JP2001223349A - Infrared solid-state imaging device and method of manufacturing the same - Google Patents
Infrared solid-state imaging device and method of manufacturing the sameInfo
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 小型で、熱時定数が小さく、かつ高感度の熱
型赤外線検出器を有する熱型赤外線固体撮像装置を提供
する。
【解決手段】 pn接合部を備えた赤外線検出部を用い
て、該赤外線検出部に入射する赤外線を検出する赤外線
固体撮像装置が、半導体基板と、該半導体基板に設けら
れた凹部上に、支持脚で支持された赤外線検出部と、該
赤外線検出部に設けられたpn接合素子と、該pn接合
素子の両端にそれぞれ接続され、該pn接合素子から電
気信号を取り出す配線層とを含み、該pn接合素子が、
サイリスタ構造を有する。
(57) [Problem] To provide a thermal infrared solid-state imaging device having a small thermal infrared constant detector having a small thermal time constant and high sensitivity. An infrared solid-state imaging device that detects infrared light incident on the infrared detection unit using an infrared detection unit having a pn junction is supported on a semiconductor substrate and a recess provided in the semiconductor substrate. An infrared detector supported by legs, a pn junction element provided in the infrared detector, and a wiring layer connected to both ends of the pn junction element to extract an electric signal from the pn junction element, The pn junction element is
It has a thyristor structure.
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、熱型赤外線固体撮
像装置に関し、特に、サイリスタを赤外線検出器に用い
た熱型赤外線固体撮像装置に関する。The present invention relates to a thermal infrared solid-state imaging device, and more particularly to a thermal infrared solid-state imaging device using a thyristor as an infrared detector.
【0002】[0002]
【従来の技術】図11は、Ishikawa等による"Low-cost
320 x 240 uncooled IRFPA using conventional silico
n IC process" Proc. SPIE 3698, p.556 (1999)に記載
された、従来構造の熱型赤外線固体撮像装置の斜視図で
ある。図12(a)は、図11の熱型赤外線固体撮像装
置に含まれる熱型赤外線検出器103の拡大図である。
また、図12(b)は、図12(a)の12A−12A
方向の断面図である。なお、図12(a)では、全面を
覆う保護膜108は省略されている。2. Description of the Related Art FIG.
320 x 240 uncooled IRFPA using conventional silico
FIG. 12A is a perspective view of a thermal infrared solid-state imaging device having a conventional structure described in n IC process "Proc. SPIE 3698, p.556 (1999). FIG. FIG. 2 is an enlarged view of a thermal infrared detector 103 included in the device.
FIG. 12B is a sectional view taken along the line 12A-12A in FIG.
It is sectional drawing of a direction. In FIG. 12A, the protective film 108 covering the entire surface is omitted.
【0003】図11の熱型赤外線固体撮像装置200で
は、単結晶シリコン基板100の上に熱型赤外線検出器
103を3行×3列に配列した検出器アレイ202と、
熱型赤外線検出器103から出力される電気信号を処理
して外部に出力する信号処理回路部201とが形成され
ている。検出器アレイ202と信号処理回路部201と
は、酸化シリコン等からなる保護膜108に覆われてい
る。[0003] In a thermal infrared solid-state imaging device 200 shown in FIG. 11, a detector array 202 in which thermal infrared detectors 103 are arranged on a single crystal silicon substrate 100 in 3 rows × 3 columns,
A signal processing circuit unit 201 that processes an electric signal output from the thermal infrared detector 103 and outputs the processed signal to the outside is formed. The detector array 202 and the signal processing circuit unit 201 are covered with a protective film 108 made of silicon oxide or the like.
【0004】図12(a)、(b)に示すように、熱型
赤外線検出器103では、単結晶シリコン基板100上
に酸化膜101が形成されている。赤外線検出部104
では、酸化膜101上に、単結晶シリコン層102が形
成されている。単結晶シリコン層102には、p型不純
物、n型不純物を拡散させたp型拡散層105a、n型
拡散層105bが設けられ、pn接合ダイオード105
となっている。図12(a)、(b)では、赤外線の検
出感度を高くするために、2組のpn接合ダイオード1
05が、接続配線106により直列に接続されている。
また、pn接合ダイオード105は、配線層107によ
り、外部配線111に接続されている。これにより、p
n接合ダイオード105の電気信号の変化が、配線層1
07、外部配線111を経て信号処理回路部(図示せ
ず)に送られる。そして、かかるpn接合ダイオード1
05の電気信号から、赤外線検出部104に入射する赤
外線量が検出される。赤外線検出部104の下方には空
洞部(凹部)109が設けられ、赤外線検出部104
は、支持脚113により単結晶シリコン基板100上に
支えられている。このように、空洞部109を設けて単
結晶シリコン基板100と赤外線検出部104とを熱的
に絶縁することにより、赤外線検出部104の熱容量が
小さくなる。これにより、赤外線入射量に対する赤外線
検出器104の温度変化量を大きくでき、赤外線検出感
度を向上させることができる。As shown in FIGS. 12A and 12B, in a thermal infrared detector 103, an oxide film 101 is formed on a single crystal silicon substrate 100. Infrared detector 104
Here, a single-crystal silicon layer 102 is formed over the oxide film 101. The single crystal silicon layer 102 is provided with a p-type diffusion layer 105a and an n-type diffusion layer 105b in which p-type impurities and n-type impurities are diffused.
It has become. FIGS. 12A and 12B show two sets of pn junction diodes 1 in order to increase the detection sensitivity of infrared rays.
05 are connected in series by connection wiring 106.
The pn junction diode 105 is connected to the external wiring 111 by the wiring layer 107. This gives p
The change in the electric signal of the n-junction diode 105 depends on the wiring layer 1.
07, and are sent to a signal processing circuit unit (not shown) via the external wiring 111. And such a pn junction diode 1
From the electric signal 05, the amount of infrared rays incident on the infrared detection unit 104 is detected. A cavity (recess) 109 is provided below the infrared detection unit 104, and the infrared detection unit 104
Are supported on the single crystal silicon substrate 100 by support legs 113. Thus, by providing the cavity 109 and thermally insulating the single crystal silicon substrate 100 and the infrared detecting unit 104, the heat capacity of the infrared detecting unit 104 is reduced. Thus, the amount of temperature change of the infrared detector 104 with respect to the amount of incident infrared light can be increased, and the infrared detection sensitivity can be improved.
【0005】[0005]
【発明が解決しようとする課題】従来構造の熱型赤外線
検出器では、上述のように、赤外線検出感度を高めるた
めに、例えば、2組のpn接合ダイオード105を直列
に連結していたが、pn接合ダイオード105の間を接
続するために接続配線106が必要であった。このた
め、赤外線検出部104に設けることができるpn接合
ダイオード105の数が制限され、pn接合ダイオード
105の数を増やすことによる赤外線検出器の高感度化
には一定の限界があった。また、赤外線検出部104が
接続配線106を含むことにより赤外線検出部104の
面積を大きくせざるをえない場合もあり、赤外線検出部
104の熱容量が大きくなった。この結果、同程度の大
きさのボロメータ型の熱型赤外線検出器等に比較した場
合に、赤外線の検出感度が低い、熱時定数が大きい、な
どの問題点があった。In the thermal infrared detector having the conventional structure, as described above, for example, two sets of pn junction diodes 105 are connected in series in order to enhance the infrared detection sensitivity. The connection wiring 106 was necessary to connect between the pn junction diodes 105. For this reason, the number of pn junction diodes 105 that can be provided in the infrared detector 104 is limited, and there is a certain limit to increasing the sensitivity of the infrared detector by increasing the number of pn junction diodes 105. Further, since the infrared detection unit 104 includes the connection wiring 106, the area of the infrared detection unit 104 has to be increased in some cases, and the heat capacity of the infrared detection unit 104 is increased. As a result, when compared to a bolometer-type thermal infrared detector of the same size or the like, there were problems such as low infrared detection sensitivity and a large thermal time constant.
