JP2006226891A - 熱型赤外線検出素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】入射赤外線の吸収効率を高めて感度を向上させることができる熱型赤外線検出素子の構造、特に、受光部を構成する赤外線吸収体の構造の提供。
【解決手段】受光部１１の赤外線入射面側の表面に赤外線吸収材料からなる略同一形状の複数の突起が略一定の間隔で配列された凸状パターン１５を形成したり、赤外線入射面側の表面に配置される赤外線吸収膜に略同一形状の複数の孔が略一定の間隔で配列された凹状パターンを形成し、凸状パターン１５や凹状パターンで受光部１１に入射する赤外線を分散させる。これにより赤外線の反射を抑制し、赤外線の吸収効率を高めて熱型赤外線検出素子の感度を向上させる。また、この凸状パターン１５は一般的な半導体製造装置を用いて形成可能であり、直下の赤外線吸収膜との密着性に優れているため、熱型赤外線検出素子の信頼性や均一性を向上させることもできる。
【選択図】図１
【解決手段】受光部１１の赤外線入射面側の表面に赤外線吸収材料からなる略同一形状の複数の突起が略一定の間隔で配列された凸状パターン１５を形成したり、赤外線入射面側の表面に配置される赤外線吸収膜に略同一形状の複数の孔が略一定の間隔で配列された凹状パターンを形成し、凸状パターン１５や凹状パターンで受光部１１に入射する赤外線を分散させる。これにより赤外線の反射を抑制し、赤外線の吸収効率を高めて熱型赤外線検出素子の感度を向上させる。また、この凸状パターン１５は一般的な半導体製造装置を用いて形成可能であり、直下の赤外線吸収膜との密着性に優れているため、熱型赤外線検出素子の信頼性や均一性を向上させることもできる。
【選択図】図１
Description
本発明は、熱型赤外線検出素子に関し、特に、熱型赤外線検出素子の受光部を構成する赤外線吸収体の構造に関する。
熱型の赤外線検出素子は、一般に、物体から放射された赤外線を赤外線吸収体で吸収して熱に変換し、マイクロブリッジ構造のダイアフラムを構成するボロメータ薄膜等の感熱抵抗体の温度を上昇させてその抵抗を変化させ、感熱抵抗体の抵抗変化から対象物の温度を測定するものである。
具体的に説明すると、この種の熱型赤外線検出素子は、図１９に示すように、ボロメータ層６と入射赤外線を吸収すると共にボロメータ層６を保護する赤外線吸収体（赤外線吸収膜５、７、９）とを備える受光部１１と、ボロメータ層６と回路基板１に予め形成された読み出し回路２とを接続する配線８を備える梁１０とで構成され、この梁１０により、受光部１１が回路基板１の上に浮いた形で存在している。そして、入射した赤外線が赤外線吸収体で吸収されて受光部１１の温度が上昇すると、ボロメータ層６の抵抗が変化し、その抵抗変化が読み出し回路２で検出されて、温度として出力される。このような構造の熱型赤外線検出素子は、例えば、特開２００２−７１４５２号公報などに記載されている。
上述した熱型赤外線検出素子の感度（Ｓ／Ｎ比）を上げるためには、第１に、受光部１１の温度変化に対するボロメータ層６の抵抗変化を大きくすることが重要であり、そのために、ボロメータ層６として抵抗温度係数（ＴＣＲ：Temperature Coefficient Resistance）の大きい材料が使用されている。また、第２に、入射赤外線の吸収効率を上げることも重要であり、そのために、回路基板１上の受光部１１に対向する位置に赤外線反射膜３を設け、光学的共振構造が形成されるように受光部１１と赤外線反射膜３との間隔が設定されている。
また、更なる感度の向上を図るために、受光部１１を構成する赤外線吸収体の構造に特徴を有する熱型赤外線検出素子も提案されている。例えば、図２０に示すように、受光部１１の赤外線入射面側の表面に、中央部が受光部１１に接続され、端部が梁１０を覆うように広がる庇１７を設けた熱型赤外線検出素子もある。この構造では、受光部１１外側の梁１０に入射する赤外線を庇１７で吸収することができるため感度を向上させることができるが、庇１７を形成することによって受光部１１の熱容量が大きく増加してしまうため、入射赤外線に対する温度変化が小さくなってしまう。また、庇１７の端部は宙に浮いた状態になっており、衝撃や振動などに対して構造的に弱いため、過酷な環境下で使用される熱型赤外線検出素子として好ましい構造とは言えない。
