JP2012230010A - 赤外線センサ - Google Patents

Abstract

【課題】ＩＣチップの発熱に起因した赤外線センサチップの面内でのＳ／Ｎ比のばらつきを抑制することが可能な赤外線センサを提供する。
【解決手段】赤外線センサは、赤外線センサチップ１００と、赤外線センサチップ１００の出力信号を信号処理するＩＣチップ１０２と、赤外線センサチップ１００およびＩＣチップ１０２が収納されたパッケージ１０３とを備える。赤外線センサチップ１００は、複数の熱型赤外線検出部３が半導体基板１の一表面側においてアレイ状に配置されている。パッケージ１０３は、パッケージ本体１０４と、パッケージ本体１０４に接合されたパッケージ蓋１０５とを有する。ＩＣチップ１０２は、パッケージ本体１０４に実装されている。赤外線センサチップ１００は、パッケージ本体１０４に保持された支持部材１０６に支持され、パッケージ１０３内でＩＣチップ１０２の厚み方向においてＩＣチップ１０２から離れて配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、赤外線センサに関するものである。

従来から、赤外線センサと、この赤外線センサの出力信号を信号処理する信号処理ＩＣチップと、赤外線センサおよび信号処理ＩＣチップが収納されたパッケージとを備えた赤外線センサモジュールが提案されている（例えば、特許文献１）。

上述の赤外線センサは、例えば、サーモパイルからなる感温部を具備する複数の画素が、ベース基板の一表面側においてアレイ状に配置されている。ここにおいて、ベース基板は、シリコン基板を用いて形成されている。

またパッケージは、赤外線センサおよび信号処理ＩＣチップが横並びで実装されたパッケージ本体と、このパッケージ本体との間に赤外線センサおよび信号処理ＩＣチップを囲む形でパッケージ本体に覆着されたパッケージ蓋とで構成されている。ここにおいて、パッケージ蓋は、赤外線センサへ赤外線を収束するレンズを備えている。

上述の赤外線センサは、各画素において、感温部を備えた熱型赤外線検出部がベース基板の上記一表面側に形成されてベース基板に支持されている。また、赤外線センサは、熱型赤外線検出部の一部の直下に空洞が形成されている。また、赤外線センサは、感温部を構成しているサーモパイルの温接点が、熱型赤外線検出部において空洞に重なる領域に形成され、冷接点が熱型赤外線検出部において空洞に重ならない領域に形成されている。なお、赤外線センサは、各画素の各々に、上述の熱型赤外線検出部と画素部選択用スイッチング素子であるＭＯＳトランジスタとを有している。

特許文献１には、赤外線センサの製造方法に関して、空洞を形成する空洞形成工程が終了するまでの全工程はウェハレベルで行い、空洞形成工程が終了した後、個々の赤外線センサ（つまり、赤外線センサチップ）に分離する分離工程を行う旨が記載されている。

特開２０１０−７８４５１号公報

上述の赤外線センサモジュールでは、赤外線センサの各画素それぞれの出力信号（出力電圧）に、信号処理ＩＣチップの発熱に起因したオフセット電圧を含み、しかも、赤外線センサにおいて信号処理ＩＣチップからの距離が異なる画素で温度がばらつき、赤外線センサの面内でＳ／Ｎ比がばらついてしまうことがあった。なお、信号処理ＩＣチップからパッケージ本体を通る経路で赤外線センサのベース基板へ伝わる熱は、主に冷接点の温度を上昇させるのでマイナスのオフセット電圧を発生させる要因となる。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、ＩＣチップの発熱に起因した赤外線センサチップの面内でのＳ／Ｎ比のばらつきを抑制することが可能な赤外線センサを提供することにある。

本発明の赤外線センサは、複数の熱型赤外線検出部が半導体基板の一表面側においてアレイ状に配置された赤外線センサチップと、前記赤外線センサチップの出力信号を信号処理するＩＣチップと、前記赤外線センサチップおよび前記ＩＣチップが収納されたパッケージとを備え、前記パッケージは、パッケージ本体と、前記赤外線センサチップでの検知対象の赤外線を透過する機能を有し前記パッケージ本体に接合されたパッケージ蓋とを有し、前記ＩＣチップは、前記パッケージ本体に実装され、前記赤外線センサチップは、前記パッケージ本体に保持された支持部材に支持され、前記パッケージ内で前記ＩＣチップの厚み方向において前記ＩＣチップから離れて配置されていることを特徴とする。

この赤外線センサにおいて、前記支持部材は、前記厚み方向において前記ＩＣチップから離れて配置され且つ前記赤外線センサチップが接合部を介して接合されて前記赤外線センサチップを保持するチップ保持部と、前記チップ保持部と前記パッケージ本体との間に介在する支持脚部とを有し、前記チップ保持部は、前記赤外線センサチップにおける前記ＩＣチップ側の面を露出させる開孔部を有することが好ましい。

この赤外線センサにおいて、前記接合部を複数備え、前記接合部は、前記赤外線センサチップの平面視の外周方向において離間していることが好ましい。

この赤外線センサにおいて、前記接合部は、樹脂により形成されてなることが好ましい。

この赤外線センサにおいて、前記パッケージ本体は、一面側に凹部が形成され、前記凹部の内底面に前記ＩＣチップが実装されてなることが好ましい。

この赤外線センサにおいて、前記パッケージ本体は、前記凹部が、平面視において前記ＩＣチップおよび前記支持部材が収まる大きさに形成されてなることが好ましい。

この赤外線センサにおいて、前記ＩＣチップは、回路部が形成された主表面側とは反対の裏面が、前記赤外線センサチップ側に位置していることが好ましい。

本発明は、ＩＣチップの発熱に起因した赤外線センサチップの面内でのＳ／Ｎ比のばらつきを抑制することが可能となる。

実施形態１の赤外線センサに関し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は赤外線センサチップの要部概略断面図である。 実施形態１の赤外線センサの概略斜視図である。 実施形態１の赤外線センサの概略分解斜視図である。 実施形態１の赤外線センサにおいてパッケージ蓋を取り外した状態の概略斜視図である。 実施形態１の赤外線センサにおいてパッケージ蓋を取り外した状態の概略平面図である。 実施形態１の赤外線センサにおける赤外線センサチップの平面レイアウト図である。 実施形態１の赤外線センサにおける赤外線センサチップの画素部の平面レイアウト図である。 実施形態１の赤外線センサにおける赤外線センサチップの画素部の平面レイアウト図である。 実施形態１の赤外線センサおける赤外線センサチップの画素部の要部を示し、（ａ）は平面レイアウト図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ’断面に対応する概略断面図である。 実施形態１の赤外線センサにおける赤外線センサチップの画素部の要部平面レイアウト図である。 実施形態１の赤外線センサにおける赤外線センサチップの画素部の要部平面レイアウト図である。 実施形態１の赤外線センサにおける赤外線センサチップの画素部の要部を示し、（ａ）は平面レイアウト図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ’断面に対応する概略断面図である。 実施形態１の赤外線センサにおける赤外線センサチップの冷接点を含む要部を示し、（ａ）は平面レイアウト図、（ｂ）は概略断面図である。 実施形態１の赤外線センサにおける赤外線センサチップの温接点を含む要部を示し、（ａ）は平面レイアウト図、（ｂ）は概略断面図である。 実施形態１の赤外線センサにおける赤外線センサチップの画素部の要部概略断面図である。 実施形態１の赤外線センサにおける赤外線センサチップの画素部の要部概略断面図である。 実施形態１の赤外線センサにおける赤外線センサチップの要部説明図である。 実施形態１の赤外線センサにおける赤外線センサチップの等価回路図である。 実施形態１の赤外線センサにおける赤外線センサチップの製造方法を説明するための主要工程断面図である。 実施形態１の赤外線センサにおける赤外線センサチップの製造方法を説明するための主要工程断面図である。 実施形態１の赤外線センサにおける赤外線センサチップの製造方法を説明するための主要工程断面図である。 実施形態１の赤外線センサにおける赤外線センサチップの製造方法を説明するための主要工程断面図である。 実施形態２の赤外線センサの概略断面図である。 実施形態３の赤外線センサにおいてパッケージ蓋を取り外した状態の概略平面図である。 実施形態４の赤外線センサに関し、（ａ）はパッケージ蓋を取り外した状態の概略平面図、（ｂ）は概略断面図である。

（実施形態１）
以下、本実施形態の赤外線センサについて図１〜図１８を参照しながら説明する。

本実施形態の赤外線センサは、赤外線センサチップ１００と、この赤外線センサチップ１００の出力信号を信号処理するＩＣチップ１０２と、赤外線センサチップ１００およびＩＣチップ１０２が収納されたパッケージ１０３とを備えている。なお、赤外線センサは、絶対温度を測定するサーミスタ１０１（図３〜図５参照）も、パッケージ１０３に収納されている。

赤外線センサチップ１００は、図１（ｂ）に示すように、サーモパイル３０ａを有する熱型赤外線検出部３がシリコン基板からなる半導体基板１の一表面側に形成されている。また、赤外線センサチップ１００は、複数の熱型赤外線検出部３が半導体基板１の上記一表面側においてアレイ状に配置されている。