【0006】そこで、本発明は、従来の熱型赤外線検出
器より、小型で、熱時定数が小さく、かつ高感度の熱型
赤外線検出器を有する熱型赤外線固体撮像装置を提供す
ることを目的とする。Accordingly, an object of the present invention is to provide a thermal infrared solid-state imaging device having a thermal infrared detector with a smaller size, a smaller thermal time constant, and a higher sensitivity than a conventional thermal infrared detector. And
【0007】[0007]
【課題を解決するための手段】そこで発明者らは鋭意研
究の結果、p型拡散層とn型拡散層を繰り返し形成した
サイリスタ構造を用いることにより、pn接合ダイオー
ド間を接続する接続配線をなくすことができることを見
出した。特に、サイリスタのpn接合部のうち、逆バイ
アスが印加される接合部近傍の不純物濃度を高くするこ
とにより、順方向阻止電圧(ブレークオーバ電圧)も小
さくできることを見出して、本発明を完成した。Means for Solving the Problems The inventors of the present invention have made intensive studies and have found that the use of a thyristor structure in which a p-type diffusion layer and an n-type diffusion layer are repeatedly formed eliminates connection wiring for connecting between pn junction diodes. I found that I can do it. In particular, the inventors have found that the forward blocking voltage (breakover voltage) can be reduced by increasing the impurity concentration in the pn junction of the thyristor near the junction to which a reverse bias is applied, and completed the present invention.
【0008】即ち、本発明は、pn接合部を備えた赤外
線検出部を用いて、該赤外線検出部に入射する赤外線を
検出する赤外線固体撮像装置であって、半導体基板と、
該半導体基板に設けられた凹部上に、支持脚で支持され
た赤外線検出部と、該赤外線検出部に設けられたpn接
合素子と、該pn接合素子の両端にそれぞれ接続され、
該pn接合素子から電気信号を取り出す配線層と、を含
み、該pn接合素子が、サイリスタ構造を有することを
特徴とする赤外線固体撮像装置である。このように、サ
イリスタ構造のpn接合素子を赤外線検出部に設けるこ
とにより、赤外線検出部を小型化し、熱時定数が小さく
応答速度の速い赤外線検出器を備えた熱型赤外線固体撮
像装置を得ることができる。That is, the present invention provides an infrared solid-state imaging device for detecting an infrared ray incident on the infrared detector by using an infrared detector having a pn junction.
An infrared detection unit supported by a support leg on a concave portion provided in the semiconductor substrate, a pn junction element provided in the infrared detection unit, and both ends connected to both ends of the pn junction element,
A wiring layer for extracting an electric signal from the pn junction element, wherein the pn junction element has a thyristor structure. Thus, by providing the pn junction element having the thyristor structure in the infrared detector, the infrared detector is downsized, and a thermal infrared solid-state imaging device having an infrared detector with a small thermal time constant and a high response speed is obtained. Can be.
【0009】上記pn接合素子は、ショックレーダイオ
ードであっても良い。ショックレーダイオードを用いる
ことにより、容易に赤外線検出部の小型化を図ることが
できる。[0009] The pn junction element may be a Shockley diode. By using the Shockley diode, the size of the infrared detection unit can be easily reduced.
【0010】上記ショックレーダイオードが、該ショッ
クレーダイオードに順方向電圧を印加した場合に逆方向
電圧が印加されるpn接合面を有し、該pn接合面に接
するp型領域のp型不純物の濃度と、n型領域のn型不
純物の濃度とが、それぞれ1×1019cm-3以上である
ことが好ましい。かかる構造を用いることにより、ショ
ックレーダイオードを順方向導通状態にするのに必要な
順方向阻止電圧を低くすることができる。The Shockley diode has a pn junction surface to which a reverse voltage is applied when a forward voltage is applied to the Shockley diode, and a p-type impurity in a p-type region in contact with the pn junction surface. It is preferable that each of the concentration and the concentration of the n-type impurity in the n-type region is 1 × 10 19 cm −3 or more. By using such a structure, the forward blocking voltage required to bring the Shockley diode into the forward conduction state can be reduced.
【0011】上記pn接合素子は、SCR(Silicon Co
ntrolled Rectifier)であっても良い。SCRを用いる
ことによっても、容易に赤外線検出部の小型化を図るこ
とができる。The pn junction element is an SCR (Silicon Co.)
ntrolled Rectifier). Also by using the SCR, the size of the infrared detection unit can be easily reduced.
【0012】また、本発明は、上記赤外線検出部に対し
て、2つの上記支持脚が略対称に設けられ、一の該支持
脚には上記配線層と上記SCRのゲート配線層とが設け
られ、他の該支持脚には上記配線層と該ゲート配線層と
略同一形状であり該SCRとは電気的に絶縁されたダミ
ー配線層が設けられた赤外線固体撮像装置でもある。か
かるダミー配線層を設けて、支持脚の構造も略対称とす
ることにより、赤外線固体撮像装置の構造強化が可能と
なる。Further, according to the present invention, the two support legs are provided substantially symmetrically with respect to the infrared detecting section, and one of the support legs is provided with the wiring layer and the SCR gate wiring layer. The other supporting leg is also an infrared solid-state imaging device provided with a dummy wiring layer having substantially the same shape as the wiring layer and the gate wiring layer and electrically insulated from the SCR. By providing such a dummy wiring layer and making the structure of the support legs substantially symmetrical, the structure of the infrared solid-state imaging device can be strengthened.
【0013】また、本発明は、上記半導体基板上に、複
数の上記赤外線検出部及び信号処理回路部が設けられた
赤外線固体撮像装置でもある。複数の赤外線検出部をア
レイ状に設けることにより、2次元平面内での赤外線の
分布を測定することができ、その検出信号を信号処理回
路部から出力することができる。これにより、赤外線検
出部及び信号処理回路部を用いた熱型赤外線固体撮像装
置をモノリシックに形成することができる。The present invention is also an infrared solid-state imaging device in which a plurality of the infrared detectors and a signal processing circuit are provided on the semiconductor substrate. By providing a plurality of infrared detection units in an array, the distribution of infrared light in a two-dimensional plane can be measured, and the detection signal can be output from the signal processing circuit unit. This makes it possible to monolithically form a thermal infrared solid-state imaging device using the infrared detection unit and the signal processing circuit unit.
【0014】また、本発明は、半導体基板にpn接合素
子を含む赤外線検出部を形成し、該赤外線検出部の下方
の該半導体基板に凹部を形成して該赤外線検出部を該凹
部上に支持脚で支持させる赤外線固体撮像装置の製造方
法であって、半導体基板上に酸化膜を形成する工程と、
該酸化膜上の所定領域に単結晶シリコン層を形成する工
程と、該単結晶シリコン層にpn接合素子を形成し、赤
外線検出部を形成する赤外線検出部形成工程と、該pn
接合素子の両端にそれぞれ接続された配線層を形成する
工程と、全面を覆うように保護膜を形成する工程と、該
赤外線検出部の下方の該半導体基板をエッチングして凹
部を形成し、該凹部上に支持脚で支持された該赤外線検
出部を該凹部上に形成する工程と、を含み、該赤外線検
出部形成工程が、該単結晶シリコン層にp型拡散層とn
型拡散層とを形成し、該p型拡散層と該n型拡散層とが
pn接合面で接続されたpnpn構造のpn接合素子を
形成する工程であることを特徴とする赤外線固体撮像装
置の製造方法でもある。According to the present invention, an infrared detector including a pn junction element is formed on a semiconductor substrate, and a concave portion is formed in the semiconductor substrate below the infrared detector to support the infrared detector on the concave portion. A method for manufacturing an infrared solid-state imaging device supported by legs, a step of forming an oxide film on a semiconductor substrate,
Forming a single-crystal silicon layer in a predetermined region on the oxide film, forming a pn junction element in the single-crystal silicon layer and forming an infrared detector,
Forming a wiring layer respectively connected to both ends of the junction element, forming a protective film so as to cover the entire surface, etching the semiconductor substrate below the infrared detection unit to form a concave portion, Forming the infrared detecting portion supported on the concave portion by the support leg on the concave portion, wherein the infrared detecting portion forming step includes forming a p-type diffusion layer and an n-type diffusing layer on the single crystal silicon layer.
Forming a pn junction element having a pnpn structure in which the p-type diffusion layer and the n-type diffusion layer are connected at a pn junction surface. It is also a manufacturing method.
