JP2004151054A - 熱時定数の小さい熱型赤外線検出器及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】高フレームレートの動作でも像流れを発生させず、且つ１／ｆノイズを増加させないことができる。
【解決手段】第四絶縁保護膜８ｃをエッチングして第五絶縁保護膜８ｄとし、ダイアフラム５の全体を薄くすることにより、ダイアフラム５の熱容量を低減し熱時定数を小さくして、高フレームレートで動作できるようにしている。また、ボロメータ用薄膜７がダイアフラム５の全面にわたって形成されている。
【選択図】 図２
【解決手段】第四絶縁保護膜８ｃをエッチングして第五絶縁保護膜８ｄとし、ダイアフラム５の全体を薄くすることにより、ダイアフラム５の熱容量を低減し熱時定数を小さくして、高フレームレートで動作できるようにしている。また、ボロメータ用薄膜７がダイアフラム５の全面にわたって形成されている。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱分離構造を有する熱型赤外線検出器に関し、特に、高フレームレートの動作でも像流れの発生を回避し、且つ１／ｆノイズの増加を抑圧することができる熱型赤外線検出器及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の一つの熱型赤外線検出器には、例えば、小田による特開２００１−２１５１５１号公報に開示されたものがある。
【０００３】
この概要を、図１２を参照して説明する。
【０００４】
この熱型赤外線検出器は受光部上に庇を有する。熱型赤外線検出素子は、基板１から空間的に隔てられた赤外線受光部としてダイアフラム構造を形成するダイアフラム５ｐと、このダイアフラム５ｐの梁部６ｐと、ダイアフラム５ｐの外周部から外側に張り出した庇１２ｐとで構成されている。基板１上には赤外線反射膜２と第一絶縁保護膜３とが形成されている。ダイアフラム５ｐはサーミスターボロメータ用薄膜（以後、ボロメータ用薄膜と略称する）７ｐと電極部１０ｐと更にそれらを取り囲む第二絶縁保護膜１４ａとにより構成され、庇１２ｐがダイアフラム５ｐの外周部から外側に向かって張り出され、空間を隔てて梁部６ｐをおおっている。梁部６ｐは、金属配線９ｐとそれを取り囲む第三絶縁保護膜１４ｂから成る。
【０００５】
ダイアフラム５ｐに表面側から入射した赤外線はダイアフラム５ｐの構成材料により受光されて吸収される。一部透過した赤外線は基板１上の赤外線反射膜２により反射され、ダイアフラム５ｐに再入射し、更に吸収される。このようにして吸収された赤外線は、受光部のダイアフラム５ｐを暖め、ボロメータ用薄膜７ｐの抵抗を変化させる。このボロメータ用薄膜７ｐにバイアス電流を印加することにより、赤外線受光量が電圧変化として信号により読み出される。
【０００６】
特開２００１−２１５１５１号公報の技術を採用した例として、例えば下記のような、画素数が３２０×２４０、かつ画素ピッチが４０μｍの熱型赤外線アレイセンサがある。この熱型赤外線アレイセンサは、ボロメータ用薄膜７ｐとして厚さ１００ｎｍで抵抗温度係数−２％／Ｋの酸化バナジウム、ダイアフラム５ｐの絶縁保護膜１４ａとして厚さ５００ｎｍのシリコン窒化膜、ダイアフラム５ｐ上の電極部１０ｐとして厚さ１００ｎｍのＴｉ、梁部６ｐの絶縁保護膜１４ｂとして厚さ５００ｎｍ、幅２．６μｍで長さ８６μｍのシリコン窒化膜、梁部６ｐの金属配線９ｐとして厚さ１００ｎｍ、幅１μｍで長さ８６μｍのＴｉ、及び、庇１２ｐの絶縁保護膜として厚さ５００ｎｍのシリコン窒化膜、それぞれが用いられた。庇１２ｐの開口率は９０％で、梁の折り曲げ回数は２回強である。このような諸元の熱分離構造を有する熱型赤外線アレイセンサにおいて、熱容量は１．４×１０−９Ｊ／Ｋ、熱コンダクタンスは８．２×１０−８Ｗ／Ｋ、また熱時定数は１５ｍｓそれぞれとなり、Ｆ／１光学系に対して温度分解能３０ｍＫ弱の赤外画像を得ることができた。
【０００７】
また、別の一つの小田により開示された特開２００１−１５３７２０号公報では、熱分離構造を有する熱型赤外線検出器において、最良の温度分解能を与える梁部の折り曲げ回数、例えば、梁長指数で表現したものを赤外線検出器の画素サイズの関数として導いている。
【０００８】
図１３に示す熱型赤外線検出器で、これを説明する。画素３１は、受光部であるダイアフラム３２とそれを支える梁部３３ａ，３３ｂとセルコンタクト電極３５ａ，３５ｂとから成る。尚、梁部３３ａ，３３ｂには配線３６ａ，３６ｂそれぞれが存在し、ダイアフラム３２はボロメータ用材料薄膜と電極と更にそれらを取り囲む保護膜とで構成されている。ダイアフラム３２と梁部３３ａ，３３ｂとはスリット３４ａ，３４ｂそれぞれで空間的に隔てられている。また、ダイアフラム３２は上記図１２と同様に下部基板（図示されていない）から空間的に隔てられ宙に浮いている。
【０００９】
特開２００１−１５３７２０号公報の技術を採用した例として、画素数が３２０×２４０で画素ピッチが２５μｍの熱型赤外線アレイセンサがある。このアレイセンサには、サーミスターボロメータ用薄膜として厚さ１００ｎｍで抵抗温度係数−２％／Ｋの酸化バナジウム、ダイアフラム３２の絶縁保護膜として厚さ５００ｎｍのシリコン窒化膜、ダイアフラム３２上の電極部として厚さ１００ｎｍのチタン合金、梁部３３ａ，３３ｂの絶縁保護膜として厚さ５００ｎｍ、幅２μｍで長さ３２μｍのシリコン窒化膜、及び梁部３３ａ，３３ｂの金属配線３６ａ，３６ｂとして厚さ１００ｎｍ、幅１μｍで長さ３２μｍのチタン合金、それぞれが用いられた。赤外線の受光部であるダイアフラム３２の開口率は５１％であり、またスリット３４ａ，３４ｂの幅は０．５μｍである。梁の折曲げ回数の最適値は、この場合１．３回である。このような諸元の熱分離構造を有する熱型赤外線アレイセンサにおいて、熱容量は３．３×１０−１０Ｊ／Ｋ、熱コンダクタンスは８．５×１０−８Ｗ／Ｋ、また熱時定数は３．９ｍｓのそれぞれとなり、Ｆ／１光学系に対して温度分解能１００ｍＫの赤外画像を得ることができた。
【００１０】
上述した特開２００１−２１５１５１号公報と特開２００１−１５３７２０号公報とを組み合わせることにより、最良の温度分解能を与える梁部の折曲げ回数又は梁長指数を有し、ダイアフラム外周部から外側方向に張り出した庇を有し、かつ、熱分離構造を有する高感度の熱型赤外線検出器を提案することができる。
【００１１】
その具体例として、前述の特開２００１−１５３７２０号公報で例示した熱型赤外線検出器に開口率９２％の庇を付けた場合について述べる。庇の絶縁保護膜として厚さ５００ｎｍのシリコン窒化膜を用いた。その結果、熱容量が５．２×１０−１０Ｊ／Ｋ、熱コンダクタンスが８．８×１０−８Ｗ／Ｋ、および熱時定数が６ｍｓ、のそれぞれが得られ、Ｆ／１光学系に対して温度分解能６０ｍＫの赤外画像を得ることができた。
【００１２】
また、ハネウェル社の米国特許（ＵＳＰ）第６，０４６，４８５号明細書による非冷却赤外センサがある。図１４（ａ）の平面図に示すように、このような熱分離構造を有する非冷却赤外センサの画素６０は、赤外線吸収部６５と外周のボロメータ部５６，５８とから成る受光部と、セルコンタクト電極４２，４４を含むコンタクト部と、上記受光部及びコンタクト部を電気的・機械的に接続する梁部４６，４８とで構成されている。尚、接続点５２，５４が、受光部と梁部とを結合する。図１４（ｂ）に示される図１４（ａ）のＳ−Ｓ断面図から分かるように、受光部（５６，５８，６５）は梁部４６，４８によって基板から宙に浮かせられ、熱分離構造が形成されている。
【００１３】
この米国特許では、受光部において外周のボロメータ部５６，５８を取り囲む保護膜６４の厚さをそのままにして赤外線吸収部６５だけ薄くすることにより、受光部（５６，５８，６５）の熱容量を小さくして熱時定数を小さくするという工夫をしている。このことにより、熱分離構造を有する高フレームレートの非冷却赤外センサが実現できていた。
【００１４】
【特許文献１】
特開２００１−２１５１５１号公報
【００１５】
【特許文献２】
特開２００１−１５３７２０号公報
【００１６】
【特許文献３】
米国特許第６，０４６，４８５号明細書
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の熱型赤外線検出器では、次のような問題点がある。
【００１８】
まず、上記特開２００１−２１５１５１号公報と特開２００１−１５３７２０号公報との技術を組み合わせた場合、温度分解能を良くしようとすると熱時定数が大きくなり、１２０Ｈｚという高フレームレートで動作させると像流れを起こすという点である。その理由は、上述した熱型赤外線検出器において、梁とダイアフラムと両者の厚さが同じためである。
【００１９】
また、上記米国特許（ＵＳＰ）第６，０４６，４８５号明細書に開示された構成では、ボロメータ部からの１／ｆノイズが大きいという問題がある。その理由は、ボロメータ材料が受光部の外周部にしか存在しないので、キャリア総数が小さく、従って、１／ｆノイズが大きいと考えられる。このことは、ある論文（Ｐ．Ｈ．Ｈａｎｄｅｌ，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ａ，Ｖｏｌ．２２，１９８０年，ｐ７４５）で発表された、ボロメータの１／ｆノイズがボロメータ材料中のキャリア総数が大きいほど小さい、という理論に基づく。
【００２０】
本発明の課題は、このような問題点を解決し、高フレームレートの動作でも像流れを発生させず、且つ１／ｆノイズを増加させないような、熱分離を有する熱型赤外線検出器及びその製造方法を提供することである。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明による熱型赤外線検出器は、ダイアフラムの保護膜をエッチングしてダイアフラム全体を薄くすることにより、ダイアフラムの熱容量を低減して熱時定数を小さくし、高フレームレートでの動作を可能にしている。その結果、像流れを防止するという一つの目的が達成できる。また、熱検出材料薄膜のボロメータ用材料薄膜をダイアフラム全面に形成している。このため、１／ｆノイズが増大することはない。
【００２２】
すなわち、本発明による熱型赤外線検出器の基本構造は、図１及び図２に示されるように、赤外線検出部であるダイアフラム（５）と、ダイアフラムを支える梁部（６）と、ダイアフラムの外周から外側方向に張り出しかつ空間を隔てて梁部及びコンタクトパッド（１６）を覆う庇（１２）とから成る熱分離構造を有することを特徴としている。
【００２３】
ダイアフラムは、保護膜（８ａ，８ｂ，８ｄ）に取り囲まれた熱検出材料薄膜のボロメータ用薄膜（７）及び熱検出材料薄膜からの信号を読み出す電極部（１０）から成る。梁部は、保護膜（８ａ，８ｂ，８ｃ）とこの保護膜に取り囲まれた金属配線（９）とから成り、この金属配線は基板（１）の電気回路とコンタクトパッドを介して電気的に接続されている。基板には、信号の読出回路が備えられていることが望ましい。
【００２４】
