JPH11317510A

JPH11317510A - 赤外線固体撮像装置および赤外線受光素子

Info

Publication number: JPH11317510A
Application number: JP10122152A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Shoda; 昌宏正田
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1998-05-01
Filing date: 1998-05-01
Publication date: 1999-11-16

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、赤外線撮像装置および赤外線受光
素子に関し、波長分布の検出に適した素子を提供するこ
とを目的とする。【解決手段】半導体基板上にマトリクス状に配置さ
れ、赤外線を検出して電気信号を生じる複数の受光画素
と、受光画素からの電気信号を転送出力する信号走査部
と、受光画素に対向して配置され、受光画素側からの赤
外線の少なくとも一部を反射する反射部とを備えた赤外
線固体撮像装置において、受光画素と反射部との光学的
距離を少なくとも２種類以上に設定することにより、半
導体基板に複数種のオプティカルキャビティ構造を形成
し、複数種のオプティカルキャビティ構造により、「入
射光と反射光とが強め合って生じる分光感度のピーク」
を受光画素の光検出可能な波長域内に複数ずらして配す
ることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、赤外線領域内にお
いて分光感度の制御を可能ならしめる構造を持つ赤外線
固体撮像装置および赤外線受光素子に関する。特に、本
発明は、加法混色の原理に基づく分光分析に好適な赤外
線固体撮像装置および赤外線受光素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】温度を持つ物体からは、赤外線が放射さ
れる。この物体からの赤外線を赤外線固体撮像装置を用
いて撮像することにより、闇夜においても、物体の形や
様子を明瞭に撮像することが可能となる。このような特
徴を活かすことにより、暗闇下の監視を可能とするセキ
ュリティシステムなどが実用化されている。

【０００３】また、物体から放射される赤外線量は、物
体の温度上昇に従って増加する。このときの赤外線量
は、理想的な熱放射体である黒体からの赤外線量に比べ
て少なく、その比率は一般に「放射率（emissivty）」
と呼ばれている。観測対象である物体の放射率が既知で
あれば、上記の赤外線固体撮像装置もしくは赤外線受光
素子で計量した赤外線量から、物体の真の温度を求める
ことが可能となる。このような原理に基づいて、物体の
温度を非接触で計測する赤外線温度計などが実用化され
ている。

【０００４】さらに、赤外線固体撮像装置もしくは赤外
線受光素子を用いて、燃焼物からの強い赤外線放射を検
出することにより、燃焼物の有無を検知することが可能
となる。このような特徴を活かすことにより、広範囲の
監視域にわたって火災発生を迅速に検知する火災検知シ
ステムなどが実用化されている。このように、上述した
赤外線固体撮像装置および赤外線受光素子は、多目的な
用途に使用される重要な受光デバイスである。

【０００５】以下、このような赤外線固体撮像装置の一
例について説明する。図１１（ａ）は、赤外線固体撮像
装置の構造を示す上面図である。図１１（ｂ）は、Ａ−
Ａ′位置の断面構造を示す図である。これらの図におい
て、ｐ型シリコン基板８１の主面上には、画素単位にＰ
ｔが被着され、熱処理を加えることによりＰｔＳｉ膜８
２が形成される。このようなＰｔＳｉ膜８２からなるシ
リサイド層と、ｐ型シリコン基板８１との間のショット
キー接合により、赤外線領域に感度を有する光電変換部
が形成される。

【０００６】これらのＰｔＳｉ膜８２の上方には、酸化
シリコン（屈折率ｎ＝１．４）からなる絶縁膜８３が形
成される。この絶縁膜８３の上には、アルミニウムなど
からなる反射膜８４が設けられ、一種のオプティカルキ
ャビティ構造を構成する。このＰｔＳｉ膜８２と反射膜
８４との幾何学的距離ｄは、全ての受光画素について一
律の値（例えば０．７５μｍ）に設定される。

【０００７】また一方、ＰｔＳｉ膜８２の周囲には、リ
ーク電流を抑制するために、ｎ型拡散層からなるガード
リング８６が設けられる。このようなガードリング８６
の隣には、分離領域８５を一部に介して長尺状のＢＣＣ
Ｄ拡散層８７が埋め込まれる。このＢＣＣＤ拡散層８７
の上方には、絶縁膜を介して、転送パルスを印加するた
めのＣＣＤ転送電極８８が形成される。

【０００８】このような素子構造では、ｐ型シリコン基
板８１の裏面側から赤外線が入射される。入射赤外線
は、ｐ型シリコン基板８１を透過した後、ＰｔＳｉ膜８
２付近に到達する。ＰｔＳｉ膜８２をさらに透過した赤
外線は、反射膜８４でフレネル反射し、反射赤外線とな
る。この反射赤外線は、ＰｔＳｉ膜８２の方向へ再び戻
る。このように入射赤外線と反射赤外線との光路が一致
することにより、両赤外線に干渉が生じる。