【0015】また、本発明は、更に、半導体基板上に、
信号処理回路部が形成され、該信号処理回路部のp型拡
散層と上記赤外線検出部のp型拡散層とが同一工程で形
成され、及び/又は、該信号処理回路部のn型拡散層と
該赤外線検出部のn型拡散層とが同一工程で形成される
ことを特徴とする製造方法でもある。信号処理回路部と
赤外線検出部とを同一工程で作製することにより、製造
工程の簡略化が可能となる。Further, the present invention further provides a semiconductor device comprising:
A signal processing circuit portion is formed, and a p-type diffusion layer of the signal processing circuit portion and a p-type diffusion layer of the infrared detection portion are formed in the same step, and / or an n-type diffusion layer of the signal processing circuit portion. And the n-type diffusion layer of the infrared detecting section are formed in the same step. By manufacturing the signal processing circuit unit and the infrared detection unit in the same process, the manufacturing process can be simplified.
【0016】また、本発明は、半導体基板上に、複数の
上記赤外線検出部を形成することを特徴とする製造方法
でもある。Further, the present invention is also a manufacturing method, wherein a plurality of the infrared detecting sections are formed on a semiconductor substrate.
【0017】[0017]
【発明の実施の形態】実施の形態1.図1は、本発明の
実施の形態1にかかる熱型赤外線固体撮像装置に用いら
れる赤外線検出器103の上面図である。また、図1
(b)は、図1(a)の1A−1A方向の断面図であ
る。本実施の形態にかかる熱型赤外線固体撮像装置で
は、図11の従来構造の熱型赤外線固体撮像装置と同様
に、複数の赤外線検出器103が、半導体基板上に縦横
に配列され、信号処理回路部に接続されている。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiment 1 FIG. 1 is a top view of the infrared detector 103 used in the thermal infrared solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention. FIG.
FIG. 1B is a cross-sectional view taken along the line 1A-1A in FIG. In the thermal infrared solid-state imaging device according to the present embodiment, a plurality of infrared detectors 103 are arranged vertically and horizontally on a semiconductor substrate, as in the thermal infrared solid-state imaging device having the conventional structure in FIG. Connected to the unit.
【0018】図1(b)に示すように、熱型赤外線検出
器103は、単結晶シリコン基板100を含み、単結晶
シリコン基板100上には酸化シリコン等の酸化膜10
1が設けられている。酸化膜101上の所定の位置に
は、単結晶シリコン層102が形成されている。単結晶
シリコン層102中には、p型拡散層105aとn型拡
散層105bとを有する2つのpn接合ダイオード10
5がpn接合面で接合されて形成され、pnpn構造か
らなるショックレーダイオード120となっている。p
型拡散層105a、n型拡散層105bの不純物濃度
は、それぞれ1×1015cm-3以上である。ショックレ
ーダイオード120が形成された領域は、将来的に赤外
線検出部104となる。なお、図1(a)では、全面を
覆う保護膜108は省略されている。As shown in FIG. 1B, the thermal infrared detector 103 includes a single crystal silicon substrate 100, and an oxide film 10 such as silicon oxide is formed on the single crystal silicon substrate 100.
1 is provided. At a predetermined position on oxide film 101, single-crystal silicon layer 102 is formed. In the single-crystal silicon layer 102, two pn junction diodes 10 having a p-type diffusion layer 105a and an n-type diffusion layer 105b are provided.
5 are joined at the pn junction surface to form a Shockley diode 120 having a pnpn structure. p
The impurity concentration of each of the diffusion layers 105a and 105b is 1 × 10 15 cm −3 or more. The area where the Shockley diode 120 is formed will become the infrared detecting unit 104 in the future. In FIG. 1A, the protective film 108 covering the entire surface is omitted.
【0019】ここでは、図2(a)に示すようなp型拡
散層105aとn型拡散層105bとからなるpn接合
ダイオードに対して、pnpn接合構造を有するスイッ
チ素子をサイリスタと呼ぶ。サイリスタのうち、図2
(b)に示すように、2つの端子301を備えた2端子
サイリスタをショックレーダイオードと呼び、図2
(c)に示すように、更にゲート端子302を備えた3
端子サイリスタをSCR(Silicon Controlled Rectifi
er)と呼ぶ。Here, a switch element having a pnpn junction structure with respect to a pn junction diode composed of a p-type diffusion layer 105a and an n-type diffusion layer 105b as shown in FIG. 2A is called a thyristor. Figure 2 of the thyristors
As shown in FIG. 2B, a two-terminal thyristor provided with two terminals 301 is called a Shockley diode, and FIG.
As shown in (c), 3
Connect the terminal thyristor to SCR (Silicon Controlled Rectifi
er).
【0020】ショックレーダイオード120の両端に
は、ビアホール(図示せず)を介して配線層107が電
気的に接続されている。それぞれの配線層107は、外
部配線111に接続され、信号処理回路部(図示せず)
に接続される。The wiring layer 107 is electrically connected to both ends of the Shockley diode 120 via via holes (not shown). Each wiring layer 107 is connected to an external wiring 111, and is connected to a signal processing circuit unit (not shown).
Connected to.
【0021】赤外線検出部104の下方には、エッチン
グにより凹部(空洞部)109が形成される。赤外線検
出部104は、赤外線検出部104の両側に、略対称
(図1(a)では点対称)に残された支持脚113によ
って、凹部109上に支持されている。このように、赤
外線検出部104は、凹部109上に浮かして支持さ
れ、赤外線検出部104と単結晶シリコン基板100と
の間が熱的に絶縁されている。これにより、赤外線検出
部104の熱容量が小さくなり、赤外線の入射量に対す
る赤外線検出部104の温度変化が大きくでき、赤外線
の検出感度を向上させることができる。2つの支持脚1
13には、配線層107が設けられている。A concave portion (hollow portion) 109 is formed below the infrared detecting portion 104 by etching. The infrared detecting section 104 is supported on the concave portion 109 by supporting legs 113 which are left substantially symmetrically (point symmetric in FIG. 1A) on both sides of the infrared detecting section 104. As described above, the infrared detecting unit 104 is supported by being floated on the recess 109, and the infrared detecting unit 104 and the single crystal silicon substrate 100 are thermally insulated. Accordingly, the heat capacity of the infrared detection unit 104 is reduced, the temperature change of the infrared detection unit 104 with respect to the incident amount of infrared light can be increased, and the detection sensitivity of infrared light can be improved. Two support legs 1
13, a wiring layer 107 is provided.
【0022】赤外線検出器103は、上面が酸化シリコ
ン等の保護膜108で覆われている。なお、保護膜10
8は、単結晶シリコン基板100をエッチングして凹部
109を形成する場合に、ショックレーダイオードが形
成された単結晶シリコン層102のエッチングを防止す
る役割も果たす。The upper surface of the infrared detector 103 is covered with a protective film 108 such as silicon oxide. The protective film 10
Reference numeral 8 also serves to prevent etching of the single crystal silicon layer 102 on which the Shockley diode is formed when the single crystal silicon substrate 100 is etched to form the recess 109.
【0023】複数の赤外線検出器103と、信号処理回
路部(図示せず)が、シリコン基板100上に形成さ
れ、図11に示すような熱型赤外線固体撮像装置とな
る。なお、赤外線検出部103のp型拡散層105a、
n型拡散層105bと、信号処理回路部に形成されるト
ランジスタ等のp型拡散層、n型拡散層とを、同一工程
で形成することにより、製造工程の簡略化が可能とな
る。A plurality of infrared detectors 103 and a signal processing circuit section (not shown) are formed on a silicon substrate 100 to provide a thermal infrared solid-state imaging device as shown in FIG. Note that the p-type diffusion layer 105a of the infrared detector 103,
By forming the n-type diffusion layer 105b, the p-type diffusion layer such as a transistor formed in the signal processing circuit portion, and the n-type diffusion layer in the same process, the manufacturing process can be simplified.
【0024】次に、図1に示す赤外線固体撮像装置の動
作原理について説明する。赤外線固体撮像装置の赤外線
検出器103において、赤外線検出部104に入射した
赤外線は、赤外線検出部104の温度を上昇させ、ショ
ックレーダイオード120を構成するpn接合ダイオー
ド105の温度が変化する。1個のpn接合ダイオード
の電流−電圧特性は以下の式1に従って変化する。Next, the operation principle of the infrared solid-state imaging device shown in FIG. 1 will be described. In the infrared detector 103 of the infrared solid-state imaging device, the infrared light incident on the infrared detection unit 104 raises the temperature of the infrared detection unit 104, and the temperature of the pn junction diode 105 constituting the Shockley diode 120 changes. The current-voltage characteristic of one pn junction diode changes according to the following equation 1.