また、赤外線吸収体の構造の他の例として、図２１に示すように、受光部１１の最表層（ここでは第３の赤外線吸収膜９上）に、ゴールドブラックやカーボンブラックなどの微細な粒子１８を付着させた熱型赤外線検出素子もある。この構造では、平坦な第３の赤外線吸収膜９表面での赤外線の反射を抑制して赤外線の吸収効率を高めることができるが、このような微細な粒子１８は付着力が弱く、その後の処理で容易に剥がれてしまうためにプロセス上の制約が大きく、また、上記構造と同様に衝撃や振動などに対して構造的に弱いために過酷な環境下で使用される熱型赤外線検出素子として好ましい構造とは言えない。また、微細な粒子１８の分布は素子間及び素子内で均一ではないため、赤外線の吸収特性にばらつきが生じやすいという問題もある。更に、微細な粒子１８を付着させるためには特殊な製造装置や専用の製造装置が必要であり、熱型赤外線検出素子のコストが上昇してしまうという問題もある。
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、上記問題が生じることなく、入射赤外線の吸収効率を高めて感度を向上させることができる熱型赤外線検出素子の構造、特に、受光部を構成する赤外線吸収体の構造を提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明の熱型赤外線検出素子は、感熱抵抗体と赤外線吸収体とを備える受光部が、一端が基板に固定される梁によって中空に保持されてなる熱型赤外線検出素子において、前記受光部の赤外線入射面側の表面に、赤外線吸収材料からなる略同一形状の複数の突起が略一定の間隔で配列された凸状パターンが形成されているものである。
また、本発明の熱型赤外線検出素子は、感熱抵抗体と赤外線吸収体とを備える受光部と、一端が前記感熱抵抗体に接続され他端が基板に形成された回路に接続される配線を含む梁とで構成され、前記受光部が前記梁によって中空に保持されてなる熱型赤外線検出素子において、前記赤外線吸収体が、前記感熱抵抗体の下層に形成される第１の赤外線吸収膜と、前記感熱抵抗体の上層に形成される第２の赤外線吸収膜と、前記第２の赤外線吸収膜に設けたスルーホールを介して前記感熱抵抗体に接続される前記配線の上層に形成される第３の赤外線吸収膜と、前記第３の赤外線吸収膜の上層に形成され、赤外線吸収材料からなる略同一形状の複数の突起が略一定の間隔で配列された凸状パターンとで構成されるものである。
本発明においては、前記突起は、幅に対する高さの比率が１以上であり、かつ、隣り合う前記突起の間隔が前記高さよりも小さいことが好ましい。
また、本発明の熱型赤外線検出素子は、感熱抵抗体と赤外線吸収体とを備える受光部が、一端が基板に固定される梁によって中空に保持されてなる熱型赤外線検出素子において、前記受光部の赤外線入射面側の表面に配置される赤外線吸収膜に、略同一形状の複数の孔が略一定の間隔で配列された凹状パターンが形成されているものである。
また、本発明の熱型赤外線検出素子は、感熱抵抗体と赤外線吸収体とを備える受光部と、一端が前記感熱抵抗体に接続され他端が基板に形成された回路に接続される配線を含む梁とで構成され、前記受光部が前記梁によって中空に保持されてなる熱型赤外線検出素子において、前記赤外線吸収体が、前記感熱抵抗体の下層に形成される第１の赤外線吸収膜と、前記感熱抵抗体の上層に形成される第２の赤外線吸収膜と、前記第２の赤外線吸収膜に設けたスルーホールを介して前記感熱抵抗体に接続される前記配線の上層に形成され、略同一形状の複数の孔が略一定の間隔で形成された凹状パターンを備える第３の赤外線吸収膜とで構成されるものである。