パッケージ１０３は、パッケージ本体１０４と、パッケージ本体１０４に接合されたパッケージ蓋１０５とを有している。ここで、パッケージ蓋１０５は、赤外線センサチップ１００での検知対象の赤外線を透過する機能を有している。また、パッケージ蓋１０５は、導電性を有している。

パッケージ蓋１０５は、パッケージ本体１０４の上記一表面側に覆着されたメタルキャップ１５２と、メタルキャップ１５２において赤外線センサチップ１００に対応する部位に形成された開口窓１５２ａを閉塞するレンズ１５３とで構成されている。ここにおいて、レンズ１５３が、赤外線を透過する機能を有し、さらに、赤外線センサチップ１００へ赤外線を収束する機能を有している。

ＩＣチップ１０２は、パッケージ本体１０４に実装されている。また、赤外線センサチップ１００は、パッケージ本体１０４に保持された支持部材１０６に支持され、パッケージ１０３内でＩＣチップ１０２の厚み方向においてＩＣチップ１０２から離れて配置されている。

以下、各構成要素についてさらに説明する。

赤外線センサチップ１００は、複数の画素部２が、半導体基板１の上記一表面側においてアレイ状（ここでは、２次元アレイ状）に配列されている（図６参照）。ここで、画素部２は、図７および図９に示すように、熱型赤外線検出部３と画素選択用のスイッチング素子であるＭＯＳトランジスタ４とを有している。本実施形態では、１つの半導体基板１の上記一表面側にｍ×ｎ個（図６に示した例では、８×８個）の画素部２が形成されているが、画素部２の数や配列は特に限定するものではない。また、本実施形態では、熱型赤外線検出部３の感温部３０が、複数個（ここでは、６個）のサーモパイル３０ａ（図７参照）を直列接続することにより構成されている。赤外線センサチップ１００の等価回路図である図１８では、熱型赤外線検出部３における感温部３０の等価回路を、感温部３０の熱起電力に対応する電圧源で表してある。

赤外線センサチップ１００は、図７、図９および図１８に示すように、各列の複数の熱型赤外線検出部３の感温部３０の一端がＭＯＳトランジスタ４を介して各列ごとに共通接続された複数の垂直読み出し線７を備えている。また、赤外線センサチップ１００は、各行の熱型赤外線検出部３の感温部３０に対応するＭＯＳトランジスタ４のゲート電極４６が各行ごとに共通接続された複数の水平信号線６を備えている。また、赤外線センサチップ１００は、各列のＭＯＳトランジスタ４のｐ形（ｐ^＋）のウェル領域４１が各列ごとに共通接続された複数のグラウンド線８と、各グラウンド線８が共通接続された共通グラウンド線９とを備えている。さらに、赤外線センサチップ１００は、各列の複数個の熱型赤外線検出部３の感温部３０の他端が各列ごとに共通接続された複数の基準バイアス線５を備えている。しかして、赤外線センサチップ１００は、全ての熱型赤外線検出部３の感温部３０の出力を時系列的に読み出すことができるようになっている。要するに、赤外線センサチップ１００は、半導体基板１の上記一表面側に熱型赤外線検出部３と当該熱型赤外線検出部３に並設され当該熱型赤外線検出部３の出力を読み出すためのＭＯＳトランジスタ４とを有する複数の画素部２が形成されている。

ＭＯＳトランジスタ４は、ゲート電極４６が水平信号線６に接続され、ソース電極４８が感温部３０を介して基準バイアス線５に接続され、ドレイン電極４７が垂直読み出し線７に接続されている。また、各水平信号線６の各々は、各別の画素選択用のパッドＶselに電気的に接続されている。また、各基準バイアス線５は、共通基準バイアス線５ａに共通接続されている。また、各垂直読み出し線７の各々は、各別の出力用のパッドＶoutに電気的に接続されている。また、共通グラウンド線９は、グラウンド用のパッドＧndに電気的に接続されている。また、共通基準バイアス線５ａは、基準バイアス用のパッドＶrefと電気的に接続されている。また、半導体基板１は、基板用のパッドＶddに電気的に接続されている。

しかして、本実施形態における赤外線センサチップ１００では、ＭＯＳトランジスタ４が、順次、オン状態になるように各画素選択用のパッドＶselの電位を制御することで各画素部２の出力電圧を順次読み出すことができる。例えば、基準バイアス用のパッドＶrefの電位を１．６５Ｖ、グラウンド用のパッドＧndの電位を０Ｖ、基板用のパッドＶddの電位を５Ｖとしておき、画素選択用のパッドＶselの電位を５Ｖとすれば、ＭＯＳトランジスタ４がオンとなり、出力用のパッドＶoutから画素部２の出力電圧（１．６５Ｖ＋感温部３０の出力電圧）が読み出される。また、画素選択用のパッドＶselの電位を０Ｖとすれば、ＭＯＳトランジスタ４がオフとなり、出力用のパッドＶoutから画素部２の出力電圧は読み出されない。なお、図６では、図１８における画素選択用のパッドＶsel、基準バイアス用のパッドＶref、グラウンド用のパッドＧnd、出力用のパッドＶoutなどを区別せずに、全てパッド８０として図示してある。

以下、熱型赤外線検出部３およびＭＯＳトランジスタ４それぞれの構造について説明する。なお、本実施形態では、上述の半導体基板１として、導電形がｎ形で上記一表面が（１００）面の単結晶シリコン基板を用いている。

各画素部２の熱型赤外線検出部３は、半導体基板１の上記一表面側において熱型赤外線検出部３の形成用領域Ａ１（図９参照）に形成されている。また、各画素部２のＭＯＳトランジスタ４は、半導体基板１の上記一表面側においてＭＯＳトランジスタ４の形成用領域Ａ２（図９参照）に形成されている。

赤外線センサチップ１００は、半導体基板１の上記一表面側において熱型赤外線検出部３の一部の直下に空洞部１１が形成されている。熱型赤外線検出部３は、半導体基板１の上記一表面側で空洞部１１の周部に形成された支持部３ｄと、半導体基板１の上記一表面側で平面視において空洞部１１を覆う第１の薄膜構造部３ａとを備えている。第１の薄膜構造部３ａは、赤外線を吸収する赤外線吸収部３３を備えている。ここで、第１の薄膜構造部３ａは、空洞部１１の周方向に沿って並設され支持部３ｄに支持された複数の第２の薄膜構造部３ａａと、隣接する第２の薄膜構造部３ａａ同士を連結する連結片３ｃとを有している。なお、図７における熱型赤外線検出部３では、複数の線状のスリット１３を設けることにより、第１の薄膜構造部３ａが６つの第２の薄膜構造部３ａａに分離されている。以下では、赤外線吸収部３３（第１の赤外線吸収部３３と称する）のうち第２の薄膜構造部３ａａそれぞれに対応して分割された各部位を第２の赤外線吸収部３３ａと称する。

熱型赤外線検出部３は、第２の薄膜構造部３ａａごとにサーモパイル３０ａが設けられている。ここで、サーモパイル３０ａは、温接点Ｔ１が、第２の薄膜構造部３ａａに設けられ、冷接点Ｔ２が、支持部３ｄに設けられている。要するに、サーモパイル３０ａは、温接点Ｔ１が、熱型赤外線検出部３において空洞部１１に重なる第１の領域に形成され、冷接点Ｔ２が、熱型赤外線検出部３において空洞部１１に重ならない第２の領域に形成されている。

また、熱型赤外線検出部３の感温部３０は、各サーモパイル３０ａごとに出力を取り出す場合に比べて温度変化に対する出力変化が大きくなる接続関係で、全てのサーモパイル３０ａが電気的に接続されている。図７の例では、感温部３０は、６個のサーモパイル３０ａを直列接続してある。ただし、上述の接続関係は、複数個のサーモパイル３０ａの全てを直列接続する接続関係に限らない。例えば、それぞれ３個のサーモパイル３０ａの直列回路を並列接続した接続関係では、６個のサーモパイル３０ａが並列接続されている場合や、各サーモパイル３０ａごとに出力を取り出す場合に比べて、感度を高めることが可能となり、６個のサーモパイル３０ａの全てが直列接続されている場合に比べて、感温部３０の電気抵抗を低くできて熱雑音が低減されるから、Ｓ／Ｎ比を向上させることが可能となる。

ここで、熱型赤外線検出部３では、第２の薄膜構造部３ａａごとに、支持部３ｄと第２の赤外線吸収部３３ａとを連結する２つの平面視短冊状のブリッジ部３ｂｂ，３ｂｂが空洞部１１の周方向に離間して形成されている。ここで、赤外線センサチップ１００は、２つのブリッジ部３ｂｂ，３ｂｂと第２の赤外線吸収部３３ａとを空間的に分離し空洞部１１に連通する平面視コ字状のスリット１４が形成されている。熱型赤外線検出部３のうち、平面視において第１の薄膜構造部３ａを囲む部位である支持部３ｄは、矩形枠状の形状となっている。なお、ブリッジ部３ｂｂは、上述の各スリット１３，１４により、第２の赤外線吸収部３３ａおよび支持部３ｄそれぞれとの連結部位以外の部分が、第２の赤外線吸収部３３ａおよび支持部３ｄと空間的に分離されている。第２の薄膜構造部３ａａは、支持部３ｄからの延長方向の寸法を９３μｍ、この延長方向に直交する幅方向の寸法を７５μｍとし、各ブリッジ部３ｂｂの幅寸法を２３μｍ、各スリット１３，１４の幅を５μｍに設定してあるが、これらの値は一例であって特に限定するものではない。

