JP2004271386A

JP2004271386A - 熱型赤外線検出器及びその製造方法

Info

Publication number: JP2004271386A
Application number: JP2003063765A
Authority: JP
Inventors: Shohei Matsumoto; 尚平松本
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2003-03-10
Filing date: 2003-03-10
Publication date: 2004-09-30

Abstract

【課題】抵抗温度係数を増加させ、赤外線検出感度を向上させることができるチタンボロメータ熱型赤外線検知器及びその製造方法の提供。
【解決手段】受光部７と、受光部を中空保持する支持脚８とからなるダイヤフラム９を有するチタンボロメータ熱型赤外線検出器において、受光部７のチタンボロメータ１０を第１シリコン窒化膜１０５と第２シリコン窒化膜１０６とで狭み込んで保護するものであり、チタンボロメータ１０の酸化が抑制され、抵抗温度係数の大きい、赤外線検出感度の高い熱型赤外線検出器を得ることができる。更に、シリコン窒化膜、特に上層側の第２シリコン窒化膜１０６の成膜温度を最適化することにより、抵抗温度係数を向上させることができ、シリコン窒化膜を薄く形成し、その上層及び下層（又は上層）にシリコン酸化膜を配設することにより熱伝導度の増加を最小限に抑えることができる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱型赤外線検知器及びその製造方法に関し、特に、チタンボロメータ熱型赤外線検知器及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
熱型赤外線検知器は検出器の冷却を必要とせず常温で動作し低価格であるため、赤外線検出器の中でも特に注目されている。特に、金属チタンを熱電変換材料の一種であるボロメータ材料として使用したチタンボロメータ赤外線検知器は、通常のシリコンＩＣラインにおいて製造可能であり、比較的温度分解能も高く、良品歩留まりも高いという利点があることから開発が進められている（例えば、特開平９−２０３６５９号公報等）。このチタンボロメータ熱型赤外線検知器について、図５及び図６を参照して説明する。図５は、熱型赤外線検知器の構造を示す斜視図であり、図６は、図５のチタンボロメータ１０に沿ったコンタクト（Ａ）１１の近傍からコンタクト（Ｃ）１２の近傍までの断面図である。
【０００３】
図５及び図６に示すように、チタンボロメータ熱型赤外線検知器は、赤外線を吸収する受光部７とそれを支える支持脚８とからなるダイヤフラム９が、読み出し回路２を含むシリコン基板１の上に、島状の絶縁膜３、アルミ配線（Ａ）４ａ、アルミ配線（Ｂ）４ｂ、アルミ配線（Ｃ）４ｃ等を介して形成され、空洞５の上に浮いた形（いわゆるマイクロブリッジ構造）で存在している。また、受光部７の表面には赤外線吸収層６が具備されており、入射する赤外線を吸収すると、基板側への熱の逃げ易さを表す熱伝導度に対応して受光部７の温度が上昇し、受光部７の領域内に具備された感熱材料の一つであるチタンボロメータ１０の抵抗を変化させる。
【０００４】
また、電気的には、チタンボロメータ１０は上記支持脚８の中に内包された導電材料１０ａ（図５ではチタンボロメータ１０と一致する。）、アルミ配線（Ａ）４ａ、アルミ配線（Ｂ）４ｂ、アルミ配線（Ｃ）４ｃ、及びアルミ配線と導電材料１０ａの電気的接触部であるコンタクト（Ａ）１１、コンタクト（Ｃ）１２を介して下地の読み出し回路２と連結され、チタンボロメータ１０で発生する信号を読み出し得る構造になっている。
【０００５】
このような熱型赤外線検知器のチップは、上記受光部７の温度が上昇し易いように、実際には真空パッケージ中に収納された使用形態をとっている。従って、上記ダイヤフラム９は真空の空洞上に保持されており、受光部７の直下への基板側への熱の逃げが遮断され、受光部７の熱の逃散はすべて支持脚８を通って行われるため、熱伝導度（Ｇｔｈ）を極力小さくすることにより、基板側との熱分離状態の良い熱分離構造を形成することができる。また、熱型２次元赤外線検知器においては、この熱分離構造が読み出し走査回路を含む基板上に２次元アレイ状に配列されている。