【0025】[0025]
【数1】 I=I0[exp(qV/kT)−1] (式1)I = I 0 [exp (qV / kT) −1] (Equation 1)
【0026】ここで、Iは電流、I0は飽和電流、Vは
バイアス電圧、Tは温度、kはボルツマン定数、qは電
荷素量である。一定電流Iのもとでは、バイアス電圧の
温度に対する感度は、約1.4(mV/K)となる。Here, I is current, I 0 is saturation current, V is bias voltage, T is temperature, k is Boltzmann's constant, and q is elementary charge. Under the constant current I, the sensitivity of the bias voltage to the temperature is about 1.4 (mV / K).
【0027】式1に示すように、温度の変化に伴い、p
n接合ダイオードの両端に加わるバイアス電圧が変化す
るため、バイアス電圧の変化を信号処理回路部により読
み取ることにより、赤外線検出器103に入射する赤外
線の量を検出することができる。As shown in the equation 1, as the temperature changes, p
Since the bias voltage applied to both ends of the n-junction diode changes, the amount of infrared light incident on the infrared detector 103 can be detected by reading the change in the bias voltage by the signal processing circuit.
【0028】次に、図3に、ショックレーダイオード1
20の電流−電圧特性を示す。また、図4に、ショック
レーダイオード120の各動作状態におけるエネルギー
バンドの状態を示す。図4(a)は熱平衡状態、図4
(b)は順方向阻止状態、図4(c)は順方向導通状
態、図4(d)は逆方向阻止状態を示す。Next, referring to FIG.
20 shows the current-voltage characteristic of No. 20. FIG. 4 shows the state of the energy band in each operation state of the Shockley diode 120. FIG. 4A shows a thermal equilibrium state, and FIG.
4B illustrates a forward blocking state, FIG. 4C illustrates a forward conducting state, and FIG. 4D illustrates a backward blocking state.
【0029】赤外線検出時には、ショックレーダイオー
ド120には、配線層107を通して、順方向の導通状
態を維持するための、保持電流以上の電流が流れるよう
に、順方向バイアス電圧が印加されている。即ち、図4
(c)の順方向導通状態に維持されている。順方向導通
状態では、印加電圧の大部分が接合J1とJ3に順方向
バイアスとして印加され、接合J1、J3には主に拡散
電流が流れる。一方、接合J2にはドリフト電流が流れ
る。このため、ショックレーダイオード120は、配線
106で2個のpn接合ダイオード105を直列に連結
した従来の半導体接合素子と等価とみなすことができ
る。即ち、図1に示す熱型赤外線固体撮像装置の熱型赤
外線検出器103は、図12に示す従来構造の熱型赤外
線検出器103と同程度の赤外線検出感度を有する。At the time of infrared detection, a forward bias voltage is applied to the Shockley diode 120 through the wiring layer 107 so that a current equal to or larger than a holding current for maintaining a forward conduction state flows. That is, FIG.
The forward conduction state of (c) is maintained. In the forward conduction state, most of the applied voltage is applied as a forward bias to the junctions J1 and J3, and a diffusion current mainly flows through the junctions J1 and J3. On the other hand, a drift current flows through the junction J2. Therefore, the Shockley diode 120 can be regarded as equivalent to a conventional semiconductor junction element in which two pn junction diodes 105 are connected in series by the wiring 106. That is, the thermal infrared detector 103 of the thermal infrared solid-state imaging device shown in FIG. 1 has the same infrared detection sensitivity as the thermal infrared detector 103 having the conventional structure shown in FIG.
【0030】本実施の形態にかかる熱型赤外線固体撮像
装置の赤外線検出器103では、pn接合ダイオード1
05をpn接合面で接続してショックレーダイオード1
20としているため、従来構造のように接続配線106
を形成することなく、従来構造と等価な赤外線検出器1
03を形成することができる。このため、赤外線検出部
104の面積を小さくすることができ、熱型赤外線固体
撮像装置の小型化が可能となる。また、赤外線検出部1
04の小型化に伴い、赤外線検出部104の熱容量が小
さくなり、熱時定数が小さくなるため、赤外線検出器1
04の応答速度が速くなる。In the infrared detector 103 of the thermal infrared solid-state imaging device according to the present embodiment, the pn junction diode 1 is used.
05 connected at the pn junction surface
20 so that the connection wiring 106
Infrared detector 1 equivalent to conventional structure without forming
03 can be formed. Therefore, the area of the infrared detection unit 104 can be reduced, and the thermal infrared solid-state imaging device can be reduced in size. In addition, the infrared detector 1
Since the heat capacity of the infrared detection unit 104 is reduced and the thermal time constant is reduced as the size of the infrared detector
04 becomes faster.
【0031】なお、ショックレーダイオードの代わり
に、同じ2端子サイリスタとしてSSS(Silicon Symm
etrical Switch)等を用いることもできる。In place of the Shockley diode, the same two-terminal thyristor, SSS (Silicon Symm
etrical Switch) can also be used.
【0032】ここでは、p型拡散層105a、n型拡散
層105b、p型拡散層105a、n型拡散層105b
の4層構造からなるショックレーダイオード120を、
赤外線検出部104に用いる場合について述べたが、さ
らに多くの拡散層を設けることも可能である。n個のp
n接合ダイオード105を、pn接合面により直列に接
合したショックレーダイオード120では、順方向導通
状態が維持されている時、pn接合ダイオード105の
温度が変化すると、電流−電圧特性は以下の式2に従っ
て変化する。Here, the p-type diffusion layer 105a, the n-type diffusion layer 105b, the p-type diffusion layer 105a, and the n-type diffusion layer 105b
A Shockley diode 120 having a four-layer structure of
Although the case of using the infrared detection unit 104 has been described, more diffusion layers can be provided. n p
In the Shockley diode 120 in which the n-junction diode 105 is connected in series by the pn-junction surface, when the temperature of the pn-junction diode 105 changes while the forward conduction state is maintained, the current-voltage characteristic is expressed by the following equation (2). It changes according to.
【0033】[0033]
【数2】 I=I0[exp(qV/nkT)−1] (式2)I = I 0 [exp (qV / nkT) −1] (Equation 2)
【0034】ここで、nはpn接合ダイオード105の
数である。この場合、定電流Iのもとでは、バイアス電
圧の温度に対する感度は、約1.4n(mV/K)とな
り、直列に接続されたpn接合ダイオード105の数n
に比例する。従って、3個以上のpn接合ダイオード1
05を直列に接続したショックレーダイオード120を
用いることにより、更に、赤外線の検出感度を向上させ
ることができる。Here, n is the number of pn junction diodes 105. In this case, under the constant current I, the sensitivity of the bias voltage to the temperature is about 1.4n (mV / K), and the number n of the pn junction diodes 105 connected in series is n.
Is proportional to Therefore, three or more pn junction diodes 1
By using the Shockley diode 120 connected in series with each other, the detection sensitivity of infrared rays can be further improved.
【0035】図5は、9個のpn接合ダイオード105
をpn接合面を介して直列に接続した赤外線検出器10
3であり、図5(a)は上面図、図5(b)は、図5
(a)の5A−5A方向の断面図である。また、図6
は、9個のpn接合ダイオード105を接続配線106
を用いて接続した従来構造の赤外線検出器103であ
り、図6(a)は上面図、図6(b)は6A方向の断面
図である。図中、図1と同一符号は、同一又は相当箇所
を示す。FIG. 5 shows nine pn junction diodes 105.
Detector 10 connected in series through a pn junction surface
FIG. 5A is a top view, and FIG.
It is sectional drawing of 5A-5A direction of (a). FIG.
Connects nine pn junction diodes 105 to the connection wiring 106
FIG. 6A is a top view, and FIG. 6B is a cross-sectional view in the 6A direction. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 1 indicate the same or corresponding parts.