第１の薄膜構造部３ａは、半導体基板１の上記一表面側に形成されたシリコン酸化膜１ｂと、シリコン酸化膜１ｂ上に形成されたシリコン窒化膜３２と、シリコン窒化膜３２上に形成された感温部３０と、シリコン窒化膜３２の表面側で感温部３０を覆うように形成された層間絶縁膜５０と、層間絶縁膜５０上に形成されたパッシベーション膜６０との積層構造部をパターニングすることにより形成されている。層間絶縁膜５０は、ＢＰＳＧ膜により構成し、パッシベーション膜６０は、ＰＳＧ膜と当該ＰＳＧ膜上に形成されたＮＳＧ膜との積層膜により構成してあるが、これに限らず、例えば、シリコン窒化膜により構成してもよい。

上述の熱型赤外線検出部３では、シリコン窒化膜３２のうち第１の薄膜構造部３ａのブリッジ部３ｂｂ，３ｂｂ以外の部位が、第１の赤外線吸収部３３を構成している。また、支持部３ｄは、シリコン酸化膜１ｂとシリコン窒化膜３２と層間絶縁膜５０とパッシベーション膜６０とで構成されている。

また、赤外線センサチップ１００は、層間絶縁膜５０とパッシベーション膜６０との積層膜が、半導体基板１の上記一表面側において、熱型赤外線検出部３の形成用領域Ａ１とＭＯＳトランジスタ４の形成用領域Ａ２とに跨って形成されており、この積層膜のうち、熱型赤外線検出部３の形成用領域Ａ１に形成された部分が、赤外線吸収膜７０（図９（ｂ）参照）を兼ねている。本実施形態では、赤外線吸収膜７０の屈折率をｎ_２、検出対象の赤外線の中心波長をλとするとき、赤外線吸収膜７０の厚さｔ２をλ／４ｎ_２に設定しているので、検出対象の波長（例えば、８〜１２μｍ）の赤外線の吸収効率を高めることが可能となり、高感度化を図ることが可能となる。例えば、ｎ_２＝１．４、λ＝１０μｍの場合には、ｔ２≒１．８μｍとすればよい。なお、本実施形態では、層間絶縁膜５０の膜厚を０．８μｍ、パッシベーション膜６０の膜厚を１μｍ（ＰＳＧ膜の膜厚を０．５μｍ、ＮＳＧ膜の膜厚を０．５μｍ）としてある。

また、各画素部２では、空洞部１１の内周形状が矩形状である。連結片３ｃは、平面視Ｘ字状に形成されている。この連結片３ｃは、第２の薄膜構造部３ａａの延長方向に交差する斜め方向において隣接する第２の薄膜構造部３ａａ，３ａａ同士、第２の薄膜構造部３ａａの延長方向において隣接する第２の薄膜構造部３ａａ，３ａａ同士、第２の薄膜構造部３ａａの延長方向に直交する方向において隣接する第２の薄膜構造部３ａａ，３ａａ同士を連結している。

サーモパイル３０ａは、シリコン窒化膜３２上で第２の薄膜構造部３ａａと支持部３ｄとに跨って形成されたｎ形ポリシリコン層３４とｐ形ポリシリコン層３５との一端部同士を第２の赤外線吸収部３３ａの赤外線入射面側で金属材料（例えば、Ａｌ−Ｓｉなど）からなる接続部３６により電気的に接続した複数個（図７に示した例では、９個）の熱電対を有している。また、サーモパイル３０ａは、半導体基板１の上記一表面側で互いに隣り合う熱電対のｎ形ポリシリコン層３４の他端部とｐ形ポリシリコン層３５の他端部とが金属材料（例えば、Ａｌ−Ｓｉなど）からなる接続部３７により接合され電気的に接続されている。ここで、サーモパイル３０ａは、ｎ形ポリシリコン層３４の上記一端部とｐ形ポリシリコン層３５の上記一端部と接続部３６とで温接点Ｔ１を構成している。また、ｎ形ポリシリコン層３４の上記他端部とｐ形ポリシリコン層３５の上記他端部と接続部３７とで冷接点Ｔ２を構成している。赤外線センサチップ１００は、ｎ形ポリシリコン層３４およびｐ形ポリシリコン層３５の各々において、ブリッジ部３ｂｂ，３ｂｂに形成されている部位および半導体基板１の上記一表面側のシリコン窒化膜３２上に形成されている部位でも赤外線を吸収することができる。

また、赤外線センサチップ１００は、空洞部１１の形状が、四角錘状であり、平面視における中央部の方が周部に比べて深さ寸法が大きくなっているので、第１の薄膜構造部３ａの中央部に温接点Ｔ１が集まるように各画素部２におけるサーモパイル３０ａの平面レイアウトを設計してある。すなわち、図７の上下方向における真ん中の２つの第２の薄膜構造部３ａａでは、図７および図１０に示すように、３つの第２の薄膜構造部３ａａの並設方向に沿って温接点Ｔ１を並べて配置してある。また、図７の上下方向における上側の２つの第２の薄膜構造部３ａａでは、図７および図１１に示すように、３つの第２の薄膜構造部３ａａの並設方向において真ん中の第２の薄膜構造部３ａａに近い側に温接点Ｔ１を集中して配置してある。また、図７の上下方向における下側の２つの第２の薄膜構造部３ａａでは、図７に示すように、３つの第２の薄膜構造部３ａａの並設方向において真ん中の第２の薄膜構造部３ａａに近い側に温接点Ｔ１を集中して配置してある。しかして、本実施形態における赤外線センサチップ１００では、図７の上下方向における上側、下側の第２の薄膜構造部３ａａの複数の温接点Ｔ１の配置が、真ん中の第２の薄膜構造部３ａａの複数の温接点Ｔ１の配置と同じである場合に比べて、温接点Ｔ１の温度変化を大きくできるので、感度を向上することが可能となる。なお、本実施形態では、空洞部１１の最深部の深さを所定深さｄｐ（図９（ｂ）参照）とするとき、所定深さｄｐを２００μｍに設定してあるが、この値は一例であり、特に限定するものではない。

また、第２の薄膜構造部３ａａは、シリコン窒化膜３２の赤外線入射面側においてサーモパイル３０ａを形成していない領域に、第２の薄膜構造部３ａａの反りを抑制するとともに赤外線を吸収するｎ形ポリシリコン層からなる赤外線吸収層３９が形成されている。また、隣接する第２の薄膜構造部３ａａ，３ａａ同士を連結する連結片３ｃには、当該連結片３ｃを補強するｎ形ポリシリコン層からなる補強層３９ｂ（図１２参照）が設けられている。ここで、補強層３９ｂは、赤外線吸収層３９と連続一体に形成されている。しかして、赤外線センサチップ１００では、連結片３ｃが補強層３９ｂにより補強されているので、使用中の外部の温度変化や衝撃に起因して発生する応力による破損を防止することが可能となり、また、製造時の破損を低減することが可能となり、製造歩留まりの向上を図ることが可能となる。なお、本実施形態では、図１２に示す連結片３ｃの長さ寸法Ｌ１を２４μｍ、幅寸法Ｌ２を５μｍ、補強層３９ｂの幅寸法Ｌ３を１μｍに設定してあるが、これらの数値は一例であり、特に限定するものではない。ただし、半導体基板１がシリコン基板であり、補強層３９ｂがｎ形ポリシリコン層により形成される場合には、空洞部１１の形成時に補強層３９ｂがエッチングされるのを防止するために、補強層３９ｂの幅寸法を、連結片３ｃの幅寸法よりも小さく設定し、平面視において補強層３９ｂの両側縁が連結片３ｃの両側縁よりも内側に位置するように設計する必要がある。

また、赤外線センサチップ１００は、図１２および図１７（ｂ）に示すように、連結片３ｃの両側縁と第２の薄膜構造部３ａａの側縁との間にそれぞれ面取り部３ｄ，３ｄが形成され、Ｘ字状の連結片３ｃの略直交する側縁間にも面取り部３ｅが形成されている。しかして、赤外線センサチップ１００では、図１７（ａ）に示すように面取り部が形成されていない場合に比べて、連結片３ｃと第２の薄膜構造部３ａａとの連結部位での応力集中を緩和することが可能となる。これにより、この赤外線センサチップ１００では、製造時に発生する残留応力を低減することが可能となるとともに製造時の破損を低減することが可能となり、製造歩留まりの向上を図ることが可能となる。また、この赤外線センサチップ１００では、使用中の外部の温度変化や衝撃に起因して発生する応力による破損を防止することが可能となる。なお、図１２に示した例では、各面取り部３ｄ，３ｅをＲ（アール）が３μｍのＲ面取り部としてあるが、Ｒ面取り部に限らず、例えば、Ｃ面取り部としてもよい。