【０００６】
感熱材料の型としてはボロメータ型以外にも焦電型と熱電対型があるが、これら熱型赤外線検知器の赤外線受光感度は、ボロメータ型の場合はボロメータの抵抗温度係数、焦電型である場合は焦電係数、そして熱電対型ボロメータ型の場合はゼーベック係数というように熱電材料の熱電変換係数に比例する。また、この赤外線受光感度は受光量に比例し、支持脚の熱伝導度に反比例する。
【０００７】
【特許文献１】
特開平９−２０３６５９号公報（第４−９頁、第１図）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
熱型赤外線検知器においては、赤外線の吸収率を高めるために、受光部７の領域内において、ダイヤフラム９の下側（すなわち、シリコン基板１に近い側）に、金属であるチタンボロメータ１０を赤外線に対するミラーとして図５に示すようなつづらパターン状に設け、ダイヤフラム９の上側に、図６に示すように膜厚約１５ｎｍという極薄の窒化チタンメタルからなる赤外線吸収層６を形成して対向させ、両者間で赤外線を吸収させるための共振キャビティ１８（図６中の楕円印で示す部分）を形成している。上記共振キャビティ１８の間隔は吸収する赤外線の波長によって定められるため１μｍ程度と広く、マイクロブリッジ構造の強度を保つためには必然的に受光部７のダイヤフラム９を厚膜化させる必要があり、それに伴って通常、上記支持脚８も厚膜化される。
【０００９】
ここで、従来のチタンボロメータ熱型赤外線検知器では、製造工程中のダメージからチタンボロメータ１０を保護するために絶縁保護膜によってチタンボロメータ１０を被覆しているが、支持脚８からの熱流入を防止するために、絶縁保護膜として熱伝導率の低いシリコン酸化膜（第３シリコン酸化膜１５、第４シリコン酸化膜１６等）が用いられている。しかしながら、シリコン酸化膜による被覆では、特に上層の第４シリコン酸化膜１６を成長する過程でチタンボロメータ１０の酸化が進んでやや高抵抗化し、抵抗温度係数が低下するという欠点が存在し、高い赤外線検出感度を得るには不利となっていた。
【００１０】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、その主たる目的は、抵抗温度係数（ＴＣＲ）を増加させ、赤外線検出感度を向上させることができる熱型赤外線検出器、特にチタンボロメータ熱型赤外線検知器及びその製造方法を提供することにある。
【００１１】
【問題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の熱型赤外線検出器は、赤外線受光部と、該赤外線受光部を中空保持する支持脚とからなるダイヤフラム構造を有する熱型赤外線検出器において、前記ダイヤフラムを構成するボロメータ材料としてチタン薄膜を含み、前記チタン薄膜は、下層側に配設される第１のシリコン窒化膜と、上層側に配設される第２のシリコン窒化膜とにより挟まれて保護され、前記チタン薄膜の酸化が抑制されるものである。
【００１２】
本発明においては、前記第２のシリコン窒化膜の上層に、更にシリコン酸化膜を備える構成とすることができ、また、前記第１のシリコン窒化膜の下層に、更にシリコン酸化膜を備える構成とすることもできる。
【００１３】
また、本発明においては、前記第１のシリコン窒化膜及び前記第２のシリコン窒化膜は共にプラズマＣＶＤ法により形成された膜であり、前記第２のシリコン窒化膜は、成長温度が略３５０℃で成膜された膜であることが好ましい。
【００１４】
また、本発明の製造方法は、赤外線受光部と、該赤外線受光部を中空保持する支持脚とからなるダイヤフラム構造を有する熱型赤外線検出器の製造方法であって、前記ダイヤフラムの形成に際し、少なくとも、プラズマＣＶＤ法を用いて第１のシリコン窒化膜を形成する工程と、前記第１のシリコン窒化膜上に、ボロメータ材料としてチタン薄膜を形成する工程と、前記チタン薄膜を覆うように、プラズマＣＶＤ法を用い、成長温度を略３５０℃に設定して第２のシリコン窒化膜を形成する工程と、を有するものである。
【００１５】