【０００９】このとき、ＰｔＳｉ膜８２の位置では、入
射赤外線と反射赤外線との間に、位相差θ＝π＋（２ｎｄ／λ）×２π ・・・（１）が常に生じる。なお、（１）式において、λは赤外線の
波長であり、ｎｄはＰｔＳｉ膜８２と反射膜８４との間
の光学的距離である。このような位相差θにより、Ｐｔ
Ｓｉ膜８２の位置における干渉光の光強度は、 λ＝４ｎｄ／Ｎ［ただし、Ｎ＝１，３，５・・］・・・（２）の波長条件において強め合う。

【００１０】図１２は、ＰｔＳｉ膜８２の位置における
干渉光の光強度（計算値）を示した図である。光強度
は、「Ｎ＝１」に相当する波長４．２μｍをピークに、
なだらかな変化を示している。このような干渉光のエネ
ルギーにより、ＰｔＳｉ膜８２では電子正孔対が発生す
る。このとき生じる自由正孔の大部分は、ショットキー
バリアを乗り越えてｐ型シリコン基板８１内へ流れ込
む。一方、この自由正孔と同数の自由電子は、ガードリ
ング８６の空乏領域内の電位に従って進み、信号電荷と
して蓄積される。なお、このときショットキーバリアを
乗り越えられなかった残りのキャリアは、拡散移動中に
再結合し消滅する。

【００１１】このような光電変換の過程において、赤外
線固体撮像装置の分光感度は、図１３に示す特性とな
る。この分光感度には、ＰｔＳｉ膜８２本来の分光感度
特性が強く現れる。そのため、図１２中のピーク特性
（ピーク波長４．２μｍ）は、図１３に示す分光感度特
性から消失する。このように光電変換された信号電荷
は、トランスファゲートを兼ねるＣＣＤ転送電極８８へ
の印加電圧により、ＢＣＣＤ拡散層８７側へ引き出され
る。ＢＣＣＤ拡散層８７は、ＣＣＤ転送電極８８に印加
される多相の転送パルスに従って、信号電荷を外部へ転
送出力する。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のよう
な赤外線固体撮像装置を用いて温度計測を行う場合、観
測対象の物質について放射率の数値が提供されていると
は限らない。もし放射率が未知の場合、予め、使用者が
実験的に放射率を求めなければならず、非常に手間がか
かる。そのため、実際上は、放射率を黒体の放射率と同
じ値「１」などと仮定して、計測するケースが非常に多
かった。このような使用状態では、正確な温度を計測す
ることは望めなかった。

【００１３】一方、分析化学の分野では、物体の温度変
化に応じて赤外線の波長分布が変化すること（プランク
の分布則）が知られている。図１４は、このような赤外
線の波長分布（計算値）を物体の温度ごとに示した図で
ある。一般に、物体の温度が高くなるに従って、波長の
短い成分のエネルギー比率が高くなる。このような波長
分布の傾向は、個々の物体の放射率にかかわらずほぼ一
定とみなすことができる。したがって、物体から放射さ
れる赤外線の波長分布を検出することができれば、放射
率が未知の物体であっても、物体温度を正確に求めるこ
とが可能となる（より詳しくは、計測自動制御学会論文
集ＶＯＬ．２４，Ｎｏ．４『熱放射の拡張指数則に基づ
く温度推定方法』に記されたものがある）。

【００１４】また、このような温度計測以外にも、赤外
線の発光や吸収スペクトラムを観測することにより、物
体の同定や組成検出など、多様かつ有益な分析作業を行
うことが可能となる。しかしながら、従来の赤外線固体
撮像装置および赤外線受光素子において、上述のような
波長分布の検出を行うためには、可視領域におけるカラ
ーフィルタに相当する赤外領域用のフィルタが不可欠と
なる。

【００１５】一般に、可視領域用のフィルタは顔料など
を用いて容易に作成することができる。それに対し、赤
外領域用のフィルタは、特殊な無機物を数〜数十層にも
わたって蒸着するなどの複雑な方法によらなければ作成
できない。まして、２５０μｍ²程度と非常に小さい受
光画素の上に、このような赤外領域用のフィルタを混在
して形成することは非常に困難となる。

【００１６】特に、従来例に挙げたような裏面入射型の
素子の場合、受光画素とフィルタとの間に、厚いシリコ
ンウェハが介在することとなる。そのため、個々の受光
画素とフィルタとが遠く隔たり、受光画素の位置に合わ
せてフィルタを適正配置すること自体が、非常に困難と
なる。このような問題点を解決するため、先に、本発明
者は、特開平８−８８３４０号公報に示す赤外線固体撮
像装置を開示した。この赤外線固体撮像装置は、半導体
基板上に複数種のオプティカルキャビティ構造からなる
受光画素を配置したものであり、かつ一種以上のオプテ
ィカルキャビティ構造によって生じる「入射光と反射光
とが弱め合う波長域」を、その他種の受光画素の光検出
可能な波長域内に配置するものであった。

【００１７】このような構成の赤外線固体撮像装置で
は、複数種の受光画素から得られる検出出力間の差分を
とることによって、「入射光と反射光とが弱め合う波長
域」に分光感度を有する受光画素を等価的に実現するこ
とが可能となる。しかしながら、このような赤外線固体
撮像装置では、検出出力間の差分をとる際に、偏差検出
手段などの付加構成が必要となる。そのため、装置の構
成をより一層簡略化するため、偏差検出手段の不要な赤
外線固体撮像装置が望まれていた。

