電対の温接点及び配線部分は
第１及び第２のダイアフラムにより前記半導体基板上の
中空構造上に配置されていることを特徴とする。

【００３８】（４）半導体基板上に、赤外線吸収体層へ
の赤外線照射により生じた温度変化を電気的信号に変換
するための熱電変換手段と、この熱電変換手段により発
生した信号を出力する信号出力手段とを有する赤外線固
体撮像装置であって、前記熱電変換手段は熱電対により
構成されており、該熱電対の温接点及び前記赤外線吸収
体層を支持する第１のダイアフラムと前記熱電対の配線
部分を支持する第２のダイアフラムとが独立に形成され
ており、第２のダイアフラムは前記半導体基板との間に
支持部分を有しており、第１のダイアフラムは前記半導
体基板との間には直接の支持部分を持たず、前記熱電対
の温接点と前記赤外線吸収体層との接続部分において第
１のダイアフラムに支持されており、前記赤外線吸収体
層と前記熱電対の温接点及び配線部分は第１及び第２の
ダイアフラムにより前記半導体基板上の中空構造上に配
置されていることを特徴とする。

【００３９】（５）半導体基板上に、赤外線照射により
生じた温度変化を電気的信号に変換するための熱電変換
手段と、この熱電変換手段により発生した信号電荷を出
力する信号出力手段とを有する赤外線固体撮像装置であ
って、前記熱電変換手段は熱電対により構成され、該熱
電対と前記半導体基板との間の一部に中空構造が形成さ
れており、該熱電対の温接点は該熱電対の配線を構成す
る材料によって前記中空構造上に支持されていることを
特徴とする。

【００４０】（６）半導体基板上に、赤外線照射により
生じた温度変化を電気的信号に変換するための熱電変換
手段と、この熱電変換手段により発生した信号電荷を出
力する信号出力手段とを有する赤外線固体撮像装置の製
造方法であって、前記半導体基板上に酸化シリコン膜か
らなる犠牲層を形成した後、この犠牲層上に前記熱電変
換手段を構成する材料を形成し、次いで前記犠牲層をエ
ッチングすることによって、前記半導体基板と前記熱電
変換手段との間の中空構造を形成することを特徴とす
る。

【００４１】（6'）半導体基板上に、赤外線照射により
生じた温度変化を電気的信号に変換するための熱電変換
手段と、この熱電変換手段により発生した信号電荷を出
力する信号出力手段とを有する赤外線固体撮像装置の製
造方法であって、前記熱電変換手段は半導体基板上の第
１の犠牲層上に直接形成された熱電対材料であり、該熱
電対材料形成後に第２の犠牲層となる酸化シリコン膜を
形成した後に、前記熱電対材料を金属或いは金属シリサ
イドにより接続することで前記熱電対構造を形成し、そ
の後に第１及び第２の犠牲層を除去することで、前記半
導体基板と前記熱電変換手段との間の中空構造を形成す
ることを特徴とする。

【００４２】（７）半導体基板上に、赤外線照射により
生じた温度変化を電気的信号に変換するための熱電変換
手段と、この熱電変換手段により発生した信号電荷を出
力する信号出力手段とを有する赤外線固体撮像装置であ
って、前記熱電変換手段は熱電対により構成され、該熱
電対と前記半導体基板との間の一部に中空構造が形成さ
れ、該熱電対の温接点は該熱電対の配線を構成する材料
によって前記中空構造上に支持されており、且つ前記熱
電対の配線材料の高さをｈ、該配線材料の幅をｗとした
時に、ｈ＞ｗに設定してなることを特徴とする。

【００４３】（８）半導体基板上に、赤外線照射により
生じた温度変化を電気的信号に変換するための熱電変換
手段としての熱電対と、この熱電対により発生した信号
電圧を出力する信号出力手段とを有する赤外線固体撮像
装置の製造方法であって、半導体基板上に前記信号出力
手段を形成した後に、前記熱電対の温接点と半導体基板
との間の中空構造を形成するための犠牲層を形成し、次
いで前記犠牲層に異方性エッチングによる段差構造を形
成し、次いで前記熱電対の配線を構成する材料を等方性
成膜法により成膜し、次いで前記熱電対の配線材料を異
方性エッチングによりエッチバックすることで、該配線
材料の高さをｈを幅Ｗよりも大きくすることを特徴とす
る。

【００４４】また、本発明の望ましい実施態様として
は、次のものがあげられる。

【００４５】（ａ）（１）において、熱電対の温接点及
び赤外線吸収体層を支持する第１のダイアフラム上には
概ね矩形の赤外線吸収体層が形成されており、該赤外線
吸収体層が前記温接点と接続される部分の位置と、第１
のダイアフラムと半導体基板との間にある第１の支持部
の位置との関係が、赤外線吸収体層により規定される概
略矩形面の概ね対角位置に設定されていること。

【００４６】（ｂ）（１）において、熱電対の配線部分
を支持するための第２のダイアフラムは、熱電対を構成
する２種類の材料に対して独立に分割形成されており、
これらの２分割された第２のダイアフラムは、半導体基
板との間に各々が独立の支持部分を有していること。

【００４７】（ｃ）（４）において、熱電対の温接点及
び赤外線吸収体層とを支持する第１のダイアフラムが窒
化シリコン膜からなること。

【００４８】（ｄ）（１）〜（４）において、第１のダ
イアフラムと第２のダイアフラムのいずれもが窒化シリ
コン膜からなること。

【００４９】（ｅ）（１）〜（４）において、熱電対
が、単位画素内に１組のみ形成されていること。

【００５０】（ｆ）（１）〜（４）において、赤外線吸
収体層が形成される全領域に渡って、熱電対の温接点を
形成するための金属、或いは金属シリサイドが形成され
ていること。

【００５１】（ｇ）（１）〜（８）において、熱電対の
材料としてポリシリコンを使用すること。

【００５２】（ｈ）（１）〜（４）において、熱電変換
手段がポリシリコンを材料とする熱電対により構成され
ており、該熱電対材料であるポリシリコンが、熱電対の
温接点において分離加工されておらず、該ポリシリコン
において第１導電型の不純物を添加する第１の領域と、
第１の導電型と反対の導電型の第２の導電型の不純物を
添加する第２の領域との他に、第１の導電型の不純物と
第２の導電型の不純物の両方を添加された第３の領域が
存在しており、第１の領域の一部と第２の領域の一部と
を含む領域において、金属或いは金属シリサイドによる
接続が形成されることで前記熱電対の温接点が形成され
ていること。

【００５３】（ｉ）（１）〜（４）において、熱電変換
手段がポリシリコンを材料とする熱電対により構成され
ており、該熱電対材料であるポリシリコンが熱電対の温
接点において分離加工されておらず、該ポリシリコンに
おいて第１導電型の不純物を添加する第１の領域と、第
１の導電型と反対の導電型の第２の導電型の不純物を添
加する第２の領域との他に、第１の導電型の不純物と第
２の導電型の不純物のいずれもが添加されない第３の領
域が存在しており、第１の領域の一部と第２の領域の一
部とを含む領域において、金属或いは金属シリサイドに
よる接続が形成されることで前記熱電対の温接点が形成
されていること。

【００５４】（ｊ）（６）又は（８）において、中空構
造を形成するための犠牲層が酸化シリコンからなるこ
と。

【００５５】（ｋ）（８）において、犠牲層に形成され
る段差形状のひとつの凹部の側壁部に形成される１組の
前記熱電対材料を金属或いは金属シリサイドにより接続
することで熱電対の温接点を形成すること。

【００５６】（作用）本発明（請求項１，２）によれ
ば、熱電変換型の非冷却赤外線固体撮像装置において、
熱電変換手段として微細に加工したポリシリコン等を材
料とした熱電対を設けており、同時にこの熱電対の温接
点及び赤外線吸収体層を支持する第１のダイアフラム
と、熱電対の配線部分を支持する第２のダイアフラム
が、各々独立に設けられた半導体基板との接続部分によ
り半導体基板との熱的分離のための中空構造上に支持さ
れているので、ダイアフラムによる熱電対の温接点と半
導体基板との間の熱コンダクタンスの増加を大幅に低減
することができる。従って、従来よりも赤外線検出感度
を大幅に向上させることができる。

【００５７】また、本発明（請求項３）によれば、第１
のダイアフラムと第２のダイアフラムとが同一材料層に
より一体形成され、第２のダイアフラムは半導体基板と
の間に支持部分を有し、第１のダイアフラムは半導体基
板との間には直接の支持部分を持たず、熱電対の温接点
と赤外線吸収体層との接続部分において第２のダイアフ
ラムに支持されているため、第１のダイアフラムによる
熱電対の温接点と半導体基板との間の熱コンダクタンス
の増加は発生せず、これにより感度の向上をはかること
が可能となる。

【００５８】また、本発明（請求項４）は、第１のダイ
アフラムと第２のダイアフラムとが独立に形成され、第
２のダイアフラムは半導体基板との間に支持部分を有
し、第１のダイアフラムは半導体基板との間には直接の
支持部分を持たず、熱電対の温接点と赤外線吸収体層と
の接続部分において第２のダイアフラムに支持されてい
るため、第１のダイアフラムによる熱電対の温接点と半
導体基板との間の熱コンダクタンスの増加は発生せず、
これにより感度の向上をはかることが可能となる。さら
に、第１のダイアフラムを第２のダイアフラムよりも上
方（赤外線検出側）に設ければ、赤外線吸収体層の有効
面積を増大させることができ、これによっても感度の向
上をはかることが可能となる。