また、赤外線センサチップ１００は、各熱型赤外線検出部３に、支持部３ｄと一方のブリッジ部３ｂｂと第２の赤外線吸収部３３ａと他方のブリッジ部３ｂｂと支持部３ｄとに跨るように引き回されたｎ形ポリシリコン層からなる故障診断用の配線（以下、故障診断用配線と称する）１３９を設けて、全ての故障診断用配線１３９を直列接続してある。しかして、赤外線センサチップ１００では、ｍ×ｎ個の故障診断用配線１３９の直列回路へ通電することで、ブリッジ部３ｂｂの折れなどの破損の有無を検出することが可能となる。

要するに、赤外線センサチップ１００は、製造途中での検査時や使用時において、ｍ×ｎ個の故障診断用配線１３９の直列回路への通電の有無によって、ブリッジ部３ｂｂの折れや故障診断用配線１３９の断線などを検出することができる。また、赤外線センサチップ１００では、上述の検査時や使用時において、ｍ×ｎ個の故障診断用配線１３９の直列回路へ通電して各感温部３０の出力を検出することにより、感温部３０の断線の有無や感度のばらつき（感温部３０の出力のばらつき）などを検知することが可能となる。ここにおいて、感度のばらつきに関しては、画素部２ごとの感度のばらつきを検知することが可能であり、例えば、第１の薄膜構造部３ａの反りや第１の薄膜構造部３ａの半導体基板１へのスティッキングなどに起因した感度のばらつきを検知することが可能となる。ここで、本実施形態における赤外線センサチップ１００では、平面視において、故障診断用配線１３９を複数の温接点Ｔ１の群の付近において折り返され蛇行した形状としてある。したがって、この赤外線センサチップ１００では、故障診断用配線１３９へ通電することにより発生するジュール熱によって、各温接点Ｔ１を効率良く温めることが可能となる。上述の故障診断用配線１３９は、ｎ形ポリシリコン層３４およびｐ形ポリシリコン層３５と同一平面上に同一厚さで形成されている。

上述の赤外線吸収層３９および故障診断用配線１３９は、ｎ形ポリシリコン層３４と同じｎ形不純物（例えば、リンなど）を同じ不純物濃度（例えば、１０^１８〜１０^２０ｃｍ^−３）で含んでおり、ｎ形ポリシリコン層３４と同時に形成されている。また、ｐ形ポリシリコン層３５のｐ形不純物として例えばボロンを採用すればよく、不純物濃度を例えば１０^１８〜１０^２０ｃｍ^−３程度の範囲で適宜設定すればよい。本実施形態では、ｎ形ポリシリコン層３４およびｐ形ポリシリコン層３５それぞれの不純物濃度が１０^１８〜１０^２０ｃｍ^−３であり、熱電対の抵抗値を低減でき、Ｓ／Ｎ比の向上を図ることが可能となる。なお、赤外線吸収層３９および故障診断用配線１３９は、ｎ形ポリシリコン層３４と同じｎ形不純物を同じ不純物濃度でドーピングしてあるが、これに限らず、例えば、ｐ形ポリシリコン層３５と同じ不純物を同じ不純物濃度でドーピングしてもよい。

ところで、本実施形態では、ｎ形ポリシリコン層３４、ｐ形ポリシリコン層３５、赤外線吸収層３９、および故障診断用配線１３９の屈折率をｎ_１、検出対象の赤外線の中心波長をλとするとき、ｎ形ポリシリコン層３４、ｐ形ポリシリコン層３５、赤外線吸収層３９、および故障診断用配線１３９それぞれの厚さｔ１をλ／４ｎ_１に設定している。しかして、赤外線センサチップ１００では、検出対象の波長（例えば、８〜１２μｍ）の赤外線の吸収効率を高めることができ、高感度化を図ることが可能となる。例えば、ｎ_１＝３．６、λ＝１０μｍの場合には、ｔ１≒０．６９μｍとすればよい。

また、赤外線センサチップ１００は、ｎ形ポリシリコン層３４、ｐ形ポリシリコン層３５、赤外線吸収層３９、および故障診断用配線１３９それぞれの不純物濃度が１０^１８〜１０^２０ｃｍ^−３である。これにより、赤外線センサチップ１００は、赤外線の吸収率を高くしつつ赤外線の反射を抑制することが可能となり、感温部３０の出力のＳ／Ｎ比を高めることが可能となる。また、赤外線センサチップ１００は、製造時に、赤外線吸収層３９および故障診断用配線１３９をｎ形ポリシリコン層３４と同一工程で形成することが可能となるから、低コスト化を図ることが可能となる。

ここで、感温部３０の接続部３６と接続部３７とは、半導体基板１の上記一表面側において、層間絶縁膜５０によって絶縁分離されている（図１３および図１４参照）。すなわち、温接点Ｔ１側の接続部３６は、層間絶縁膜５０に形成したコンタクトホール５０ａ_１，５０ａ_２を通して、両ポリシリコン層３４，３５の上記各一端部と電気的に接続されている。また、冷接点Ｔ２側の接続部３７は、層間絶縁膜５０に形成されたコンタクトホール５０ａ_３，５０ａ_４を通して、両ポリシリコン層３４，３５の上記各他端部と電気的に接続されている。

また、ＭＯＳトランジスタ４は、上述のように、半導体基板１の上記一表面側においてＭＯＳトランジスタ４の形成用領域Ａ２に形成されている。

ＭＯＳトランジスタ４は、図９および図１６に示すように、半導体基板１の上記一表面側にウェル領域４１が形成され、ウェル領域４１内に、ｎ形（ｎ^＋）のドレイン領域４３とｎ形（ｎ^＋）のソース領域４４とが離間して形成されている。さらに、ウェル領域４１内には、ドレイン領域４３とソース領域４４とを囲むｐ形（ｐ^＋＋）のチャネルストッパ領域４２が形成されている。

ウェル領域４１においてドレイン領域４３とソース領域４４との間に位置する部位の上には、シリコン酸化膜（熱酸化膜）からなるゲート絶縁膜４５を介してｎ形ポリシリコン層からなるゲート電極４６が形成されている。

また、ドレイン領域４３上には、金属材料（例えば、Ａｌ−Ｓｉなど）からなるドレイン電極４７が形成され、ソース領域４４上には、金属材料（例えば、Ａｌ−Ｓｉなど）からなるソース電極４８が形成されている。

ゲート電極４６、ドレイン電極４７およびソース電極４８は、上述の層間絶縁膜５０によって絶縁分離されている。ここで、ドレイン電極４７は、層間絶縁膜５０に形成したコンタクトホール５０ｄを通してドレイン領域４３と電気的に接続され、ソース電極４８は、層間絶縁膜５０に形成したコンタクトホール５０ｅを通してソース領域４４と電気的に接続されている。

赤外線センサチップ１００の各画素部２では、ＭＯＳトランジスタ４のソース電極４８と感温部３０の一端とが電気的に接続され、感温部３０の他端が基準バイアス線５に電気的に接続されている。また、各画素部２では、ＭＯＳトランジスタ４のドレイン電極４７が、垂直読み出し線７と電気的に接続され、ゲート電極４６が、当該ゲート電極４６に連続一体に形成されたｎ形ポリシリコン配線からなる水平信号線６と電気的に接続されている。また、各画素部２では、ＭＯＳトランジスタ４のチャネルストッパ領域４２上に、金属材料（例えば、Ａｌ−Ｓｉなど）からなるグラウンド用の電極（以下、グラウンド用電極と称する）４９が形成されている。このグラウンド用電極４９は、チャネルストッパ領域４２をドレイン領域４３およびソース領域４４よりも低電位にバイアスして素子分離するための共通グラウンド線８と電気的に接続されている。なお、グラウンド用電極４９は、層間絶縁膜５０に形成したコンタクトホール５０ｆを通してチャネルストッパ領域４２と電気的に接続されている。

以上説明した赤外線センサチップ１００は、第１の薄膜構造部３ａが、複数の線状のスリット１３を設けることによって、空洞部１１の内周方向に沿って並設されそれぞれ熱型赤外線検出部３において空洞部１１を囲む部位である支持部３ｄから内方へ延長された複数の第２の薄膜構造部３ａａに分離されている。また、赤外線センサチップ１００は、各第２の薄膜構造部３ａａごとにサーモパイル３０ａの温接点Ｔ１が設けられるとともに、各サーモパイル３０ａごとに出力を取り出す場合に比べて温度変化に対する出力変化が大きくなる接続関係で全てのサーモパイル３０ａが電気的に接続されている。しかして、赤外線センサチップ１００は、応答速度および感度の向上を図ることが可能となる。また、赤外線センサチップ１００は、全ての第２の薄膜構造部３ａａに跨って故障診断用配線１３９が形成されているので、熱型赤外線検出部３の全てのサーモパイル３０ａを一括して自己診断することが可能となる。また、赤外線センサチップ１００では、隣接する第２の薄膜構造部３ａａ，３ａａ同士を連結する連結片３ｃが形成されていることにより、各第２の薄膜構造部３ａａの反りを低減でき、構造安定性の向上を図れ、感度が安定する。なお、赤外線センサチップ１００の使用時の自己診断は、ＩＣチップ１０２に設けられた自己診断回路（図示せず）により定期的に行われるが、必ずしも定期的に行う必要はない。