【0036】図5、図6に示す赤外線検出器103はい
ずれも、赤外線の検出に寄与するpn接合面を9つ有す
るため、赤外線の検出感度は同じである。しかし、図6
の従来構造の赤外線検出器103では、それぞれのpn
接合ダイオード105の間に接続配線106を設けるこ
とが必要であるとともに、接続配線106や配線層10
7とpn接合ダイオード105とを接続するために、合
計18個のビアホール112が必要となる。これに対し
て、図5の本実施の形態にかかる赤外線検出器103で
は、それぞれのpn接合ダイオード105の間の接続に
は接続配線106が不用となり、配線層107とpn接
合ダイオード105を接続するビアホール112も2個
となる。このため、本実施の形態にかかる赤外線検出器
103では、pn接合ダイオード105の厚みを小さく
して、かつ高密度に集積できるため、赤外線検出部10
4の面積が同じであっても、従来構造の赤外線検出器1
03よりも赤外線検出に寄与するpn接合面の数を増や
し、検出感度を向上させることができる。逆に言えば、
同一の検出感度を得るためには、赤外線検出部104の
面積は、従来より小さくてよいため、赤外線検出部10
4を小型化し、赤外線検出部104の熱容量を低減させ
ることができる。これにより、従来構造に比較して、個
々の赤外線検出器103を小型にして、熱型赤外線固体
撮像装置自体も小型化することができるとともに、赤外
線検出器103の熱時定数を小さくして、温度変化に対
する応答時間を短くすることができる。Each of the infrared detectors 103 shown in FIGS. 5 and 6 has nine pn junction surfaces contributing to the detection of infrared rays, and thus has the same infrared detection sensitivity. However, FIG.
In the infrared detector 103 having the conventional structure, each pn
It is necessary to provide the connection wiring 106 between the junction diodes 105, and the connection wiring 106 and the wiring layer 10
A total of 18 via holes 112 are required to connect 7 with the pn junction diode 105. On the other hand, in the infrared detector 103 according to the present embodiment in FIG. 5, the connection wiring 106 is unnecessary for the connection between the respective pn junction diodes 105, and the wiring layer 107 and the pn junction diode 105 are connected. The number of via holes 112 is also two. For this reason, in the infrared detector 103 according to the present embodiment, the thickness of the pn junction diode 105 can be reduced and integrated at a high density.
4 have the same area, the conventional infrared detector 1
It is possible to increase the number of pn junction surfaces contributing to the detection of infrared rays as compared with 03 and improve the detection sensitivity. Conversely,
In order to obtain the same detection sensitivity, the area of the infrared detecting unit 104 may be smaller than that of the related art.
4 can be reduced in size, and the heat capacity of the infrared detection unit 104 can be reduced. Thereby, as compared with the conventional structure, the individual infrared detectors 103 can be reduced in size, the thermal infrared solid-state imaging device itself can be reduced in size, and the thermal time constant of the infrared detector 103 can be reduced. The response time to a temperature change can be shortened.
【0037】実施の形態2.図7は、本発明の実施の形
態2にかかる熱型赤外線固体撮像装置に用いられる赤外
線検出部103の上面図である。また、図7(b)は、
図7(a)の7A−7A方向の断面図である。図中、図
1と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。本実施の形
態にかかる熱型赤外線固体撮像装置では、図11の従来
構造の熱型赤外線固体撮像装置と同様に、複数の赤外線
検出部103が、半導体基板上に縦横に配列され、信号
処理回路部に接続されている。Embodiment 2 FIG. 7 is a top view of the infrared detector 103 used in the thermal infrared solid-state imaging device according to the second embodiment of the present invention. FIG. 7 (b)
It is sectional drawing of 7A-7A direction of FIG. 7 (a). In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 1 indicate the same or corresponding parts. In the thermal infrared solid-state imaging device according to the present embodiment, a plurality of infrared detection units 103 are vertically and horizontally arranged on a semiconductor substrate, similar to the thermal infrared solid-state imaging device having the conventional structure in FIG. Connected to the unit.
【0038】本実施の形態にかかる赤外線検出器103
では、赤外線検出部104には、ショックレーダイオー
ド120が形成されている。更に、該ショックレーダイ
オード120に順方向電圧を印加した場合に逆方向電圧
が印可されるpn接合界面近傍には、高濃度拡散層10
5a1、105b1が設けられている。即ち、ショック
レーダイオード120が、順方向電圧を印加した場合に
逆方向電圧が印加されるpn接合面を有し、このpn接
合面に接するp型拡散層105aのp型不純物の濃度
と、n型拡散層105bのn型不純物の濃度とが、それ
ぞれ1×1019cm-3以上となっている。図7では、p
型拡散層105aとn型拡散層105bとに挟まれた、
高濃度p型拡散層105a1、高濃度n型拡散層105
b1の不純物濃度が、ともに1×1019cm-3以上とな
っている。また、高濃度p型拡散層105a1、高濃度
n型拡散層105b1があるため、p型拡散層105a
又はn型拡散層105bのいずれか一方を省略しても、
pn接合ダイオード105の特性は変わらず、更なる高
集積化が可能となる。The infrared detector 103 according to the present embodiment
In the figure, a Shockley diode 120 is formed in the infrared detection unit 104. Further, near the pn junction interface where a reverse voltage is applied when a forward voltage is applied to the Shockley diode 120, the high concentration diffusion layer 10 is formed.
5a1 and 105b1 are provided. That is, the Shockley diode 120 has a pn junction surface to which a reverse voltage is applied when a forward voltage is applied, and the concentration of the p-type impurity in the p-type diffusion layer 105a in contact with the pn junction surface and n The concentration of the n-type impurity in the type diffusion layer 105b is 1 × 10 19 cm −3 or more. In FIG. 7, p
Sandwiched between the n-type diffusion layer 105a and the n-type diffusion layer 105b.
High concentration p-type diffusion layer 105a1, high concentration n-type diffusion layer 105
The impurity concentration of b1 is 1 × 10 19 cm −3 or more. Further, since there are the high-concentration p-type diffusion layer 105a1 and the high-concentration n-type diffusion layer 105b1, the p-type diffusion layer 105a
Alternatively, even if one of the n-type diffusion layers 105b is omitted,
The characteristics of the pn junction diode 105 remain unchanged, and higher integration is possible.
【0039】本発明のショックレーダイオード120の
電流−電圧特性、及び、各動作状態でのエネルギーバン
ドの状態は、実施の形態1の図3、図4と同じである。
但し、本実施の形態では、ショックレーダイオード12
0のpn接合部J2を挟む高濃度p型拡散層105a
1、高濃度n型拡散層105b1の不純物濃度が、とも
に1×1019cm-3以上であるため、低いバイアスで接
合部J2のツェナー降伏が起こり、フック効果によって
接合J2両側の電位差が減少する。即ち、低いバイアス
の印加で、図4(b)の状態から、赤外線検出状態であ
る図4(c)の順方向導通状態に移行させることがで
き、かかる移行に必要な順方向阻止電圧(ブレークオー
バ電圧)を低く抑えることができる。The current-voltage characteristics of the Shockley diode 120 of the present invention and the state of the energy band in each operating state are the same as those in FIGS. 3 and 4 of the first embodiment.
However, in the present embodiment, the Shockley diode 12
High-concentration p-type diffusion layer 105a sandwiching the zero pn junction J2
1. Since the impurity concentration of each of the high-concentration n-type diffusion layers 105b1 is 1 × 10 19 cm −3 or more, Zener breakdown occurs at the junction J2 with a low bias, and the potential difference on both sides of the junction J2 decreases due to the hook effect. . That is, by applying a low bias, it is possible to shift from the state of FIG. 4B to the forward conduction state of FIG. 4C which is an infrared detection state, and the forward blocking voltage (break) required for such a shift. Overvoltage) can be kept low.