【００５９】また、本発明（請求項５，６）によれば、
基板との熱絶縁のための中空構造を構成するための支持
層は形成されておらず、熱電変換手段の支持は熱電変換
手段の自身のみ（熱電対の配線部分）により成されてい
るので、熱電変換手段の熱容量及び熱電変換手段と半導
体基板との間の熱コンダクタンスを大幅に低減すること
ができ、これにより感度の向上と温度分解能の向上が実
現できる。

【００６０】さらに、熱電変換手段として１組のみの熱
電対を使用すれば、上記の中空構造と併せて微細画素の
構成が可能であると同時に、十分な感度と温度分解能を
得ることが可能となる。

【００６１】また、熱電変換手段を第１の犠牲層上に直
接形成された熱電対材料とし、該熱電対材料形成後に第
２の犠牲層となる酸化シリコン膜を形成した後に、熱電
対材料を金属或いは金属シリサイドにより接続すること
で熱電対構造を形成し、その後に第１及び第２の犠牲層
を除去することで、半導体基板と熱電変換手段との間の
中空構造を形成するようにすれば、極めて簡単な製造工
程により高感度な赤外線固体撮像装置を実現することが
可能となる。

【００６２】また、本発明（請求項７，８）によれば、
熱電変換手段として極めて微細に加工したポリシリコン
等を材料とした熱電対を用いており、この極めて微細に
加工されたポリシリコンの厚さはその幅よりも大きく、
同時に熱電対を半導体基板と熱的に絶縁するための中空
構造上に支持するのは熱電対材料自身（熱電対の配線材
料）であるので、熱電変換型手段における感度を支配す
る、温接点と冷接点との間の熱コンダクタンスと温接点
の熱容量は大幅に低減される。このため、画素の微細化
においても、従来技術より大幅に高い感度を実現でき
る。

【００６３】また、熱電変換素子として使用する熱電対
の材料となるポリシリコン等を、温接点と半道体基板と
の間の熱絶縁のための中空構造を形成するための犠牲層
上に形成した段差構造を利用した、等方性成膜技術と異
方性エッチング技術とからなる側壁残し技術により、極
めて微細に形成しているので、ポリシリコンをフォトリ
ソグラフィー技術の加工限界以下に微細加工可能であ
り、その制御も段差領域の段差と、等方性成膜膜厚及び
異方性エッチング量というプロセスパラメータにより容
易に制御可能であるので、高感度かつ微細な画素構造を
有する赤外線固体撮像装置を極めて容易に製造可能とな
る。

【００６４】さらに、熱電変換素子として１組のみの熱
電対を使用しており、上記の中空構造及び微細加工され
たポリシリコン構造と併せて、微細画素の構成が可能で
あると同時に、非常に高い感度を得ることが可能となっ
ている。

【００６５】また、熱電変換手段を構成する材料を酸化
シリコン膜からなる犠牲層上に直接形成し、その後に該
犠牲層をエッチングすることによって半導体基板と熱電
変換手段との間の中空構造を形成しているので、極めて
簡単な製造工程により、高感度な赤外線固体撮像装置を
形成できる。

【００６６】さらに、熱電変換手段を第１の犠牲層上に
直接形成された熱電対材料とし、該熱電対材料形成後に
第２の犠牲層となる酸化シリコン膜を形成した後に、熱
電対材料を金属或いは金属シリサイドにより接続するこ
とで熱電対構造を形成し、その後に第１及び第２の犠牲
層を除去することで、半導体基板と熱電変換手段との間
の中空構造を形成すれば、極めて簡単な製造工程により
高感度な赤外線固体撮像装置を形成できる。

【００６７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図を用
いて説明する。

【００６８】（第１の実施形態）図１は本発明の第１の
実施形態に係わる赤外線固体撮像装置の単位画素部構造
を説明するための模式図であり、シリコン基板１上に酸
化シリコン膜２の一部を犠牲層としてエッチングして形
成した中空構造８上にｐ型ポリシリコン３とｎ型ポリシ
リコン４とをアルミニウム等の温接点コンタクト金属７
−１により接続したサーモパイル型の赤外線固体撮像値
の単位画素構造を示している。

【００６９】図１の（ａ）は単位画素構造の平面図であ
り、（ｂ）（ｃ）は各々（ａ）のＡ−Ａ´，Ｂ−Ｂ´に
沿った断面構造図である。

【００７０】中空構造８上には、矩形状に形成されてそ
の一つの角部が第１の支持部分１０ａを介して基板側に
接続された第１のダイアフラム１０が配置されている。
そして、第１のダイアフラム１０を囲むように第２のダ
イアフラム９が配置され、このダイアフラム９は第１の
支持部分１０ａに近接した２箇所で第２の支持部分９
ａ，９ｂを介して基板側に接続されている。各々のダイ
アフラム９，１０は、例えば窒化シリコン膜で形成され
ている。

【００７１】第１のダイアフラム１０上にはアルミニウ
ム等の温接点コンタクト金属７−１及び赤外線吸収体層
（図示せず）が積層され、第２のダイアフラム９上には
熱電対材料の配線部分となるｐ型ポリシリコン膜３とｎ
型ポリシリコン膜４が設けられている。さらに、各ポリ
シリコン膜３，４は、第１のダイアフラム１０の第１の
支持部分１０ａの対角位置６−１で温接点コンタクト金
属７−１に接続されている。

【００７２】また、図１における冷接点は熱電対材料で
あるポリシリコン膜３，４と接続した金属、例えばアル
ミニウム等の冷接点金属７−２が酸化シリコン膜２，５
中に埋め込まれた構造としており、シリコン基板１を冷
接点としている。

【００７３】図１の構造においては、入射した赤外線は
赤外線吸収体層（図示せず）において熱に変換され赤外
線吸収体層と温接点金属７−１の温度を上昇させる。一
方、冷接点金属７−２はシリコン基板１により冷却され
ているので温度上昇しない。従って、入射赤外線量によ
って比例した温度差が温接点−冷接点間に生じ、この温
度差がゼーベック効果により温接点−冷接点間の電位差
に変換されて、出力される。

【００７４】ここで、図１においては、従来構造として
示した図１３と比較して、熱電対の温接点−冷接点間の
熱コンダクタンスＧが大幅に低減されていることが判
る。

【００７５】図１と図１３との比較のために、適当なサ
イズとして中空構造部分の面積を１００μｍ×１００μ
ｍ＝１×１０⁴ μｍ² 、熱電対材料としてｐ型及びｎ型
に不純物ドーピングされたポリシリコン膜を、その厚さ
が０．０７μｍ、その加工線幅が０．６μｍとなるよう
に形成した場合における温接点と冷接点との間の熱コン
ダクタンスＧを概算する。

【００７６】図１３に示す従来構造では、ダイアフラム
上の温接点とダイアフラムに隣接する冷接点との距離Ｌ
が３種類の熱電対を合計１２対直列配列しており、その
うちわけはＬ１＝５０μｍ；２対、Ｌ２＝３５μｍ；６
対、Ｌ３＝１５μｍ；４対である。

【００７７】また、ダイアフラムによる付加的な熱コン
ダクタンスの増加を無視して、熱コンダクタンスは熱電
対材料のみによるとすれば、熱コンダクタンスＧは１．
２×１０^-6Ｗ／Ｋと概算される。

【００７８】このとき、十分に低い周波数で変調されて
いる赤外光を想定すれば、（式１）より、熱電対を１２
対直列配列することによる出力電圧の増加効果を、単一
熱電対構造における熱コンダクタンスの低減効果に置換
することが可能であるので、その効果を考慮すれば、Ｇ
´＝Ｇ／Ｎ＝Ｇ／１２＝１．７×１０^-7Ｗ／Ｋとなる。

【００７９】一方、図１に示す構造では、熱電対は１対
のみであり、熱電対材料であるポリシリコンの、温接点
と冷接点との間の長さＬは１５０μｍである。図１にお
いても従来構造と同様の仮定のもとで、熱コンダクタン
スＧを概算すれば、Ｇ＝３×１０^-8Ｗ／Ｋという値を得
る。従って、熱電対の直列効果を含めての比較において
も、図１の構造によれば図１３の従来構造の約６倍もの
高感度化が得られることが判る。

【００８０】このように本実施形態によれば、赤外線吸
収体層及び温接点コンタクト金属７−１を設置するため
の第１のダイアフラム１０と、熱電対の配線部分となる
ポリシリコン膜３，４を支持するための第２のダイアフ
ラム９とを設け、ポリシリコン膜３，４を第１のダイア
フラム１０上のコンタクト金属７−１に接続して熱電対
の温接点を形成しているので、熱電対の温接点とシリコ
ン基板１との間の熱コンダクタンスの極めて小さくする
ことができ、これにより赤外線検出感度の大幅な向上を
はかることができる。

【００８１】（第２の実施形態）図２は、本発明の第２
の実施形態に係わる赤外線固体撮像装置の単位画素部構
造を説明するための模式図であり、シリコン基板１上に
酸化シリコン膜２の一部を犠牲層としてエッチングして
形成した中空構造８上にｐ型ポリシリコン３とｎ型ポリ
シリコン型４とをアルミニウム等の温接点コンタクト金
属７−１により接続したサーモパイル型の赤外線固体撮
像値の単位画素構造を示している。

【００８２】図２の（ａ）は単位画素構造の平面図であ
り、（ｂ）（ｃ）は各々（ａ）のＡ−Ａ´，Ｂ−Ｂ´に
沿った断面構造図である。

【００８３】また、図２における冷接点は熱電対材料で
あるポリシリコン膜３，４と接続した金属、例えばアル
ミニウム等の冷接点金属７−２が酸化シリコン膜２，５
中に埋め込まれた構造としており、シリコン基板１を冷
接点としている。