また、赤外線センサチップ１００は、ｎ形ポリシリコン層３４とｐ形ポリシリコン層３５と赤外線吸収層３９と補強層３９ｂと故障診断用配線１３９とが同一の厚さに設定されているので、第２の薄膜構造部３ａａの応力バランスの均一性が向上し、第２の薄膜構造部３ａａの反りを抑制することが可能となる。これにより、赤外線センサチップ１００は、製品ごとの感度のばらつきや、画素部２ごとの感度のばらつきを低減することが可能となる。

また、赤外線センサチップ１００は、上述のように、故障診断用配線１３９が、第１の熱電要素であるｎ形ポリシリコン層３４もしくは第２の熱電要素であるｐ形ポリシリコン層３５と同じ材料により形成されている。これにより、赤外線センサチップ１００は、故障診断用配線１３９を第１の熱電要素もしくは第２の熱電要素と同時に形成することが可能となり、製造プロセスの簡略化による低コスト化を図ることが可能となる。

また、赤外線センサチップ１００は、赤外線吸収部３３および故障診断用配線１３９を備えた複数の画素部２が、半導体基板１の上記一表面側でアレイ状に設けられているので、製造時や使用時の自己診断に際して各画素部２それぞれの故障診断用配線１３９に通電することにより、各画素部２それぞれの感温部３０の感度のばらつきを把握することが可能となる。

また、赤外線センサチップ１００は、各画素部２ごとに感温部３０の出力を読み出すためのＭＯＳトランジスタ４を有しているので、出力用のパッドＶout（図１８参照）の数を少なくでき、小型化および低コスト化を図ることが可能となる。

以下、赤外線センサチップ１００の製造方法について図１９〜図２２を参照して説明する。

まず、シリコン基板からなる半導体基板１の上記一表面側に第１の所定膜厚（例えば、０．３μｍ）の第１のシリコン酸化膜３１と第２の所定膜厚（例えば、０．１μｍ）のシリコン窒化膜３２との積層膜からなる絶縁層を形成する絶縁層形成工程を行う。その後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して、上記絶縁層のうち熱型赤外線検出部３の形成用領域Ａ１に対応する部分の一部を残してＭＯＳトランジスタ４の形成用領域Ａ２に対応する部分をエッチング除去する絶縁層パターニング工程を行うことによって、図１９（ａ）に示す構造を得る。ここにおいて、第１のシリコン酸化膜３１は、半導体基板１を所定温度（例えば、１１００℃）で熱酸化することにより形成し、シリコン窒化膜３２は、ＬＰＣＶＤ法により形成している。

上述の絶縁層パターニング工程の後、半導体基板１の上記一表面側にウェル領域４１を形成するウェル領域形成工程を行う。続いて、半導体基板１の上記一表面側におけるウェル領域４１内にチャネルストッパ領域４２を形成するチャネルストッパ領域形成工程を行うことによって、図１９（ｂ）に示す構造を得る。ここで、ウェル領域形成工程では、まず、半導体基板１の上記一表面側の露出部位を所定温度で熱酸化することにより第２のシリコン酸化膜（熱酸化膜）５１を選択的に形成する。その後、ウェル領域４１を形成するためのマスクを利用したフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して第２のシリコン酸化膜５１をパターニングする。続いて、ｐ形不純物（例えば、ボロンなど）のイオン注入を行ってから、ドライブインを行うことにより、ウェル領域４１を形成する。また、チャネルストッパ領域形成工程では、半導体基板１の上記一表面側を所定温度で熱酸化することにより第３のシリコン酸化膜（熱酸化膜）５２を選択的に形成する。その後、チャネルストッパ領域４２を形成するためのマスクを利用したフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して第３のシリコン酸化膜５２をパターニングする。続いて、ｐ形不純物（例えば、ボロンなど）のイオン注入を行ってから、ドライブインを行うことにより、チャネルストッパ領域４２を形成する。なお、第１のシリコン酸化膜３１と第２のシリコン酸化膜５１と第３のシリコン酸化膜５２とで、半導体基板１の上記一表面側のシリコン酸化膜１ｂを構成している。

上述のチャネルストッパ領域形成工程の後、ドレイン領域４３およびソース領域４４を形成するソース・ドレイン形成工程を行う。このソース・ドレイン形成工程では、ウェル領域４１におけるドレイン領域４３およびソース領域４４それぞれの形成予定領域にｎ形不純物（例えば、リンなど）のイオン注入を行ってから、ドライブインを行うことによって、ドレイン領域４３およびソース領域４４を形成する。

ソース・ドレイン形成工程の後、半導体基板１の上記一表面側に熱酸化により所定膜厚（例えば、６００Å）のシリコン酸化膜（熱酸化膜）からなるゲート絶縁膜４５を形成するゲート絶縁膜形成工程を行う。続いて、半導体基板１の上記一表面側の全面にゲート電極４６、水平信号線６（図７参照）、ｎ形ポリシリコン層３４、ｐ形ポリシリコン層３５、赤外線吸収層３９および故障診断用配線１３９の基礎となる所定膜厚（例えば、０．６９μｍ）のノンドープポリシリコン層をＬＰＣＶＤ法により形成するポリシリコン層形成工程を行う。その後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して、上記ノンドープポリシリコン層をゲート電極４６、水平信号線６、ｎ形ポリシリコン層３４、ｐ形ポリシリコン層３５、赤外線吸収層３９および故障診断用配線１３９それぞれに対応する部分が残るようにパターニングするポリシリコン層パターニング工程を行う。続いて、上記ノンドープポリシリコン層のうちｐ形ポリシリコン層３５に対応する部分にｐ形不純物（例えば、ボロンなど）のイオン注入を行ってからドライブインを行うことによりｐ形ポリシリコン層３５を形成するｐ形ポリシリコン層形成工程を行う。その後、上記ノンドープポリシリコン層のうちｎ形ポリシリコン層３４、赤外線吸収層３９、故障診断用配線１３９、ゲート電極４６および水平信号線６に対応する部分にｎ形不純物（例えば、リンなど）のイオン注入を行ってからドライブインを行うことによりｎ形ポリシリコン層３４、赤外線吸収層３９、故障診断用配線１３９、ゲート電極４６および水平信号線６を形成するｎ形ポリシリコン層形成工程を行うことによって、図２０（ａ）に示す構造を得る。なお、ｐ形ポリシリコン層形成工程とｎ形ポリシリコン層形成工程との順序は逆でもよい。

上述のｐ形ポリシリコン層形成工程およびｎ形ポリシリコン層形成工程が終了した後、半導体基板１の上記一表面側に層間絶縁膜５０を形成する層間絶縁膜形成工程を行う。続いて、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して層間絶縁膜５０に各コンタクトホール５０ａ_１，５０ａ_２，５０ａ_３，５０ａ_４，５０ｄ，５０ｅ，５０ｆ（図１３、図１４、図１６参照）を形成するコンタクトホール形成工程を行うことによって、図２０（ｂ）に示す構造を得る。層間絶縁膜形成工程では、半導体基板１の上記一表面側に所定膜厚（例えば、０．８μｍ）のＢＰＳＧ膜をＣＶＤ法により堆積させてから、所定温度（例えば、８００℃）でリフローすることにより平坦化された層間絶縁膜５０を形成する。

上述のコンタクトホール形成工程の後、半導体基板１の上記一表面側の全面に接続部３６，３７、ドレイン電極４７、ソース電極４８、基準バイアス線５、垂直読み出し線７、グラウンド線８、共通グラウンド線９および各パッドＶout，Ｖsel，Ｖref，Ｖdd，Ｇndなど（図１８参照）の基礎となる所定膜厚（例えば、２μｍ）の金属膜（例えば、Ａｌ−Ｓｉ膜）をスパッタ法などにより形成する金属膜形成工程を行う。続いて、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して、金属膜をパターニングすることで接続部３６，３７、ドレイン電極４７、ソース電極４８、基準バイアス線５、垂直読み出し線７、グラウンド線８、共通グラウンド線９および各パッドＶout，Ｖsel，Ｖref，Ｖdd，Ｇndなどを形成する金属膜パターニング工程を行うことによって、図２１（ａ）に示す構造を得る。なお、金属膜パターニング工程におけるエッチングはＲＩＥにより行っている。また、この金属膜パターニング工程を行うことにより、温接点Ｔ１および冷接点Ｔ２が形成される。

上述の金属膜パターニング工程の後、半導体基板１の上記一表面側（つまり、層間絶縁膜５０の表面側）に所定膜厚（例えば、０．５μｍ）のＰＳＧ膜と所定膜厚（例えば、０．５μｍ）のＮＳＧ膜との積層膜からなるパッシベーション膜６０をＣＶＤ法により形成するパッシベーション膜形成工程を行うことによって、図２１（ｂ）に示す構造を得る。