本発明においては、前記孔は、幅に対する深さの比率が１以上であり、かつ、隣り合う前記孔の間隔が前記深さよりも小さいことが好ましい。
このように、本発明では、熱型赤外線検出素子の受光部の赤外線入射面側の表面に、略同一形状の複数の突起又は孔が略一定の間隔で配列された凸状又は凹状のパターンが形成されているため、受光部に入射する赤外線の反射を抑制して赤外線の吸収効率を高めることができ、これにより、熱型赤外線検出素子の感度を向上させることができる。
以上説明したように、本発明の熱型赤外線検出素子によれば、受光部に入射する赤外線の吸収効率を高めることができ、これにより、熱型赤外線検出素子の感度を向上させることができる。
その理由は、熱型赤外線検出素子の受光部の赤外線入射面側の表面に、赤外線吸収材料からなる略同一形状の複数の突起が略一定の間隔で配列された凸状パターンが形成されており、この凸状パターンで受光部に入射する赤外線を分散させて反射を抑制することができるからである。また、受光部の赤外線入射面側の表面に配置される赤外線吸収膜に、略同一形状の複数の孔が略一定の間隔で配列された凹状パターンが形成されており、この凹状パターンで受光部に入射する赤外線を分散させて反射を抑制することができるからである。
従来技術で示したように、熱型赤外線検出素子の感度を向上させるためには、入射する赤外線の吸収効率を高める施策が必要であるが、受光部の赤外線入射面側の表面に庇を設ける構造では受光部の熱容量が大きくなってしまい、また、振動や衝撃に弱いために信頼性が低下するという問題があった。また、受光部の赤外線入射面側の表面に微細な粒子を付着させる構造では微細な粒子の付着力が弱いためにその後の処理が制限されるなどのプロセス上の制約が大きいと共に特殊な設備を必要とし、また、振動や衝撃に弱いために信頼性が低く、更に、赤外線の吸収特性にばらつきが生じやすいという問題があった。
そこで、本発明では、一般的に使用される微細加工が可能な半導体製造装置を用いて容易に形成することができ、プロセス上の制約がなく、かつ、高い信頼性及び均一性を達成することができる方法として、熱型赤外線検出素子の受光部の赤外線入射面側の表面に、赤外線吸収材料からなる略同一形状の複数の突起が略一定の間隔で配列された凸状パターンを形成したり、赤外線入射面側の表面に配置される赤外線吸収膜に、略同一形状の複数の孔が略一定の間隔で配列された凹状パターンを形成し、これにより受光部に入射する赤外線の反射を抑制して効率的に吸収させ、熱型赤外線検出素子の感度を向上させている。以下、このような赤外線吸収体を備える熱型赤外線検出素子について図面を参照して説明する。
まず、本発明の第１の実施例に係る熱型赤外線検出素子について、図１乃至図１３を参照して説明する。図１は、本実施例の熱型赤外線検出素子の一画素を電流経路に沿って描いた断面図であり、図２は、凸状パターンの構造を模式的に示す平面図、図３はその斜視図である。また、図４は、凸状パターンの形状のバリエーションを示す断面図であり、図５乃至図１２は、本実施例に係る熱型赤外線検出素子の製造方法を示す工程断面図である。また、図１３は、本実施例の熱型赤外線検出素子の他の構造を示す断面図である。
図１に示すように、本実施例の熱型赤外線検出素子は、シリコンウェハなどの半導体ウェハ内部にＣＭＯＳプロセスにより読み出し回路２が作り込まれた回路基板１上に、Ａｌ、Ｔｉ、Ｗ、それらのシリサイド膜などからなる赤外線反射膜３が形成され、その上層にシリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜などからなる保護膜４が形成されている。また、空洞部１２は、デバイス製造の途中段階ではパタ−ニングされた感光性ポリイミドで埋められており、デバイス製造の最終工程で酸素プラズマのアッシング等により除去される。この空洞部１２を埋めている層は、一般的に犠牲層と呼ばれ、この犠牲層の上に受光部１１が形成され、犠牲層の側面には、受光部１１の端部に接続される梁１０が形成されている。