【００８４】図２の構造においても、入射した赤外線は
赤外線吸収体層において熱に変換され赤外線吸収体層と
温接点金属７−１の温度を上昇させる。一方、冷接点金
属７−２はシリコン基板１により冷却されているので温
度上昇しない。

【００８５】図２と図１との違いは、熱電対の温接点コ
ンタクト金属７−１及び赤外線吸収材料層を支持する第
１のダイアフラム１０と、熱電対材料となっているポリ
シリコンの配線層３，４を支持する第２のダイアフラム
９とが、同一の材料層により一体形成されており、かつ
半導体基板１との支持構造は第２のダイアフラム９のみ
が有しており、熱電対の温接点コンタクト金属７−１及
び赤外線吸収材料層を支持する第１のダイアフラム１０
は第２のダイアフラム９によって支持されていることで
ある。

【００８６】より具体的には、第１のダイアフラム１０
は矩形の一部を対角線方向に沿って周辺部から一部切欠
した形状であり、第２のダイアフラム９はＺ字型に形成
されており、各々の中心部が共通となっている。

【００８７】図２の構造においては、赤外線の吸収によ
り温度が上昇する領域を支持する第１のダイアフラム１
０がシリコン基板１には直接支持されていないために、
第１のダイアフラム１０の熱伝導に起因する熱電対の温
接点と冷接点間との間の熱コンダクタンスの増加は全く
発生しない。

【００８８】従って、同一の入射赤外光に対する感熱部
の温度上昇を大きくすることが可能であるので、高感度
の赤外線固体撮像装置が実現できる。

【００８９】（第３の実施形態）図３は、本発明の第３
の実施形態に係わる赤外線固体撮像装置の単位画素部構
造を説明するための模式図であり、シリコン基板１上に
酸化シリコン膜２の一部を犠牲層としてエッチングして
形成した中空構造８上にｐ型ポリシリコン３とｎ型ポリ
シリコン型４とをアルミニウム等の温接点コンタクト金
属７−１により接続したサーモパイル型の赤外線固体撮
像値の単位画素構造を示している。

【００９０】図３の（ａ）は単位画素構造の平面図であ
り、（ｂ）（ｃ）は各々（ａ）のＡ−Ａ´，Ｂ−Ｂ´に
沿った断面構造図である。

【００９１】また、図３における冷接点は熱電対材料で
あるポリシリコン膜３，４と接続した金属、例えばアル
ミニウム等の冷接点金属７−２が酸化シリコン膜２，５
中に埋め込まれた構造としており、シリコン基板１を冷
接点としている。

【００９２】図３の構造においても、入射した赤外線は
赤外線吸収体層において熱に変換され赤外線吸収体層と
温接点金属７−１の温度を上昇させる。一方、冷接点金
属７−２はシリコン基板１により冷却されているので温
度上昇しない。

【００９３】図３と図２との違いは、熱電対の温接点金
属７−１及び赤外線吸収材料層を支持する第１のダイア
フラム１０と、熱電対材料となっているポリシリコンの
配線層３，４を支持する第２のダイアフラム９とが、異
なる材料層により形成されていることであり、図３の例
では第１のダイアフラム１０と第２のダイアフラム９の
いずれも窒化シリコン膜により形成した例である。

【００９４】図３の構造においても、図２と同様に、半
導体基板１との支持構造は第２のダイアフラム９のみが
有しており、熱電対の温接点金属７−１及び赤外線吸収
材料層（不図示）を支持する第１のダイアフラム１０は
第２のダイアフラム９によって支持されている。

【００９５】従って、図３の構造においては、図２と同
様に赤外線の吸収により温度が上昇する領域を支持する
第１のダイアフラム１０が直接、半導体基板１に支持さ
れていないために、第１のダイアフラム１０の熱伝導に
起因する熱電対の温接点７−１と冷接点７−２との間の
熱コンダクタンスの増加は全く発生しない。

【００９６】さらに、図２及び図３における赤外線吸収
体層（不図示）が、熱電対の温接点金属７−１を覆うよ
うに形成されるという一般的構造である場合で比較すれ
ば、図２において温接点金属７−１に示される面積と比
べて、図３における温接点金属７−１の面積が、明らか
に大面積化されていることから、図３の構造において
は、赤外線吸収体層（不図示）が図２よりも大面積化さ
れている。

【００９７】従って、単位画素面積Ｓｐと赤外線吸収体
層面積Ｓａとの比により定義される開口率（Fill Facto
r ：ＦＦ＝Ｓａ／Ｓｐ）は図２の構造よりも図３の構造
の方が向上している。

【００９８】一方、入射赤外線パワーＰirと、画素面積
Ｓｐ、赤外線吸収体層の吸収率Ａとを用いれば、赤外線
吸収体層における吸収パワーＰinは、 Ｐin＝Ｐir×Ａ×ＦＦ×Ｓｐ として表現される。

【００９９】また、熱電対両端に発生している温度差を
ΔＴとした場合の、熱電対配線を含む熱コンダクタン
ス：Ｇによる赤外線吸収体層からの損失パワーＰout
は、 Ｐout ＝Ｇ×ΔＴ である。

【０１００】一方、十分低周波領域で熱容量の影響が無
い状況を仮定すれば、Ｐin＝Ｐoutなので、 Ｐir×Ａ×ＦＦ×Ｓａ＝Ｇ×ΔＴ となる。

【０１０１】図１、２、３に示すように、熱電対が画素
内部に１対のみ構成されている場合には、ゼーベック係
数をＳとすれば、出力電圧Ｖｏｕｔは、 として表現される。

【０１０２】即ち、図３においては図２の構造よりも、
開口率ＦＦを増大可能であるので、同一の入射赤外光に
対する感熱部の温度上昇を大きくすることが可能であ
り、従って、さらに高感度の赤外線固体撮像装置が実現
できる。

【０１０３】また、図３に示すように、第１のダイアフ
ラム１０として窒化シリコン膜を用いることは、第１の
ダイアフラム１０を単なる支持板としての機能だけでは
なく、赤外線吸収体層（不図示）及び温接点金属７−１
とポリシリコン膜３，４との間の熱コンダクタンスを低
下させる効果も発生する。

【０１０４】何故なら、図３（ｃ）の断面構造に示され
るように第１のダイアフラム１０と第２のダイアフラム
９とがオーバーラップする領域における、中空構造部分
には赤外線固体撮像装置をパッケージした際の封止雰囲
気が存在しているために、この雰囲気の熱伝導に起因し
た感度低下が発生する可能性があるからである。

【０１０５】この場合には、雰囲気による熱伝導は、上
記のオーバーラップ領域の面積に比例し、オーバーラッ
プ部分の距離に反比例する。そして、図３の構造のよう
に第１のダイアフラム１０を窒化シリコン膜により形成
することで、第１のダイアフラム形状を下に凸とするこ
とが可能であり、従って、上記の雰囲気による熱伝導に
よる感度低下を防止可能であり、より好ましい。

【０１０６】このダイアフラム形状の変形は、２種類の
物理的作用に起因している。一つは窒化シリコン膜の内
部応力が温接点金属７−１よりも大きく、かつ圧縮応力
であることであり、もう一つは窒化シリコン膜と温接点
金属との熱膨張係数が異なり、窒化シリコン膜堆積後の
冷却により温接点金属が収縮することである。

【０１０７】例えば、プラズマＣＶＤにより堆積した窒
化シリコン膜の内部応力は約１０００ＭＰａの圧縮応力
であり、アルミニウムの約０．００１ＭＰａやチタンの
約０．０００１ＭＰａの応力を遥かに上回る。

【０１０８】また、これらの材料の熱膨張率（線膨脹
率）は各々５×１０^-7Ｋ^-1、２．５×１０^-5Ｋ^-1、８．
５×１０^-6Ｋ^-1であり、堆積温度が高いとはいえ、絶対
温度で表現すれば高々２〜３倍程度の温度で堆積する窒
化シリコン膜の変形は最も小さく、従って温接点金属の
収縮によって、ダイアフラムは下に凸となる形に変形す
る。

【０１０９】上記の各種定数を用いれば、例えば図３
（ｃ）断面におけるダイアフラム１０の長さ（図３
（ａ）におけるダイアフラム１０の対角長）が５０μｍ
であるときには、上記の２種類の効果によってダイアフ
ラム１０の端部は、図３（ｃ）の状態からさらに、約５
μｍ上昇した位置でバランスするような形状となる。

【０１１０】同様に図１、２、３に示すように、全ての
ダイアフラム９、１０を窒化シリコン膜とすれば、全く
同様の理由から、ダイアフラム９と半導体基板１との間
隔を拡大することが可能であるので、上記の雰囲気によ
る熱伝導による感度低下を防止可能であり、より好まし
い。

【０１１１】勿論、図１、２、図３の構造を基本構造と
して、例えばポリシリコン膜３，４及び第２のダイアフ
ラムを画素内部の中空構造８上で折り返す構造とするこ
とでポリシリコン配線長Ｌをさらに延長することも可能
であり、この方法によれば熱電対の温接点と冷接点との
間の熱コンダクタンスを容易に低減可能であり、従って
更に赤外線感度を向上可能であり、より好ましい。

【０１１２】また、図１、２、３においては、ダイアフ
ラム材料として窒化シリコン膜９を用いた例を示した
が、例えばこのダイアフラム材料を酸化シリコン膜とし
て同様に製造すれば、図１の構造において熱電対及び赤
外線吸収体層は、各々熱電対配線自身３，４及び温接点
金属７−１自身とそして赤外線吸収体層（不図示）自身
により支持される形状となる。