庇及びダイアフラムの材料が赤外線に対して透明な場合、干渉効果による赤外吸収のため赤外線吸収膜（１１）が、庇及びダイアフラムの赤外線入射面に成膜される。庇やダイアフラムが赤外線を吸収する材料でできている場合、赤外線吸収膜を成膜する必要はない。このように、赤外線の吸収を広範囲でダイアフラムと庇との、例えば全面にわたって実行することが望ましい。
【００２５】
本発明の重要な点の一つはダイアフラムの厚さが梁部より薄いことである。このことにより、本発明の熱型赤外線検出器の熱時定数が小さくなり、高フレームレート動作が可能になる。このような構造を採用することにより、フィルファクターが高く、より高感度で高フレームレートのセンサを実現することができる。
【００２６】
ここで、本発明の特徴である「ダイアフラムの厚さが梁部より薄い」ことにより高フレームレートが可能になることを以下に説明する。
【００２７】
熱分離構造を有する熱型赤外線検出器の熱時定数τｔｈは、ダイアフラムの熱容量Ｃｔｈ及び熱分離構造の熱コンダクタンスＧｔｈにより下記数１式で表わされる。
【００２８】
【数１】
上記数１式において「Ｇｔｈ」は、梁の熱伝導とダイアフラムの熱輻射で決まると想定されている。「ｃｖＰ、ＡＰ、及びｔＰ」は、各々、ダイアフラムの保護膜の定積比熱、面積、及び厚さである。「ｃｖＢＬ、ＡＢＬ、及びｔＢＬ」は、各々、熱検出材料７の定積比熱、面積、及び厚さである。「ｃｖＭ、ＡＭ、及びｔＭ」は、各々、電極部の定積比熱、面積、及び厚さである。「ｃｖＨ、ＡＨ、及びｔＨ」は、各々、庇の材料の定積比熱、面積、及び厚さである。「ｃｖＡ、ＡＡ、及びｔＡ」は、各々、赤外線吸収膜の定積比熱、面積、及び厚さである。また「ｋＭ、ｗＢＭ、ｔＢＭ、及びｌＭ」は、各々、梁を構成する金属配線材料の熱伝導率、幅、厚さ、及び長さである。「ｋＰ、ｗＢＰ、ｔＢＰ、及びｌＰ」は、各々、梁を構成する保護膜の熱伝導率、幅、厚さ、及び長さである。ここで、大抵の場合「ｌＭ＝ｌＰ＝ｌ」が成立する。「Ｔ」はダイアフラムの絶対温度であり「σ」はステファン・ボルツマン定数である。
【００２９】
従来例では、ダイアフラムの保護膜の厚さｔＰと梁の保護膜の厚さｔＢＰは等しいが、本発明では、
ｔＰ＜ｔＢＰ
の関系になるように、ダイアフラムの保護膜をエッチングして薄くするため「本発明におけるＣｔｈ」は「従来例におけるＣｔｈ」より小さい。このように、本発明の熱時定数の方が、従来例の熱時定数より小さくなり、高フレームレートで画像化することができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００３１】
図１及び図２を併せ参照して本発明における実施の一形態について説明する。図１及び図２は本発明の一実施例を示す平面図及びＡ−Ａ断面図である。
【００３２】
本実施例における熱型赤外線検出器は、サーミスターボロメータ型であり、画素ピッチが２３．５μｍの２次元アレイセンサの形態を有し、図１には一つの画素分の平面図が示されている。
【００３３】
まず、図２に示されるようにシリコン基板（以後、基板と略称する）１の表面には、チタン（Ｔｉ）から成る厚さ２００ｎｍの赤外線反射膜２が形成されている。赤外線反射膜２の表面には、シリコン酸化膜から成る厚さ２００ｎｍの第一絶縁保護膜３が形成されている。この第一絶縁保護膜３によって赤外線反射膜２が覆われている。本実施例では、赤外線反射膜２を構成する金属材料としてチタンを用いたが、その金属材料として、波長８〜１３μｍ帯の赤外線をほぼ１００％反射するものであれば、チタン以外にアルミニウム（Ａｌ）か、タングステン（Ｗ）か、ケイ化タングステン（ＷＳｉ）か、又は窒化チタン（ＴｉＮ）等を用いてもよい。また、本実施例では第一絶縁保護膜３がシリコン酸化膜であるが、シリコン窒化膜又はシリコン酸窒化膜であってもよい。
【００３４】
本実施例の熱型赤外線検出器では、基板１の第一絶縁保護膜３側の面上に、赤外線検出部となる複数のダイアフラム５が配置されている。それぞれのダイアフラム５によりそれぞれの画素が形成される。ダイアフラム５は、２つの梁部６によって空洞部４を隔てて第一絶縁保護膜３の表面から浮かせられるように支持されている。梁部６は、ダイアフラム５と基板１の間の熱コンダクタンスを小さくするために、図１に示すように、ダイアフラム５の上面から見て、そのダイアフラム５の外周に沿って延びている。
【００３５】
ダイアフラム５は、熱検出材料薄膜であるサーミスターボロメータ用薄膜（以後、ボロメータ用薄膜と略称する）７と、ボロメータ用薄膜７の両端部に設けられた電極部１０と、ボロメータ用薄膜７及び電極部１０を取り囲む第二、第三、第五絶縁保護膜８ａ，８ｂ，８ｄとにより構成される。本実施例では、ボロメータ用薄膜７として、厚さ約１２０ｎｍの酸化バナジウムを用いた。ボロメータ用薄膜７の抵抗値は約１００ｋΩで、抵抗温度係数は約−３％／Ｋである。また、第二、第三、第五絶縁保護膜８ａ，８ｂ，８ｄとして、各々１５０ｎｍ，１００ｎｍ，５０ｎｍの厚さのシリコン窒化膜を形成した。
【００３６】
庇１２は、ダイアフラム５の外周部から外側方向に張り出しており、梁部６及びコンタクトパッド１６を、空間的に隔てて覆っている。庇１２の最上層とダイアフラム５の絶縁保護層８ｄの表面露出部とには赤外線吸収膜１１が形成されている。本実施例では、庇１２として厚さ５００ｎｍのシリコン窒化膜を、赤外線吸収膜１１としてシート抵抗２００〜５６０Ωの窒化チタンを用いた。
【００３７】
梁部６は、金属配線９と金属配線９を取り囲む絶縁保護膜８ａ，８ｂ，８ｃとから成る。本実施例では、金属配線９として０．６μｍ幅、１５０ｎｍ厚のチタンを用い、絶縁保護膜８ａ，８ｂ，８ｃとして各々１５０ｎｍ，１００ｎｍ，２５０ｎｍの厚さ、１μｍ幅のシリコン窒化膜を用いた。
【００３８】
尚、各画素の庇同士の隙間は１μｍ、コンタクトパッド１６の面積は１個当り約４９μｍ２である。
【００３９】
本実施例の庇付き熱分離構造に対して、熱コンダクタンス０．１５μＷ／Ｋ、熱容量０．３９ｎＪ／Ｋ、熱時定数２．６ｍｓを得た。このようなボロメータ型の１６０×１２０画素の熱型赤外線アレイセンサを１２０Ｈｚのフレームレートで動作させた時、パルスバイアスの高さ４Ｖ、パルス幅５５μｓで、Ｆ／１の光学系および３００Ｋ付近の被写体に対して、温度分解能０．１Ｋを得ることができた。
【００４０】
次に、本実施の形態における熱型赤外線検出器の製造方法について図１及び図２に図３から図８までのそれぞれを併せ参照して説明する。
【００４１】
まず、図３において、基板１上に第一絶縁保護膜３を形成するまでの工程について説明する。
【００４２】
最初の工程は、読出回路１９を備えた基板１を準備する。次の工程は、基板１の、ダイアフラム５に対応する部分の表面に、厚さ約２００ｎｍのチタンによる赤外線反射膜２を形成する。ここで、赤外線反射膜２の材料として、波長８〜１３μｍ帯の赤外線をほぼ１００％反射するもの、例えば、チタンを用いる。この材料はチタン以外にアルミニウム、タングステン、ケイ化タングステン、又は窒化チタン等を用いてもよい。
【００４３】
次の工程は、基板１の表面や赤外線反射膜２の表面全体に厚さ約２００ｎｍのシリコン酸化膜の第一絶縁保護膜３を形成する。第一絶縁保護膜３は、シリコン酸化膜以外のシリコン窒化膜又はシリコン酸窒化膜であってもよい。
【００４４】
次に、図４を参照してボロメータ用薄膜７が形成されるまでの工程について説明する。
【００４５】
次の工程は、第一絶縁保護膜３上に第一犠牲層４ａを形成する。第一犠牲層４ａはポリイミドで成形されており製造工程の最終段階で除去される。第一犠牲層４ａを形成する際には、第一絶縁保護膜３の表面全体に感光性ポリイミドを塗布し、露光および現像の工程と熱処理工程とによって第一絶縁保護膜３上の感光性ポリイミドをパターニングする。このパターニングにより、図１のコンタクトパッド１６に対応する箇所に穴を開け、第一絶縁保護膜３を露出させるように、感光性ポリイミドから成る第一犠牲層４ａを形成する。ポリイミドの厚さは約２．３μｍである。
【００４６】
次の工程は、第一犠牲層４ａおよび第一絶縁保護膜３の表面全体に、プラズマＣＶＤ法により厚さ約１５０ｎｍのシリコン窒化膜による第二絶縁保護膜８ａを形成し、第二絶縁保護膜８ａによって第一犠牲層４ａを覆う。第二絶縁保護膜８ａとしては、シリコン窒化膜以外に、シリコン酸化膜又はシリコン酸窒化膜を用いることができる。
【００４７】
次の工程は、第二絶縁保護膜８ａの、ダイアフラム５に対応する部分の表面に熱検出材料としてボロメータ用薄膜７を形成する。ボロメータ用薄膜７を形成する際には、まず、第二絶縁保護膜８ａの表面全体に、熱検出材料薄膜として、サーミスターボロメータ材料である酸化バナジウムの膜を、反応性スパッター法により約１２０ｎｍの厚さに形成する。そして、露光および現像の工程の後、第二絶縁保護膜８ａ上の酸化バナジウム薄膜を、例えば、特開平１１−３３００５１号公報に記載されているように六フッ化硫黄（ＳＦ６）と二酸化炭素（ＣＯ２）との混合ガスのプラズマによりエッチング加工する。このような露光および現像の工程とエッチング加工の工程とにより酸化バナジウムの膜をパターニングして、酸化バナジウムをサーミスターとするボロメータ用薄膜７が形成される。
【００４８】
次に、図５を参照して、第四絶縁保護膜８ｃを形成するまでの工程について説明する。
【００４９】
次の工程は、ボロメータ用薄膜７を覆うように、ボロメータ用薄膜７および第二絶縁保護膜８ａそれぞれの露出表面全体に、プラズマＣＶＤ法によりシリコン窒化膜の第三絶縁保護膜８ｂを約１００ｎｍ形成する。第三絶縁保護膜８ｂとしては、シリコン窒化膜以外に、シリコン酸化膜又はシリコン酸窒化膜を用いることができる。
【００５０】
次の工程は、第一絶縁保護膜３および第二、第三絶縁保護膜８ａ，８ｂそれぞれの、コンタクトパッド１６に対応する部分に、コンタクトパッド１６と梁部６の金属配線９とを電気的に接続するための開口部を形成する。この工程は、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜、又はシリコン酸化膜から成る絶縁保護膜をエッチングするため、四フッ化炭素（ＣＦ４）と二酸素（Ｏ２）との混合ガス又はフルオロホルム（ＣＨＦ３）と二酸素との混合ガスのプラズマを用いる。
【００５１】
次の工程は、ボロメータ用薄膜７との電気的なコンタクトを得るために、第三絶縁保護膜８ｂの、ボロメータ用薄膜７の端部で、電極部１０に対応する部分にコンタクトホールを形成する。コンタクトホールの形状は、電極部１０の形状に対応して、ボロメータ用薄膜７の縁部に沿って細長く延びている。これにより、コンタクトホールの底面にボロメータ用薄膜７の表面の一部が露出する。
【００５２】
電極部１０上のコンタクトホールを形成する工程では、露光および現像の工程の後、四フッ化炭素と二酸素との混合ガス又はフルオロホルムと二酸素との混合ガスのプラズマにより第三絶縁保護膜８ｂの、ボロメータ用薄膜７の端部で、上述したコンタクトホールに対応する部分をエッチングする。
【００５３】