受光部１１は、例えば、酸化バナジウムなどのボロメ−タ層６と、８〜１４μｍの波長帯の赤外線を吸収する材料（ＳｉＯやＳｉＮ、ＳｉＣ、ＳｉＯＮ、ＳｉＣＮ、ＳｉＣＯなど）で形成された赤外線吸収体（ここでは、第１の赤外線吸収膜５、第２の赤外線吸収膜７、第３の赤外線吸収膜９及び凸状パターン１５）とで構成されている。また、梁１０は、Ｔｉなどの配線８と該配線８を保護する保護膜（ここでは第１の赤外線吸収膜５、第２の赤外線吸収膜７及び第３の赤外線吸収膜９）とで構成され、回路基板１から空洞部１２を介して受光部１１を宙に浮かせるように支持し、熱分離構造を実現している。
なお、ボロメ−タ材料は抵抗温度係数（ＴＣＲ）が大きい材料であればよく、酸化バナジウム以外に、ＮｉＭｏＣｏ酸化物、Ｔｉ金属薄膜、多結晶シリコン薄膜、非晶質シリコン薄膜、非晶質ゲルマニウム薄膜、非晶質シコンゲルマニウム薄膜、（Ｌａ、Ｓｒ）ＭｎＯ３薄膜、ＹＢａＣｕＯ薄膜などを用いることもできる。また、配線８の材料としては、熱伝導率が小さければよく、Ｔｉ以外にＴｉ合金やＮｉＣｒでもよい。また、多結晶シリコンや非晶質シリコンをボロメ−タ材料に使用する場合には、配線８の代わりに、シリコンにボロンや砒素を高濃度に注入・拡散したものを使うこともできる。
そして、８〜１４μｍの波長帯の大気の窓を通過して入射する赤外線は、赤外線吸収体で吸収されて受光部１１の温度を上昇させ、受光部１１の温度上昇に伴ってボロメ−タ層６の抵抗が変化し、このボロメ−タ層６の抵抗変化が、電極部１３、配線８、コンタクト部１４を介して接続される読み出し回路２で検出される。
ここで、従来の熱型赤外線検出素子では、図１９に示すように赤外線吸収体は平坦な膜のみで形成されていたため、入射する赤外線が最表層の赤外線吸収膜で反射されやすく、受光部１１に入射する赤外線を効率的に吸収することができないという問題があった。そこで、本実施例では、受光部１１の赤外線入射面側の表面に、赤外線吸収材料からなる凸状パターン１５を形成し、この凸状パターン１５を用いて入射する赤外線を分散させて反射を抑制することにより、赤外線の吸収効率を高めている。
この凸状パターン１５を模式的に示すと図２及び図３のようになり、略同一形状（ここでは角柱状）の複数の突起が略一定の間隔でマトリクス状に配列されて構成されている。この凸状パターン１５は様々な方法で形成することができるが、例えば、最表層の赤外線吸収膜（第３の赤外線吸収膜９）上に赤外線吸収材料を堆積し、その上に所定の形状のレジストパターン（ここでは矩形状のパターン）を形成し、該レジストパターンをマスクとして、赤外線吸収材料をドライエッチングすることにより、容易に形成することができる。
なお、突起の形状や間隔は適宜設定することができるが、赤外線の吸収効率を高めるためには、通常のフォトリソグラフィ技術及びドライエッチング技術で形成可能な範囲で、アスペクト比（突起の高さ／幅）を大きくし、かつ、隣り合う突起の間隔を狭くすることが好ましく、本願発明者の知見によれば、アスペクト比を１以上にし、かつ、隣り合う突起の間隔を突起の高さよりも小さくすることによって赤外線の吸収効率が大幅に改善されることを確認している。具体的な数値で示すと、ｉ線ステッパーを用いる場合は、０．５μｍのラインアンドスペースを形成することができることから、１素子の１辺の長さを約２０〜５０μｍとすると、高さが略０．５μｍ以上で幅が略０．５μｍの突起を略０．５μｍの間隔を空けて２０×２０〜５０×５０個程度配列することによって赤外線吸収特性のよい構造を実現することができる。