【0040】なお、本実施の形態では、4層の拡散層を
もつショックレーダイオード120を用いた場合につい
て説明したが、拡散層を4層以上とすることにより、よ
り赤外線の検出感度の高い赤外線検出器を形成すること
も可能である。図8は、図5と同様に、9個のpn接合
ダイオード105をpn接合面を介して直列に接続した
赤外線検出器103であり、図8(a)は上面図、図8
(b)は、図8(a)の8A−8A方向の断面図であ
る。更に、図8では、pn接合ダイオード105同士の
接合界面近傍に、不純物濃度が1×1019cm-3以上の
高濃度p型拡散層105a1、高濃度n型拡散層105
b1が設けられている。高濃度p型拡散層105a1、
高濃度n型拡散層105b1の厚みは、それぞれ0.0
1μm以上であることが好ましい。なお、図8(a)
(b)は、p型拡散層105aを形成せずに省略した場
合であり、かかる構造を用いることにより更なる高集積
化を達成している。In this embodiment, the case where the Shockley diode 120 having four diffusion layers is used has been described. However, by using four or more diffusion layers, infrared rays having higher infrared ray detection sensitivity can be obtained. It is also possible to form a detector. FIG. 8 shows an infrared detector 103 in which nine pn junction diodes 105 are connected in series via a pn junction surface, similarly to FIG. 5, and FIG.
FIG. 8B is a sectional view taken along the line 8A-8A in FIG. Further, in FIG. 8, the junction near the interface between the pn junction diode 105, the impurity concentration of 1 × 10 19 cm -3 or more of the high-concentration p-type diffusion layer 105 a 1, a high concentration n-type diffusion layer 105
b1 is provided. High concentration p-type diffusion layer 105a1,
Each of the high-concentration n-type diffusion layers 105b1 has a thickness of 0.0
It is preferably 1 μm or more. FIG. 8 (a)
(B) is a case where the p-type diffusion layer 105a is omitted without being formed, and further high integration is achieved by using such a structure.
【0041】このように、複数のpn接合ダイオード1
05からなるショックレーダイオード120を用いるこ
とにより、赤外線の検出感度を向上させることができ
る。また、pn接合ダイオード105同士の接続界面
に、高濃度p型拡散層105a1、高濃度n型拡散層1
05b1を設けることにより、順方向導通状態に移行さ
せるために必要なバイアス電圧を低く抑えることができ
る。As described above, the plurality of pn junction diodes 1
The use of the Shockley diode 120 made of 05 makes it possible to improve the detection sensitivity of infrared rays. A high-concentration p-type diffusion layer 105a1 and a high-concentration n-type diffusion layer 1 are formed at the connection interface between the pn junction diodes 105.
By providing 05b1, the bias voltage required for shifting to the forward conduction state can be reduced.
【0042】実施の形態3.図9は、本発明の実施の形
態3にかかる熱型赤外線固体撮像装置に用いられる赤外
線検出部103の上面図である。また、図9(b)は、
図9(a)の9A−9A方向の断面図である。図中、図
1と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。本実施の形
態にかかる赤外線検出器103には、実施の形態1のシ
ョックレーダイオード120の代わりに、SCR121
が用いられている。SCR121は、p型拡散層105
a、n型拡散層105b、p型拡散層105a、n型拡
散層105bのpnpn構造を有し、その両端が、それ
ぞれ配線層107に電気的に接続されている。更には、
配線層107に接続されていない、中央のp型拡散層1
05a又はn型拡散層105bのいずれか一方に、ゲー
ト配線114が電気的に接続されている。図9には、ゲ
ート配線114がp型拡散層105aに接続された場合
を示す。Embodiment 3 FIG. 9 is a top view of the infrared detection unit 103 used in the thermal infrared solid-state imaging device according to the third embodiment of the present invention. FIG. 9 (b)
It is sectional drawing of 9A-9A direction of FIG. 9 (a). In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 1 indicate the same or corresponding parts. The infrared detector 103 according to the present embodiment includes an SCR 121 instead of the Shockley diode 120 according to the first embodiment.
Is used. The SCR 121 is a p-type diffusion layer 105
a, n-type diffusion layer 105b, p-type diffusion layer 105a, and n-type diffusion layer 105b have a pnpn structure, and both ends thereof are electrically connected to wiring layer 107, respectively. Furthermore,
Central p-type diffusion layer 1 not connected to wiring layer 107
The gate wiring 114 is electrically connected to one of the gate electrode 05a and the n-type diffusion layer 105b. FIG. 9 shows a case where the gate wiring 114 is connected to the p-type diffusion layer 105a.
【0043】赤外線検出部104の両側には、略対称
(図9(a)では点対称)となるように、支持脚113
が設けられている。2つの支持脚113のうち、一の支
持脚には配線層107とゲート配線層114とが設けら
れている。一方、他の支持脚113には配線層107と
ゲート配線層114と略同一形状であるがSCR121
とは電気的に絶縁されたダミー配線層115が設けられ
ている。このように、支持脚113の構造を略対称とす
ることにより、赤外線検出器113の構造を強化するこ
とができる。なお、ゲート端子114が2本必要なサイ
リスタの場合は、ダミー配線層115をサイリスタと電
気的に接続させて、ゲート配線層として使用することも
できる。On both sides of the infrared detecting section 104, the supporting legs 113 are substantially symmetric (point symmetric in FIG. 9A).
Is provided. One of the two support legs 113 is provided with a wiring layer 107 and a gate wiring layer 114. On the other hand, the other support legs 113 have substantially the same shape as the wiring layer 107 and the gate wiring layer 114, but have the SCR 121
And a dummy wiring layer 115 electrically insulated from the dummy wiring layer 115 is provided. Thus, by making the structure of the support leg 113 substantially symmetric, the structure of the infrared detector 113 can be strengthened. In the case of a thyristor requiring two gate terminals 114, the dummy wiring layer 115 can be electrically connected to the thyristor and used as a gate wiring layer.
【0044】次に、図9に示す赤外線固体撮像装置の動
作原理について説明する。赤外線検出部104のSCR
121の両端には、順方向導通状態を維持するための保
持電流以上の電流が流れるような、順方向バイアス電圧
が印加されている。赤外線検出部104に赤外線が入射
することにより、赤外線検出部104の温度が変化し、
これに伴ってSCR121の電流−電圧特性が変化す
る。この結果、上述の式2に従って順方向バイアス電圧
が変化するようになる。従って、この温度変化に起因す
るバイアス電圧の変化を信号処理回路部で読み取ること
により、熱型赤外線検出器103に入射する赤外線の量
を検出することができる。Next, the operation principle of the infrared solid-state imaging device shown in FIG. 9 will be described. SCR of infrared detector 104
A forward bias voltage is applied to both ends of the switch 121 such that a current equal to or greater than a holding current for maintaining the forward conduction state flows. When infrared light enters the infrared detection unit 104, the temperature of the infrared detection unit 104 changes,
Accordingly, the current-voltage characteristics of the SCR 121 change. As a result, the forward bias voltage changes according to the above equation (2). Therefore, by reading the change in the bias voltage caused by this temperature change in the signal processing circuit section, the amount of infrared light incident on the thermal infrared detector 103 can be detected.
【0045】図10は、SCR121の電流−電圧特性
である。図10に示すように、SCR121の電流−電
圧特性は、ゲート配線114に電流が流れない場合(I
g0)は、図3に示すショックレーダイオード120の電
流−電圧特性と同じである。これに対して、ゲート配線
114に流れる電流を大きくすると(例えば、Ig3)、
順方向阻止電圧が小さくなる。FIG. 10 shows the current-voltage characteristics of the SCR 121. As shown in FIG. 10, the current-voltage characteristic of the SCR 121 is such that no current flows through the gate wiring 114 (I
g0 ) is the same as the current-voltage characteristic of the Shockley diode 120 shown in FIG. On the other hand, when the current flowing through the gate wiring 114 is increased (for example, Ig3 ),
The forward blocking voltage decreases.