次の工程は、基板１内の読出回路１９とボロメータ用薄膜７とを電気的に接続するために、第三絶縁保護膜８ｂの表面全体及びボロメータ用薄膜７の露出表面を含むコンタクトホールの内壁全体に、例えば、チタン（Ｔｉ）又はニッケルクロム合金（ＮｉＣｒ）から成る金属膜（９，１０）をスパッター法により形成する。次に、露光および現像の工程の後、例えば金属膜（９，１０）がチタンから成る場合には、塩素（Ｃｌ２）と三塩化ホウ素（ＢＣｌ３）との混合ガスのプラズマにより金属膜（９，１０）をエッチングしてパターニングする。このパターニングにより、金属膜（９，１０）は、ボロメータ用薄膜７とコンタクトパッド１６とを電気的に接続する電気配線の形状に加工される。ここで金属膜（９，１０）として、チタンを用いたが、チタン以外、ニッケルクロム合金又は熱伝導率の小さいチタン合金を用いることができる。
【００５４】
金属膜（９，１０）において、ボロメータ用薄膜７と接する部分には電極部１０、また梁部６内には金属配線９それぞれが形成されている。図１に示されるように、金属配線９はコンタクトパッド１６と電気的に接続されている。
【００５５】
次の工程は、金属膜９，１０および第三絶縁保護膜８ｂの露出表面全体に、プラズマＣＶＤ法によりシリコン窒化膜の第四絶縁保護膜８ｃを約２５０ｎｍの厚さで形成する。ここで第四絶縁保護膜８ｃとしてシリコン窒化膜が用いられているが、シリコン窒化膜以外に、シリコン酸化膜又はシリコン酸窒化膜を用いることもできる。
【００５６】
次に、図６を参照して、第二犠牲層２１を形成するまでの工程について説明する。
【００５７】
ダイアフラム５が梁部６によってシリコン基板１から浮かせられている熱分離構造を形成するために、上記図５に示された第二、第三、第四絶縁保護膜８ａ，８ｂ，８ｃを一括パターニングして第一スリット２０ａ及び境界スリット２０ｂを形成する。第一スリット２０ａが１つの画素におけるダイアフラム５と梁部６の間の隙間となり、かつ、境界スリット２０ｂが隣り合う画素において梁部同士の間の隙間となる。
【００５８】
第一スリット２０ａ及び境界スリット２０ｂそれぞれを形成する際には、露光および現像の工程の後、フルオロホルムと二酸素との混合ガスのプラズマにより、第二、第三、第四絶縁保護膜８ａ，８ｂ，８ｃをスリット状にエッチングする。これにより、第一スリット２０ａ及び境界スリット２０ｂそれぞれの底面に第一犠牲層４ａのポリイミド面を露出させる。
【００５９】
次の工程は、図示されるように、ダイアフラム５の熱容量を小さくして熱時定数を短くするため、第四絶縁保護膜８ｃのうちダイアフラム５の上面領域にある第四絶縁保護膜８ｃだけをエッチングして薄くする。すなわち、図示されるように、通常の塗布・露光・現像工程によりダイアフラム５以外の領域にレジストを形成し、四フッ化炭素と二酸素との混合ガス又はフルオロホルムと二酸素との混合ガスのプラズマにより、第四絶縁保護膜８ｃを約２００ｎｍだけエッチング除去して、ダイアフラム５の領域で第五絶縁保護膜８ｄに形成する。
【００６０】
この工程により、ダイアフラム５を構成する第二、第三、第五の絶縁保護膜８ａ，８ｂ，８ｄの厚さを合計で３００ｎｍとするので、ボロメータ用薄膜７を境に上下に１５０ｎｍずつの均等の厚さになっている。また、梁部６に関しても、金属配線９を境に上下に２５０ｎｍずつであり、合計５００ｎｍの厚さになっている。このようにダイアフラム５の第二、第三、第五絶縁保護膜８ａ，８ｂ，８ｄと梁部６の第二、第三、第四絶縁保護膜８ａ，８ｂ，８ｃとを上下対称に配置することにより、同保護膜の応力も対称になりダイアフラム５と梁部６とから成る熱分離構造を基板１に平行に浮かせることができる。
【００６１】
このように薄くしたダイアフラム５の領域において第五絶縁保護膜８ｄ上に厚さ１５ｎｍの窒化チタンのエッチストップ用金属薄膜１１ａを形成する。窒化チタンをエッチングするためのガスとして、塩素と三塩化ホウ素との混合ガスを用いた。ここでエッチストップ用金属薄膜１１ａとして、窒化チタン以外に他のチタン合金、ニッケルクロム合金、又はアルミニウム、チタン、若しくはタングステン等を用いることができる。
【００６２】
次に、図示されるように、底面に第一犠牲層４ａのポリイミドを露出させた第一スリット２０ａ及び境界スリット２０ｂの上面で、感光性ポリイミドに塗布・露光・現像・熱処理工程を施して第二犠牲層２１を形成する。ここで第二犠牲層２１として、ポリイミド以外にレジストを用いてもよい。
【００６３】
次に、図７及び図８を併せ参照して、残りの工程について説明する。
【００６４】
次の工程では、図７に示されるように、表面全面で、ダイアフラム５外周部から外側方向に張り出すように、シリコン窒化膜の庇用絶縁保護膜２２を約５００ｎｍの厚さで形成する。ここで庇用絶縁保護膜２２として、シリコン窒化膜以外にシリコン酸化膜又はシリコン酸窒化膜を用いてもよい。
【００６５】
続く工程は、レジストに塗布・露光・現像工程を施して、図６の工程で形成したダイアフラム５の領域でエッチストップ用金属薄膜１１ａ上のレジストを除去し、四フッ化炭素と二酸素との混合ガス又はフルオロホルムと二酸素との混合ガスのプラズマにより、庇用絶縁保護膜２２をエッチング除去する。この際、窒化チタンのエッチストップ用金属薄膜１１ａがエッチングを阻止する。引き続き、プラズマエッチャーにより塩素と三塩化ホウ素との混合ガスを用いて窒化チタン金属薄膜のエッチストップ用金属薄膜１１ａをエッチング除去する。
【００６６】
この状態では、図７におけるダイアフラム５の領域で第五絶縁保護膜８ｄが露出され、ダイアフラム５の領域以外で庇用絶縁保護膜２２が残存する。
【００６７】
次の工程は、図８で理解されるように、庇用絶縁保護膜２２と第五絶縁保護膜８ｄとの上に、厚さ１５ｎｍの窒化チタンの赤外線吸収膜１１を成膜する。ここで、赤外線吸収膜１１をシート抵抗２００〜５６０Ωの範囲にすることが重要である。また赤外線吸収膜１１として、窒化チタン以外に他のチタン合金又はニッケルクロム合金を用いてもよい。
【００６８】
次の工程は、レジストに塗布・露光・現像工程を施して、第二スリット２３に対応する部分のレジストをパターニングにより除去し、塩素と三塩化ホウ素との混合ガスを用いて窒化チタンの赤外線吸収膜１１をエッチング除去する。続いてフルオロホルムと二酸素とのプラズマガスで庇用絶縁保護膜２２を除去して第二スリット２３を形成し、第二犠牲層２１のポリイミドを露出させる。
【００６９】
最後の工程は、二酸素プラズマを用いたアッシングにより第二犠牲層２１と第一犠牲層４ａのポリイミドを除去して、第一犠牲層４ａに対応する領域に、図２に示される空洞部４を形成する。この結果として、熱時定数の短い庇付き熱分離構造を有する熱型赤外線検出器の製造が完成される。
【００７０】
このようにして、庇１２及びダイアフラム５の表面上に金属薄膜でできた赤外線吸収膜１１を形成することにより、金属薄膜の赤外線吸収膜１１で赤外線同士を干渉させて金属薄膜を加熱するように熱型赤外線検出器を構成することができる。
【００７１】
次に、図１及び図８を併せ参照して、そのような熱型赤外線検出器における具体的な動作について説明する。
【００７２】
まず、庇１２及びダイアフラム５の表面上を覆う金属薄膜の赤外線吸収膜１１に赤外線１５が入射する場合、入射の赤外線１５の一部が金属薄膜の赤外線吸収膜１１により反射されようとする。一方、赤外線吸収膜１１に入射した赤外線１５の他の部分は赤外線吸収膜１１を透過して基板１に向かって進行する。赤外線吸収膜１１を透過した赤外線は、基板１上の赤外線反射膜２、梁部６の金属配線９及びコンタクトパッド１６により赤外線吸収膜１１に向けて反射され、再び赤外線吸収膜１１に入射する。
【００７３】
ここで、赤外線吸収膜１１に再び入射する赤外線は、赤外線吸収膜１１により反射されようとする元の赤外線と打ち消し合う干渉を起こし、干渉を起こした赤外線同士が赤外線吸収膜１１内の自由電子により吸収され熱になる。その結果、赤外線吸収膜１１が加熱されてその温度が上昇し、赤外線吸収膜１１の熱は庇１２及びダイアフラム５内の第五絶縁保護膜８ｄを介してボロメータ用薄膜７に伝わり、ボロメータ用薄膜７の抵抗値が変化する。すなわち、庇１２及びダイアフラム５の表面上に形成された金属薄膜の赤外線吸収膜１１によって、庇１２及びダイアフラム５の熱がボロメータ用薄膜７に早く伝わるようになっている。
【００７４】
このような抵抗値の変化は、熱検出材料薄膜であるボロメータ用薄膜７と電気的に接続された電極部１０、梁部６の金属配線９、および基板１のコンタクトパッド１６を介して信号として、例えば読出回路１９又はオフチップの外部回路に送られる。信号は読出回路１９又はオフチップの外部回路によって電圧変化に変換され、この電気信号を基に、温度変化による熱検出材料薄膜の物性値の変化が赤外画像化される。
【００７５】
次に、図８を参照して、上述したと異なる実施の形態について説明する。
【００７６】
この実施の形態が、上記実施の形態との相違は、図８における赤外線吸収膜１１を形成せず、庇１２を構成する絶縁保護膜２２とダイアフラム５の第二、第三、第五絶縁保護膜８ａ，８ｂ，８ｄとで入射赤外線１５を吸収させる点である。これら第二、第三、第五絶縁保護膜８ａ，８ｂ，８ｄとしては、波長１０μｍ帯に吸収帯を有するシリコン窒化膜又はシリコン酸窒化膜が用いられる。
【００７７】
ダイアフラム５に入射する赤外線１５は、ダイアフラム５の構成材料である第二、第三、第五絶縁保護膜８ａ，８ｂ，８ｄで一部吸収される。透過した赤外線は、赤外線反射膜２で反射され、再びダイアフラム５内の絶縁保護膜８ａ，８ｂと８ｄで吸収される。庇１２に入射する赤外線１５は、庇１２の構成材料である庇用絶縁保護膜２２で一部吸収される。透過した赤外線は、赤外線反射膜２、梁部６の金属配線９、およびコンタクトパッド１６の金属で反射され、再び庇１２の庇用絶縁保護膜２２により吸収される。このようにして赤外線は吸収され、熱となってボロメータ用薄膜７に伝わり、同薄膜の抵抗を変化させ、基板１内の読出回路１９により電圧変化に変換され、赤外画像化される。
【００７８】
上述したように、庇及びダイアフラムの材料が赤外線に対して透明な場合、干渉効果による赤外吸収のため赤外線吸収膜が必須であり、庇及びダイアフラムの赤外線入射面に成膜される。一方、庇やダイアフラムが赤外線を吸収する材料でできている場合、赤外線吸収膜を必ずしも成膜する必要はない。しかし、一般的に、庇やダイアフラムの構成材料は、全ての赤外線を吸収する訳ではないため赤外線吸収膜を成膜しておいたほうが無難とも言える。
【００７９】
上記説明では、赤外線吸収膜が庇及びダイアフラムの赤外線入射面に成膜されているが、庇部分の赤外線吸収膜は赤外線入射面の反対面であってもよい。この方法によれば、上述したエッチストップ用金属薄膜の形成及び除去の工程を不要にする。
【００８０】
次に、この実施形態について、上記図５に続く工程を、図９から図１１までを参照して説明する。
【００８１】
図５に続く最初の工程は、ダイアフラム５が梁部６によってシリコン基板１から浮かせられている熱分離構造を形成するため、上記図５に示された第二、第三、第四絶縁保護膜８ａ，８ｂ，８ｃを一括パターニングして第一スリット２０ａ及び境界スリット２０ｂを形成する。第一スリット２０ａが１つの画素におけるダイアフラム５と梁部６の間の隙間となり、かつ、境界スリット２０ｂが隣り合う画素において梁部同士の間の隙間となる。