【００１８】そこで、請求項１〜３に記載の発明では、
上述した問題点を解決するために、波長分布の検出に適
し、かつ偏差検出手段の不要な赤外線固体撮像装置を提
供することを目的とする。請求項４〜６に記載の発明で
は、上述した問題点を解決するために、波長分布の検出
に適した赤外線受光素子を提供することを目的とする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】（請求項１）請求項１に
記載の発明は、半導体基板上にマトリクス状に配置さ
れ、赤外線を検出して電気信号を生じる複数の受光画素
と、受光画素からの電気信号を転送出力する信号走査部
と、受光画素に対向して配置され、受光画素側からの赤
外線の少なくとも一部を反射する反射部とを備えた赤外
線固体撮像装置において、受光画素と反射部との光学的
距離を少なくとも２種類以上に設定することにより、半
導体基板に複数種のオプティカルキャビティ構造を形成
し、これらの各オプティカルキャビティ構造によって入
射光と反射光とが強め合って生じる「分光感度のピー
ク」を、受光画素の光検出可能な波長域内に複数ずらし
て配することを特徴とする。

【００２０】このような構成では、半導体基板上に複数
種のオプティカルキャビティ構造が設けられる。これら
のオプティカルキャビティ構造の個々において、入射光
と反射光とが強め合うことにより、干渉光の光強度にピ
ーク特性が発生する。このピーク特性を受光画素の光検
出可能な波長域に発生させることにより、受光画素の分
光感度に所望のピーク特性を与えることが可能となる。

【００２１】このようなピーク特性が、オプティカルキ
ャビティ構造の種類ごとに異なるため、半導体基板上に
は、分光感度のピーク波長の異なる受光画素が複数形成
される。これらの受光画素を使用することにより、赤外
線をいくつかの波長帯に区分して検出することが可能と
なる。このような波長帯ごとの検出結果に基づいて赤外
線の波長分布を簡易に求めることが可能となる。

【００２２】なお、本発明者が先に出願した特開平８−
８８３４０号公報の図３，図５，図９には、受光画素の
光検出可能な波長域内に、分光感度のピークが複数存在
する事例が既に開示されている。しかしながら、先願に
開示される分光感度のピークは、いずれもオプティカル
キャビティ構造による光強度の谷間部分と、受光画素本
来の分光感度特性との合成によって生じた擬似的なピー
クである。そのため、先願に開示されるピーク波長の値
は、本発明における入射光と反射光とが強め合う波長の
値とはいずれも明らかに異なる。

【００２３】このように生じたピークであるため、先願
では、ピークの右肩部分が受光画素本来の分光感度特性
といずれも略一致する。そのため、先願における各受光
画素の検出出力には、ピーク右肩部分の出力が共通して
含まれる。このように共通部分を多く含む各検出出力の
値から、直接的に赤外線の波長分布を求めることは難し
い。このような理由もあって、先願では、検出出力間の
差分をとり、分光感度の共通部分を排除する構成が、別
途設けられていた。

【００２４】しかしながら、本発明では、オプティカル
キャビティ構造によって入射光と反射光とが強め合うピ
ーク特性を新規に設けている。そのため、各受光画素の
検出出力に含まれる分光感度特性の共通部分は少なくな
り、各検出出力の値から直接的に赤外線の波長分布を求
めることが可能となる。また、先願では、光強度の谷間
部分と、受光画素本来の分光感度特性との両者からピー
クが副次的に生じているため、ピーク波長の位置は、両
特性の影響を受けて敏感に変化する。そのため、このよ
うな素子のピーク特性を、高精度な計測用途にそのまま
使用することは難しい。しかしながら、本発明における
ピーク波長は、オプティカルキャビティ構造からほぼ一
意に決定される。そのため、ピーク波長の値はさほど変
動せず、安定した特性を容易に得ることができる。した
がって、本発明におけるピーク特性は、高精度な計測用
途に特に好適なものとなる。

【００２５】（請求項２）請求項２に記載の発明は、請
求項１に記載の赤外線固体撮像装置において、受光画素
への赤外線入射経路上に、受光画素の光検出可能な波長
域を制限する波長制限フィルタを配置したことを特徴と
する。通常、上述した（２）式の波長条件から示される
ように、一つのオプティカルキャビティ構造からは、数
次におよぶピーク波長が生じる。そのため、光学的距離
ｎｄの設定によっては、受光画素の光検出可能な波長域
内に、余計なピーク特性まで含まれるおそれがある。

【００２６】しかしながら、請求項２に記載の発明で
は、波長制限フィルタにより光検出可能な波長域を制限
する。したがって、この波長制限フィルタを用いて、余
計なピーク特性を光検出可能な波長域の外におくことが
可能となる。その結果、余計なピーク特性から生じる不
要なノイズ成分を、赤外線固体撮像装置の出力から取り
除くことが可能となる。