このように、本発明は、チタンボロメータ熱型赤外線検知器の熱分離構造を構成するダイヤフラムにおいて、チタンボロメータの上下をプラズマＣＶＤ法で形成したシリコン窒化膜で挟み保護することにより、チタンボロメータの酸化を抑制し、これにより抵抗温度係数（ＴＣＲ）を増加させ、赤外線検出感度を向上させることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明に係る熱型赤外線検出器は、その好ましい一実施の形態において、赤外線受光部と、赤外線受光部を中空保持する支持脚とからなるダイヤフラム構造を有するチタンボロメータ熱型赤外線検出器において、赤外線受光部のチタン薄膜をシリコン窒化膜で狭み込んで保護するものであり、シリコン酸化膜を用いた従来構造のようにチタンボロメータが酸化することがなく、抵抗温度係数（ＴＣＲ）の大きい、赤外線検出感度の高い熱型赤外線検出器を提供することができる。更に、シリコン窒化膜、特に上層側のシリコン窒化膜の成膜温度を最適化することにより、抵抗温度係数を更に向上させることができ、シリコン窒化膜を薄く形成し、その上層及び下層（又は上層）にシリコン酸化膜を配設することにより熱伝導度の増加を最小限に抑えることができる。
【００１７】
【実施例】
上記した本発明の実施の形態についてさらに詳細に説明すべく、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
【００１８】
［実施例１］
まず、本発明の第１の実施例に係るチタンボロメータ熱型赤外線検出器及びその製造方法について、図１及び図４を参照して説明する。図１は、第１の実施例に係るチタンボロメータ熱型赤外線検出器の構造を示す断面図であり、チタンボロメータの長手方向に沿った断面を示している。また、図４は、本実施例の効果を説明するための図である。
【００１９】
図１に示すように本実施例のチタンボロメータ熱型赤外線検出器は、図６に示す従来構造の熱型赤外線検出器におけるダイヤフラムの厚さ方向の層構造を変え、ダイヤフラムを構成するチタンボロメータ１０を第１シリコン窒化膜１０５と第２シリコン窒化膜１０６とで挟み込んで形成していることを特徴とするものであり、それ以外の部分の構造に関しては従来例と同様である。
【００２０】
その製造方法について概説すると、まず、シリコン基板１上に公知の回路形成技術を用いて読み出し回路２を形成し、次に、第１シリコン酸化膜１３を形成した後、その上に犠牲層ポリシリコン（図示せず）と第２シリコン酸化膜１４を形成する。ここまでの工程は従来技術と同様である。
【００２１】
次に、プラズマＣＶＤ法等を用いて、厚さ約１００ｎｍの第１の絶縁保護膜、すなわち第１シリコン窒化膜１０５を形成し、その上にアルミ配線を形成した後（又は、アルミ配線を形成した後、第１シリコン窒化膜１０５を形成し、コンタクト部分の第１シリコン窒化膜１０５を除去した後）、スパッタ法等を用いて厚さ約１００ｎｍ、幅約１μｍのチタンメタルからなる導電材料１０ａ（ここではチタンボロメータ１０と同じ）を形成する。そして導電材料１０ａの細線上に、プラズマＣＶＤ法等を用いて、厚さ約１μｍの第２の絶縁保護膜、すなわち第２シリコン窒化膜１０６を形成する。この第２シリコン窒化膜１０６の成膜に関して、成長温度が低いと成長速度が低下したり、膜質の再現性が得られず、一方、成長温度が高くなるとチタンメタルが絶縁保護膜成長中に酸化されて所望の抵抗温度係数が得られなくなることから、本実施例では、成長温度を略３５０℃に設定して成膜を行っている。
【００２２】
この後、スパッタ法等によりＴｉＮからなる赤外線吸収層６を設け、受光部７と支持脚８の周囲にスリット１７を形成し、このスリット１７を通してダイヤフラム９の下の犠牲層ポリシリコンを選択的エッチングにより除去して空洞５を形成する。以上により図１に示す構造のチタンボロメータ熱型赤外線検出器が製造される。
【００２３】
上記方法で製造されたチタンボロメータ熱型赤外線検出器の性能を確認するために、チタンボロメータ１０の下層にシリコン酸化膜を配設し、上層にのみシリコン窒化膜を配設した試料と、チタンボロメータ１０の上層及び下層にシリコン窒化膜を形成し、下層のシリコン窒化膜（第１シリコン窒化膜１０５）を成長温度４００℃で、上層のシリコン窒化膜（第２シリコン窒化膜１０６）を成長温度３５０℃で形成した試料と、同様にチタンボロメータ１０の上層及び下層にシリコン窒化膜を形成し、上層及び下層のシリコン窒化膜を共に成長温度４００℃で形成した試料を作成し、ＴＭＡＨ系の溶液を用いて犠牲層をエッチングする前後でのチタンボロメータ１０の抵抗温度係数を測定した。その結果を図４に示す。