【０１１３】この場合には、ダイアフラムの存在そのも
のが無くなるために、温接点と冷接点間の熱コンダクタ
ンスはダイアフラムによる付加的なコンダクタンス増加
が発生しない。従って、熱コンダクタンスは低減され、
さらに高感度化される。

【０１１４】また、図１、２、３では、シリコン基板１
を、シリコン酸化膜２内部の中空構造８を形成するため
のエッチングにおけるエッチングストッパとして示して
いるが、シリコン基板１とシリコン酸化膜２の界面に相
当する位置にシリコン窒化膜等の、シリコン酸化膜２と
のエッチング選択性のある材料層を形成すれば、このシ
リコン窒化膜とシリコン基板１との間には自由に構造物
を内蔵可能である。

【０１１５】さらに、コンタクト金属７−１，７−２と
して金属シリサイド、例えばモリブデンシリサイド等を
使用することも可能であり、その場合には一般的に金属
シリサイドが薬品耐性が高いことから、よりエッチング
速度の速い、例えば弗化水素酸溶液等を用いることが可
能となり、より好ましい。

【０１１６】（第４の実施形態）図４は本発明の第４の
実施形態に係わる赤外線固体撮像装置の単位画素部構造
を説明するための模式図であり、シリコン基板１上に酸
化シリコン膜２の一部を犠牲層としてエッチングして形
成した中空構造８上にｐ型ポリシリコン膜３とｎ型ポリ
シリコン膜４とを温接点コンタクトホール６−１を介し
て、例えばアルミニウム等の温接点コンタクト金属７−
１により接続したサーモパイル型の赤外線固体撮像値の
単位画素構造を示している。

【０１１７】図４の（ａ）は単位画素構造の平面図であ
り、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ′に沿った断面構造図であ
る。

【０１１８】また、図４における冷接点は冷接点コンタ
クト６−２を介して熱電対材料であるポリシリコン膜
３，４と接続した金属、例えばアルミニウム等の冷接点
金属７−２が酸化シリコン膜２，５中に埋め込まれた構
造としており、シリコン基板１を冷接点としている。

【０１１９】図４の構造においては、入射した赤外線は
温接点金属７−１の温度を上昇させるが、冷接点金属７
−２はシリコン基板１により冷却されているので温度上
昇しない。従って、入射赤外線量によって比例した温度
差が温接点−冷接点間に生じ、この温度差がゼーベック
効果により温接点−冷接点間の電位差に変換されて、出
力される。

【０１２０】ここで、図４においては、従来構造として
示した図１２と比較して、温接点金属７−１の熱容量Ｃ
及び温接点−冷接点間の熱コンダクタンスＧが大幅に低
減されている。

【０１２１】図４の構造においては、温接点金属７−１
をヒートシンクであるシリコン基板１との間に存在する
中空構造８により熱分離するための支持材が、熱電対材
料であるポリシリコン膜３，４自身からなっている。

【０１２２】また、図４の構造においては、温接点金属
７−１の熱容量は温接点金属７−１及び熱電対材料であ
るポリシリコン膜３，４の一部のみから決定される。即
ち、図４の構造においては、従来例で示される支持材の
存在による熱コンダクタンスＧ及び熱容量Ｃの増加が発
生しないために、従来構造よりも高感度の赤外線固体撮
像が可能となる。

【０１２３】本実施形態は、熱電対を複数個直列接続し
た場合や、ボロメータ型の赤外線固体撮像装置において
も、その熱容量と熱コンダクタンスを低減することで高
感度化が実現できることは言うまでもない。

【０１２４】なお、図４のように、熱容量及び熱コンダ
クタンスが熱電対材料自身のみによって決まる構造の場
合には、通常のサーモパイル型赤外線固体撮像装置で採
用されている熱電対の直列接続は、もはや高感度化の手
段としては不適当となる。

【０１２５】図４の構造を基本熱電対構造として、これ
をＮ個直列接続した場合には、熱コンタクダンスはＮ・
Ｇで表現され、同様に熱容量はＮ・Ｃで表現される。こ
れらの値を、前述の（式１）に適用すれば、Ｎの項が相
殺される。即ち、図４の構造では熱電対のＮ個直列接続
は高感度化の手段ではなく、その微細化を含めて考えて
も図４に示した構造を単独の画素構造として使用するこ
とが好ましい。

【０１２６】（第５の実施形態）図５は本発明の第５の
実施形態に係わる赤外線固体撮像装置を説明するための
もので、（ａ）は単位画素構造の平面図、（ｂ）は
（ａ）のＡ−Ａ´に沿った断面構造図である。

【０１２７】図５に示す赤外線固体撮像装置の画素構造
は基本的には図４と等価であるが、熱電対材料の配置が
図４とは異なり、ｐ型ポリシリコン膜３とｎ型ポリシリ
コン膜４が並行して配置されており、冷接点金属７−２
同士も隣接配置されている。

【０１２８】図５の構造においては、その平面構造を正
方形とした、いわゆる正方画素を容易に構築できるとい
う効果がある。また、同時に、熱電対材料であるポリシ
リコン膜３，４の温度変化による膨張の影響を、図５の
左側の空間にて吸収可能でもある。

【０１２９】なお、図４及び図５では、シリコン基板１
を、シリコン酸化膜２内部の中空構造８を形成するため
のをエッチングにおけるエッチングストッパとして用い
ているが、シリコン基板１とシリコン酸化膜２との界面
に相当する位置にシリコン窒化膜等の、シリコン酸化膜
２とのエッチング選択性のある材料層を形成すれば、こ
のシリコン窒化膜とシリコン基板１との間には自由に構
造物を内蔵することが可能である。

【０１３０】次に、図４及び図５の構造を得るための製
造工程について、図５を例に図６で説明するが、熱電変
換手段と関係の無い、信号読み出し手段の製造工程につ
いては省略する。

【０１３１】まず、図６（ａ）に示すように、シリコン
基板１上にシリコン酸化膜２を１μｍ形成する。このシ
リコン酸化膜２の形成は、熱酸化法でもＣＶＤ法でもか
まわないが、製造工程をより短縮するためには、信号読
み出し回路（不図示）の素子分離のための厚い酸化膜と
同時に形成することが、より好ましい。

【０１３２】次いで、図６（ｂ）に示すように、熱電対
材料としてｐ型ポリシリコン膜３を所望の形状に形成す
る。例えば、アンドープのポリシリコン膜をＬＰ−ＣＶ
Ｄ法により５０ｎｍ堆積し、ｐ型不純物としてボロンを
１５ｋＶでドーズ量＝１×１０¹⁵ｃｍ^-2としてイオン注
入し、不純物活性化のための熱処理を８００℃の窒素ガ
ス雰囲気中で行う。さらに、所望の形状に加工するため
に、フォトグラフィーにより形成した所望のレジストパ
ターンをマスクとして、ＲＩＥによりエッチングする。
この工程により、膜中ボロン濃度が２×１０¹⁹ｃｍ^-3の
ｐ型ポリシリコン膜３のパターンが完成する。

【０１３３】なお、図６には示していないが、ｎ型ポリ
シリコン膜４もｐ型ポリシリコン膜３と同様の工程で形
成可能であり、イオン注入の不純物をｎ型不純物、例え
ばリンとすればよい。

【０１３４】次いで、図６（ｃ）に示すように、ポリシ
リコン膜３，４上に、例えばＬＰ−ＣＶＤ法によりシリ
コン酸化膜５を５０ｎｍ形成し、ＲＩＥ等により温接点
コンタクトホール６−１及び冷接点コンタクトホール６
−２を形成する。

【０１３５】次いで、図６（ｄ）に示すように、温接点
コンタクト金属７−１及び冷接点コンタクト金属７−２
として、例えばアルミニウムをスパッタ等により１００
ｎｍ形成し、所望の形状にＲＩＥ等により加工する。

【０１３６】最後に、図６（ｅ）に示すように、中空構
造８（図６には不図示）を形成するためのレジスト９を
形成し、このレジスト９をマスクとして、コンタクト金
属７−２，７−２及びポリシリコン膜３，４に対して選
択性のあるエッチング方法によりシリコン酸化膜２，５
を等方的にエッチングすれば、前記図５に示す断面構造
を得ることができる。

【０１３７】この中空構造８を形成するための選択エッ
チングとしては、例えばコンタクト金属７−１，７−２
としてアルミニウムを使用する場合には、酢酸：弗化ア
ンモニウム＝１：２の混合エッチング液を使用すること
が可能である。このとき、１μｍのシリコン酸化膜なら
ば、室温で６分程度のエッチングで中空構造８が形成で
きる。

【０１３８】また、コンタクト金属として金属シリサイ
ド、例えばモリブデンシリサイド等を使用することも可
能であり、その場合には一般的に金属シリサイドが薬品
耐性が高いことから、よりエッチング速度の速い、例え
ば弗化水素酸水溶液等を用いることが可能となり、より
好ましい。

【０１３９】（第６の実施形態）図７は本発明の第６の
実施形態に係わる赤外線固体撮像装置の単位画素部構造
を説明するための模式図であり、シリコン基板１上に酸
化シリコン膜２の一部を犠牲層としてエッチングして形
成した中空構造８上にｐ型ポリシリコン膜３とｎ型ポリ
シリコン膜４とをアルミニウム等の温接点コンタクト金
属７−１により接続したサーモパイル型の赤外線固体撮
像値の単位画素構造を示している。