【００２７】（請求項３）請求項３に記載の発明は、請
求項１または請求項２に記載の赤外線固体撮像装置にお
いて、光学的距離の少なくとも２種類は、受光画素の光
検出可能な波長域内に位置する「光強度のピーク波長」
のＮ／４倍（ただしＮは３以上の奇数）に設定されるこ
とを特徴とする。

【００２８】以下、一例として、光強度のピーク波長λ
を３．８μｍに設定するケースを挙げて説明する。上述
した（２）式の波長条件から、この場合の光学的距離ｎ
ｄの値は、Ｎ＝１の場合・・・ｎｄ＝３．８×（１／４）＝０．９
５μｍＮ＝３の場合・・・ｎｄ＝３．８×（３／４）＝２．８
５μｍＮ＝５の場合・・・ｎｄ＝３．８×（５／４）＝４．７
５μｍＮ＝７の場合・・・ｎｄ＝３．８×（７／４）＝６．６
５μｍ・・の中から選択できる。

【００２９】図１は、これらの光学的距離ｎｄから得ら
れる光強度のピーク特性をそれぞれ示した図である。図
１に示されるように、Ｎ＝１では、比較的なだらかなピ
ーク特性を示す。一方、Ｎ≧３では、急峻なピーク特性
を示す。図２は、これらの光強度に対してＰｔＳｉ膜本
来の感度を乗じて求めた分光感度特性（計算値）を示し
た図である。図２に示されるように、Ｎ＝１では、分光
感度にピークが生じない。一方、Ｎ≧３では、分光感度
に明確なピークが生じる。このようにＮ≧３の条件で
は、ＰｔＳｉ膜のように本来の分光感度が一様でない受
光画素についても、明確なピーク特性を生じさせること
が可能となる。したがって、請求項３に記載の発明のよ
うに、２種類以上の光学的距離をＮ≧３の条件で設計す
ることにより、明確なピーク特性を有する２種類以上の
受光画素を確実に形成することが可能となる。

【００３０】（請求項４）請求項４に記載の発明は、半
導体基板上に配置され、赤外線を検出して電気信号を生
じる受光部と、受光部に対向して配置され、赤外線の少
なくとも一部を反射する反射部とを備えた赤外線受光素
子において、受光部と反射部との光学的距離を少なくと
も２種類以上に設定することにより、半導体基板に複数
種のオプティカルキャビティ構造からなる領域を形成
し、これらの各オプティカルキャビティ構造によって入
射光と反射光とが強め合って生じる「分光感度のピー
ク」を、受光部の光検出可能な波長域内に複数ずらして
配することを特徴とする。このような構成の赤外線受光
素子では、複数種のオプティカルキャビティ構造を設け
ることにより、入射光と反射光とが強め合って生じる分
光感度のピーク波長を受光部の領域ごとにずらす。この
ような受光部の各領域を用いて赤外線検出を行うことに
より、赤外線の波長分布を簡易に求めることが可能とな
る。

【００３１】（請求項５）請求項５に記載の発明は、請
求項４に記載の赤外線受光素子において、受光部への赤
外線入射経路上に、受光部の光検出可能な波長域を制限
する波長制限フィルタを配置したことを特徴とする。こ
のような構成の赤外線受光素子では、波長制限フィルタ
により光検出可能な波長域を予め制限するので、オプテ
ィカルキャビティ構造から生じる余計なピーク特性を、
光検出可能な波長域の外におくことが可能となる。した
がって、余計なピーク特性によって生じる不要なノイズ
成分を取り除くことが可能となる。

【００３２】（請求項６）請求項６に記載の発明は、請
求項４または請求項５に記載の赤外線固体撮像装置にお
いて、光学的距離の少なくとも２種類は、受光部の光検
出可能な波長域内に位置する「光強度のピーク波長」の
Ｎ／４倍（ただしＮは３以上の奇数）に設定されること
を特徴とする。

【００３３】このような構成では、２種類以上の光学的
距離をＮ≧３の条件で設計するので、明確なピーク特性
を有する２種類以上の領域を確実に形成することができ
る。したがって、ＰｔＳｉ膜のように本来の分光感度が
一様でない受光部を使用する場合であっても、明確なピ
ーク特性を利用して赤外線の波長分布を確実に求めるこ
とが可能となる。

【００３４】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて本発明にお
ける実施の形態を説明する。

【００３５】（第１の実施形態）第１の実施形態は、請
求項１〜３に記載の発明に対応する赤外線固体撮像装置
の実施形態である。図３は、第１の実施形態の概略構成
を示す図である。図３において、赤外線を透過する撮像
光学系１の光軸上には、波長３μｍ未満を除去する波長
制限フィルタ２が配置される。この波長制限フィルタ２
の後方には、赤外線固体撮像装置３が配置される。

【００３６】この赤外線固体撮像装置３の背面側には、
図４に示すような３種類の受光画素４〜６が混在して配
置される。これら３種類の受光画素４〜６は、オプティ
カルキャビティ構造の光学的距離ｎｄの値が互いに異な
る。図５（ａ）は、受光画素４の断面構造を示す図であ
る。図５（ａ）において、ｐ型シリコン基板１１の主面
上にＰｔＳｉ膜１２が形成される。このＰｔＳｉ膜１２
の上方には、酸化シリコン（屈折率ｎ＝１．４）からな
る絶縁膜１３が形成される。この絶縁膜１３の上には、
アルミニウムなどからなる反射膜１４が設けられる。こ
のＰｔＳｉ膜１２と反射膜１４との幾何学的距離ｄは、
受光画素４の場合、１．９μｍに設定される。この反射
膜１４の上には、絶縁膜１９，２９が形成される。