また、図１乃至図３では、最表層の赤外線吸収膜（ここでは第３の赤外線吸収膜９）上に堆積した赤外線吸収材料をドライエッチングすることにより孤立した突起からなる凸状パターン１５を形成したが、この凸状パターン１５は最表層の赤外線吸収膜自体に作り込むこともできる。例えば、図４（ａ）に示すように、最表層の赤外線吸収膜を形成した後、所定のレジストパターンを形成し、露出した部分を途中までエッチングすることによって、最表層の赤外線吸収膜自体に凸状パターン１５を形成することができる。この構造では、直下の構成物（ここでは第２の赤外線吸収膜７）との接触面積を大きくして密着性を向上させることができるため、振動や衝撃に対する信頼性を更に高めることができる。
また、図２及び図３では、凸状パターン１５を構成する各々の突起を四角形の柱状としたが、突起の形状は任意であり、任意の多角形の柱状にしたり、円柱状にしたり、楕円柱状にすることもできる。また、図１乃至図３、図４（ａ）では、突起の側壁が赤外線吸収膜の面に対して略垂直になるようにしたが、突起の側壁の形状はドライエッチングの条件を調整することによって変更可能であり、例えば、図４（ｂ）に示すように角錐状や円錐状としたり、図４（ｃ）に示すように角錐や円錐の先端部を除いた形状としたり、図４（ｄ）に示すように角を丸めた半球状などとすることができる。このように側壁を傾斜させた構造では、突起の上部での反射を抑制することができるため、赤外線の吸収効率を更に高めることができる。
次に、図１の構造の熱型赤外線検出素子を製造する方法について、図５乃至図１２を参照して説明する。なお、以下に説明する構造や製造方法は例示であり、製造条件や膜厚などは適宜変更することができる。
まず、図５に示すように、シリコンウェハなどの回路基板１内に、公知の手法を用いて信号読み出しのＣＭＯＳ回路（読み出し回路２）などを形成する。次に、ＲＦスパッタ法を用いて、回路基板１上にＡｌ、Ｔｉ、Ｗなどの金属、又は、それらのシリサイド膜などを５００ｎｍ程度の膜厚で堆積し、フォトリソグラフィ技術を用いて形成したレジストパターンをマスクとして部分的にエッチングし、各画素の受光部１１に入射する赤外線を反射するための赤外線反射膜３を形成すると共に、一端がボロメータ層に接続される配線の他端と回路基板１内の読み出し回路２とを接続するためのコンタクト部１４を形成する。そして、プラズマＣＶＤ法を用いて、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜などを堆積して、赤外線反射膜３及びコンタクト部１４を保護するための保護膜４を形成する。
次に、図６に示すように、回路基板１全面に感光性ポリイミド膜などの有機膜を塗布し、露光・現像により受光部１１が形成される領域以外の感光性ポリイミド膜を除去した後、４００℃程度の温度で焼締めを行い、マイクロブリッジ構造を形成するための犠牲層１２ａを形成する。この犠牲層１２ａの膜厚は、赤外線反射膜３と後述する受光部１１とで光学的共振構造が形成されるように１．２μｍ程度の膜厚に設定される。
次に、図７に示すように、ＲＦスパッタ法又はプラズマＣＶＤ法を用いて、回路基板１全面にＳｉＣＯ、ＳｉＯ、ＳｉＮ、ＳｉＣ、ＳｉＯＮ、ＳｉＣＮなどを３００ｎｍ程度の膜厚で成膜し、犠牲層１２ａの上部及び側面に第１の赤外線吸収膜５を形成する。この第１の赤外線吸収膜５は上記のどの材料を用いてもよいが、後述する犠牲層１２ａのエッチングに対して耐性があり、その上に形成されるボロメータ層６を支持できる強度を有し、また、ボロメータ層６との密着性がよく相互作用のない材料を選択することが望ましい。なお、ＳｉＣＯやＳｉＣ、ＳｉＣＮなどのＣを含む膜はＲＦスパッタ法又はプラズマＣＶＤ法のいずれかの方法で成膜することができ、ＳｉＯ、ＳｉＮ、ＳｉＯＮなどのＣを含まない膜はプラズマＣＶＤ法で成膜することができる。
次に、図８に示すように、第１の赤外線吸収膜５の上に、酸素雰囲気の反応性スパッタにより酸化バナジウムを堆積し、レジストパターンをマスクとして、フッ素系ガスを用いたプラズマエッチングにより酸化バナジウム薄膜を部分的にエッチングし、第１の赤外線吸収膜５上にボロメータ層６を形成する。なお、ここではボロメータ層６として酸化バナジウム薄膜を用いているが、上述した抵抗温度係数（ＴＣＲ）の大きい他の材料を用いることもできる。