【００８２】
第一スリット２０ａ及び境界スリット２０ｂそれぞれを形成する際には、露光および現像の工程の後、フルオロホルムと二酸素との混合ガスのプラズマにより、第二、第三、第四絶縁保護膜８ａ，８ｂ，８ｃをスリット状にエッチングする。これにより、第一スリット２０ａ及び境界スリット２０ｂそれぞれの底面に第一犠牲層４ａのポリイミド面を露出させる。
【００８３】
次の工程は、図示されるように、ダイアフラム５の熱容量を小さくして熱時定数を短くするため、第四絶縁保護膜８ｃのうちダイアフラム５の上面領域にある第四絶縁保護膜８ｃだけをエッチングして薄くする。すなわち、図示されるように、通常の塗布・露光・現像工程によりダイアフラム５以外の領域にレジストを形成し、四フッ化炭素と二酸素との混合ガス又はフルオロホルムと二酸素との混合ガスのプラズマにより、第四絶縁保護膜８ｃを約２００ｎｍだけエッチング除去して、ダイアフラム５の領域で第五絶縁保護膜８ｄに形成する。
【００８４】
この工程により、ダイアフラム５を構成する第二、第三、第五の絶縁保護膜８ａ，８ｂ，８ｄの厚さを合計で３００ｎｍとするので、ボロメータ用薄膜７を境に上下に１５０ｎｍずつの均等の厚さになっている。また、梁部６に関しても、金属配線９を境に上下に２５０ｎｍずつであり、合計５００ｎｍの厚さになっている。このようにダイアフラム５の第二、第三、第五絶縁保護膜８ａ，８ｂ，８ｄと梁部６の第二、第三、第四絶縁保護膜８ａ，８ｂ，８ｃとを上下対称に配置することにより、同保護膜の応力も対称になりダイアフラム５と梁部６とから成る熱分離構造を基板１に平行に浮かせることができる。
【００８５】
ここまでは、図６を参照して説明した上述手順と同一であるが、次の工程から相違する。
【００８６】
次の工程は、感光性ポリイミドに塗布・露光・現像・熱処理工程を施して、ダイアフラム以外の場所に第二犠牲層２１を形成する。ここで第二犠牲層２１として、ポリイミド以外にレジストを用いてもよい。
【００８７】
次の工程では、ダイアフラム５の第五絶縁保護膜８ｄと第二犠牲層２１との上に厚さ１５ｎｍの窒化チタンの赤外線吸収膜１１を形成する。この際、境界スリット２０ｂに対応して後述の第二スリット２３を形成する場所の窒化チタンをエッチングする。このエッチングのためのガスとして、塩素と三塩化ホウ素との混合ガスを用いる。この工程により図９に示される状態になる。
【００８８】
次に、図１０が参照される。すなわち、次の工程は、図示されるように、ダイアフラム５を含みその外周部から外側に張り出すように、シリコン窒化膜の庇用絶縁保護膜２２を約５００ｎｍの厚さで形成する。ここで庇用絶縁保護膜２２として、シリコン窒化膜以外にシリコン酸化膜又はシリコン酸窒化膜を用いてもよい。
【００８９】
次に、図１１を併せ参照して、残りの工程について説明する。
【００９０】
上述した工程に続く工程は、レジストに塗布・露光・現像工程を施してフルオロホルムと二酸素との混合ガスのプラズマにより庇用絶縁保護膜２２をエッチング除去して、ダイアフラム５上の庇用絶縁保護膜２２を薄くする。同時に、境界スリット２０ｂに対応する場所で、第二犠牲層２１のポリイミドが露出するまで第二スリット２３を形成する。ダイアフラム５上の庇用絶縁保護膜２２をエッチングする際には、窒化チタンの赤外線吸収膜１１がエッチストップとして機能する。
【００９１】
最後の工程として、二酸素プラズマを用いたアッシングにより第二犠牲層２１と第一犠牲層４ａのポリイミドを除去して空洞部４が形成され、熱時定数の短い庇付き熱分離構造を有する熱型赤外線検出器が製造される。
【００９２】
上記説明では、熱検出材料薄膜をサーミスタによるボロメーター用薄膜とし、ダイアフラムから伝わった熱による温度の変化は抵抗値の変化で検出した。しかし、熱検出材料薄膜の温度変化はその物性値、例えばチタン酸鉛のような強誘電体薄膜に発生する電荷量でもよく、本発明が上記説明に限定されることはない。
【００９３】
このような構造を採用することにより、フィルファクターが高く、より高感度で高フレームレートのセンサを実現することができるが、このような熱型赤外線検出器は更に感度を高くするため真空パッケージに実装されることが望ましい。
【００９４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、ダイアフラムの保護膜をエッチングしてダイアフラム全体を薄くすることにより、ダイアフラムの熱容量を低減し熱時定数を小さくして、高フレームレートで動作できるようにしている。その結果、像流れを防止することができる。
【００９５】
また、ボロメータ用材料薄膜がダイアフラムの全面に形成されているため、１／ｆノイズが増大することがない。
【００９６】
従って、高フレームレートの動作でも像流れを発生させず、且つ１／ｆノイズを増加させることのない、フィルファクターが大きく高感度で、熱時定数が小さい熱型赤外線検出器を提供することができる。
【００９７】
その結果、装置としては、今まで冷却型赤外線センサを搭載するミサイルシーカーのような高フレームレートの装置に、非冷却型赤外線センサを載せることができるようになった。すなわち、非冷却型センサの適用により、冷却器が不要になり且つ装置の即時動作が可能になるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態を示す熱型赤外線検出器の平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】図１の熱型赤外線検出器において最初の段階の製造工程を終了した際の説明断面図である。
【図４】図３に続く段階の製造工程を終了した際の説明断面図である。
【図５】図４に続く段階の製造工程を終了した際の説明断面図である。
【図６】図５に続く段階の製造工程を終了した際の説明断面図である。
【図７】図６に続く段階の製造工程を終了した際の説明断面図である。
【図８】図７に続く最終段階の製造工程を終了した際の説明断面図である。
【図９】図５に続く段階で図６とは異なる製造工程を終了した際の説明断面図である。
【図１０】図９に続く段階の製造工程を終了した際の説明断面図である。
【図１１】図１０に続く最終段階の製造工程を終了した際の説明断面図である。
【図１２】従来の庇付き熱型赤外線検出器における一例を示す断面図である。
【図１３】図１２とは別の従来の熱型赤外線検出器における一例を示す平面図である。
【図１４】従来の、熱容量を低減した熱型赤外線検出器の一例を示す平面図（ａ）及びそのＳ−Ｓ断面図（ｂ）である。
【符号の説明】
１ シリコン基板（基板）
２ 赤外線反射膜
３ 第一絶縁保護膜
４ 空洞部
４ａ 第一犠牲層
５ ダイアフラム
６ 梁部
７ サーミスターボロメータ用薄膜（ボロメータ用薄膜）（熱検出材料薄膜）
８ａ 第二絶縁保護膜
８ｂ 第三絶縁保護膜
８ｃ 第四絶縁保護膜
８ｄ 第五絶縁保護膜
９ 金属配線
１０ 電極部
１１ 赤外線吸収膜
１１ａ エッチストップ用金属薄膜
１２ 庇
１５ 赤外線
１６ コンタクトパッド
１９ 読出回路
２０ａ 第一スリット
２０ｂ 境界スリット
２１ 第二犠牲層
２２ 庇用絶縁保護膜
２３ 第二スリット
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱分離構造を有する熱型赤外線検出器に関し、特に、高フレームレートの動作でも像流れの発生を回避し、且つ１／ｆノイズの増加を抑圧することができる熱型赤外線検出器及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の一つの熱型赤外線検出器には、例えば、小田による特開２００１−２１５１５１号公報に開示されたものがある。
【０００３】
この概要を、図１２を参照して説明する。
【０００４】
この熱型赤外線検出器は受光部上に庇を有する。熱型赤外線検出素子は、基板１から空間的に隔てられた赤外線受光部としてダイアフラム構造を形成するダイアフラム５ｐと、このダイアフラム５ｐの梁部６ｐと、ダイアフラム５ｐの外周部から外側に張り出した庇１２ｐとで構成されている。基板１上には赤外線反射膜２と第一絶縁保護膜３とが形成されている。ダイアフラム５ｐはサーミスターボロメータ用薄膜（以後、ボロメータ用薄膜と略称する）７ｐと電極部１０ｐと更にそれらを取り囲む第二絶縁保護膜１４ａとにより構成され、庇１２ｐがダイアフラム５ｐの外周部から外側に向かって張り出され、空間を隔てて梁部６ｐをおおっている。梁部６ｐは、金属配線９ｐとそれを取り囲む第三絶縁保護膜１４ｂから成る。
【０００５】
ダイアフラム５ｐに表面側から入射した赤外線はダイアフラム５ｐの構成材料により受光されて吸収される。一部透過した赤外線は基板１上の赤外線反射膜２により反射され、ダイアフラム５ｐに再入射し、更に吸収される。このようにして吸収された赤外線は、受光部のダイアフラム５ｐを暖め、ボロメータ用薄膜７ｐの抵抗を変化させる。このボロメータ用薄膜７ｐにバイアス電流を印加することにより、赤外線受光量が電圧変化として信号により読み出される。
【０００６】
特開２００１−２１５１５１号公報の技術を採用した例として、例えば下記のような、画素数が３２０×２４０、かつ画素ピッチが４０μｍの熱型赤外線アレイセンサがある。この熱型赤外線アレイセンサは、ボロメータ用薄膜７ｐとして厚さ１００ｎｍで抵抗温度係数−２％／Ｋの酸化バナジウム、ダイアフラム５ｐの絶縁保護膜１４ａとして厚さ５００ｎｍのシリコン窒化膜、ダイアフラム５ｐ上の電極部１０ｐとして厚さ１００ｎｍのＴｉ、梁部６ｐの絶縁保護膜１４ｂとして厚さ５００ｎｍ、幅２．６μｍで長さ８６μｍのシリコン窒化膜、梁部６ｐの金属配線９ｐとして厚さ１００ｎｍ、幅１μｍで長さ８６μｍのＴｉ、及び、庇１２ｐの絶縁保護膜として厚さ５００ｎｍのシリコン窒化膜、それぞれが用いられた。庇１２ｐの開口率は９０％で、梁の折り曲げ回数は２回強である。このような諸元の熱分離構造を有する熱型赤外線アレイセンサにおいて、熱容量は１．４×１０−９Ｊ／Ｋ、熱コンダクタンスは８．２×１０−８Ｗ／Ｋ、また熱時定数は１５ｍｓそれぞれとなり、Ｆ／１光学系に対して温度分解能３０ｍＫ弱の赤外画像を得ることができた。
【０００７】
また、別の一つの小田により開示された特開２００１−１５３７２０号公報では、熱分離構造を有する熱型赤外線検出器において、最良の温度分解能を与える梁部の折り曲げ回数、例えば、梁長指数で表現したものを赤外線検出器の画素サイズの関数として導いている。
【０００８】
図１３に示す熱型赤外線検出器で、これを説明する。画素３１は、受光部であるダイアフラム３２とそれを支える梁部３３ａ，３３ｂとセルコンタクト電極３５ａ，３５ｂとから成る。尚、梁部３３ａ，３３ｂには配線３６ａ，３６ｂそれぞれが存在し、ダイアフラム３２はボロメータ用材料薄膜と電極と更にそれらを取り囲む保護膜とで構成されている。ダイアフラム３２と梁部３３ａ，３３ｂとはスリット３４ａ，３４ｂそれぞれで空間的に隔てられている。また、ダイアフラム３２は上記図１２と同様に下部基板（図示されていない）から空間的に隔てられ宙に浮いている。
【０００９】