【００２４】
実験の結果、図４に示すように、チタンボロメータ１０の下層がシリコン酸化膜、上層が成長温度３５０℃で形成したシリコン窒化膜の試料（図４の一番上の試料）の抵抗温度係数は、犠牲層エッチング前は０．３１％／Ｋであるが、犠牲層エッチング後は０．２３％／Ｋに低下している。これに対して、チタンボロメータ１０の下層が成長温度４００℃で形成したシリコン窒化膜、上層が成長温度３５０℃で形成したシリコン窒化膜の試料（図４の２番目の試料）の抵抗温度係数は、０．３４％／Ｋと高い値を示し、また、犠牲層エッチング前後で変化しなかった。また、チタンボロメータ１０の上層及び下層共に成長温度４００℃でシリコン窒化膜を形成した試料（図４の一番下の試料）の抵抗温度係数は犠牲層エッチング前後で変化はないものの、その値は０．２７％／Ｋと低めの値であった。なお、図示しないが、上層及び下層共にシリコン酸化膜を形成した試料は犠牲層エッチング後の抵抗温度係数は約０．２５％／Ｋであった。
【００２５】
以上の結果から、チタンボロメータ１０上層のシリコン酸化膜をシリコン窒化膜に変えるだけで抵抗温度係数の改善効果が認められるが、下層側にシリコン酸化膜を設ける構造では、チタンボロメータ１０が犠牲層エッチング溶液にアタックされてしまうため、犠牲層エッチング前後で抵抗温度係数が変化し、十分な信頼性が得られない。これに対して、上層及び下層共にシリコン窒化膜に代えた場合には、犠牲層エッチングによる抵抗温度係数の変化が抑制され、信頼性が向上することが確認された。特に上層のシリコン窒化膜（第２シリコン窒化膜１０６）の成長温度を３５０℃程度と極力低くすることにより、抵抗温度係数の値を大きくすることができ、従来よりも感度の高いセンサを実現することができた。
【００２６】
［実施例２］
次に、本発明の第２の実施例に係るチタンボロメータ熱型赤外線検出器及びその製造方法について、図２及び図３を参照して説明する。図２及び図３は、第２の実施例に係る熱型赤外線検出器の構造を示す断面図である。
【００２７】
前記した第１の実施例では、チタンボロメータ１０の上層及び下層に形成する絶縁保護膜をシリコン窒化膜のみで形成したが、従来技術で示したように、熱伝導の観点からは支持脚８を構成する材料としては極力熱伝導率の小さい材料を選択することが好ましい。そこで、本実施例では、チタンボロメータ１０の上層及び下層に形成するシリコン窒化膜を薄く形成し、その上下に熱伝導率の小さいシリコン酸化膜を形成している。
【００２８】
具体的には、図２に示すように、チタンボロメータ１０の上層及び下層に各々５０ｎｍ乃至１００ｎｍ程度の薄い第１シリコン窒化膜１０５、第２シリコン窒化膜１０６を配設し、第１シリコン窒化膜１０５の下層に第３シリコン酸化膜１５、第２シリコン窒化膜１０６の上層に第４シリコン酸化膜１６を配設した構造となっており、それ以外は従来例と同じ構成で成っている。
【００２９】
このようにシリコン窒化膜を薄く形成することによって熱伝導度の増加を最小限に抑えることができ、また、上側のシリコン窒化膜１０６の成長温度を３５０℃程度と低温にすることにより、チタンボロメータ１０の抵抗温度係数を大きくすることができ、第１の実施例と同様に最大で０．３４％／Ｋが得られた。これにより、従来よりも４〜５割増しの高感度の熱型センサを実現することができた。
【００３０】
また、図２では、シリコン窒化膜の上層及び下層にシリコン酸化膜を設けたが、図３に示すように、共振キャビティ１８により膜厚を大きくする必要がある上側のみシリコン酸化膜（第４シリコン酸化膜１６）を配設する構造とすることもできる。このような構造でも、熱伝導度の増加を抑え、抵抗温度係数を増加させ、赤外線検出感度を向上させることができる。
【００３１】