【０１４０】図７の（ａ）は単位画素構造の平面図であ
り、（ｂ）（ｃ）は（ａ）のＡ−Ａ′，Ｂ−Ｂ′に沿っ
た断面構造図である。

【０１４１】また、図７における冷接点は熱電対である
ポリシリコン膜３，４と接続した金属、例えばアルミニ
ウム等の冷接点金属７−２が酸化シリコン膜２，５中に
埋め込まれた構造としており、シリコン基板１を冷接点
としている。

【０１４２】図７の構造においては、入射した赤外線は
温接点金属７−１の温度を上昇させるが、冷接点金属７
−２はシリコン基板１により冷却されているので温度上
昇しない。従って、入射赤外線量によって比例した温度
差が温接点−冷接点間に生じ、この温度差がゼーベック
効果により温接点−冷接点間の電位差に変換されて、出
力される。

【０１４３】ここで、図７においては、従来構造として
示した図１２と比較して、温接点金属７−１の熱容量Ｃ
及び温接点−冷接点間の熱コンダクタンスＧが大幅に低
減されている。

【０１４４】図７の構造においては、温接点金属７−１
をヒートシンクであるシリコン基板１との間に存在する
中空構造８により熱分離するための支持材が、熱電対材
料であるポリシリコン膜３，４の自身からなっている。

【０１４５】また、図７の構造においては、温接点金属
７−１の熱容量は温接点金属７−１及び熱電対材料であ
るポリシリコン膜３，４の一部のみから決定される。即
ち、図７の構造においては、従来例で示される支持材の
存在による熱コンダクタンスＧ及び熱容量Ｃの増加が発
生しないために、従来構造よりも高感度の赤外線固体撮
像が可能となる。

【０１４６】本実施形態は、熱電対を複数個直列接続し
た場合や、ボロメータ型の赤外線固体撮像装置において
も、その熱容量と熱コンダクタンスを低減することで高
感度化が実現できることは言うまでもない。

【０１４７】なお、図７のように、熱容量及び熱コンダ
クタンスが熱電対材料自身のみによって決まる構造の場
合には、通常のサーモパイル型赤外線固体撮像装置で採
用されている熱電対の直列接続は、もはや高感度化の手
段としては不適当となる。

【０１４８】図７の構造を基本熱電対構造として、これ
をＮ個直列接続した場合には、熱コンタクダンスはＮ・
Ｇで表現され、同様に熱容量はＮ・Ｃで表現される。こ
れらの値を、前述の（式１）に適用すれば、Ｎの項が相
殺される。即ち、図７の構造では熱電対のＮ個直列接続
は高感度化の手段ではなく、その微細化を含めて考えて
も図７に示した構造を単独の画素構造として使用するこ
とが好ましい。

【０１４９】また、図７においては、単一の熱電対を熱
電変換手段として使用し、熱電対自身での中空構造上支
持という特徴だけでなく、熱電対材料であるポリシリコ
ン膜３，４が極めて微細に加工されているという特徴が
示されている。そして、そのポリシリコン膜３，４の断
面形状に注目すれば、図７（ｃ）に示されるように、そ
の高さがその幅よりも大きい、縦長の断面構造に加工さ
れている。

【０１５０】図７（ｃ）に示す断面構造においては、前
述したように温接点を支持するときの温接点の変位を大
幅に抑制できる。即ち、機械的な強度が大幅に向上する
ことになり、赤外線固体撮像装置の外部から機械的ショ
ックに対する耐久性が大幅に向上することになる。そし
て、ポリシリコン膜３，４が極めて微細に加工されてい
ることから、その断面積は大幅に微細化されるために、
熱電対の温接点７−１と冷接点７−２との間の熱コンダ
クタンスＧは大幅に低減されるので、赤外線固体撮像装
置としての感度が大幅に向上している。

【０１５１】ここで、図７に示す本発明の実施形態と従
来技術とを、感度の点で比較する。サーモパイル型赤外
線固体撮像装置における感度は、前記（式１）に示した
通りだが、実際にサーモパイルを２次元的に配列した固
体撮像装置においては、（式１）に示した感度だけでは
なく、単位画素面積Ｓpixel と実際に赤外光を検出する
検出部面積Ｓdetectとの比として定義される開口率ＦＦ
＝Ｓdetect／Ｓpixelと感度Ｒとの積が実質的な感度と
なる。

【０１５２】勿論、画素毎に形成された光学系であるマ
イクロレンズにより画素部への入射光を検出部に集光す
ることで、光学的に開口率を向上することで実感度Ｒ・
ＦＦを向上可能であるが、その内部に中空構造を有する
熱電変換型の赤外線固体撮像装置では、その形成は極め
て困難であるので、以下の計算では、光学的な開口率向
上手段を施さない状態での比較を行う。

【０１５３】また、感度Ｒの比較を行うにあたって、そ
の時の入射光の変調周波数の増加による感度低下を考慮
する必要があるが、以下の計算では入射光の変調周波数
の影響が現れない、十分低い周波数領域での比較を行
う。さらに、検出部における赤外光の吸収率を向上する
膜として、その吸収率が約０．９である金の黒化膜を形
成して比較している。

【０１５４】まず、第１の従来構造として画素面積：Ｓ
pixel ＝１００×１００＝１０⁴ μｍで、熱電対の直列
接続数：Ｎ＝３２、熱電対材料が幅：Ｗpoly＝０．６μ
ｍで厚さ：Ｈpoly＝０．０７μｍのポリシリコンであ
り、熱電対の支持層として酸化シリコン層を形成し、ポ
リシリコン犠牲層のエッチングにより中空構造を形成し
ているサーモパイル型の赤外線固体撮像装置（Toshio K
anno, et al.,Proc.SPIEVol.2269, pp.450-459, 1994
）を考えれば、感度Ｒとして１５５０Ｖ／Ｗが報告さ
れている。この素子においては、開口率ＦＦは約１０％
程度であり、実質的な感度は、Ｒ・ＦＦ＝１５５Ｖ／Ｗ
となる。

【０１５５】次に、比較例として図５に示す微細画素構
造については、画素寸法：Ｐix＝５．６μｍ、温接点と
冷接点との間隔：Ｌpoly＝１．２μｍ、ポリシリコン
幅：Ｗpoly＝０．８μｍ、ポリシリコン厚さ：Ｈpoly＝
０．０５μｍであり、熱電対は直列接続しておらず、Ｎ
＝１である。

【０１５６】この画素構造では、開口率ＦＦ＝６．１％
であり、実質的な感度は、Ｒ・ＦＦ＝４．８Ｖ／Ｗとな
ってしまい、微細化によって大幅に感度が低下してしま
う。この原因は、微細化に伴って温接点と冷接点との間
隔：Ｌpoly＝１．２μｍにまで短縮されてしまったにも
拘らず、ポリシリコン幅Ｗpolyや、ポリシリコン厚さＨ
polyが縮小されなかったことによる、熱コンダクタンス
Ｇの増加による。

【０１５７】一方、本発明の実施形態である図７の構造
によれば、画素寸法：Ｐixや温接点と冷接点との間隔Ｌ
polyを図５と同一寸法とした微細画素であるにも拘ら
ず、ポリシリコンを微細に加工したことで、熱コンダク
タンスＧの増加を抑制しており、従って感度の低下も大
幅に抑制されている。

【０１５８】具体的には、ポリシリコン幅Ｗpoly＝０．
０５［μｍ］、厚さＨpoly＝０．１［μｍ］であり、図
７（ｃ）に示すような断面構造であるので、ポリシリコ
ン断面積Ｓpoly＝４．４６×１０^-15 ［ｍ² ］と、大幅
に縮小されているので、実質的な感度Ｒ・ＦＦ＝５７
［Ｖ／Ｗ］が得られている。この値は、第１の従来例と
して示した画素寸法が１００μｍという、大型画素構造
の素子と比較しても遜色ない高い値である。

【０１５９】仮に、画素縮小を画素寸法が５．６μｍと
いう水準まで求めなければ、この感度はさらに向上す
る。例えば、単純に図７の構造を２倍・３倍にスケーリ
ングすれば、２μｍ画素ではＲ・ＦＦ＝１１４Ｖ／Ｗ
が、１６．８μｍ画素ではＲ・ＦＦ＝１７１Ｖ／Ｗとい
う高い値を、微細画素構造において実現できる。

【０１６０】なお、図７及び図５では、シリコン基板１
を、シリコン酸化膜２内部の中空構造８を形成するため
のをエッチングにおけるエッチングストッパとして示し
ているが、シリコン基板１とシリコン酸化膜２の界面に
相当する位置にシリコン窒化膜等の、シリコン酸化膜２
とのエッチング選択性のある材料層を形成すれば、この
シリコン窒化膜とシリコン基板１との間には自由に構造
物を内蔵可能である。

【０１６１】（第７の実施形態）次に、本発明の第６の
実施形態の赤外線固体撮像装置の製造方法を、図８〜１
０を用いて説明するが、熱電変換手段と関係の無い、信
号読み出し手段の製造工程について省略する。

【０１６２】図８は、赤外線固体撮像装置の熱電対材料
であるポリシリコン膜を極めて微細に加工する方法を説
明するための模式図である。図９は、赤外線固体撮像装
置の熱電対材料である微細加工されたポリシリコン膜
を、温接点及び冷接点近傍で、分離するための加工方法
を説明するための模式図である。図１０は、赤外線固体
撮像装置の熱電対材料であるポリシリコン膜を、温接点
において接続する方法を説明するための模式図である。

【０１６３】ポリシリコン膜の微細加工方法について図
８を用いて説明する。まず、シリコン基板１上にシリコ
ン酸化膜２を１μｍ形成する。このシリコン酸化膜２の
形成は、熱酸化法でもＣＶＤ法でもかまわないが、製造
工程をより短縮するためには、信号読み出し回路（不図
示）の素子分離のための厚い酸化膜と同時に形成するこ
とが、より好ましい。