次に、図９に示すように、ＲＦスパッタ法又はプラズマＣＶＤ法を用いて、回路基板１全面にＳｉＣＯ、ＳｉＯ、ＳｉＮ、ＳｉＣ、ＳｉＯＮ、ＳｉＣＮなどを５０ｎｍ程度の膜厚で成膜し、ボロメータ層６を保護する第２の赤外線吸収膜７を形成する。この第２の赤外線吸収膜７は上記のどの材料を用いてもよいが、赤外線吸収特性を改善するために第１の赤外線吸収膜５とは異なる材料であり、かつ、ボロメータ層６との密着性がよく相互作用のない材料を選択することが望ましい。その後、レジストパターンをマスクとして、四フッ化炭素をエッチングガスとするプラズマエッチングを行い、コンタクト部１４上の第１の赤外線吸収膜５及び第２の赤外線吸収膜７を除去すると共に、ボロメータ層６の端部の第２の赤外線吸収膜７を除去して電極部１３を形成する。
次に、図１０に示すように、ＲＦスパッタ法により、Ｔｉ、Ｔｉ合金、ＮｉＣｒ等の配線金属を成膜した後、レジストパターンをマスクとして、塩素と三塩化ホウ素の混合ガスを用いたプラズマエッチングにより配線金属を部分的にエッチングして配線８を形成する。この配線８は、ボロメータ層６の電極部１３と回路基板１のコンタクト部１４とを電気的に接続すると共に、受光部１１を中空に保持する梁１０としての役割を果たす。
次に、図１１に示すように、ＲＦスパッタ法又はプラズマＣＶＤ法を用いて、回路基板１全面にＳｉＣＯ、ＳｉＯ、ＳｉＮ、ＳｉＣ、ＳｉＯＮ、ＳｉＣＮなどを３００ｎｍ程度の膜厚で成膜し、ボロメータ層６及び配線８を保護する第３の赤外線吸収膜９を形成する。この第３の赤外線吸収膜９も上記のどの材料を用いてもよいが、赤外線吸収特性を改善するために第１の赤外線吸収膜５及び第２の赤外線吸収膜７とは異なる材料であり、最表面に露出することから耐環境性のよい材料であり、かつ、後述する凸状パターン１５のエッチングストッパとなる材料を選択することが望ましい。
次に、図１２に示すように、ＲＦスパッタ法又はプラズマＣＶＤ法を用いて、回路基板１全面にＳｉＣＯ、ＳｉＯ、ＳｉＮ、ＳｉＣ、ＳｉＯＮ、ＳｉＣＮなどを５００ｎｍ程度以上の膜厚で成膜した後、その上に、例えば、ｉ線ステッパーを用いて略０．５μｍ□の矩形パターンが略０．５μｍの間隔で配置されるレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクとして四フッ化炭素をエッチングガスとするプラズマエッチングを行い、アスペクト比が１以上の突起が略０．５μｍの間隔を空けて配列された凸状パターン１５を形成する。この凸状パターン１５も上記のどの材料を用いてもよいが、第３の赤外線吸収膜７に対するエッチング選択比が大きい材料であり、かつ、最表面に露出することから耐環境性のよい材料を選択することが望ましい。
その後、レジストパターンをマスクとして、四フッ化炭素をエッチングガスとするプラズマエッチングを行い、第１の赤外線吸収膜５と第２の赤外線吸収膜７と第３の赤外線吸収膜９とを貫通するスルーホール（図示せず）を形成し、アッシング装置を用いて犠牲層１２ａを除去して、図１に示すように、受光部１１が梁１０でのみ回路基板１と接したマイクロブリッジ構造の熱型赤外線検出素子が形成される。
このように、本実施例の熱型赤外線検出素子によれば、受光部１１の赤外線入射面側の表面に、赤外線吸収材料からなる略同一形状の複数の突起が略一定の間隔で配列された凸状パターン１５が形成されているため、平坦な第３の赤外線吸収膜９での赤外線の反射を抑制して赤外線の吸収効率を高めることができ、これにより、熱型赤外線検出素子の感度を向上させることができる。また、この凸状パターン１５は一般的な半導体製造装置を用いて形成可能であり、直下の赤外線吸収膜（ここでは第３の赤外線吸収膜９）との密着性に優れているため、熱型赤外線検出素子の信頼性や均一性を向上させることができる。