特開２００１−１５３７２０号公報の技術を採用した例として、画素数が３２０×２４０で画素ピッチが２５μｍの熱型赤外線アレイセンサがある。このアレイセンサには、サーミスターボロメータ用薄膜として厚さ１００ｎｍで抵抗温度係数−２％／Ｋの酸化バナジウム、ダイアフラム３２の絶縁保護膜として厚さ５００ｎｍのシリコン窒化膜、ダイアフラム３２上の電極部として厚さ１００ｎｍのチタン合金、梁部３３ａ，３３ｂの絶縁保護膜として厚さ５００ｎｍ、幅２μｍで長さ３２μｍのシリコン窒化膜、及び梁部３３ａ，３３ｂの金属配線３６ａ，３６ｂとして厚さ１００ｎｍ、幅１μｍで長さ３２μｍのチタン合金、それぞれが用いられた。赤外線の受光部であるダイアフラム３２の開口率は５１％であり、またスリット３４ａ，３４ｂの幅は０．５μｍである。梁の折曲げ回数の最適値は、この場合１．３回である。このような諸元の熱分離構造を有する熱型赤外線アレイセンサにおいて、熱容量は３．３×１０−１０Ｊ／Ｋ、熱コンダクタンスは８．５×１０−８Ｗ／Ｋ、また熱時定数は３．９ｍｓのそれぞれとなり、Ｆ／１光学系に対して温度分解能１００ｍＫの赤外画像を得ることができた。
【００１０】
上述した特開２００１−２１５１５１号公報と特開２００１−１５３７２０号公報とを組み合わせることにより、最良の温度分解能を与える梁部の折曲げ回数又は梁長指数を有し、ダイアフラム外周部から外側方向に張り出した庇を有し、かつ、熱分離構造を有する高感度の熱型赤外線検出器を提案することができる。
【００１１】
その具体例として、前述の特開２００１−１５３７２０号公報で例示した熱型赤外線検出器に開口率９２％の庇を付けた場合について述べる。庇の絶縁保護膜として厚さ５００ｎｍのシリコン窒化膜を用いた。その結果、熱容量が５．２×１０−１０Ｊ／Ｋ、熱コンダクタンスが８．８×１０−８Ｗ／Ｋ、および熱時定数が６ｍｓ、のそれぞれが得られ、Ｆ／１光学系に対して温度分解能６０ｍＫの赤外画像を得ることができた。
【００１２】
また、ハネウェル社の米国特許（ＵＳＰ）第６，０４６，４８５号明細書による非冷却赤外センサがある。図１４（ａ）の平面図に示すように、このような熱分離構造を有する非冷却赤外センサの画素６０は、赤外線吸収部６５と外周のボロメータ部５６，５８とから成る受光部と、セルコンタクト電極４２，４４を含むコンタクト部と、上記受光部及びコンタクト部を電気的・機械的に接続する梁部４６，４８とで構成されている。尚、接続点５２，５４が、受光部と梁部とを結合する。図１４（ｂ）に示される図１４（ａ）のＳ−Ｓ断面図から分かるように、受光部（５６，５８，６５）は梁部４６，４８によって基板から宙に浮かせられ、熱分離構造が形成されている。
【００１３】
この米国特許では、受光部において外周のボロメータ部５６，５８を取り囲む保護膜６４の厚さをそのままにして赤外線吸収部６５だけ薄くすることにより、受光部（５６，５８，６５）の熱容量を小さくして熱時定数を小さくするという工夫をしている。このことにより、熱分離構造を有する高フレームレートの非冷却赤外センサが実現できていた。
【００１４】
【特許文献１】
特開２００１−２１５１５１号公報
【００１５】
【特許文献２】
特開２００１−１５３７２０号公報
【００１６】
【特許文献３】
米国特許第６，０４６，４８５号明細書
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の熱型赤外線検出器では、次のような問題点がある。
【００１８】
まず、上記特開２００１−２１５１５１号公報と特開２００１−１５３７２０号公報との技術を組み合わせた場合、温度分解能を良くしようとすると熱時定数が大きくなり、１２０Ｈｚという高フレームレートで動作させると像流れを起こすという点である。その理由は、上述した熱型赤外線検出器において、梁とダイアフラムと両者の厚さが同じためである。
【００１９】
また、上記米国特許（ＵＳＰ）第６，０４６，４８５号明細書に開示された構成では、ボロメータ部からの１／ｆノイズが大きいという問題がある。その理由は、ボロメータ材料が受光部の外周部にしか存在しないので、キャリア総数が小さく、従って、１／ｆノイズが大きいと考えられる。このことは、ある論文（Ｐ．Ｈ．Ｈａｎｄｅｌ，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ａ，Ｖｏｌ．２２，１９８０年，ｐ７４５）で発表された、ボロメータの１／ｆノイズがボロメータ材料中のキャリア総数が大きいほど小さい、という理論に基づく。
【００２０】
本発明の課題は、このような問題点を解決し、高フレームレートの動作でも像流れを発生させず、且つ１／ｆノイズを増加させないような、熱分離を有する熱型赤外線検出器及びその製造方法を提供することである。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明による熱型赤外線検出器は、ダイアフラムの保護膜をエッチングしてダイアフラム全体を薄くすることにより、ダイアフラムの熱容量を低減して熱時定数を小さくし、高フレームレートでの動作を可能にしている。その結果、像流れを防止するという一つの目的が達成できる。また、熱検出材料薄膜のボロメータ用材料薄膜をダイアフラム全面に形成している。このため、１／ｆノイズが増大することはない。
【００２２】
すなわち、本発明による熱型赤外線検出器の基本構造は、図１及び図２に示されるように、赤外線検出部であるダイアフラム（５）と、ダイアフラムを支える梁部（６）と、ダイアフラムの外周から外側方向に張り出しかつ空間を隔てて梁部及びコンタクトパッド（１６）を覆う庇（１２）とから成る熱分離構造を有することを特徴としている。
【００２３】
ダイアフラムは、保護膜（８ａ，８ｂ，８ｄ）に取り囲まれた熱検出材料薄膜のボロメータ用薄膜（７）及び熱検出材料薄膜からの信号を読み出す電極部（１０）から成る。梁部は、保護膜（８ａ，８ｂ，８ｃ）とこの保護膜に取り囲まれた金属配線（９）とから成り、この金属配線は基板（１）の電気回路とコンタクトパッドを介して電気的に接続されている。基板には、信号の読出回路が備えられていることが望ましい。
【００２４】
庇及びダイアフラムの材料が赤外線に対して透明な場合、干渉効果による赤外吸収のため赤外線吸収膜（１１）が、庇及びダイアフラムの赤外線入射面に成膜される。庇やダイアフラムが赤外線を吸収する材料でできている場合、赤外線吸収膜を成膜する必要はない。このように、赤外線の吸収を広範囲でダイアフラムと庇との、例えば全面にわたって実行することが望ましい。
【００２５】
本発明の重要な点の一つはダイアフラムの厚さが梁部より薄いことである。このことにより、本発明の熱型赤外線検出器の熱時定数が小さくなり、高フレームレート動作が可能になる。このような構造を採用することにより、フィルファクターが高く、より高感度で高フレームレートのセンサを実現することができる。
【００２６】
ここで、本発明の特徴である「ダイアフラムの厚さが梁部より薄い」ことにより高フレームレートが可能になることを以下に説明する。
【００２７】
熱分離構造を有する熱型赤外線検出器の熱時定数τｔｈは、ダイアフラムの熱容量Ｃｔｈ及び熱分離構造の熱コンダクタンスＧｔｈにより下記数１式で表わされる。
【００２８】
【数１】
【００２９】
従来例では、ダイアフラムの保護膜の厚さｔＰと梁の保護膜の厚さｔＢＰは等しいが、本発明では、
ｔＰ＜ｔＢＰ
の関系になるように、ダイアフラムの保護膜をエッチングして薄くするため「本発明におけるＣｔｈ」は「従来例におけるＣｔｈ」より小さい。このように、本発明の熱時定数の方が、従来例の熱時定数より小さくなり、高フレームレートで画像化することができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００３１】
図１及び図２を併せ参照して本発明における実施の一形態について説明する。図１及び図２は本発明の一実施例を示す平面図及びＡ−Ａ断面図である。
【００３２】
本実施例における熱型赤外線検出器は、サーミスターボロメータ型であり、画素ピッチが２３．５μｍの２次元アレイセンサの形態を有し、図１には一つの画素分の平面図が示されている。
【００３３】
まず、図２に示されるようにシリコン基板（以後、基板と略称する）１の表面には、チタン（Ｔｉ）から成る厚さ２００ｎｍの赤外線反射膜２が形成されている。赤外線反射膜２の表面には、シリコン酸化膜から成る厚さ２００ｎｍの第一絶縁保護膜３が形成されている。この第一絶縁保護膜３によって赤外線反射膜２が覆われている。本実施例では、赤外線反射膜２を構成する金属材料としてチタンを用いたが、その金属材料として、波長８〜１３μｍ帯の赤外線をほぼ１００％反射するものであれば、チタン以外にアルミニウム（Ａｌ）か、タングステン（Ｗ）か、ケイ化タングステン（ＷＳｉ）か、又は窒化チタン（ＴｉＮ）等を用いてもよい。また、本実施例では第一絶縁保護膜３がシリコン酸化膜であるが、シリコン窒化膜又はシリコン酸窒化膜であってもよい。
【００３４】
本実施例の熱型赤外線検出器では、基板１の第一絶縁保護膜３側の面上に、赤外線検出部となる複数のダイアフラム５が配置されている。それぞれのダイアフラム５によりそれぞれの画素が形成される。ダイアフラム５は、２つの梁部６によって空洞部４を隔てて第一絶縁保護膜３の表面から浮かせられるように支持されている。梁部６は、ダイアフラム５と基板１の間の熱コンダクタンスを小さくするために、図１に示すように、ダイアフラム５の上面から見て、そのダイアフラム５の外周に沿って延びている。
【００３５】
ダイアフラム５は、熱検出材料薄膜であるサーミスターボロメータ用薄膜（以後、ボロメータ用薄膜と略称する）７と、ボロメータ用薄膜７の両端部に設けられた電極部１０と、ボロメータ用薄膜７及び電極部１０を取り囲む第二、第三、第五絶縁保護膜８ａ，８ｂ，８ｄとにより構成される。本実施例では、ボロメータ用薄膜７として、厚さ約１２０ｎｍの酸化バナジウムを用いた。ボロメータ用薄膜７の抵抗値は約１００ｋΩで、抵抗温度係数は約−３％／Ｋである。また、第二、第三、第五絶縁保護膜８ａ，８ｂ，８ｄとして、各々１５０ｎｍ，１００ｎｍ，５０ｎｍの厚さのシリコン窒化膜を形成した。
【００３６】
庇１２は、ダイアフラム５の外周部から外側方向に張り出しており、梁部６及びコンタクトパッド１６を、空間的に隔てて覆っている。庇１２の最上層とダイアフラム５の絶縁保護層８ｄの表面露出部とには赤外線吸収膜１１が形成されている。本実施例では、庇１２として厚さ５００ｎｍのシリコン窒化膜を、赤外線吸収膜１１としてシート抵抗２００〜５６０Ωの窒化チタンを用いた。
【００３７】
梁部６は、金属配線９と金属配線９を取り囲む絶縁保護膜８ａ，８ｂ，８ｃとから成る。本実施例では、金属配線９として０．６μｍ幅、１５０ｎｍ厚のチタンを用い、絶縁保護膜８ａ，８ｂ，８ｃとして各々１５０ｎｍ，１００ｎｍ，２５０ｎｍの厚さ、１μｍ幅のシリコン窒化膜を用いた。
【００３８】
尚、各画素の庇同士の隙間は１μｍ、コンタクトパッド１６の面積は１個当り約４９μｍ２である。
【００３９】