【０１６４】図８は、図７（ａ）における熱電対の温接
点７−１近傍に相当する部分を拡大したものとほぼ等価
の断面構造図であり、図８（ａ）はポリシリコン膜を微
細に形成するために酸化シリコン膜からなる犠牲層２に
段差構造を形成した状態である。

【０１６５】図８（ａ）では、フォトリソグラフィーに
よる加工限界によって犠牲層２の段差形状を形成したも
のとしており、犠牲層加工時のレジスト形成幅をＬine
として、またレジスト除去幅Ｓpaceとして各々記載して
いる。同時に、犠牲層２の段差構造の段差の高さをＳte
p として記載しており、この段差構造凹部を９として定
義している。

【０１６６】このように段差加工した犠牲層２上に、図
８（ｂ）に示すように、等方的膜法として例えば減圧Ｃ
ＶＤ法等によりポリシリコン膜１１を、膜厚＝Ｄpolyと
なるようにコンフォーマルに成膜する。

【０１６７】次いで、犠牲層２に対して選択性のある異
方性エッチングとして、例えばＲＩＥ等によりポリシリ
コン膜１１をエッチングすることにより、図８（ｃ）の
微細加工されたポリシリコン構造を得る。ここで、ポリ
シリコン膜１１のエッチング量としてＥpolyを図示して
いる。図８（ｃ）に示したポリシリコン構造は、まさし
く図７（ｃ）に示したポリシリコン構造と同一形状であ
ることが判る。

【０１６８】そして、完成したポリシリコン膜１１にお
ける断面構造を、仮にその高さＨpolyと、その幅Ｗpoly
とで規定するものとすれば、これらは、 Ｈpoly＝Ｓtep ＋Ｄpoly−Ｅpoly Ｗpoly＝Ｄpoly として表現されるものであり、従ってフォトリソグラフ
ィーによる加工限界である図８（ａ）におけるＬine や
Ｓpaceには全く依存せず極めて微細な加工が可能であ
り、同時にＳtep ，Ｄpoly，Ｅpolyという容易に制御可
能なプロセスパラメータによって容易に制御可能であ
る。

【０１６９】次に、図８に示したように微細加工された
ポリシリコン膜１１を、温接点及び冷接点において分離
する方法を図９を用いて説明する。図９は、図７（ａ）
に示した画素構造のためのポリシリコン構造を形成する
方法を説明しており、図７（ａ）の平面構造とほぼ等価
な平面構造図である。

【０１７０】図８（ｃ）に示した構造のポリシリコン構
造が完成した時点での画素部分の平面図が図９（ａ）に
相当しており、犠牲層２内部の凹部９の側壁部分に微細
加工されたポリシリコン膜１１が形成されている。

【０１７１】そして、図９（ａ）に示すように、温接点
近傍のレジスト開口１３−１と冷接点近傍のレジスト開
口１３−２の開口部を形成したレジストパターン１２を
形成する。

【０１７２】このレジストをマスクとして、犠牲層２に
対して選択性があるエッチングをポリシリコン膜１１に
対して施すことで、図９（ｂ）に示すように分離された
ポリシリコン膜３，４を形成する。そして、このように
分離したポリシリコン膜３，４に対して、各々独立に不
純物ドーピングを例えばイオン注入により行うことによ
って、各々ｐ型とｎ型に不純物ドープされたポリシリコ
ン膜３，４が形成される。

【０１７３】例えば、ｐ型不純物としてボロンを１５ｋ
Ｖでドーズ量＝１×１０¹⁵ｃｍ^-2としてイオン注入し、
不純物活性化のための熱処理を８００℃の窒素ガス雰囲
気中で行うことで、膜中ボロン濃度が２×１０¹⁹ｃｍ^-3
のｐ型ポリシリコン膜３のパターンが完成する。ｎ型ポ
リシリコン膜４もｐ型ポリシリコン膜と同様の工程で形
成可能であり、イオン注入の不純物をｎ型不純物であ
る、例えばリンとすればよい。

【０１７４】次いで、温接点コンタクトホール６−１及
び冷接点コンタクトホール６−２をＲＩＥ等により形成
し、温接点コンタクト金属７−１及び冷接点コンタクト
金属７−２として、例えばアルミニウムをスパッタ等に
より１００ｎｍ形成し、所望の形状にＲＩＥ等により加
工することで熱電対が完成するが、本発明の実施形態に
おいては、いわゆるコンタクトホールという概念とは若
干異なる方法でポリシリコン膜３，４と接点金属７−
１，７−２とを接続するので、その接続方法を図１０に
より説明する。

【０１７５】図１０は、図８に示した方法により形成し
たポリシリコン膜３，４上に酸化シリコンからなる犠牲
層２を追加形成し、さらにポリッシング法やリフロー法
やエッチング法等の技術により表面を平坦化した状態で
あり、図１０（ａ）（ｂ）は図８とほぼ等価である。

【０１７６】図１０（ａ）の形状となった素子に温接点
コンタクト６−１及び冷接点コンタクト６−２を形成す
るのだが、本実施形態においては接続対象のポリシリコ
ン膜３，４がリソグラフィーによる加工限界よりも遥か
に微細に加工されているために、いわゆるコンタクトホ
ールを形成することはできない。

【０１７７】従って、図１０（ｃ）（ｄ）に示される温
接点金属７−１の領域を僅かに拡大した領域にコンタク
トホールに相当する犠牲層２のエッチングを施すことに
なる。

【０１７８】図１０では、図示した全部の領域がこのコ
ンタクトホールに相当するものとして説明を進める。

【０１７９】図１０（ａ）なる構造の画素領域に対し
て、フォトリソグフィーにより定義されたコンタクトホ
ールに相当するレジストパターンをマスクに犠牲層２を
所望の量だけエッチングしたときの断面図が図１０
（ｂ）である。

【０１８０】次いで、図１０（ｂ）に対して、接点金属
として例えばアルミニウムをスパッタ等により１００ｎ
ｍ形成し、所望の形状にＲＩＥ等により加工することで
図１０（ｃ）（ｄ）に示すように熱電対が完成する。

【０１８１】ここで、図８、９の説明においては、犠牲
層２の凹部９内の側壁に形成されたポリシリコン膜を一
対の熱電対材料として形成する方法を説明してきたが、
逆に凸形状外の側壁に形成されたポリシリコン膜を一対
として熱電対を形成する方法も可能である。

【０１８２】図８においては、図中の３本のポリシリコ
ン膜のうち左側２本を一対とするのででなく、右側２本
を一対とすれば良く、図９においては、凹部として定義
した９の領域を逆に凸部として定義すれば、概ね同様に
説明できる。

【０１８３】しかし、一つの凹部内の側壁に形成された
ポリシリコン膜を一対として温接点７−１を形成する方
法（図１０（ｃ））が、幾つかの理由で優れている。

【０１８４】まず、出来上がりの最小寸法で比較する。
最小加工寸法がＬine ＝Ｓpace（図８（ａ）参照）で同
一であり、ポリシリコン加工のためのプロセスパラメー
タが同一の場合について、図１０（ｃ）（ｄ）に凹部内
壁の熱電対の温接点と凸部外壁の熱電対の温接点とを各
々示し、その接点金属幅を各々Ｗｈｃ１，Ｗｈｃ２とし
て表示してある。

【０１８５】その製造方法からも明らかなように、Ｗｈ
ｃ１＜Ｗｈｃ２となることが図からも判る。

【０１８６】従って、画素に微細化においては、一つの
凹部内壁のポリシリコン膜同士を接続することで温接点
を形成する方法が有利である。

【０１８７】さらに、図１０（ｃ）（ｄ）に矢印で示し
た部分に注目すれば、凹部内壁のポリシリコン膜からな
る熱電対が構造的により安定であることが判る。

【０１８８】接点金属の形状方法としては、スパッタ等
の物理的堆積法を用いることが一般的であるが、その場
合には段差部でのステツプカバレージが問題となる。

【０１８９】従って、ポリシリコン膜の断面構造におい
て曲線部分同士が対向し接点を構成する図１０（ｃ）で
は確実に接点金属による接触が可能であるのに対して、
図１０（ｄ）では矢印部分において接点金属膜厚が減少
し、いわゆる段切れが発生してしまう場合もある。

【０１９０】以上、２点の理由から、温接点側において
は、一つの凹部内の側壁に形成されたポリシリコン膜同
士を一対の熱電対として接続する図１０（ｃ）の構造が
より好ましい。

【０１９１】最後に、中空構造８を形成するためのレジ
ストを形成し、レジストをマスクとして、コンタクト金
属７−２，７−２及びポリシリコン膜３，４に対して選
択性のあるエッチング方法によりシリコン酸化膜２，５
を等方的にエッチングすれば、図７に示す構造を得るこ
とができる。

【０１９２】この中空構造８を形成するための選択エッ
チングとしては、例えばコンタクト金属７−１，７−２
としてアルミニウムを使用する場合には、酢酸：弗化ア
ンモニウム＝１：２の混合エッチング液を使用すること
が可能である。このとき、１μｍのシリコン酸化膜なら
ば室温で６分程度のエッチングで中空構造８が形成でき
る。

【０１９３】また、コンタクト金属として金属シリサイ
ド、例えばモリブデンシリサイド等を使用することも可
能であり、その場合には一般的にシリサイドが薬品耐性
が高いことから、よりエッチング速度の速い、例えば弗
化水素酸水溶液等を用いることが可能となり、より好ま
しい。