上述のパッシベーション膜形成工程の後、第１のシリコン酸化膜３１、シリコン窒化膜３２、層間絶縁膜５０、パッシベーション膜６０などを有し感温部３０などが埋設された積層構造部をパターニングすることにより、第２の薄膜構造部３ａａおよび連結片３ｃを形成する積層構造部パターニング工程を行うことによって、図２２（ａ）に示す構造を得る。なお、積層構造部パターニング工程において、各スリット１３，１４を形成している。

上述の積層構造部パターニング工程の後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して各パッドＶout，Ｖsel，Ｖref，Ｖdd，Ｇndを露出させる開口部（図示せず）を形成する開口部形成工程を行う。次に、各スリット１３，１４をエッチング液導入孔としてエッチング液を導入し半導体基板１を異方性エッチング（結晶異方性エッチング）することにより半導体基板１に空洞部１１を形成する空洞部形成工程を行うことで、図２２（ｂ）に示す構造の赤外線センサチップ１００を得る。ここで、開口部形成工程におけるエッチングはＲＩＥにより行っている。また、空洞部形成工程では、エッチング液として所定温度（例えば、８５℃）に加熱したＴＭＡＨ溶液を用いているが、エッチング液はＴＭＡＨ溶液に限らず、他のアルカリ系溶液（例えば、ＫＯＨ溶液など）を用いてもよい。なお、空洞部形成工程が終了するまでの全工程はウェハレベルで行うので、空洞部形成工程が終了した後、個々の赤外線センサチップ１００に分離する分離工程を行えばよい。また、上述の説明から分かるように、ＭＯＳトランジスタ４の製造方法に関してみれば、周知の一般的なＭＯＳトランジスタの製造方法を採用しており、熱酸化による熱酸化膜の形成、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術による熱酸化膜のパターニング、不純物のイオン注入、ドライブイン（不純物の拡散）の基本工程を繰り返すことにより、ウェル領域４１、チャネルストッパ領域４２、ドレイン領域４３とソース領域４４を形成している。なお、ウェル領域４１、チャネルストッパ領域４２、ドレイン領域４３およびソース領域４４の各々の導電形は、上述の説明とは異なる導電形でもよい。

上述の赤外線センサチップ１００では、半導体基板１として上記一表面が（１００）面の単結晶のシリコン基板を用いて、エッチング速度の結晶面方位依存性を利用した異方性エッチングにより形成する空洞部１１を四角錘状の形状としてあるが、四角錘状の形状に限らず、四角錘台状の形状でもよい。また、半導体基板１の上記一表面の面方位は特に限定するものではなく、例えば、半導体基板１として上記一表面が（１１０）面の単結晶のシリコン基板を用いてもよい。なお、赤外線センサチップ１００の外周形状は、矩形状（正方形状ないし長方形状）である。

ＩＣチップ１０２は、ＡＳＩＣ（：Application Specific ＩＣ）であり、シリコン基板を用いて形成されている。なお、ＩＣチップ１０２の外周形状は、矩形状（正方形状ないし長方形状）である。

ＩＣチップ１０２は、主表面側に、回路部（図示せず）が形成されている。この回路部は、例えば、赤外線センサチップ１００を制御する制御回路、赤外線センサチップ１００の複数の出力用のパッド８０に電気的に接続された複数の入力用のパッドの出力電圧を増幅する増幅回路、複数の入力用のパッドの出力電圧を択一的に上記増幅回路に入力するマルチプレクサ、上記増幅回路の出力とサーミスタ１０１の出力とに基づいて温度を求める演算回路などを備えている。ここで、上記増幅回路の出力は、画素部２における温接点Ｔ１と冷接点Ｔ２との温度差に応じた出力である。また、サーミスタ１０１の出力は、絶対温度に応じた出力であり、画素部２における冷接点Ｔ２の温度に応じた出力であると想定している。そして、ＩＣチップ１０２は、外部の表示装置に赤外線画像を表示させることができる。また、回路部は、上述の自己診断回路も備えている。なお、ＩＣチップ１０２の回路部の回路構成は、特に限定するものではない。また、サーミスタ１０１は、必ずしも設ける必要はない。

本実施形態の赤外線センサは、パッケージ本体１０４とパッケージ蓋１０５とで構成されるパッケージ１０３の内部空間（気密空間）を、窒素ガス（ドライ窒素ガス）雰囲気としてあるが、これに限らず、例えば、真空雰囲気としてもよい。

パッケージ本体１０４は、金属材料からなる配線パターン（図示せず）および電磁シールド層（図示せず）が形成されており、この電磁シールド層により電磁シールド機能を有している。一方、パッケージ蓋１０５は、レンズ１５３が導電性を有し、レンズ１５３がメタルキャップ１５２に導電性材料により接合されている。これにより、パッケージ蓋１０５は、導電性を有している。そして、パッケージ蓋１０５は、パッケージ本体１０４の上記電磁シールド層と電気的に接続されている。しかして、本実施形態の赤外線センサでは、パッケージ本体１０４の上記電磁シールド層とパッケージ蓋１０５とを同電位とすることが可能となる。その結果、パッケージ１０３は、赤外線センサチップ１００、ＩＣチップ１０２、サーミスタ１０１、上述の配線パターン、後述のボンディングワイヤ（図示せず）などを含んで構成されるセンサ回路（図示せず）への外来の電磁ノイズを防止する電磁シールド機能を有している。

パッケージ本体１０４は、平板状のセラミック基板により構成してある。そして、パッケージ本体１０４は、一面側に、上述の配線パターンの一部が形成されており、赤外線センサチップ１００のパッド８０およびＩＣチップ１０２のパッド（図示せず）が、ボンディングワイヤを介して適宜接続されている。なお、赤外線センサにおいて、赤外線センサチップ１００とＩＣチップ１０２とは、ボンディングワイヤおよびパッケージ本体１０４の配線パターンなどを介して電気的に接続されている。各ボンディングワイヤとしては、Ａｌワイヤに比べて耐腐食性の高いＡｕワイヤを用いることが好ましい。

本実施形態では、パッケージ本体１０４の絶縁材料としてセラミックスを採用しているので、上記絶縁材料としてエポキシ樹脂などの有機材料を採用する場合に比べて、パッケージ本体１０４の耐湿性および耐熱性を向上させることが可能となる。ここで、絶縁材料のセラミックスとしては、アルミナを採用しているが、特に、アルミナに限定するものではなく、窒化アルミニウムや炭化珪素などを採用してもよい。なお、アルミナの熱伝導率は、１４Ｗ／ｍ・Ｋ程度である。

また、パッケージ本体１０４は、上述の配線パターンの一部により構成される外部接続電極（図示せず）が、他面と側面とに跨って形成されている。しかして、本実施形態の赤外線センサでは、回路基板などへの２次実装後において、回路基板などとの接合部の外観検査を容易に行うことができる。

また、ＩＣチップ１０２は、パッケージ本体１０４に対して、ダイボンド剤を用いて実装されている。ダイボンド剤としては、エポキシ系樹脂やシリコーン系樹脂などの絶縁性接着剤、半田（鉛フリー半田、Ａｕ−Ｓｎ半田など）や銀ペーストなどの導電性接着剤を用いればよい。また、ダイボンド剤を用いずに、例えば、常温接合法や、Ａｕ−Ｓｎ共晶もしくはＡｕ−Ｓｉ共晶を利用した共晶接合法などにより接合してもよい。なお、エポキシ系樹脂の熱伝導率は、０．２Ｗ／ｍ・Ｋ程度である。

パッケージ蓋１０５は、パッケージ本体１０４側の一面が開放された箱状に形成され赤外線センサチップ１００に対応する部位に開口窓１５２ａが形成されたメタルキャップ１５２と、メタルキャップ１５２の開口窓１５２ａを閉塞する形でメタルキャップ１５２に接合されたレンズ１５３とで構成されている。そして、パッケージ蓋１０５は、メタルキャップ１５２の上記一面がパッケージ本体１０４により閉塞される形でパッケージ本体１０４に気密的に接合されている。ここで、パッケージ本体１０４の上記一表面の周部には、パッケージ本体１０４の外周形状に沿った枠状の金属パターン１４７が全周に亘って形成されている。そして、パッケージ蓋１０５とパッケージ本体１０４の金属パターン１４７とは、シーム溶接（抵抗溶接法）により金属接合されている。これにより、パッケージ１０３は、気密性および電磁シールド効果を高めることができる。なお、パッケージ蓋１０５のメタルキャップ１５２は、コバールにより形成されており、Ｎｉめっきが施されている。また、パッケージ本体１０４の金属パターン１４７は、コバールにより形成され、Ｎｉのめっきが施され、さらにＡｕのめっきが施されている。コバールの熱伝導率は、１６．７Ｗ／ｍ・Ｋ程度である。

パッケージ蓋１０５とパッケージ本体１０４の金属パターン１４７との接合方法は、シーム溶接に限らず、他の溶接（例えば、スポット溶接）や、導電性樹脂により接合してもよい。ここで、導電性樹脂として異方導電性接着剤を用いれば、樹脂（バインダー）中に分散された導電粒子の含有量が少なく、接合時に加熱・加圧を行うことでパッケージ蓋１０５とパッケージ本体１０４との接合層の厚みを薄くできるので、外部からパッケージ１０３内へ水分やガス（例えば、水蒸気、酸素など）が侵入するのを抑制できる。また、導電性樹脂として、酸化バリウム、酸化カルシウムなどの乾燥剤を混入させたものを用いてもよい。