なお、上記実施例では、第３の赤外線吸収膜９上に凸状パターン１５を形成したが、本発明では受光部１１の赤外線入射面側の表面に凸状パターン１５が形成されていればよく、例えば、図１３に示すように第３の赤外線吸収膜９を省略して第２の赤外線吸収膜７の上に凸状パターン１５を形成してもよいし、第２の赤外線吸収膜７自体に凸状パターン１５を作り込んでもよい。また、第１の赤外線吸収膜５、第２の赤外線吸収膜７及び第３の赤外線吸収膜９以外の他の膜を追加してもよい。
次に、本発明の第２の実施例に係る熱型赤外線検出素子について、図１４乃至図１８を参照して説明する。図１４は、本実施例の熱型赤外線検出素子の一画素を電流経路に沿って描いた断面図であり、図１５は、凹状パターンの構造を模式的に示す平面図、図１６はその斜視図である。また、図１７は、凹状パターンの形状のバリエーションを示す断面図であり、図１８は、本実施例の熱型赤外線検出素子の他の構造を示す断面図である。
前記した第１の実施例では、受光部１１の赤外線入射面側の表面に凸状パターン１５を形成したが、入射赤外線を分散させて反射を抑制するためには表面が平坦でなければよく、また、凸状パターン１５を形成すると凸状パターン１５の分だけ受光部１１の熱容量が大きくなることから、本実施例では、凸状パターン１５に代えて凹状パターン１６を形成する。
具体的に説明すると、本実施例の熱型赤外線検出素子は、図１４に示すように、酸化バナジウムなどのボロメ−タ層６と赤外線吸収体とで構成される受光部１１が、Ｔｉなどの配線８と該配線８を保護する保護膜とで構成される梁１０によって中空に保持されてなり、受光部１１の赤外線入射面側の表面に配置される赤外線吸収膜（ここでは第３の赤外線吸収膜９）には、入射赤外線を分散させて吸収効率を高めるための凹状パターン１６が形成されている。
この凹状パターン１６を模式的に示すと図１５及び図１６のようになり、略同一形状（ここでは水平方向の断面が矩形状）の複数の孔が略一定の間隔でマトリクス状に配列されて構成されている。この凹状パターン１６は様々な方法で形成することができるが、例えば、最表層の赤外線吸収膜（第３の赤外線吸収膜９）上に所定の形状のレジストパターン（ここでは矩形状の抜きパターン）を形成し、該レジストパターンをマスクとして、第３の赤外線吸収膜９をドライエッチングすることにより、容易に形成することができる。
なお、第１の実施例と同様に、孔の形状や間隔は適宜設定することができるが、赤外線の吸収効率を高めるためには、通常のフォトリソグラフィ技術及びドライエッチング技術で形成可能な範囲で、アスペクト比（孔の深さ／幅）を大きくし、かつ、隣り合う孔の間隔を狭くすることが好ましく、本願発明者の知見によれば、アスペクト比を１以上にし、かつ、隣り合う孔の間隔を深さよりも小さくすることによって赤外線の吸収効率が大幅に改善されることを確認している。
また、凹状パターン１６は、最表層の赤外線吸収膜（ここでは第３の赤外線吸収膜９）を貫通するように形成してもよいし、図１７（ａ）に示すように、最表層の赤外線吸収膜の途中までエッチングして形成してもよい。
また、図１５及び図１６では、凹状パターン１６を構成する各々の孔の水平方向の断面を四角形としたが、孔の形状は任意であり、断面を任意の多角形や円、楕円などにすることもできる。また、図１４乃至図１６、図１７（ａ）では、孔の側壁が赤外線吸収膜の面に対して略垂直になるようにしたが、孔の側壁の形状はドライエッチングの条件を調整することによって変更可能であり、例えば、図１７（ｂ）に示すように上部の幅が底部の幅よりも大きい順テーパー状となるように傾斜させたり、図１７（ｃ）に示すように上部の幅が底部の幅よりも小さい逆テーパー状となるように傾斜させたり、角を丸めた形状にすることもできる。