【０１９４】（第８の実施形態）図１１は、本発明の第
８の実施形態に係わる赤外線固体撮像装置の構造を説明
するための模式図であり、赤外線固体撮像装置が気密パ
ッケージ内に封止されている。

【０１９５】図１１（ａ）は赤外線固体撮像装置の平面
図であり、図１１（ｂ）は赤外線固体撮像装置チップを
含んだ部分の断面構造図である。但し、図１１において
は本発明の説明と関係のない部分を省略しており、例え
ば赤外線固体撮像装置チップ上のボンディングパットと
ボンディングワイヤーとパッケージ側のボンディングパ
ッド等のチップボンディングに関する部分や、パッケー
ジからの入出力ピンに関する部分は省略している。

【０１９６】以下、赤外線固体撮像装置チップの製造工
程及びダイシング工程が完了してから図１１の構造に至
るまでの概略工程を説明しながら、図１１の構造につい
て説明する。

【０１９７】まず、ダイシングが完了した赤外線固体撮
像装置チップ８１を、接着剤（不図示）によって気密パ
ッケージ８２に固定し、赤外線固体撮像装置チップ８１
上のボンディングパッド（不図示）と気密パッケージ側
のボンディングパッド（不図示）とを、例えばアルミニ
ウム製のボンディングワイヤー（不図示）によって接続
する。ここで、赤外線固体撮像装置チップ８１として
は、前記図１２に示す構造のものは勿論のこと、第１〜
第７の実施形態のものを用いることができる。

【０１９８】次に、所定の充填ガス雰囲気中で、赤外線
固体撮像装置チップ８１を固定した気密パッケージ８２
上に赤外線透過窓８３を気密接着剤８４により固定す
る。このとき、気密接着剤８４による気密パッケージ８
２と赤外線透過窓８３との接着力及び気密性を向上する
ために、必要に応じて加熱処理を行ったり、高エネルギ
ー光照射を行うこともある。

【０１９９】以上の工程により、図１１に示されるよう
に、所定の充填ガス８５により気密封止された赤外線固
体撮像装置が完成する。

【０２００】本実施形態においては、上記の所定の充填
ガス８５を窒素ガスよりも熱伝導率の低い、例えばアル
ゴン，クリプトン，キセノン等のガスとしており、その
結果として赤外線感度の著しい低下を抑制し高感度を維
持したまま、気密パッケージ内部を真空封止する必要が
無いので、小型で低コストで長寿命の赤外線固体撮像装
置を実現している。

【０２０１】前述のように、非冷却型赤外線固体撮像装
置においては、前記図１２に示すように、ヒートシンク
となる半導体基板と熱電変換部との間に空洞を形成する
ことで、熱電変換部とヒートシンクとの間の熱的コンダ
クタンスＧの増加を抑制している。

【０２０２】この図１２の空洞による熱的コンダクタン
スの増加を最小にするためには、前記の工程における充
填ガス雰囲気を無くして封止する方法、即ち赤外線固体
撮像装置チップ８１を真空封止する方法が一般的である
（例えば、Toshio Kanno, etal., Proc. SPIE Vol.226
9, pp.450-459, 1994,や A.Wood, Proc. IEDM, pp.175-
177, 1993 など）。

【０２０３】しかし、この真空封止においては、赤外線
透過窓８３に対して赤外線透過特性以外に大気圧と真空
との差圧に耐える力学的強度特性が必要とされるため
に、図１１（ｂ）においてｄｗで示した、赤外線透過窓
８３の肉厚が増加してしまうと共に、当然赤外線透過特
性も劣化する。また、同様に、気密接着剤８４及び気密
パッケージ８２についても大気圧に耐え得る力学的強度
が必要とされるために、本実施形態の構造と比較して大
型化すると同時に高コスト化する。さらに、真空封止は
封止材からのガス放出等によるリークを伴うものであ
り、従って内部真空度の劣化に伴う赤外線固体撮像装置
の感度低下等の劣化が発生する。

【０２０４】一方、本実施形態によれば、上記のような
各種材料に対する力学的強度は要求されず、特に赤外線
透過窓８３においては、その肉厚ｄｗを大幅に低減でき
るので、大幅に材料コストが低下するとともにその赤外
線透過率も向上する。

【０２０５】ところで、現在の可視光固体撮像装置のパ
ッケージ封止においては、充填ガス８５として不活性で
あり安価な窒素ガスを用いているが、この窒素ガスによ
る封止方法を赤外線固体撮像装置に適用することは、前
述の図１２における空洞による熱的コンダクタンスの増
加が大きく、その結果として赤外線固体撮像装置の感度
が低下してしまい、好ましくない。

【０２０６】本実施形態においては、前記の充填ガス８
５に窒素ガスより熱伝導率の低いガスを封止すること
で、上記の熱的コンダクタンスの増加を抑制しながら、
素子を真空封止するに必要な力学的強度の要求を排除す
ることで、高感度であり、大幅に製造コストが低く、真
空度低下に伴う特性劣化がなく、従って長寿命である赤
外線固体撮像装置を実現している。

【０２０７】以下に充填ガス８５として、可視光撮像装
置において一般的に使用されている窒素に対して、本発
明の実施例としてアルゴン，クリプトン，キセノンを選
択した場合について、その結果を説明する。

【０２０８】上記のガス中で最も熱伝導率Ｋが低いガス
はキセノンであり、その値は５．６２×１０^-3Ｗ／ｍ・
Ｋと窒素の熱伝導率２．６０×１０^-2Ｗ／ｍ・Ｋの１／
４以下である。また、アルルゴン、クリプトンの熱伝導
率は、各々１．７７×１０^-2Ｗ／ｍ・Ｋと、９．４２×
１０^-3Ｗ／ｍ・Ｋであり、いずれも窒素より熱伝導率は
低い。

【０２０９】このとき、図１２に示した空洞が例えば、
平均深さｄ＝２［μｍ］であり、空洞部において熱電変
換部と基板との対向面積Ｓ＝１００×１００＝１０⁴ μ
ｍ²であるとすれば、充填ガスによる熱的コンダクタン
スＧ（ｇａｓ）＝Ｋ×Ｓ／ｄによって求められ、キセノ
ンと窒素では各々２．８１×１０^-5Ｗ／Ｋと、１．３×
１０^-4Ｗ／Ｋとなる。同様に、アルゴン、クリプトンで
は各々８．８５ｅ−５［Ｗ／ｍ・ｋ］、４．７１ｅ−５
［Ｗ／ｍ・ｋ］となる。

【０２１０】一方、赤外線固体撮像装置の感度Ｒは、例
えばサーモパイル型の場合には前記（式１）により表現
される。また、ボロメータ型，焦電型においてもＧに関
しては類似の表式で表現され（例えば、Paul w. Kruse,
Proc. SPIE Vol. 2552, pp.556-563 ）、第１次近似と
して考えれば感度Ｒは熱的コンダクタンスＧに反比例す
る。

【０２１１】ところで、真空中においては充填ガスによ
る熱的コンタクタンスの増加は発生しないが、図１２に
示す構造において熱電変換部を支持する構造物による熱
的コンダクタンスＧ０が存在する。

【０２１２】上記の１００×１００＝１０⁴ μｍ² なる
面積の熱電変換部を有する赤外線固体撮像装置におい
て、この正方形の熱電変換部を４辺から幅ｗ＝１００μ
ｍ、長さｌ＝１０μｍ、厚さｄ＝１μｍの酸化シリコン
膜により支持する場合を考えれば、その時の支持構造物
による熱的コンダクタンスＧ０は、 Ｇ０＝４×Ｇ（ＳｉＯ₂ ）×（ｗ×ｄ）／ｌ により求められ、Ｇ０＝１．４×１０^-5Ｗ／Ｋが得られ
る。但し、Ｇ（ＳｉＯ₂）：酸化シリコン膜の熱伝導率
＝１．４Ｗ／ｍ・Ｋである。

【０２１３】上記の構造の赤外線固体撮像装置チップに
ついて、真空中，キセノン雰囲気中，窒素雰囲気中の３
種類の封止を行った場合の感度、前述の第１次近似によ
り比較するならば、輻射・対流の影響を無視し、支持構
造物による熱的コンダクタンスＧ０と、真空を含む封止
ガスによる熱的コンダクタンスＧ（ｇａｓ）の和の逆数
１／（Ｇ０＋Ｇ（ｇａｓ））としての比較ができる。真
空中での感度を１とした場合に、窒素封止とキセノン封
止の感度は各々９．７％と、３３．３％になることが簡
単な計算により求まる。

【０２１４】即ち、気密パッケージ構造を小型化，低コ
スト化する目的、可視光撮像装置における窒素ガス封止
を適用した場合には、赤外線固体撮像装置の感度は１／
１０以下にまで低下してしまうが、本実施形態に示すキ
セノンガス封止を適用することで、構造の小型化，低コ
スト化に伴う感度の低下を僅か１／３に止めることが可
能となる。勿論、真空封止を行わないことによる効果
は、小型化，低コスト化のみならず、赤外線固体撮像装
置の長寿命化にも及ぶことは前述の通りである。

【０２１５】また、上述の実施形態における感度の概算
においては、図１２に示す空洞部分の平均的深さを２μ
ｍとして計算しているが、赤外線固体撮像装置チップの
設計において、上記空洞部分をより深い構造とすること
で、気密パッケージ内部の充填ガスの熱伝導に起因する
熱的コンダクタンスの増加をさらに抑制することも可能
であり、より好ましい。同様の効果は、空洞部分の対向
面積を縮小することによって実現できる。

【０２１６】なお、本発明は上述した各実施形態に限定
されるものではなく、その要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。