なお、パッケージ本体１０４およびパッケージ蓋１０５の外周形状は矩形状としてあるが、矩形状に限らず、例えば、円形状でもよい。また、パッケージ蓋１０５のメタルキャップ１５２は、パッケージ本体１０４側の端縁から全周に亘って外方に延設された鍔部１５２ｂを備えており、鍔部１５２ｂが全周に亘ってパッケージ本体１０４と接合されている。

レンズ１５３は、平凸型の非球面レンズである。しかして、本実施形態の赤外線センサでは、レンズ１５３の薄型化を図りながらも、赤外線センサチップ１００での赤外線の受光効率の向上による高感度化を図ることが可能となる。また、本実施形態の赤外線センサでは、赤外線センサチップ１００の検知エリアをレンズ１５３により設定することが可能となる。レンズ１５３は、赤外線センサチップ１００の半導体基板１とは別の半導体基板を用いて形成されている。更に説明すれば、レンズ１５３は、所望のレンズ形状に応じて半導体基板（ここでは、シリコン基板）との接触パターンを設計した陽極を半導体基板の一表面側に半導体基板との接触がオーミック接触となるように形成した後に半導体基板の構成元素の酸化物をエッチング除去する溶液からなる電解液中で半導体基板の他表面側を陽極酸化することで除去部位となる多孔質部を形成してから当該多孔質部を除去することにより形成された半導体レンズ（ここでは、シリコンレンズ）により構成されている。しかして、レンズ１５３は、導電性を有している。なお、この種の陽極酸化技術を応用した半導体レンズの製造方法については、例えば、特許第３８９７０５５号公報、特許第３８９７０５６号公報などに開示されている半導体レンズの製造方法を適用することができる。

本実施形態では、赤外線センサチップ１００の検知エリアを上述の半導体レンズからなるレンズ１５３により設定することができ、また、レンズ１５３として、球面レンズよりも短焦点で且つ開口径が大きく収差が小さな半導体レンズを採用することができるから、短焦点化により、パッケージ１０３の薄型化を図ることが可能となる。本実施形態の赤外線センサは、赤外線センサチップ１００の検知対象の赤外線として、人体から放射される１０μｍ付近の波長帯（８μｍ〜１３μｍ）の赤外線を想定しており、レンズ１５３の材料として、ＺｎＳやＧａＡｓなどに比べて環境負荷が少なく且つ、Ｇｅに比べて低コスト化が可能であり、しかも、ＺｎＳに比べて波長分散が小さなＳｉを採用している。

また、レンズ１５３は、メタルキャップ１５２における開口部１５２ａの周部に導電性接着剤（例えば、鉛フリー半田、銀ペーストなど）により固着されている。しかして、赤外線センサは、レンズ１５３がメタルキャップ１５２を介してパッケージ本体１０４の上記電磁シールド層に電気的に接続されるので、電磁ノイズに対するシールド性を高めることができ、外来の電磁ノイズに起因したＳ／Ｎ比の低下を抑制することが可能となる。

上述のレンズ１５３には、赤外線センサチップ１００での検知対象の赤外線の波長を含む所望の波長域の赤外線を透過し当該波長域以外の赤外線を反射する光学多層膜（多層干渉フィルタ膜）からなるフィルタ部（図示せず）を設けることが好ましい。このようなフィルタ部を設けることにより、所望の波長域以外の不要な波長域の赤外線や可視光をフィルタ部によりカットすることが可能となり、太陽光などによるノイズの発生を抑制することが可能となり、高感度化を図ることが可能となる。

また、本実施形態では、パッケージ本体１０４が平板状に形成されているので、パッケージ本体１０４へＩＣチップ１０２の実装が容易になるとともに、パッケージ本体１０４の低コスト化が可能となる。また、本実施形態の赤外線センサでは、支持部材１０６の高さによって、赤外線センサチップ１００とレンズ１５３との間の距離を調整することも可能となり、高精度化を図ることが可能となる。

支持部材１０６の材料としては、コバールを採用しているが、これに限らず、例えば、ステンレス鋼でもよいし、コバールやステンレス鋼に比べて熱伝導率の低い樹脂を採用してもよい。ここで、支持部材１０６は、例えば、押し出し加工などにより形成すればよい。また、支持部材１０６は、パッケージ本体１０４に対して、熱伝導率の低い材料（例えば、エポキシ樹脂などの樹脂）により固着することが好ましい。

支持部材１０６は、ＩＣチップ１０２の厚み方向においてＩＣチップ１０２から離れて配置され且つ赤外線センサチップ１００が接合部１１０を介して接合されて赤外線センサチップ１００を保持するチップ保持部１０７と、チップ保持部１０７とパッケージ本体１０４との間に介在する支持脚部１０９とを有している。要するに、赤外線センサチップ１００は、チップ保持部１０７に対してダイボンドされている。ここで、支持部材１０６は、チップ保持部１０７が、ＩＣチップ１０２の厚み方向において、ＩＣチップ１０２におけるレンズ１５３側に位置している。また、赤外線センサチップ１００の平面視における外周形状は、矩形状であり、チップ保持部１０７の平面視における外周形状は、赤外線センサチップ１００よりも大きな矩形状としてある。

また、支持部材１０６は、支持脚部１０９を複数（図示例では、４つ）備えているが、支持脚部１０９の数は特に限定するものではない。また、チップ保持部１０７は、赤外線センサチップ１００におけるＩＣチップ１０２側の面を露出させる開孔部１０８を有している。ここで、開孔部１０８は、赤外線センサチップ１００の平面視における外形サイズよりもやや大きい矩形の４つの角部を切り欠いた形状に形成されている。見方を変えれば、チップ保持部１０７は、開孔部１０８の内側面から、当該矩形の４つの角部に対応する部位に、ダイボンド部１０７ｂが延設されている。そして、本実施形態の赤外線センサでは、赤外線センサチップ１００の４つの角部の各々が、接合部１１０を介して、ダイボンド部１０７ｂに接合されている。

したがって、ＩＣチップ１０２の厚み方向におけるＩＣチップ１０２と赤外線センサチップ１００との距離は、パッケージ本体１０４と支持脚部１０９との間に介在する第１接合層の厚み寸法と、支持脚部１０９の高さ寸法と、チップ保持部１０７の厚み寸法と、接合部１１０の厚み寸法との第１合計値から、パッケージ本体１０４とＩＣチップ１０２との間に介在する第２接合層の厚み寸法と、ＩＣチップ１０２の厚み寸法との第２合計値を減算した値を用いて規定することが可能である。

接合部１１０の材料としては、熱伝導率の低い材料が好ましく、例えば、エポキシ樹脂などの樹脂を採用することが好ましい。これにより、支持部材１０６から赤外線センサチップ１００への熱伝達を抑制することが可能となる。

また、支持脚部１０９は、チップ保持部１０７の厚み方向を長手方向とする細長の矩形板状の形状であり、チップ保持部１０６の４つの角部から、チップ保持部１０６の厚み方向に沿って突設されている。なお、支持脚部１０９は、厚みが薄く、幅寸法が小さいほうが好ましく、これにより、パッケージ本体１０４から赤外線センサチップ１００への熱伝達を、より抑制することが可能となる。

以上説明した本実施形態の赤外線センサでは、ＩＣチップ１０２が、パッケージ本体１０４に実装され、赤外線センサチップ１００が、パッケージ本体１０４に保持された支持部材１０６に支持され、パッケージ１０３内でＩＣチップ１０２の厚み方向においてＩＣチップ１０２から離れて配置されているので、赤外線センサチップ１００における各画素部２の各々の出力信号（出力電圧）に関して、ＩＣチップ１０２の発熱に起因したオフセット電圧を低減することが可能となり、また、オフセット電圧のばらつきを低減することが可能となる。しかして、本実施形態の赤外線センサでは、ＩＣチップ１０２の発熱に起因した赤外線センサチップ１００の面内でのオフセット電圧のばらつきを抑制できて、赤外線センサチップ１００の面内でのＳ／Ｎ比のばらつきを抑制することが可能となる。要するに、本実施形態の赤外線センサでは、赤外線センサチップ１００の各熱型赤外線検出部３の出力のＳ／Ｎ比のばらつきを抑制することが可能となる。

また、赤外線センサでは、上述のように、支持部材１０６が、上述のチップ保持部１０７と、支持脚部１０９とを有し、チップ保持部１０７が、赤外線センサチップ１００におけるＩＣチップ１０２側の面を露出させる開孔部１０８を有していることが好ましい。これにより、本実施形態の赤外線センサでは、パッケージ本体１０４から支持部材１０６を介して赤外線センサチップ１００へ伝わる熱を低減することが可能となり、高感度化を図ることが可能となる。