【００３７】一方、ＰｔＳｉ膜１２の周囲には、ｎ型拡
散層からなるガードリング１６が設けられる。このガー
ドリング１６の隣には、分離領域１５を一部に介して長
尺状のＢＣＣＤ拡散層１７が埋め込まれる。このＢＣＣ
Ｄ拡散層１７の上方には、絶縁膜を介してＣＣＤ転送電
極１８が形成される。図５（ｂ）は、受光画素５の断面
構造を示す図である。図５（ｂ）において、ｐ型シリコ
ン基板１１の主面上にＰｔＳｉ膜１２が形成される。こ
のＰｔＳｉ膜１２の上方には、酸化シリコン（屈折率ｎ
＝１．４）からなる絶縁膜２３が形成される。この絶縁
膜２３の上には、アルミニウムなどからなる反射膜２４
が設けられる。このＰｔＳｉ膜１２と反射膜２４との幾
何学的距離ｄは、受光画素５の場合、２．０５μｍに設
定される。この反射膜２４の上には、絶縁膜２９が形成
される。一方、ＰｔＳｉ膜１２の周囲には、ｎ型拡散層
からなるガードリング２６が設けられる。このガードリ
ング２６の隣には、分離領域２５を一部に介して長尺状
のＢＣＣＤ拡散層２７が埋め込まれる。このＢＣＣＤ拡
散層２７の上方には、絶縁膜を介してＣＣＤ転送電極２
８が形成される。なお、受光画素６についても上記同様
の構造であり、ＰｔＳｉ膜１２と反射膜との幾何学的距
離ｄが、２．２μｍに設定される。次に、このような赤
外線固体撮像装置３の製造方法について説明する。

【００３８】（赤外線固体撮像装置３の製造方法）まず
最初に、公知のＬＯＣＯＳ分離法（選択酸化分離法）を
用いて、ｐ型シリコン基板１１上に比較的厚い熱酸化膜
と不純物拡散領域とからなる分離領域１５，２５を形成
する。次に、ＢＣＣＤ拡散層１７，２７を形成し、こ
の拡散層１７，２７の上方にポリシリコンからなるＣＣ
Ｄ転送電極１８，２８を形成する。このような形成過程
に並行して、Ｎ型不純物拡散層からなるガードリング１
６，２６なども形成される。

【００３９】次いで、受光領域以外をレジストで保護し
た後、ウエットエッチングを施して、受光領域に穴をあ
け、ｐ型シリコン基板１１の表面を露出させる。このｐ
型シリコン基板１１の露出表面にＰｔを披着し、次いで
熱処理を施してＰｔＳｉ膜１２を形成する。次に、５０
０℃程度以下の比較的低温で得られる厚さ１．９μｍの
絶縁膜１３を全面に形成する。この絶縁膜１３は、常圧
ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、減圧ＣＶＤ法、又はスパ
ッタ法などによる酸化膜、酸化窒化膜、又は窒化膜な
ど、種々のものから適宜選択できる。但し、絶縁膜１３
はその種類によって屈折率ｎが異なるため、そのオプテ
ィカルキャビティ構造が希望する光学的距離ｎｄになる
ように膜厚ｄも適宜に選択する。

【００４０】絶縁膜１３形成後、受光画素４に相当する
領域に対して、例えばアルミニウムまたはアルミニウム
合金などによって反射膜１４を選択的に形成する。この
ような工程により、図５（ａ）に示す第１のオプティカ
ルキャビティ構造が形成される。続いて、５００℃程度
以下の比較的低温で得られる厚さ０．１５μｍの絶縁膜
１９を全面に追加形成する。この時、受光画素５に相当
する領域上には、絶縁膜１３と合わせて厚さ２．０５μ
ｍの絶縁膜２３が形成されている。

【００４１】その後、受光画素５に相当する領域に対し
て、例えばアルミニウムまたはアルミニウム合金などに
よって反射膜２４を選択的に形成する。このような工程
により、図５（ｂ）に示す第２のオプティカルキャビテ
ィ構造が形成される。次に、５００℃程度以下の比較的
低温で得られる厚さ０．１５μｍの絶縁膜２９を全面に
追加形成する。この時、受光画素６に相当する領域上に
は、絶縁膜２３と合わせて厚さ２．２μｍの絶縁膜が形
成されている。

【００４２】その後、受光画素６に相当する領域に対し
て、例えばアルミニウムまたはアルミニウム合金などに
よって反射膜を選択的に形成する。このような工程によ
り、第３のオプティカルキャビティ構造が形成される。
このように、複数種のオプティカルキャビティ構造を形
成するには、設定膜厚の小さい順に絶縁膜とその上の反
射膜の形成、および追加絶縁膜の形成を順次繰り返せば
よい。