本実施例の庇付き熱分離構造に対して、熱コンダクタンス０．１５μＷ／Ｋ、熱容量０．３９ｎＪ／Ｋ、熱時定数２．６ｍｓを得た。このようなボロメータ型の１６０×１２０画素の熱型赤外線アレイセンサを１２０Ｈｚのフレームレートで動作させた時、パルスバイアスの高さ４Ｖ、パルス幅５５μｓで、Ｆ／１の光学系および３００Ｋ付近の被写体に対して、温度分解能０．１Ｋを得ることができた。
【００４０】
次に、本実施の形態における熱型赤外線検出器の製造方法について図１及び図２に図３から図８までのそれぞれを併せ参照して説明する。
【００４１】
まず、図３において、基板１上に第一絶縁保護膜３を形成するまでの工程について説明する。
【００４２】
最初の工程は、読出回路１９を備えた基板１を準備する。次の工程は、基板１の、ダイアフラム５に対応する部分の表面に、厚さ約２００ｎｍのチタンによる赤外線反射膜２を形成する。ここで、赤外線反射膜２の材料として、波長８〜１３μｍ帯の赤外線をほぼ１００％反射するもの、例えば、チタンを用いる。この材料はチタン以外にアルミニウム、タングステン、ケイ化タングステン、又は窒化チタン等を用いてもよい。
【００４３】
次の工程は、基板１の表面や赤外線反射膜２の表面全体に厚さ約２００ｎｍのシリコン酸化膜の第一絶縁保護膜３を形成する。第一絶縁保護膜３は、シリコン酸化膜以外のシリコン窒化膜又はシリコン酸窒化膜であってもよい。
【００４４】
次に、図４を参照してボロメータ用薄膜７が形成されるまでの工程について説明する。
【００４５】
次の工程は、第一絶縁保護膜３上に第一犠牲層４ａを形成する。第一犠牲層４ａはポリイミドで成形されており製造工程の最終段階で除去される。第一犠牲層４ａを形成する際には、第一絶縁保護膜３の表面全体に感光性ポリイミドを塗布し、露光および現像の工程と熱処理工程とによって第一絶縁保護膜３上の感光性ポリイミドをパターニングする。このパターニングにより、図１のコンタクトパッド１６に対応する箇所に穴を開け、第一絶縁保護膜３を露出させるように、感光性ポリイミドから成る第一犠牲層４ａを形成する。ポリイミドの厚さは約２．３μｍである。
【００４６】
次の工程は、第一犠牲層４ａおよび第一絶縁保護膜３の表面全体に、プラズマＣＶＤ法により厚さ約１５０ｎｍのシリコン窒化膜による第二絶縁保護膜８ａを形成し、第二絶縁保護膜８ａによって第一犠牲層４ａを覆う。第二絶縁保護膜８ａとしては、シリコン窒化膜以外に、シリコン酸化膜又はシリコン酸窒化膜を用いることができる。
【００４７】
次の工程は、第二絶縁保護膜８ａの、ダイアフラム５に対応する部分の表面に熱検出材料としてボロメータ用薄膜７を形成する。ボロメータ用薄膜７を形成する際には、まず、第二絶縁保護膜８ａの表面全体に、熱検出材料薄膜として、サーミスターボロメータ材料である酸化バナジウムの膜を、反応性スパッター法により約１２０ｎｍの厚さに形成する。そして、露光および現像の工程の後、第二絶縁保護膜８ａ上の酸化バナジウム薄膜を、例えば、特開平１１−３３００５１号公報に記載されているように六フッ化硫黄（ＳＦ６）と二酸化炭素（ＣＯ２）との混合ガスのプラズマによりエッチング加工する。このような露光および現像の工程とエッチング加工の工程とにより酸化バナジウムの膜をパターニングして、酸化バナジウムをサーミスターとするボロメータ用薄膜７が形成される。
【００４８】
次に、図５を参照して、第四絶縁保護膜８ｃを形成するまでの工程について説明する。
【００４９】
次の工程は、ボロメータ用薄膜７を覆うように、ボロメータ用薄膜７および第二絶縁保護膜８ａそれぞれの露出表面全体に、プラズマＣＶＤ法によりシリコン窒化膜の第三絶縁保護膜８ｂを約１００ｎｍ形成する。第三絶縁保護膜８ｂとしては、シリコン窒化膜以外に、シリコン酸化膜又はシリコン酸窒化膜を用いることができる。
【００５０】
次の工程は、第一絶縁保護膜３および第二、第三絶縁保護膜８ａ，８ｂそれぞれの、コンタクトパッド１６に対応する部分に、コンタクトパッド１６と梁部６の金属配線９とを電気的に接続するための開口部を形成する。この工程は、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜、又はシリコン酸化膜から成る絶縁保護膜をエッチングするため、四フッ化炭素（ＣＦ４）と二酸素（Ｏ２）との混合ガス又はフルオロホルム（ＣＨＦ３）と二酸素との混合ガスのプラズマを用いる。
【００５１】
次の工程は、ボロメータ用薄膜７との電気的なコンタクトを得るために、第三絶縁保護膜８ｂの、ボロメータ用薄膜７の端部で、電極部１０に対応する部分にコンタクトホールを形成する。コンタクトホールの形状は、電極部１０の形状に対応して、ボロメータ用薄膜７の縁部に沿って細長く延びている。これにより、コンタクトホールの底面にボロメータ用薄膜７の表面の一部が露出する。
【００５２】
電極部１０上のコンタクトホールを形成する工程では、露光および現像の工程の後、四フッ化炭素と二酸素との混合ガス又はフルオロホルムと二酸素との混合ガスのプラズマにより第三絶縁保護膜８ｂの、ボロメータ用薄膜７の端部で、上述したコンタクトホールに対応する部分をエッチングする。
【００５３】
次の工程は、基板１内の読出回路１９とボロメータ用薄膜７とを電気的に接続するために、第三絶縁保護膜８ｂの表面全体及びボロメータ用薄膜７の露出表面を含むコンタクトホールの内壁全体に、例えば、チタン（Ｔｉ）又はニッケルクロム合金（ＮｉＣｒ）から成る金属膜（９，１０）をスパッター法により形成する。次に、露光および現像の工程の後、例えば金属膜（９，１０）がチタンから成る場合には、塩素（Ｃｌ２）と三塩化ホウ素（ＢＣｌ３）との混合ガスのプラズマにより金属膜（９，１０）をエッチングしてパターニングする。このパターニングにより、金属膜（９，１０）は、ボロメータ用薄膜７とコンタクトパッド１６とを電気的に接続する電気配線の形状に加工される。ここで金属膜（９，１０）として、チタンを用いたが、チタン以外、ニッケルクロム合金又は熱伝導率の小さいチタン合金を用いることができる。
【００５４】
金属膜（９，１０）において、ボロメータ用薄膜７と接する部分には電極部１０、また梁部６内には金属配線９それぞれが形成されている。図１に示されるように、金属配線９はコンタクトパッド１６と電気的に接続されている。
【００５５】
次の工程は、金属膜９，１０および第三絶縁保護膜８ｂの露出表面全体に、プラズマＣＶＤ法によりシリコン窒化膜の第四絶縁保護膜８ｃを約２５０ｎｍの厚さで形成する。ここで第四絶縁保護膜８ｃとしてシリコン窒化膜が用いられているが、シリコン窒化膜以外に、シリコン酸化膜又はシリコン酸窒化膜を用いることもできる。
【００５６】
次に、図６を参照して、第二犠牲層２１を形成するまでの工程について説明する。
【００５７】
ダイアフラム５が梁部６によってシリコン基板１から浮かせられている熱分離構造を形成するために、上記図５に示された第二、第三、第四絶縁保護膜８ａ，８ｂ，８ｃを一括パターニングして第一スリット２０ａ及び境界スリット２０ｂを形成する。第一スリット２０ａが１つの画素におけるダイアフラム５と梁部６の間の隙間となり、かつ、境界スリット２０ｂが隣り合う画素において梁部同士の間の隙間となる。
【００５８】
第一スリット２０ａ及び境界スリット２０ｂそれぞれを形成する際には、露光および現像の工程の後、フルオロホルムと二酸素との混合ガスのプラズマにより、第二、第三、第四絶縁保護膜８ａ，８ｂ，８ｃをスリット状にエッチングする。これにより、第一スリット２０ａ及び境界スリット２０ｂそれぞれの底面に第一犠牲層４ａのポリイミド面を露出させる。
【００５９】
次の工程は、図示されるように、ダイアフラム５の熱容量を小さくして熱時定数を短くするため、第四絶縁保護膜８ｃのうちダイアフラム５の上面領域にある第四絶縁保護膜８ｃだけをエッチングして薄くする。すなわち、図示されるように、通常の塗布・露光・現像工程によりダイアフラム５以外の領域にレジストを形成し、四フッ化炭素と二酸素との混合ガス又はフルオロホルムと二酸素との混合ガスのプラズマにより、第四絶縁保護膜８ｃを約２００ｎｍだけエッチング除去して、ダイアフラム５の領域で第五絶縁保護膜８ｄに形成する。
【００６０】
この工程により、ダイアフラム５を構成する第二、第三、第五の絶縁保護膜８ａ，８ｂ，８ｄの厚さを合計で３００ｎｍとするので、ボロメータ用薄膜７を境に上下に１５０ｎｍずつの均等の厚さになっている。また、梁部６に関しても、金属配線９を境に上下に２５０ｎｍずつであり、合計５００ｎｍの厚さになっている。このようにダイアフラム５の第二、第三、第五絶縁保護膜８ａ，８ｂ，８ｄと梁部６の第二、第三、第四絶縁保護膜８ａ，８ｂ，８ｃとを上下対称に配置することにより、同保護膜の応力も対称になりダイアフラム５と梁部６とから成る熱分離構造を基板１に平行に浮かせることができる。
【００６１】
このように薄くしたダイアフラム５の領域において第五絶縁保護膜８ｄ上に厚さ１５ｎｍの窒化チタンのエッチストップ用金属薄膜１１ａを形成する。窒化チタンをエッチングするためのガスとして、塩素と三塩化ホウ素との混合ガスを用いた。ここでエッチストップ用金属薄膜１１ａとして、窒化チタン以外に他のチタン合金、ニッケルクロム合金、又はアルミニウム、チタン、若しくはタングステン等を用いることができる。
【００６２】
次に、図示されるように、底面に第一犠牲層４ａのポリイミドを露出させた第一スリット２０ａ及び境界スリット２０ｂの上面で、感光性ポリイミドに塗布・露光・現像・熱処理工程を施して第二犠牲層２１を形成する。ここで第二犠牲層２１として、ポリイミド以外にレジストを用いてもよい。
【００６３】
次に、図７及び図８を併せ参照して、残りの工程について説明する。
【００６４】
次の工程では、図７に示されるように、表面全面で、ダイアフラム５外周部から外側方向に張り出すように、シリコン窒化膜の庇用絶縁保護膜２２を約５００ｎｍの厚さで形成する。ここで庇用絶縁保護膜２２として、シリコン窒化膜以外にシリコン酸化膜又はシリコン酸窒化膜を用いてもよい。
【００６５】
続く工程は、レジストに塗布・露光・現像工程を施して、図６の工程で形成したダイアフラム５の領域でエッチストップ用金属薄膜１１ａ上のレジストを除去し、四フッ化炭素と二酸素との混合ガス又はフルオロホルムと二酸素との混合ガスのプラズマにより、庇用絶縁保護膜２２をエッチング除去する。この際、窒化チタンのエッチストップ用金属薄膜１１ａがエッチングを阻止する。引き続き、プラズマエッチャーにより塩素と三塩化ホウ素との混合ガスを用いて窒化チタン金属薄膜のエッチストップ用金属薄膜１１ａをエッチング除去する。
【００６６】
この状態では、図７におけるダイアフラム５の領域で第五絶縁保護膜８ｄが露出され、ダイアフラム５の領域以外で庇用絶縁保護膜２２が残存する。
【００６７】
次の工程は、図８で理解されるように、庇用絶縁保護膜２２と第五絶縁保護膜８ｄとの上に、厚さ１５ｎｍの窒化チタンの赤外線吸収膜１１を成膜する。ここで、赤外線吸収膜１１をシート抵抗２００〜５６０Ωの範囲にすることが重要である。また赤外線吸収膜１１として、窒化チタン以外に他のチタン合金又はニッケルクロム合金を用いてもよい。
【００６８】