また、赤外線センサは、接合部１１０を複数備え、これら複数の接合部１１０が、赤外線センサチップ１００の平面視の外周方向において離間していることが好ましい。これにより、赤外線センサは、パッケージ本体１０４側からの接合部１１０を通した熱伝達を、より抑制することが可能となり、赤外線センサチップ１００の面内での温度のばらつきを低減することが可能となる。本実施形態の赤外線センサでは、赤外線センサチップ１００の面内での冷接点Ｔ２の温度のばらつきを低減することが可能となり、画素部２ごとのオフセット電圧のばらつきを低減することが可能となる。また、本実施形態の赤外線センサでは、各画素部２の出力電圧のオフセット電圧を低減することが可能となる。

また、この赤外線センサにおいて、接合部１１０は、樹脂により形成されていることが好ましい。これにより、赤外線センサは、接合部１１０が例えば銀ペーストや半田などにより形成されている場合に比べて、パッケージ本体１０４側からの接合部１１０を通した熱伝達を、より抑制することが可能となる。

また、本実施形態の赤外線センサでは、パッケージ本体１０４が平板状に形成されているので、パッケージ本体１０４へのＩＣチップ１０２および支持部材１０６の実装が容易になるとともに、パッケージ本体１０４の低コスト化が可能となる。

また、本実施形態の赤外線センサは、パッケージ本体１０４において、上述の配線パターンのうち赤外線センサチップ１００およびＩＣチップ１０２それぞれのグランド用のパッド（図示せず）が接続される部位を、上記電磁シールド層に電気的に接続しておくが好ましい。これにより、赤外線センサは、赤外線センサチップ１００およびＩＣチップ１０２などにより構成されるセンサ回路への外来の電磁ノイズの影響を低減することが可能となり、外来の電磁ノイズに起因したＳ／Ｎ比の低下を抑制することが可能となる。なお、赤外線センサを回路基板などに２次実装する場合には、電磁シールド層を回路基板などのグランドパターンと電気的に接続することで、上述のセンサ回路への外来の電磁ノイズの影響を低減することが可能となり、外来の電磁ノイズに起因したＳ／Ｎ比の低下を抑制することが可能となる。

（実施形態２）
本実施形態の赤外線センサの基本構成は実施形態１と略同じであり、図２３に示すように、パッケージ本体１０４の上記一面側に凹部１０４ａが形成されており、凹部１０４ａの内底面にＩＣチップ１０２が実装されている点などが相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を適宜省略する。

本実施形態の赤外線センサでは、パッケージ本体１０４の上記一面側に凹部１０４ａが形成されており、凹部１０４ａの内底面にＩＣチップ１０２が実装されているので、実施形態１の赤外線センサに比べて、ＩＣチップ１０２の厚み方向におけるＩＣチップ１０２と赤外線センサチップ１００との距離を長くすることが可能となる。したがって、本実施形態の赤外線センサは、ＩＣチップ１０２の発熱に起因した赤外線センサチップ１００の温度の面内ばらつきを、より低減することが可能となり、赤外線センサチップ１００の面内でのＳ／Ｎ比のばらつきを、より抑制することが可能となる。

（実施形態３）
本実施形態の赤外線センサの基本構成は実施形態２と略同じであり、図２４に示すように、平面視における赤外線センサチップ１００とＩＣチップ１０２との相対的な位置関係などが相違する。なお、実施形態２と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態の赤外線センサでは、赤外線センサチップ１００およびＩＣチップ１０２の平面視における外周線が正方形状であり、レンズ１５３の厚み方向に沿った中心線と赤外線センサチップ１００の厚み方向に沿った中心線とＩＣチップ１０２の厚み方向に沿った中心線とが一直線上にのり、赤外線センサチップ１００の対角線とＩＣチップ１０２の対角線とのなす角度を４５度とするように赤外線センサチップ１００を配置してある。そして、赤外線センサチップ１００は、４つの角部の各々が、接合部１１０を介して、支持部材１０６のチップ保持部１０７に接合されている。

したがって、本実施形態の赤外線センサでは、支持部材１０６の開孔部１０８の開口サイズが赤外線センサチップ１００のチップサイズよりも大きい場合でも、赤外線センサチップ１００を支持部材１０６により支持することが可能となる。また、本実施形態の赤外線センサでは、実施形態２に比べて、支持部材１０６の支持脚部１０９と赤外線センサチップ１００との間の距離を長くすることが可能となり、パッケージ本体１０４側からの支持脚部１０９と接合部１１０とを通した熱伝達を、より抑制することが可能となる。

（実施形態４）
本実施形態の赤外線センサの基本構成は実施形態２と略同じであり、図２５に示すように、パッケージ本体１０４の凹部１０４ａが、平面視においてＩＣチップ１０２および支持部材１０６が収まる大きさに形成されている点などが相違する。なお、実施形態２と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態の赤外線センサでは、パッケージ本体１０４の凹部１０４ａが、平面視においてＩＣチップ１０２および支持部材１０６が収まる大きさに形成されているので、赤外線センサチップ１００とレンズ１５３との距離を変えることなくパッケージ蓋１０５の低背化を図ることが可能となり、パッケージ１０３の低背化を図ることが可能となる。

ところで、上述の各実施形態では、ＩＣチップ１０２をフェースアップ実装しているが、ＩＣチップ１０２を、回路部が形成された主表面側とは反対の裏面が、赤外線センサチップ１００側に位置するように、パッケージ本体１０４に対して、フェースダウン実装（フリップチップ実装）してもよい。これにより、ＩＣチップ１０２の回路部で発生した熱が赤外線センサチップ１００に伝わるのを、より抑制することが可能となり、高感度化を図ることが可能となる。

また、上述の各実施形態において、半導体基板１の空洞部１１は、半導体基板１の厚み方向に貫通する形で形成してもよく、この場合は、空洞部１１を形成する空洞部形成工程において、半導体基板１の上記一表面とは反対の他表面側から、半導体基板１における空洞部１１の形成予定領域を、例えば誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）型のドライエッチング装置を用いた異方性エッチング技術を利用して形成すればよい。また、赤外線センサチップ１００は、サーモパイル３０ａにより構成される感温部３０を具備する複数の画素部２が半導体基板１の一表面側においてアレイ状に配置されたものであればよく、構造は特に限定するものではなく、感温部３０を構成するサーモパイル３０ａの数も複数に限らず、１つでもよい。また、赤外線センサチップ１００における熱型赤外線検出部３は、感温部３０にサーモパイル３０ａを用いているが、これに限らず、感温部３０として、焦電素子や、抵抗ボロメータなどを用いてもよい。

また、半導体基板１もシリコン基板に限らず、例えば、ゲルマニウム基板や、シリコンカーバイド基板などでもよい。また、パッケージ蓋１０４において、レンズ１５３の代わりに、平板状のシリコン基板を配置して赤外線を透過する機能を有するようにしてもよい。また、パッケージ蓋１０４におけるレンズ１５３の配置も特に限定するものではなく、レンズ１５３をパッケージ蓋１０４の外側に配置するようにしてもよい。

１ 半導体基板
３ 熱型赤外線検出部
１００ 赤外線センサチップ
１０２ ＩＣチップ
１０３ パッケージ
１０４ パッケージ本体
１０４ａ 凹部
１０５ パッケージ蓋
１０６ 支持部材
１０７ チップ保持部
１０８ 開孔部
１０９ 支持脚部
１１０ 接合部

Claims (7)

1. 複数の熱型赤外線検出部が半導体基板の一表面側においてアレイ状に配置された赤外線センサチップと、前記赤外線センサチップの出力信号を信号処理するＩＣチップと、前記赤外線センサチップおよび前記ＩＣチップが収納されたパッケージとを備え、前記パッケージは、パッケージ本体と、前記赤外線センサチップでの検知対象の赤外線を透過する機能を有し前記パッケージ本体に接合されたパッケージ蓋とを有し、前記ＩＣチップは、前記パッケージ本体に実装され、前記赤外線センサチップは、前記パッケージ本体に保持された支持部材に支持され、前記パッケージ内で前記ＩＣチップの厚み方向において前記ＩＣチップから離れて配置されていることを特徴とする赤外線センサ。
2. 前記支持部材は、前記厚み方向において前記ＩＣチップから離れて配置され且つ前記赤外線センサチップが接合部を介して接合されて前記赤外線センサチップを保持するチップ保持部と、前記チップ保持部と前記パッケージ本体との間に介在する支持脚部とを有し、前記チップ保持部は、前記赤外線センサチップにおける前記ＩＣチップ側の面を露出させる開孔部を有することを特徴とする請求項１記載の赤外線センサ。
3. 前記接合部を複数備え、前記接合部は、前記赤外線センサチップの平面視の外周方向において離間していることを特徴とする請求項２記載の赤外線センサ。
4. 前記接合部は、樹脂により形成されてなることを特徴とする請求項２または請求項３記載の赤外線センサ。
5. 前記パッケージ本体は、一面側に凹部が形成され、前記凹部の内底面に前記ＩＣチップが実装されてなることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の赤外線センサ。
6. 前記パッケージ本体は、前記凹部が、平面視において前記ＩＣチップおよび前記支持部材が収まる大きさに形成されてなることを特徴とする請求項５記載の赤外線センサ。
7. 前記ＩＣチップは、回路部が形成された主表面側とは反対の裏面が、前記赤外線センサチップ側に位置していることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の赤外線センサ。

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