【００４３】このように複数種のオプティカルキャビテ
ィ構造を形成した後、表面保護用の絶縁膜や、必要に応
じて金属配線などを形成して、赤外線固体撮像装置３が
完成する。次に、このように形成された赤外線固体撮像
装置３の分光感度特性について説明する。

【００４４】（赤外線固体撮像装置３の分光感度特性）
上記のような製造方法により、受光画素４〜６は、それ
ぞれ下表のようなオプティカルキャビティ構造を備え
る。屈折率ｎ幾何学的距離ｄ光学的距離ｎｄ受光画素４：１．４１．９ μｍ２．６６μｍ受光画素５：１．４２．０５μｍ２．８７μｍ受光画素６：１．４２．２０μｍ３．０８μｍ図６は、このような３種類のオプティカルキャビティ構
造によって、ＰｔＳｉ膜１２の位置に生じる光強度の波
長特性を示す図である。

【００４５】図７は、この状態におけるＰｔＳｉ膜１２
の分光感度特性を示した図である。図７に示されるよう
に、受光画素４〜６の分光感度特性は、それぞれ下表の
ようなピーク波長を示す。これらのピーク波長はいずれも、上述した（２）式の波
長条件のおいてＮ＝３として得られるピーク波長λにほ
ぼ相当する。このようにＮ＝３の条件で設計したため、
ピーク特性の急峻さは大きく、ＰｔＳｉ膜１２本来の分
光感度特性に打ち消されることがない。なお、これらの
オプティカルキャビティ構造により生じる３μｍ以下の
余計なピーク特性は、波長制限フィルタ２の作用により
抑制される。

【００４６】図８（ａ）は、受光画素４〜６の検出出力
の比率変化を物体温度ごとに示した図である。物体温度
が高くなるに従って、短波長側の受光画素４の検出出力
が大きくなり、長波長側の受光画素６の検出出力が小さ
くなる。また、図８（ｂ）は、「受光画素４の検出出
力」と「受光画素６の検出出力」との比率を物体温度ご
とに示した図である。

【００４７】一般に、物体の放射率は狭い波長範囲では
一定値と見なすことができる。そのため、狭い波長範囲
内の検出出力について比率を算出することにより、物体
ごとに異なる放射率の影響を除去することが可能とな
る。したがって、図８（ａ），（ｂ）に示したような検
出出力比の温度変化は、物体の種類にかかわらず、同一
傾向を示すと考えられる。したがって、このような検出
出力比の結果に基づいて、放射率が未知の物体について
も、物体温度を知ることが可能となる。次に、別の実施
形態について説明する。

【００４８】（第２の実施形態）第２の実施形態は、請
求項４〜６に記載の発明に対応する赤外線受光素子の実
施形態である。図９は、第２の実施形態における赤外線
受光素子ＴＤの構造を説明する概念図である。

【００４９】図９において、ｐ型シリコン基板３１の裏
面側には、反射防止膜３３が形成される。一方、ｐ型シ
リコン基板３１の表面側には、分離領域３４を間に挟ん
で、３つのＰｔＳｉ膜３２ａ〜３２ｃが形成される。こ
れら３つのＰｔＳｉ膜３２ａ〜３２ｃの上方には、厚さ
の異なる絶縁層３６（屈折率１．４）を介して、反射膜
３７ａ〜３７ｃがそれぞれ形成される。この場合、下表
に示す３種類のオプティカルキャビティ構造が形成され
る。

【００５０】屈折率ｎ幾何学的距離ｄ光学的距離ｎｄＰｔＳｉ膜３２ａ：１．４３．０７μｍ４．３ μｍＰｔＳｉ膜３２ｂ：１．４３．２１μｍ４．５ μｍＰｔＳｉ膜３２ｃ：１．４３．３４μｍ４．６８μｍまた、ｐ型シリコン基板３１側には、共通アノード端子
３８が電気的に接続される。ＰｔＳｉ膜３２ａ〜３２ｃ
側には、カソード端子３９ａ〜３９ｃがそれぞれ電気的
に接続される。さらに、赤外線の入射経路上には、波長
３μｍ未満を除去する波長制限フィルタ４０が配置され
る。

【００５１】図１０は、第２の実施形態における分光感
度特性を示す図である。図１０に示されるように、Ｐｔ
Ｓｉ膜３２ａ〜３２ｃの分光感度特性は、それぞれ下表
のようなピーク波長を示す。これらのピーク波長はいずれも、上述した（２）式の波
長条件のおいてＮ＝５として得られるピーク波長λにほ
ぼ相当する。なお、その他の余計なピーク特性は、波長
制限フィルタ４０の作用により抑制される。

【００５２】このように第２の実施形態では、半導体基
板上に複数種のオプティカルキャビティ構造を設けるこ
とにより、分光感度のピーク位置が異なる複数種類の受
光領域を半導体基板上に設けることができる。このよう
な複数種類の受光領域を使用して、赤外線をいくつかの
波長帯域ごとに分けて検出することにより、赤外線の波
長分布を簡易に検出することができる。このような赤外
線受光素子を使用して、波長分布の特徴を検出すること
により、例えば、燃焼赤外線と太陽光とを弁別可能な火
災検知装置などを実現することが可能となる。