次の工程は、レジストに塗布・露光・現像工程を施して、第二スリット２３に対応する部分のレジストをパターニングにより除去し、塩素と三塩化ホウ素との混合ガスを用いて窒化チタンの赤外線吸収膜１１をエッチング除去する。続いてフルオロホルムと二酸素とのプラズマガスで庇用絶縁保護膜２２を除去して第二スリット２３を形成し、第二犠牲層２１のポリイミドを露出させる。
【００６９】
最後の工程は、二酸素プラズマを用いたアッシングにより第二犠牲層２１と第一犠牲層４ａのポリイミドを除去して、第一犠牲層４ａに対応する領域に、図２に示される空洞部４を形成する。この結果として、熱時定数の短い庇付き熱分離構造を有する熱型赤外線検出器の製造が完成される。
【００７０】
このようにして、庇１２及びダイアフラム５の表面上に金属薄膜でできた赤外線吸収膜１１を形成することにより、金属薄膜の赤外線吸収膜１１で赤外線同士を干渉させて金属薄膜を加熱するように熱型赤外線検出器を構成することができる。
【００７１】
次に、図１及び図８を併せ参照して、そのような熱型赤外線検出器における具体的な動作について説明する。
【００７２】
まず、庇１２及びダイアフラム５の表面上を覆う金属薄膜の赤外線吸収膜１１に赤外線１５が入射する場合、入射の赤外線１５の一部が金属薄膜の赤外線吸収膜１１により反射されようとする。一方、赤外線吸収膜１１に入射した赤外線１５の他の部分は赤外線吸収膜１１を透過して基板１に向かって進行する。赤外線吸収膜１１を透過した赤外線は、基板１上の赤外線反射膜２、梁部６の金属配線９及びコンタクトパッド１６により赤外線吸収膜１１に向けて反射され、再び赤外線吸収膜１１に入射する。
【００７３】
ここで、赤外線吸収膜１１に再び入射する赤外線は、赤外線吸収膜１１により反射されようとする元の赤外線と打ち消し合う干渉を起こし、干渉を起こした赤外線同士が赤外線吸収膜１１内の自由電子により吸収され熱になる。その結果、赤外線吸収膜１１が加熱されてその温度が上昇し、赤外線吸収膜１１の熱は庇１２及びダイアフラム５内の第五絶縁保護膜８ｄを介してボロメータ用薄膜７に伝わり、ボロメータ用薄膜７の抵抗値が変化する。すなわち、庇１２及びダイアフラム５の表面上に形成された金属薄膜の赤外線吸収膜１１によって、庇１２及びダイアフラム５の熱がボロメータ用薄膜７に早く伝わるようになっている。
【００７４】
このような抵抗値の変化は、熱検出材料薄膜であるボロメータ用薄膜７と電気的に接続された電極部１０、梁部６の金属配線９、および基板１のコンタクトパッド１６を介して信号として、例えば読出回路１９又はオフチップの外部回路に送られる。信号は読出回路１９又はオフチップの外部回路によって電圧変化に変換され、この電気信号を基に、温度変化による熱検出材料薄膜の物性値の変化が赤外画像化される。
【００７５】
次に、図８を参照して、上述したと異なる実施の形態について説明する。
【００７６】
この実施の形態が、上記実施の形態との相違は、図８における赤外線吸収膜１１を形成せず、庇１２を構成する絶縁保護膜２２とダイアフラム５の第二、第三、第五絶縁保護膜８ａ，８ｂ，８ｄとで入射赤外線１５を吸収させる点である。これら第二、第三、第五絶縁保護膜８ａ，８ｂ，８ｄとしては、波長１０μｍ帯に吸収帯を有するシリコン窒化膜又はシリコン酸窒化膜が用いられる。
【００７７】
ダイアフラム５に入射する赤外線１５は、ダイアフラム５の構成材料である第二、第三、第五絶縁保護膜８ａ，８ｂ，８ｄで一部吸収される。透過した赤外線は、赤外線反射膜２で反射され、再びダイアフラム５内の絶縁保護膜８ａ，８ｂと８ｄで吸収される。庇１２に入射する赤外線１５は、庇１２の構成材料である庇用絶縁保護膜２２で一部吸収される。透過した赤外線は、赤外線反射膜２、梁部６の金属配線９、およびコンタクトパッド１６の金属で反射され、再び庇１２の庇用絶縁保護膜２２により吸収される。このようにして赤外線は吸収され、熱となってボロメータ用薄膜７に伝わり、同薄膜の抵抗を変化させ、基板１内の読出回路１９により電圧変化に変換され、赤外画像化される。
【００７８】
上述したように、庇及びダイアフラムの材料が赤外線に対して透明な場合、干渉効果による赤外吸収のため赤外線吸収膜が必須であり、庇及びダイアフラムの赤外線入射面に成膜される。一方、庇やダイアフラムが赤外線を吸収する材料でできている場合、赤外線吸収膜を必ずしも成膜する必要はない。しかし、一般的に、庇やダイアフラムの構成材料は、全ての赤外線を吸収する訳ではないため赤外線吸収膜を成膜しておいたほうが無難とも言える。
【００７９】
上記説明では、赤外線吸収膜が庇及びダイアフラムの赤外線入射面に成膜されているが、庇部分の赤外線吸収膜は赤外線入射面の反対面であってもよい。この方法によれば、上述したエッチストップ用金属薄膜の形成及び除去の工程を不要にする。
【００８０】
次に、この実施形態について、上記図５に続く工程を、図９から図１１までを参照して説明する。
【００８１】
図５に続く最初の工程は、ダイアフラム５が梁部６によってシリコン基板１から浮かせられている熱分離構造を形成するため、上記図５に示された第二、第三、第四絶縁保護膜８ａ，８ｂ，８ｃを一括パターニングして第一スリット２０ａ及び境界スリット２０ｂを形成する。第一スリット２０ａが１つの画素におけるダイアフラム５と梁部６の間の隙間となり、かつ、境界スリット２０ｂが隣り合う画素において梁部同士の間の隙間となる。
【００８２】
第一スリット２０ａ及び境界スリット２０ｂそれぞれを形成する際には、露光および現像の工程の後、フルオロホルムと二酸素との混合ガスのプラズマにより、第二、第三、第四絶縁保護膜８ａ，８ｂ，８ｃをスリット状にエッチングする。これにより、第一スリット２０ａ及び境界スリット２０ｂそれぞれの底面に第一犠牲層４ａのポリイミド面を露出させる。
【００８３】
次の工程は、図示されるように、ダイアフラム５の熱容量を小さくして熱時定数を短くするため、第四絶縁保護膜８ｃのうちダイアフラム５の上面領域にある第四絶縁保護膜８ｃだけをエッチングして薄くする。すなわち、図示されるように、通常の塗布・露光・現像工程によりダイアフラム５以外の領域にレジストを形成し、四フッ化炭素と二酸素との混合ガス又はフルオロホルムと二酸素との混合ガスのプラズマにより、第四絶縁保護膜８ｃを約２００ｎｍだけエッチング除去して、ダイアフラム５の領域で第五絶縁保護膜８ｄに形成する。
【００８４】
この工程により、ダイアフラム５を構成する第二、第三、第五の絶縁保護膜８ａ，８ｂ，８ｄの厚さを合計で３００ｎｍとするので、ボロメータ用薄膜７を境に上下に１５０ｎｍずつの均等の厚さになっている。また、梁部６に関しても、金属配線９を境に上下に２５０ｎｍずつであり、合計５００ｎｍの厚さになっている。このようにダイアフラム５の第二、第三、第五絶縁保護膜８ａ，８ｂ，８ｄと梁部６の第二、第三、第四絶縁保護膜８ａ，８ｂ，８ｃとを上下対称に配置することにより、同保護膜の応力も対称になりダイアフラム５と梁部６とから成る熱分離構造を基板１に平行に浮かせることができる。
【００８５】
ここまでは、図６を参照して説明した上述手順と同一であるが、次の工程から相違する。
【００８６】
次の工程は、感光性ポリイミドに塗布・露光・現像・熱処理工程を施して、ダイアフラム以外の場所に第二犠牲層２１を形成する。ここで第二犠牲層２１として、ポリイミド以外にレジストを用いてもよい。
【００８７】
次の工程では、ダイアフラム５の第五絶縁保護膜８ｄと第二犠牲層２１との上に厚さ１５ｎｍの窒化チタンの赤外線吸収膜１１を形成する。この際、境界スリット２０ｂに対応して後述の第二スリット２３を形成する場所の窒化チタンをエッチングする。このエッチングのためのガスとして、塩素と三塩化ホウ素との混合ガスを用いる。この工程により図９に示される状態になる。
【００８８】
次に、図１０が参照される。すなわち、次の工程は、図示されるように、ダイアフラム５を含みその外周部から外側に張り出すように、シリコン窒化膜の庇用絶縁保護膜２２を約５００ｎｍの厚さで形成する。ここで庇用絶縁保護膜２２として、シリコン窒化膜以外にシリコン酸化膜又はシリコン酸窒化膜を用いてもよい。
【００８９】
次に、図１１を併せ参照して、残りの工程について説明する。
【００９０】
上述した工程に続く工程は、レジストに塗布・露光・現像工程を施してフルオロホルムと二酸素との混合ガスのプラズマにより庇用絶縁保護膜２２をエッチング除去して、ダイアフラム５上の庇用絶縁保護膜２２を薄くする。同時に、境界スリット２０ｂに対応する場所で、第二犠牲層２１のポリイミドが露出するまで第二スリット２３を形成する。ダイアフラム５上の庇用絶縁保護膜２２をエッチングする際には、窒化チタンの赤外線吸収膜１１がエッチストップとして機能する。
【００９１】
最後の工程として、二酸素プラズマを用いたアッシングにより第二犠牲層２１と第一犠牲層４ａのポリイミドを除去して空洞部４が形成され、熱時定数の短い庇付き熱分離構造を有する熱型赤外線検出器が製造される。
【００９２】
上記説明では、熱検出材料薄膜をサーミスタによるボロメーター用薄膜とし、ダイアフラムから伝わった熱による温度の変化は抵抗値の変化で検出した。しかし、熱検出材料薄膜の温度変化はその物性値、例えばチタン酸鉛のような強誘電体薄膜に発生する電荷量でもよく、本発明が上記説明に限定されることはない。
【００９３】
このような構造を採用することにより、フィルファクターが高く、より高感度で高フレームレートのセンサを実現することができるが、このような熱型赤外線検出器は更に感度を高くするため真空パッケージに実装されることが望ましい。
【００９４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、ダイアフラムの保護膜をエッチングしてダイアフラム全体を薄くすることにより、ダイアフラムの熱容量を低減し熱時定数を小さくして、高フレームレートで動作できるようにしている。その結果、像流れを防止することができる。
【００９５】
また、ボロメータ用材料薄膜がダイアフラムの全面に形成されているため、１／ｆノイズが増大することがない。
【００９６】
従って、高フレームレートの動作でも像流れを発生させず、且つ１／ｆノイズを増加させることのない、フィルファクターが大きく高感度で、熱時定数が小さい熱型赤外線検出器を提供することができる。
【００９７】
その結果、装置としては、今まで冷却型赤外線センサを搭載するミサイルシーカーのような高フレームレートの装置に、非冷却型赤外線センサを載せることができるようになった。すなわち、非冷却型センサの適用により、冷却器が不要になり且つ装置の即時動作が可能になるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態を示す熱型赤外線検出器の平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】図１の熱型赤外線検出器において最初の段階の製造工程を終了した際の説明断面図である。
【図４】図３に続く段階の製造工程を終了した際の説明断面図である。
【図５】図４に続く段階の製造工程を終了した際の説明断面図である。
【図６】図５に続く段階の製造工程を終了した際の説明断面図である。