【０２１７】

【発明の効果】本発明（請求項１，２）によれば、熱電
変換手段としての熱電対の温接点及び赤外線吸収体層を
支持する第１のダイアフラムと、熱電対の配線部分を支
持する第２のダイアフラムが、各々独立に設けられた半
導体基板との接続部分により半導体基板との熱的分離の
ための中空構造上に支持されているので、ダイアフラム
による熱電対の温接点と半導体基板との間の熱コンダク
タンスの増加を大幅に低減することができる。従って、
熱電変換手段としての熱電対の温接点と半導体基板との
間の熱コンダクタンスを十分に小さくすることができ、
赤外線検出感度の向上をはかることが可能となる。

【０２１８】このように、赤外線固体撮像装置の熱電変
換構造を、その感度を低減することなく、大幅に微細化
することができるので、光学系の縮小や多画素化への対
応が可能となり、微細画素構造からなる赤外線固体撮像
装置の実現に寄与することができる。

【０２１９】また、本発明（請求項３，４）によれば、
第１及び第２のダイアフラムのうち、第１のダイアフラ
ムを半導体基板には直接支持せずに、熱電対の温接点と
赤外線吸収体層との接続部分において第２のダイアフラ
ムに支持させているため、第１のダイアフラムによる熱
電対の温接点と半導体基板との間の熱コンダクタンスの
増加は発生せず、これにより感度の向上をはかることが
可能となる。さらに、第１及び第２のダイアフラムを独
立に形成した場合、第１のダイアフラムを第２のダイア
フラムよりも上方（赤外線検出側）に設ければ、赤外線
吸収体層の有効面積を増大させることができ、これによ
っても感度の向上をはかることが可能となる。

【０２２０】また、本発明（請求項５，６）によれば、
熱電変換手段の支持を熱電変換手段自身のみ（熱電対の
配線部分）で行うことにより、熱電変換手段の熱容量及
び熱電変換手段と半導体基板との間の熱コンダクタンス
を大幅に低減することができ、これにより感度の向上と
温度分解能の向上が実現できる。

【０２２１】また、本発明（請求項７，８）によれば、
熱電変換手段の支持を熱電変換手段自身のみ（熱電対の
配線部分）で行うと共に、熱電対の配線部分（ポリシリ
コン等から形成）の厚さを幅よりも大きくすることによ
り、機械的な強度を十分保持しながら、配線部分の熱コ
ンダクタンスを極めて小さくすることができ、これによ
り感度の向上と温度分解能の向上が実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施形態に係わる赤外線固体撮像装置の
単位画素部構造を示す平面図と断面図。

【図２】第２の実施形態に係わる赤外線固体撮像装置の
単位画素部構造を示す平面図と断面図。

【図３】第３の実施形態に係わる赤外線固体撮像装置の
単位画素部構造を示す平面図と断面図。

【図４】第４の実施形態に係わる赤外線固体撮像装置の
単位画素部構造を示す平面図と断面図。

【図５】第５の実施形態に係わる赤外線固体撮像装置を
単位画素部構造を示す平面図と断面図。

【図６】図５の赤外線固体撮像装置の製造工程を示す断
面図。

【図７】第６の実施形態に係わる赤外線固体撮像装置の
単位画素部構造を示す平面図と断面図。

【図８】図７の赤外線固体撮像装置の製造工程を示す断
面図。

【図９】図７の赤外線固体撮像装置の製造工程を示す平
面図。

【図１０】図７の赤外線固体撮像装置の製造工程を示す
断面図。

【図１１】第８の実施形態に係わる赤外線固体撮像装置
の単位画素部構造を示す示す平面図と断面図。

【図１２】従来の赤外線固体撮像装置の単位画素部構造
を示す断面図。

【図１３】従来の赤外線固体撮像装置の単位画素部構造
を示す平面図。

【符号の説明】

１…シリコン基板 ２…酸化シリコン膜 ３…ｐ型ポリシリコン膜 ４…ｎ型ポリシリコン膜 ５…酸化シリコン膜 ６−１…温接点コンタクト（ホール） ６−２…冷接点コンタクト（ホール） ７−１…温接点金属 ７−２…冷接点金属 ８…中空構造 ９…第２のダイアフラム １０…第１のダイアフラム １１…ポリシリコン膜 １２…フォトレジスト １３−１…温接点付近におけるポリシリコン加工のため
のレジスト開口 １３−２…冷接点付近におけるポリシリコン加工のため
のレジスト開口

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−245022（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−113353（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−198474（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−5652（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−55557（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−94127（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−252086（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−174551（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−209418（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−274561（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−221128（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−285680（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−43215（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−158586（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−158585（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−158584（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−158583（ＪＰ，Ａ) 特表 平７−507868（ＪＰ，Ａ) 特表 平７−508095（ＪＰ，Ａ) 国際公開97／021250（ＷＯ，Ａ１) 国際公開94／007115（ＷＯ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01J 1/02 G01J 1/42 G01J 5/02 G01J 5/12 - 5/16 G01J 5/20 - 5/26 G01K 7/00 - 7/02 G01K 7/22 - 7/24 G01D 21/00 G01V 8/10 - 8/20 H01L 27/14 H01L 29/84 H01L 31/00 - 31/02 H01L 31/08 H01L 35/32 H01L 37/00 - 37/02

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板上に、赤外線吸収体層への赤
   外線照射により生じた温度変化を電気的信号に変換する
   ための熱電変換手段と、この熱電変換手段により発生し
   た信号を出力する信号出力手段とを有する赤外線固体撮
   像装置であって、前記半導体基板は中空構造部を有しており、 前記熱電変換手段は熱電対により構成されており、 該熱電対の温接点及び前記赤外線吸収体層を支持する第
   １のダイアフラムと前記熱電対の配線部分を支持する第
   ２のダイアフラムとが形成され、 前記第１のダイアフラムは矩形状に形成され、その一つ
   の角部が第１の支持部分を介して直接前記半導体基板に
   接続され、前記第１の支持部分には前記熱電対の配線部
   分は含まれず、前記第２のダイアフラムは、前記第１のダイアフラムと
   同一平面に形成され、かつ、前記第１のダイアフラムと
   前記第２のダイアフラムが前記中空構造部上に配置され
   ており、 前記第２のダイアフラムは前記第１のダイアフラムの回
   りを囲むように形成され、かつ前記第１の支持部分を挟
   むように形成された２箇所の第２の支持部分を介して前
   記半導体基板に接続され、 前記第１のダイアフラム上に形成される赤外線吸収体層
   は、前記第１のダイアフラムの前記第１の支持部分の対
   角位置で前記熱電対の温接点と接続され、前記熱電対の配線部分が、前記第１の支持部分の対角位
   置で前記熱電対の温接点を挟むように前記熱電対の温接
   点と接続され、 前記赤外線吸収体層と前記熱電対の温接点及び配線部分
   は前記第１及び第２のダイアフラムにより前記半導体基
   板上の中空構造上に配置されていることを特徴とする赤
   外線固体撮像装置。
2. 【請求項２】 中空構造部を有する半導体基板と、 赤外線吸収層と前記赤外線吸収層への赤外線の照射によ
   る温度変化を電気信号に変換する熱電対の温接点とを備
   え、前記中空構造部上に配置され、第１の支持部を介し
   て前記半導体基板に直接支持された第１のダイアフラム
   と、 前記熱電対の温接点からの信号を伝達する配線部を備
   え、前記第１のダイアフラムを取り囲むように前記中空
   構造部上に配置され、前記第１の支持部を挟むような位
   置に位置に形成された第２の支持部を介して前記半導体
   基板に支持された第２のダイアフラムとを備え、前記第２のダイアフラムは、前記第１のダイアフラムと
   同一平面に形成され、かつ、前記第１のダイアフラムと
   前記第２のダイアフラムが前記中空構造部上に配置され
   ており、 前記第１の支持部分には前記配線部が含まれていないこ
   とを特徴とする赤外線固体撮像装置。
3. 【請求項３】 前記第１のダイアフラムと前記第２のダ
   イアフラムとが同一材料層により一体形成されているこ
   とを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の赤外線固
   体撮像装置。
4. 【請求項４】 半導体基板上に、赤外線吸収体層への赤
   外線照射により生じた温度変化を電気的信号に変換する
   ための熱電変換手段と、この熱電変換手段により発生し
   た信号を出力する信号出力手段とを有する赤外線固体撮
   像装置であって、前記半導体基板は中空構造部を有しており、 前記熱電変換手段は熱電対により構成されており、 該熱電対の温接点及び前記赤外線吸収体層を支持する第
   １のダイアフラムと前記熱電対の配線部分を支持する第
   ２のダイアフラムとが形成され、 前記第１のダイアフラムは矩形状に形成され、その一つ
   の角部が第１の支持部分を介して直接前記半導体基板に
   接続され、前記第１の支持部分には前記熱電対の配線部
   分は含まれず、前記第２のダイアフラムは、前記第１のダイアフラムと
   同一平面に形成され、かつ、前記第１のダイアフラムと
   前記第２のダイアフラムが前記中空構造部上に配置され
   ており、 前記第２のダイアフラムは前記第１のダイアフラムの回
   りを囲むように形成され、かつ前記第１の支持部分を挟
   むように形成された２箇所の第２の支持部分を介して前
   記半導体基板に接続され、前記熱電対の配線部分が、前記第１の支持部分の対角位
   置で前記熱電対の温接点を挟むように前記熱電対の温接
   点と接続され、 前記赤外線吸収体層と前記熱電対の温接点及び配線部分
   は前記第１及び第２のダイアフラムにより前記半導体基
   板上の中空構造上に配置されていることを特徴とする赤
   外線固体撮像装置。