なお、第２の実施例では、シリコン窒化膜の上層及び下層（又は上層）にシリコン酸化膜を設ける構造について示したが、シリコン窒化膜の上層及び下層（又は上層）に設ける絶縁保護膜はシリコン酸化膜に限定されず、シリコン窒化膜よりも熱伝導率の小さい任意の材料を用いることができる。また、上記各実施例では、ボロメータ材料としてチタン薄膜を用いる場合について示したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、ボロメータ材料として酸化しやすい材料を用いる任意の熱型赤外線検出器に適用することができる。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のチタンボロメータ熱型赤外線検出器及びその製造方法によれば、チタンボロメータの上層のみをシリコン窒化膜で保護するだけでなく、チタンボロメータの下層にもシリコン窒化膜を形成することにより、チタンボロメータの酸化による高抵抗化を抑制することができ、その結果、抵抗温度係数（ＴＣＲ）を増加させ、赤外線検出感度を向上させることができる。
【００３３】
また、チタンボロメータ上層のシリコン窒化膜の成長温度を略３５０℃に設定することにより、犠牲層エッチング前後におけるチタンボロメータの抵抗温度係数の変化を抑制し、かつ、その値を０．３４％／Ｋと比較的高い値とすることができ、従来よりも４〜５割程度感度の高いセンサを実現することができる。
【００３４】
また、シリコン窒化膜の膜厚を薄くし、シリコン窒化膜の上層及び下層（又は上層）に熱伝導率の小さいシリコン酸化膜を形成することによって、熱伝導度の増加を最小限に抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例に係る熱型赤外線検出器の構造を示す断面図である。
【図２】本発明の第２の実施例に係る熱型赤外線検出器の構造を示す断面図である。
【図３】本発明の第２の実施例に係る熱型赤外線検出器の他の構造を示す断面図である。
【図４】本発明の効果を説明するための図である。
【図５】従来の熱型赤外線検出器の構造を示す斜視図である。
【図６】従来の熱型赤外線検出器の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１シリコン基板
２読み出し回路
３絶縁膜
４アルミ配線
４ａアルミ配線（Ａ）
４ｂアルミ配線（Ｂ）
４ｃアルミ配線（Ｃ）
５空洞
６赤外線吸収層
７受光部
８支持脚
９ダイヤフラム
１０チタンボロメータ
１０ａ導電材料
１１コンタクト（Ａ）
１２コンタクト（Ｃ）
１３第１シリコン酸化膜
１４第２シリコン酸化膜
１５第３シリコン酸化膜
１６第４シリコン酸化膜
１７スリット
１８共振キャビティ
１９支持脚断面位置
２０導電材料幅
２１支持脚幅
１０５第１シリコン窒化膜
１０６第２シリコン窒化膜

Claims

赤外線受光部と、該赤外線受光部を中空保持する支持脚とからなるダイヤフラム構造を有する熱型赤外線検出器において、
前記ダイヤフラムを構成するボロメータ材料としてチタン薄膜を含み、
前記チタン薄膜は、下層側に配設される第１のシリコン窒化膜と、上層側に配設される第２のシリコン窒化膜とにより挟まれて保護され、前記チタン薄膜の酸化が抑制されることを特徴とする熱型赤外線検知器。
前記第２のシリコン窒化膜の上層に、更にシリコン酸化膜を備えることを特徴とする請求項１記載の熱型赤外線検知器。
前記第１のシリコン窒化膜の下層に、更にシリコン酸化膜を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱型赤外線検知器。
前記第１のシリコン窒化膜及び前記第２のシリコン窒化膜は共にプラズマＣＶＤ法により形成された膜であり、前記第２のシリコン窒化膜は、成長温度が略３５０℃で成膜された膜であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一に記載の熱型赤外線検知器。
赤外線受光部と、該赤外線受光部を中空保持する支持脚とからなるダイヤフラム構造を有する熱型赤外線検出器の製造方法であって、
前記ダイヤフラムの形成に際し、少なくとも、プラズマＣＶＤ法を用いて第１のシリコン窒化膜を形成する工程と、前記第１のシリコン窒化膜上に、ボロメータ材料としてチタン薄膜を形成する工程と、前記チタン薄膜を覆うように、プラズマＣＶＤ法を用い、成長温度を略３５０℃に設定して第２のシリコン窒化膜を形成する工程と、を有することを特徴とする熱型赤外線検知器の製造方法。