【００５３】（別の実施形態について）なお、上述した
第１および第２の実施形態では、オプティカルキャビテ
ィ構造の光学的距離ｎｄを、幾何学的距離ｄによって制
御したが、本発明は、これに限定されるものではない。
一般的には、屈折率ｎ、あるいは屈折率ｎと幾何学的距
離ｄとの組み合わせによっても光学的距離ｎｄを制御す
ることが可能である。

【００５４】例えば、屈折率１．４のシリコン酸化膜に
代えて、シリコン窒化膜（屈折率２）を一部の受光画素
に使用すると、光電変換部と反射膜間の幾何学的距離ｄ
を大きくしなくても、光学的距離ｎｄを１．４３倍程度
に稼ぐことが可能となる。また、上述した第１および第
２の実施形態では、光透過性基板としてのシリコン半導
体と、該シリコン半導体にＰｔを反応させて生じるＰｔ
Ｓｉシリサイド間のショットキー接合を受光画素とした
が、本発明はこれに限定されるものではない。一般に、
オプティカルキャビティ構造を有する量子型の受光画素
（受光部）であれば、本発明を適用することが可能であ
る。例えば、このような量子型の受光画素としては、Ｐ
ｔＳｉ以外にもＰｄ₂ＳｉやＩｒＳｉなど、またパラジ
ウムシリサイドなども勿論使用できる。

【００５５】さらに、上述した第１および第２の実施形
態では、量子型赤外線センサからなる受光画素（受光
部）を使用しているが、本発明はこれに限定されるもの
ではない。例えば、本発明の受光画素（受光部）とし
て、熱型赤外線センサを使用しても勿論よい。このよう
な熱型赤外線センサの一例としては、熱センサ部分を架
橋構造にして赤外線による熱変化を大きく捉えるものが
知られている。このような素子構造では、架橋下の反射
部までの光学的距離を複数種類設けることによって、複
数種のオプティカルキャビティ構造を受光面上に構成す
ることが可能となる。

【００５６】また、上述した第１および第２の実施形態
では、オプティカルキャビティ構造の層間物質を一種類
の絶縁膜から構成したが、本発明はこれに限定されるも
のではない。例えば、層間物質として、複数種の物質を
組み合わせて構成してもよい。この場合、層間物質の屈
折率をｎ１，ｎ２・・・とし、層間物質の幾何学的距離
をそれぞれｄ１，ｄ２・・・とした場合、全体の光学的
距離を（ｎ１ｄ１＋ｎ２ｄ２＋・・・）に置き換えて考
えればよい。

【００５７】さらに、上述した第１および第２の実施形
態では、半導体基板上に３種類のオプティカルキャビテ
ィ構造を形成しているが、本発明はこれに限定されるも
のではない。例えば、半導体基板上に２種類のオプティ
カルキャビティ構造を形成してもよい。このような構成
では、半導体基板上の有効画素数が多くなるので、赤外
線固体撮像装置の空間分解能を一段と高めることが可能
となる。

【００５８】また、半導体基板上に４種類以上のオプテ
ィカルキャビティ構造を形成しても勿論よい。このよう
な構成では、検出帯域をさらに細分化できるので、赤外
線の波長分布の特徴をより精緻に求めることが可能とな
る。このような受光デバイスは、物体の発光あるい吸収
スペクトラムの特徴から物体の同定や組成分析を行うよ
うな用途に特に好適なデバイスとなる。

【００５９】また、上述した第１および第２の実施形態
では、Ｎの値として３もしくは５を一律に採用している
が、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、
一つの半導体基板上でＮの値を適宜に変えてもよい。こ
のようにＮの値を変えることにより、検出帯域幅を自在
に制御することが可能となる。なお、上述した第１の実
施形態では、二次元マトリクス状に受光画素を配列した
場合について説明したが、本発明はこれに限定されるも
のではない。例えば、一次元マトリクス状に受光画素を
配列することにより、ラインセンサを構成しても勿論よ
い。

【００６０】

【発明の効果】（請求項１，４）請求項１，４に記載の
発明では、半導体基板上に複数種のオプティカルキャビ
ティ構造を設けて、分光感度のピーク波長が異なる複数
種類の受光画素（受光領域）を形成する。このような複
数種類の受光画素（受光領域）を使用して、赤外線をい
くつかの波長帯に区分して検出することにより、赤外線
の波長分布を簡易に検出することが可能となる。

【００６１】また、これら複数種のオプティカルキャビ
ティ構造は、半導体の製造時に若干の工程を追加して形
成することが可能である。したがって、赤外領域用のカ
ラーフィルタを形成する場合に比べ、製造工程を大幅に
簡略化することが可能となる。さらに、複数種類の受光
画素（受光領域）からは、波長帯域ごとの検出出力を直
に得ることができる。したがって、波長分布の検出に際
して検出出力間の差分をとるなどの従来構成が不要とな
り、装置構成を一段と簡略化することもできる。以上の
ように、本発明では、可視領域の加法混色の原理に基づ
く色検出機能と同様の機能を備えた、赤外領域用の受光
デバイスを実現することが可能となる。