【図７】図６に続く段階の製造工程を終了した際の説明断面図である。
【図８】図７に続く最終段階の製造工程を終了した際の説明断面図である。
【図９】図５に続く段階で図６とは異なる製造工程を終了した際の説明断面図である。
【図１０】図９に続く段階の製造工程を終了した際の説明断面図である。
【図１１】図１０に続く最終段階の製造工程を終了した際の説明断面図である。
【図１２】従来の庇付き熱型赤外線検出器における一例を示す断面図である。
【図１３】図１２とは別の従来の熱型赤外線検出器における一例を示す平面図である。
【図１４】従来の、熱容量を低減した熱型赤外線検出器の一例を示す平面図（ａ）及びそのＳ−Ｓ断面図（ｂ）である。
【符号の説明】
１ シリコン基板（基板）
２ 赤外線反射膜
３ 第一絶縁保護膜
４ 空洞部
４ａ 第一犠牲層
５ ダイアフラム
６ 梁部
７ サーミスターボロメータ用薄膜（ボロメータ用薄膜）（熱検出材料薄膜）
８ａ 第二絶縁保護膜
８ｂ 第三絶縁保護膜
８ｃ 第四絶縁保護膜
８ｄ 第五絶縁保護膜
９ 金属配線
１０ 電極部
１１ 赤外線吸収膜
１１ａ エッチストップ用金属薄膜
１２ 庇
１５ 赤外線
１６ コンタクトパッド
１９ 読出回路
２０ａ 第一スリット
２０ｂ 境界スリット
２１ 第二犠牲層
２２ 庇用絶縁保護膜
２３ 第二スリット
Claims (9)
- 赤外線反射膜を表面に有する基板と、前記表面から空洞部を隔てて配置され、入射する赤外線を受け、受けた赤外線を吸収して発熱することにより赤外線の入射を検出する膜状の赤外線検出部と、当該赤外線検出部との相互間に隙間を設け、かつ前記赤外線検出部を前記基板から空洞部を隔てて支持する梁部と、導電性材料により所定個所を電気的に接続する電極部及び金属配線とで熱分離構造を形成する熱型赤外線検出器であって、
更に、前記赤外線検出部の前記梁部と隙間を隔てる外周部から、赤外線入射面側で相互間に空間を隔てて前記梁部を覆い、かつ前記赤外線検出部と共に赤外線の吸収機能を有する庇を備え、かつ
前記梁部の前記基板表面に垂直な方向の厚さが前記赤外線検出部の厚さより厚いことを特徴とする熱型赤外線検出器。 - 請求項１において、前記赤外線検出部は赤外線の入射面に、また前記庇は赤外線の入射面及びその反対側の面のうちの少なくとも一方に、赤外線吸収膜を設けることを特徴とする熱型赤外線検出器。
- 請求項１において、前記赤外線検出部と前記庇とのそれぞれは赤外線吸収材質の絶縁保護膜により表面を覆われていることを特徴とする熱型赤外線検出器。
- 熱分離構造を有する熱型赤外線検出器において、
コンタクトパッドを備えた基板と、
熱検出材料薄膜、当該熱検出材料薄膜と電気的に接続された電極部、当該電極部と前記熱検出材料薄膜を取り囲む絶縁保護膜、及び赤外線吸収膜を備え、前記基板の一面から間隔を隔てて同一面の上方に配置された赤外線検出部と、
前記基板上で前記赤外線検出部を前記基板の一面から浮かせて支持し、前記基板の前記コンタクトパッドに前記赤外線検出部の前記電極部を電気的に接続する配線が導電性材料により形成され、当該導電性材料が絶縁保護膜により取り囲まれ、かつ当該絶縁保護膜が、前記基板の表面と垂直な方向で、前記赤外線検出部の絶縁保護膜より厚い厚さを有する梁部と、
前記赤外線検出部の外周から外側方向に張り出し、前記梁部及び前記コンタクトパッドにおける前記基板側と反対側の面との間に空間を隔てて、前記梁部及び前記コンタクトパッドの上面を覆い、かつ赤外線入射面及びその反対側の面のうちの一方に赤外線吸収膜を有する庇と
を各画素領域毎に備えることを特徴とする熱型赤外線検出器。 - 熱分離構造を有する熱型赤外線検出器において、
コンタクトパッドを備えた基板と、
熱検出材料薄膜、当該熱検出材料薄膜と電気的に接続された電極部、及び当該電極部と前記熱検出材料薄膜とを取り囲む赤外線吸収材質の絶縁保護膜を備え、前記基板の一面から間隔を隔てて同一面の上方に配置された赤外線検出部と、
前記基板上で前記赤外線検出部を前記基板の一面から浮かせて支持し、前記基板の前記コンタクトパッドに前記赤外線検出部の前記電極部を電気的に接続する配線が導電性材料により形成され、当該導電性材料が絶縁保護膜により取り囲まれ、かつ当該絶縁保護膜が、前記基板の表面と垂直な方向で、前記赤外線検出部の絶縁保護膜より厚い厚さを有する梁部と、
前記赤外線検出部の外周から外側方向に張り出し、前記梁部及び前記コンタクトパッドにおける前記基板側と反対側の面との間に空間を隔てて、前記梁部及び前記コンタクトパッドの上面を覆う赤外線吸収材質の庇と
を備えることを特徴とする熱型赤外線検出器。 - 各画素領域毎の赤外線反射膜を表面に有する基板と、前記表面から空洞部を隔てて配置され、各画素毎に設けられ、入射する赤外線を受け、受けた赤外線を吸収して発熱することにより赤外線の入射を検出する薄膜状の赤外線検出部と、当該赤外線検出部との相互間に隙間を設け、かつ前記赤外線検出部を前記基板から空洞部を隔てて支持する梁部と、導電性材料により所定個所を電気的に接続する電極及び配線とで熱分離構造を形成する熱型赤外線検出器の製造方法であって、
コンタクトパッドを有し、当該コンタクトパッド側の表面で前記赤外線検出部に対応する部分に形成された前記赤外線反射膜を含む全表面に第一絶縁保護膜を形成した前記基板を準備する工程と、
前記基板の前記コンタクトパッド側の表面部分に、前記空洞部のための第一犠牲層を形成する工程と、
前記第一犠牲層の表面に第二絶縁保護膜を形成する工程と、
前記第二絶縁保護膜の、前記赤外線検出部に対応する部分の表面に熱検出材料薄膜を形成する工程と、
前記熱検出材料薄膜部分を除き前記第二絶縁保護膜の表面露出部分の全面に、前記第三絶縁保護膜を形成する工程と、
前記第一、第二、第三絶縁保護膜で、前記コンタクトパッドに対応する部分と前記熱検出材料薄膜上における前記電極に対応する部分とのそれぞれに開口部を形成して金属配線する工程と、
前記第三絶縁保護膜が露出するように金属膜をパターニングして前記赤外線検出部の前記電極と前記梁部の金属配線とを形成する工程と、
前記金属配線及び前記第三絶縁保護膜の表面に、第四絶縁保護膜を形成する工程と、
前記第一犠牲層が露出するように前記第二、第三、第四絶縁保護膜をパターニングして、赤外線検出部と梁部との間隙の第一スリットと各画素の境界となる境界スリットとを形成する工程と、
前記赤外線検出部上の前記第四絶縁保護膜だけをエッチングにより薄くして第五絶縁保護膜に形成する工程と、
前記赤外線検出部の前記第五絶縁保護膜上で、前記赤外線検出部の前記梁部と隙間を隔てる外周部から赤外線入射面側で相互間に空間を隔てて前記梁部を覆う庇の端部となる領域を除いてエッチストップ用金属薄膜を形成する工程と、
前記第四絶縁保護膜の表面で、前記第一犠牲層の露出面を有する前記第一スリット及び前記境界スリットと、前記梁部と前記庇との間の空間と、前記基板の前記コンタクトパッドと前記庇との間の空間とを形成するための第二犠牲層を形成する工程と、
前記第二犠牲層、前記第五絶縁保護膜の露出面、および前記エッチストップ用金属薄膜の露出面に、前記庇を形成するための庇用絶縁保護膜を形成する工程と、
前記庇用絶縁保護膜のうち、前記庇の付け根を除く赤外線検出部上の前記庇用絶縁保護膜をエッチングして、前記エッチストップ用金属薄膜を露出させる工程と、
前記エッチストップ用金属薄膜をエッチング除去して第五絶縁保護膜を露出させる工程と、
前記第二犠牲層の一部が露出するように、前記庇用絶縁保護膜をパターニングして第二スリットを形成する工程と、
前記第二スリットと前記第一スリット及び境界スリットとを介して、前記第二犠牲層及び前記第一犠牲層を除去する工程と
を有する熱型赤外線検出器の製造方法。 - 請求項６において、前記エッチストップ用金属薄膜をエッチング除去して第五絶縁保護膜を露出させる工程に続いて、前記庇用絶縁保護膜と前記第五絶縁保護膜との表面に金属薄膜の赤外線吸収膜を形成する工程を加え、次の工程を、前記第二犠牲層の一部が露出するように、前記庇用絶縁保護膜に加えて前記赤外線吸収膜をもパターニングして第二スリットを形成する工程とすることを特徴とする熱型赤外線検出器の製造方法。
- 請求項６において、前記庇用絶縁保護膜と前記第二、第三、第五絶縁保護膜とに赤外線吸収材質のものを用いることを特徴とする熱型赤外線検出器の製造方法。
- 各画素領域毎の赤外線反射膜を表面に有する基板と、前記表面から空洞部を隔てて配置され、各画素毎に設けられ、入射する赤外線を受け、受けた赤外線を吸収して発熱することにより赤外線の入射を検出する薄膜状の赤外線検出部と、当該赤外線検出部との相互間に隙間を設け、かつ前記赤外線検出部を前記基板から空洞部を隔てて支持する梁部と、導電性材料により所定個所を電気的に接続する電極及び配線とで熱分離構造を形成する熱型赤外線検出器の製造方法であって、
コンタクトパッドを有し、当該コンタクトパッド側の表面で前記赤外線検出部に対応する部分に形成された前記赤外線反射膜を含む全表面に第一絶縁保護膜を形成した前記基板を準備する工程と、
前記基板の前記コンタクトパッド側の表面部分に、前記空洞部のための第一犠牲層を形成する工程と、
前記第一犠牲層の表面に第二絶縁保護膜を形成する工程と、
前記第二絶縁保護膜の、前記赤外線検出部に対応する部分の表面に熱検出材料薄膜を形成する工程と、
前記熱検出材料薄膜部分を除き前記第二絶縁保護膜の表面露出部分の全面に、前記第三絶縁保護膜を形成する工程と、
前記第一、第二、第三絶縁保護膜で、前記コンタクトパッドに対応する部分と前記熱検出材料薄膜上における前記電極に対応する部分とのそれぞれに開口部を形成して金属配線する工程と、
前記第三絶縁保護膜が露出するように金属膜をパターニングして前記赤外線検出部の前記電極と前記梁部の金属配線とを形成する工程と、
前記金属配線及び前記第三絶縁保護膜の表面に、第四絶縁保護膜を形成する工程と、
前記第一犠牲層が露出するように前記第二、第三、第四絶縁保護膜をパターニングして、赤外線検出部と梁部との間隙の第一スリットと各画素の境界となる境界スリットとを形成する工程と、
前記赤外線検出部上の前記第四絶縁保護膜だけをエッチングにより薄くして第五絶縁保護膜に形成する工程と、
前記第四絶縁保護膜の表面で、前記第一犠牲層の露出面を有する前記第一スリット及び前記境界スリットと、前記梁部と該梁部の赤外線入射側を覆う庇との間の空間と、前記基板の前記コンタクトパッドと前記庇との間の空間とを形成するための第二犠牲層を形成する工程と、
前記第二犠牲層で前記境界スリットに対応する部分を除いた表面と前記前記第五絶縁保護膜の露出面とに赤外線吸収膜を形成する工程と、
前記境界スリットに対応する部分の前記第二犠牲層露出面と前記赤外線吸収膜との全面に前記庇を形成するための庇用絶縁保護膜を形成する工程と、
前記第二犠牲層の前記境界スリットに対応する部分が露出するように、前記庇用絶縁保護膜をパターニングして第二スリットを形成する工程と、
前記第二スリットと前記第一スリット及び境界スリットとを介して、前記第二犠牲層及び前記第一犠牲層を除去する工程と
を有する熱型赤外線検出器の製造方法。
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