【0046】SCR121は、図4(c)に示す状態と
同様の順方向導通状態で赤外線検出に使用される。かか
る状態では、印加電圧の大部分が接合部J1とJ3に順
方向バイアスとして加わっており、接合部J1、J3に
は主に拡散電流が流れる。また、接合部J2にはドリフ
ト電流が流れる。このため、SCR121は、接続配線
106で2個のpn接合ダイオード105を直列に接続
した場合と等価とみなすことができる。従って、図9に
示す熱型赤外線検出器103は、図12に示す従来構造
の赤外線検出器103と同程度の赤外線検出感度を有す
る。また、pn接合ダイオード105の間が、接続配線
ではなくpn接合面を介して接続されているため、赤外
線検出部104を小型化することができる、また、本実
施の形態では、SCR121を用いるため、ゲート端子
から電流を導入することにより、順方向阻止電圧を低く
制御することができる。更に、ゲート端子に導入する電
流を制御することにより、SCR121を順方向阻止状
態(図4(b))から順方向導通状態(図4(c))に
スイッチングさせることができる。SCRの代わりに、
同じ3端子サイリスタとしてGTO(Gate Turn Off th
yristor)を用いることもでき、この場合には、順方向
阻止状態から順方向導通状態にスイッチングさせるだけ
でなく、その逆にもスイッチングさせることができる。
このため、例えば、図11に示すように、シリコン基板
100上に複数の赤外線検出器103を設けた場合に
は、任意に選択した赤外線検出器103の信号のみを読
み出すことが可能となる。換言すれば、従来のように、
全ての赤外線検出器103から送られた信号のうち、必
要な信号のみを信号処理回路部で選択する必要がなくな
り、信号処理回路部の簡略化が可能となる。The SCR 121 is used for infrared detection in a forward conduction state similar to the state shown in FIG. In this state, most of the applied voltage is applied to the junctions J1 and J3 as a forward bias, and the diffusion current mainly flows through the junctions J1 and J3. A drift current flows through the junction J2. Therefore, the SCR 121 can be regarded as equivalent to a case where two pn junction diodes 105 are connected in series by the connection wiring 106. Therefore, the thermal infrared detector 103 shown in FIG. 9 has the same infrared detection sensitivity as that of the conventional infrared detector 103 shown in FIG. Further, since the pn junction diodes 105 are connected not through the connection wiring but through the pn junction surface, the infrared detection unit 104 can be reduced in size. In the present embodiment, the SCR 121 is used. By introducing a current from the gate terminal, the forward blocking voltage can be controlled to be low. Further, by controlling the current introduced to the gate terminal, the SCR 121 can be switched from the forward blocking state (FIG. 4B) to the forward conducting state (FIG. 4C). Instead of SCR,
GTO (Gate Turn Off th
yristor) can be used, in which case not only switching from the forward blocking state to the forward conducting state, but also vice versa.
Therefore, for example, as shown in FIG. 11, when a plurality of infrared detectors 103 are provided on the silicon substrate 100, it is possible to read out only the signal of the infrared detector 103 arbitrarily selected. In other words, as before,
Of the signals sent from all the infrared detectors 103, only the necessary signal need not be selected by the signal processing circuit unit, and the signal processing circuit unit can be simplified.
【0047】なお、SCRの代わりに、同じ3端子サイ
リスタとして、上述のGTO(GateTurn Off thyristo
r)に加えて、 逆導通サイリスタ、逆導通GTOサイリ
スタ、トライアック等を用いることもできる。また、3
端子サイリスタの代わりに、2本のゲート配線層114
を有する4端子サイリスタとして、SCS(Silicon Co
ntrolled Switch)等を用いることもできる。In place of the SCR, the same GTO (GateTurn Off thyristor) is used as the same three-terminal thyristor.
In addition to r), a reverse conducting thyristor, a reverse conducting GTO thyristor, a triac, or the like can be used. Also, 3
Instead of the terminal thyristor, two gate wiring layers 114
SCS (Silicon Co.)
ntrolled Switch) can also be used.
【0048】また、図9では、4層の拡散層を有するS
CRを用いた赤外線検出器103について説明したが、
pn接合面を介して接続された4層以上の拡散層を用い
ることも可能である。かかる構造を用いることにより、
更に、赤外線の検出感度を向上させることができる。In FIG. 9, S having four diffusion layers
The infrared detector 103 using the CR has been described.
It is also possible to use four or more diffusion layers connected via a pn junction surface. By using such a structure,
Further, the detection sensitivity of infrared rays can be improved.
【0049】[0049]
【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装置では、サイリスタ構造のp
n接合素子を赤外線検出部に設けることにより、熱時定
数が小さく、応答速度の速い赤外線検出器を備えた熱型
赤外線固体撮像装置を得ることができる。As is apparent from the above description, the infrared solid-state imaging device according to the present invention has a p-type thyristor structure.
By providing the n-junction element in the infrared detector, a thermal infrared solid-state imaging device having an infrared detector with a small thermal time constant and a high response speed can be obtained.
【0050】また、赤外線検出器の小型化により、熱型
赤外線固体撮像装置の小型化が可能となる。Further, the downsizing of the infrared detector makes it possible to downsize the thermal infrared solid-state imaging device.
【0051】また、pn接合ダイオードの高集積化によ
り赤外線検出に寄与するpn接合面をより多く設けるこ
とができ、高感度の赤外線検出器を備えた熱型赤外線固
体撮像装置を得ることができる。Further, the pn junction diode which is highly integrated can provide more pn junction surfaces contributing to infrared detection by the high integration, and a thermal infrared solid-state imaging device having a high sensitivity infrared detector can be obtained.
【0052】また、赤外線検出器にショックレーダイオ
ードを用いた場合、高濃度拡散層を設けることにより、
順方向阻止電圧を低く押さえることができる。When a Shockley diode is used for the infrared detector, by providing a high concentration diffusion layer,
The forward blocking voltage can be kept low.
【0053】また、赤外線検出器にSCRを用いた場
合、SCRがスイッチング機能を有するために、任意に
選択した赤外線検出器からの信号のみを出力することが
できる。When an SCR is used for the infrared detector, only the signal from the arbitrarily selected infrared detector can be output because the SCR has a switching function.
【0054】また、本発明にかかる製造方法では、赤外
線検出部の拡散層と、信号回路部等の拡散層とを同一工
程で形成するため、製造工程の簡略化が可能となる。Further, in the manufacturing method according to the present invention, since the diffusion layer of the infrared detecting section and the diffusion layer of the signal circuit section are formed in the same step, the manufacturing steps can be simplified.
【図1】 本発明の実施の形態1にかかる熱型赤外線固
体撮像装置の赤外線検出器である。FIG. 1 is an infrared detector of a thermal infrared solid-state imaging device according to a first embodiment of the present invention.
【図2】 pn接合ダイオード、ショックレーダイオー
ド、SCRの概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram of a pn junction diode, a Shockley diode, and an SCR.
【図3】 本発明の実施の形態1にかかるショックレー
ダイオードの電流−電圧特性である。FIG. 3 is a current-voltage characteristic of the Shockley diode according to the first embodiment of the present invention.
【図4】 本発明の実施の形態1にかかるショックレー
ダイオードの各動作状態におけるエネルギーバンド図で
ある。FIG. 4 is an energy band diagram in each operating state of the Shockley diode according to the first embodiment of the present invention.
【図5】 本発明の実施の形態1にかかる他の熱型赤外
線固体撮像装置の赤外線検出器である。FIG. 5 is an infrared detector of another thermal infrared solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention;
【図6】 従来構造にかかる熱型赤外線固体撮像装置の
赤外線検出器である。FIG. 6 is an infrared detector of a thermal infrared solid-state imaging device according to a conventional structure.
【図7】 本発明の実施の形態2にかかる熱型赤外線固
体撮像装置の赤外線検出器である。FIG. 7 is an infrared detector of the thermal infrared solid-state imaging device according to the second embodiment of the present invention;
【図8】 本発明の実施の形態2にかかる他の熱型赤外
線固体撮像装置の赤外線検出器である。FIG. 8 is an infrared detector of another thermal infrared solid-state imaging device according to the second embodiment of the present invention;
【図9】 本発明の実施の形態3にかかる熱型赤外線固
体撮像装置の赤外線検出器である。FIG. 9 is an infrared detector of the thermal infrared solid-state imaging device according to the third embodiment of the present invention;
【図10】 本発明の実施の形態3にかかるSCRの電
流−電圧特性である。FIG. 10 is a current-voltage characteristic of the SCR according to the third embodiment of the present invention.
【図11】 従来構造にかかる熱型赤外線固体撮像装置
である。FIG. 11 is a thermal infrared solid-state imaging device according to a conventional structure.
【図12】 従来構造にかかる熱型赤外線固体撮像装置
の赤外線検出器である。FIG. 12 is an infrared detector of a thermal infrared solid-state imaging device according to a conventional structure.