【００６２】（請求項２，５）請求項２，５に記載の発
明では、波長制限フィルタを配置するので、波長分布の
検出に本来不要な波長帯域を予め低減させることが可能
となる。特に、このような波長制限フィルタを配置する
ことにより、オプティカルキャビティ構造から副次的に
発生する余計なピーク特性を抑えることが可能となる。

【００６３】（請求項３，６）請求項３，６に記載の発
明では、少なくとも２種類の光学的距離をＮ≧３の条件
で設計することにより、分光感度が一様でない受光画素
についても、２種類以上のピーク特性を確実に得ること
が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】オプティカルキャビティ構造による光強度のピ
ーク特性を示した図である。

【図２】光強度とＰｔＳｉ膜本来の感度を乗じて求めた
分光感度特性（計算値）を示す図である。

【図３】第１の実施形態の概略構成を示す図である。

【図４】赤外線固体撮像装置３の画素配列を示す図であ
る。

【図５】受光画素の断面構成を示す概念図である。

【図６】第１の実施形態における光強度特性を示す図で
ある。

【図７】第１の実施形態における分光感度特性を示す図
である。

【図８】物体温度と検出出力比との関係を示す図であ
る。

【図９】第２の実施形態の概略構成を示す図である。

【図１０】第２の実施形態における分光感度特性を示す
図である。

【図１１】従来の赤外線固体撮像装置の構成を示す図で
ある。

【図１２】ＰｔＳｉ膜８２の位置における干渉光の光強
度（計算値）を示す図である。

【図１３】ＰｔＳｉ膜８２の分光感度特性を示す図であ
る。

【図１４】黒体放射の波長分布を示す図である。

【符号の説明】

１撮像光学系２波長制限フィルタ３赤外線固体撮像装置４〜６受光画素１１ｐ型シリコン基板１２ＰｔＳｉ膜１３絶縁膜１４反射膜１５分離領域１６ガードリング１７ＢＣＣＤ拡散層２３絶縁膜２４反射膜２５分離領域２６ガードリング２７ＢＣＣＤ拡散層２８ＣＣＤ転送電極２９絶縁膜３１ｐ型シリコン基板３２ａ〜３２ｃＰｔＳｉ膜３３反射防止膜３６絶縁層３８共通アノード８１ｐ型シリコン基板８２ＰｔＳｉ膜８３絶縁膜８４反射膜８５分離領域８６ガードリング８７ＢＣＣＤ拡散層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板上にマトリクス状に配置さ
れ、赤外線を検出して電気信号を生じる複数の受光画素
と、前記受光画素からの電気信号を転送出力する信号走査部
と、前記受光画素に対向して配置され、前記受光画素の側か
ら入射する赤外線の少なくとも一部を反射する反射部と
を備えた赤外線固体撮像装置において、前記受光画素と前記反射部との光学的距離を少なくとも
２種類以上に設定することにより、前記半導体基板上に
複数種のオプティカルキャビティ構造を形成し、これら
の各オプティカルキャビティ構造によって入射光と反射
光とが強め合って生じる「分光感度特性のピーク」を、
前記受光画素の光検出可能な波長域内に複数ずらして配
することを特徴とする赤外線固体撮像装置。
【請求項２】請求項１に記載の赤外線固体撮像装置に
おいて、前記受光画素への赤外線入射経路上に、前記受光画素の
光検出可能な波長域を制限する波長制限フィルタを配置
したことを特徴とする赤外線固体撮像装置。
【請求項３】請求項１または請求項２に記載の赤外線
固体撮像装置において、前記光学的距離の少なくとも２種類は、前記受光画素の
光検出可能な波長域内に位置する「光強度のピーク波
長」のＮ／４倍（ただしＮは３以上の奇数）に設定され
ることを特徴とする赤外線固体撮像装置。
【請求項４】半導体基板上に配置され、赤外線を検出
して電気信号を生じる受光部と、前記受光部に対向して配置され、赤外線の少なくとも一
部を反射する反射部とを備えた赤外線受光素子におい
て、前記受光部と前記反射部との光学的距離を少なくとも２
種類以上に設定することにより、前記半導体基板上に複
数種のオプティカルキャビティ構造からなる領域を形成
し、これらの各オプティカルキャビティ構造によって入
射光と反射光とが強め合って生じる「分光感度特性のピ
ーク」を、前記受光部の光検出可能な波長域内に複数ず
らして配することを特徴とする赤外線受光素子。
【請求項５】請求項４に記載の赤外線受光素子におい
て、前記受光部への赤外線入射経路上に、前記受光部の光検
出可能な波長域を制限する波長制限フィルタを配置した
ことを特徴とする赤外線受光素子。
【請求項６】請求項４または請求項５に記載の赤外線
固体撮像装置において、前記光学的距離の少なくとも２種類は、前記受光部の光
検出可能な波長域内に位置する「光強度のピーク波長」
のＮ／４倍（ただしＮは３以上の奇数）に設定されるこ
とを特徴とする赤外線受光素子。