100 単結晶シリコン基板、101 酸化膜、102
単結晶シリコン層、103 赤外線検出器、104
赤外線検出部、105 pn接合ダイオード、105a
p型拡散層、105b n型拡散層、105a1 高
濃度p型拡散層、105b1 高濃度n型拡散層、10
6 接続配線、107 配線層、108保護膜、109
空洞部(凹部)、110 エッチング孔、111 外
部配線、112 ビアホール、113 支持脚、114
ゲート配線層、115 ダミー配線層、120 ショ
ックレーダイオード、121 SCR、201 信号処
理回路部、202 検出器アレイ。Reference Signs List 100 single-crystal silicon substrate, 101 oxide film, 102
Single crystal silicon layer, 103 infrared detector, 104
Infrared detector, 105 pn junction diode, 105a
p-type diffusion layer, 105b n-type diffusion layer, 105a1 high-concentration p-type diffusion layer, 105b1 high-concentration n-type diffusion layer, 10b1
6 connection wiring, 107 wiring layer, 108 protective film, 109
Cavity (recess), 110 etching hole, 111 external wiring, 112 via hole, 113 support leg, 114
Gate wiring layer, 115 dummy wiring layer, 120 Shockley diode, 121 SCR, 201 signal processing circuit section, 202 detector array.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 2G065 AA04 AA11 AB02 BA14 BA34 BC02 BC07 BE08 CA13 DA18 4M118 AA01 AA10 AB01 BA02 CA01 CA03 CA23 CA32 CA35 FC18 GA10 5F049 MA02 MB02 NA03 NA18 NA19 NB05 PA09 PA14 RA02 RA08 WA01 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page F term (reference) 2G065 AA04 AA11 AB02 BA14 BA34 BC02 BC07 BE08 CA13 DA18 4M118 AA01 AA10 AB01 BA02 CA01 CA03 CA23 CA32 CA35 FC18 GA10 5F049 MA02 MB02 NA03 NA18 NA19 NB05 PA09 PA14 RA02 RA08 WA01
Claims (9)
て、該赤外線検出部に入射する赤外線を検出する赤外線
固体撮像装置であって、 半導体基板と、 該半導体基板に設けられた凹部上に、支持脚で支持され
た赤外線検出部と、 該赤外線検出部に設けられたpn接合素子と、 該pn接合素子の両端にそれぞれ接続され、該pn接合
素子から電気信号を取り出す配線層と、を含み、 該pn接合素子が、サイリスタ構造を有することを特徴
とする赤外線固体撮像装置。1. An infrared solid-state imaging device for detecting infrared light incident on an infrared detection unit using an infrared detection unit having a pn junction, comprising: a semiconductor substrate; An infrared detector supported by the support leg, a pn junction element provided in the infrared detector, a wiring layer connected to both ends of the pn junction element and extracting an electric signal from the pn junction element, Wherein the pn junction element has a thyristor structure.
オードであることを特徴とする請求項1に記載の赤外線
固体撮像装置。2. The infrared solid-state imaging device according to claim 1, wherein the pn junction element is a Shockley diode.
ックレーダイオードに順方向電圧を印加した場合に逆方
向電圧が印加されるpn接合面を有し、該pn接合面に
接するp型領域のp型不純物の濃度と、n型領域のn型
不純物の濃度とが、それぞれ1×1019cm-3以上であ
ることを特徴とする請求項2に記載の赤外線固体撮像装
置。3. The p-type Shockley diode having a pn junction surface to which a reverse voltage is applied when a forward voltage is applied to the Shockley diode, and a p-type region in contact with the pn junction surface. 3. The infrared solid-state imaging device according to claim 2, wherein the concentration of the impurity and the concentration of the n-type impurity in the n-type region are each 1 × 10 19 cm −3 or more.
を特徴とする請求項1に記載の赤外線固体撮像装置。4. The infrared solid-state imaging device according to claim 1, wherein the pn junction element is an SCR.
支持脚が略対称に設けられ、一の該支持脚には上記配線
層と上記SCRのゲート配線層とが設けられ、他の該支
持脚には上記配線層と該ゲート配線層と略同一形状であ
り該SCRとは電気的に絶縁されたダミー配線層が設け
られたことを特徴とする請求項4に記載の赤外線固体撮
像装置。5. The infrared detecting section, wherein the two supporting legs are provided substantially symmetrically, one of the supporting legs is provided with the wiring layer and the gate wiring layer of the SCR, and the other is provided with the other. 5. The infrared solid-state imaging device according to claim 4, wherein a dummy wiring layer having substantially the same shape as the wiring layer and the gate wiring layer and electrically insulated from the SCR is provided on the support leg. .
検出部及び信号処理回路部が設けられたことを特徴とす
る請求項1に記載の赤外線固体撮像装置。6. The infrared solid-state imaging device according to claim 1, wherein a plurality of the infrared detection units and a signal processing circuit unit are provided on the semiconductor substrate.
検出部を形成し、該赤外線検出部の下方の該半導体基板
に凹部を形成して該赤外線検出部を該凹部上に支持脚で
支持させる赤外線固体撮像装置の製造方法であって、 半導体基板上に酸化膜を形成する工程と、 該酸化膜上の所定領域に単結晶シリコン層を形成する工
程と、 該単結晶シリコン層にpn接合素子を形成し、赤外線検
出部を形成する赤外線検出部形成工程と、 該pn接合素子の両端にそれぞれ接続された配線層を形
成する工程と、 全面を覆うように保護膜を形成する工程と、 該赤外線検出部の下方の該半導体基板をエッチングして
凹部を形成し、支持脚で支持された該赤外線検出部を該
凹部上に形成する工程と、を含み、 該赤外線検出部形成工程が、該単結晶シリコン層にp型
拡散層とn型拡散層とを形成し、該p型拡散層と該n型
拡散層とがpn接合面で接続されたpnpn構造のpn
接合素子を形成する工程であることを特徴とする赤外線
固体撮像装置の製造方法。7. An infrared detector including a pn junction element is formed on a semiconductor substrate, a recess is formed in the semiconductor substrate below the infrared detector, and the infrared detector is supported on the recess by a support leg. A method for manufacturing an infrared solid-state imaging device, comprising: a step of forming an oxide film on a semiconductor substrate; a step of forming a single-crystal silicon layer in a predetermined region on the oxide film; and a pn junction element in the single-crystal silicon layer. Forming an infrared detecting section, forming an infrared detecting section, forming wiring layers respectively connected to both ends of the pn junction element, forming a protective film so as to cover the entire surface, Forming a concave portion by etching the semiconductor substrate below the infrared detecting portion, and forming the infrared detecting portion supported by a support leg on the concave portion, wherein the infrared detecting portion forming step includes: For single crystal silicon layer Forming a diffusion layer and the n-type diffusion layer, pn of pnpn structure and the p-type diffusion layer and the n-type diffusion layer is connected at the pn junction surface
A method for manufacturing an infrared solid-state imaging device, which is a step of forming a bonding element.
が形成され、 該信号処理回路部のp型拡散層と上記赤外線検出部のp
型拡散層とが同一工程で形成され、及び/又は、該信号
処理回路部のn型拡散層と該赤外線検出部のn型拡散層
とが同一工程で形成されることを特徴とする請求項7に
記載の製造方法。8. A signal processing circuit portion is formed on the semiconductor substrate, and a p-type diffusion layer of the signal processing circuit portion and a p-type diffusion layer of the infrared detection portion are formed.
The n-type diffusion layer of the signal processing circuit unit and the n-type diffusion layer of the infrared detection unit are formed in the same step. 8. The production method according to 7.
部を形成することを特徴とする請求項7に記載の製造方
法。9. The manufacturing method according to claim 7, wherein a plurality of the infrared detection units are formed on a semiconductor substrate.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000033374A JP2001223349A (en) | 2000-02-10 | 2000-02-10 | Infrared solid-state imaging device and method of manufacturing the same |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100547064B1 (en) * | 2001-03-30 | 2006-02-01 | 가부시끼가이샤 도시바 | Infrared sensor device and manufacturing method thereof |
-
2000
- 2000-02-10 JP JP2000033374A patent/JP2001223349A/en active Pending
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| KR100547064B1 (en) * | 2001-03-30 | 2006-02-01 | 가부시끼가이샤 도시바 | Infrared sensor device and manufacturing method thereof |
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