次に、上記構造の熱型赤外線検出素子を製造する方法について説明する。まず、第１の実施例と同様の方法を用いて、内部に読み出し回路２が形成された回路基板１上に赤外線反射膜３、保護膜４を形成し、受光部１１が形成される領域に感光性ポリイミド膜などからなる犠牲層１２ａを形成する。次に、犠牲層１２ａの上部及び側面に第１の赤外線吸収膜５を形成した後、犠牲層１２ａの上部に酸化バナジウムを堆積してボロメータ層６を形成し、続いて、ボロメータ層６を保護する第２の赤外線吸収膜７を形成する。次に、Ｔｉ、Ｔｉ合金、ＮｉＣｒ等の配線金属を成膜して、ボロメータ層６の電極部１３と回路基板１のコンタクト部１４とを電気的に接続すると共に、受光部１１を中空に保持する配線８を形成する（図５乃至図１０参照）。
次に、ＲＦスパッタ法又はプラズマＣＶＤ法を用いて、回路基板１全面にＳｉＣＯ、ＳｉＯ、ＳｉＮ、ＳｉＣ、ＳｉＯＮ、ＳｉＣＮなどを５００ｎｍ程度の膜厚で成膜し、ボロメータ層６及び配線８を保護する第３の赤外線吸収膜９を形成する。この第３の赤外線吸収膜９は上記のどの材料を用いてもよいが、第２の赤外線吸収膜７とのエッチング選択比の大きい材料であり、かつ、最表面に露出することから耐環境性のよい材料を選択することが望ましい。続いて、第３の赤外線吸収膜９上に、例えば、ｉ線ステッパーを用いて略０．５μｍ□の矩形の抜きパターンが略０．５μｍの間隔で配置されるレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクとして四フッ化炭素をエッチングガスとするプラズマエッチングを行い、アスペクト比が１以上の孔が略０．５μｍの間隔を空けて配列された凹状パターン１６を形成する。
その後、第１の赤外線吸収膜５と第２の赤外線吸収膜７と第３の赤外線吸収膜９とを貫通するスルーホール（図示せず）を形成し、アッシング装置を用いて犠牲層１２ａを除去して、図１４に示すように、受光部１１が梁１０でのみ回路基板１と接したマイクロブリッジ構造の熱型赤外線検出素子が形成される。
このように、本実施例の熱型赤外線検出素子によれば、受光部１１の赤外線入射面側の表面に配置される赤外線吸収膜に、略同一形状の複数の孔が略一定の間隔で配列された凹状パターン１６が形成されているため、第３の赤外線吸収膜９での赤外線の反射を抑制して赤外線の吸収効率を高めることができ、これにより、熱型赤外線検出素子の感度を向上させることができる。また、この凹状パターン１６は一般的な半導体製造装置を用いて形成可能であり、直下の赤外線吸収膜（ここでは第２の赤外線吸収膜７）との密着性に優れているため、熱型赤外線検出素子の信頼性や均一性を向上させることもできる。更に、凸状パターン１５を形成する第１の実施例の構造に比べて、受光部１１の熱容量を小さくすることができるため、更に熱型赤外線検出素子の感度を向上させることもできる。
なお、上記実施例では、第３の赤外線吸収膜９に凹状パターン１６を形成したが、本発明では受光部１１の赤外線入射面側の表面に配置される赤外線吸収膜に凹状パターン１６が形成されていればよく、例えば、図１８に示すように第３の赤外線吸収膜９を省略して第２の赤外線吸収膜７に凹状パターン１６を形成してもよい。また、第１の赤外線吸収膜５、第２の赤外線吸収膜７及び第３の赤外線吸収膜９以外の他の膜を追加してもよい。
また、第１の実施例では赤外線吸収体に凸状パターン１５を形成し、第２の実施例では赤外線吸収体に凹状パターン１６を形成したが、これらを組み合わせることもでき、例えば、凹状パターン１６が形成された赤外線吸収膜の孔以外の部分に更に突起を形成することも可能である。
また、上記各実施例では、梁１０によって受光部１１が中空に支持される構造の熱型赤外線検出素子を示したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、受光部下層の基板をくり抜いて熱分離構造を実現した熱型赤外線検出素子などに対しても同様に適用することができる。
本発明の構造は、熱型赤外線検出素子の受光部を構成する赤外線吸収体に限らず、赤外線を効率的に吸収するための構造体全般に適用することができ、例えば、太陽電池の表面に形成する反射抑制材料として利用したり、バンドパスフィルタなどのフィルタ材料として利用することもできる。
１ 回路基板
２ 読み出し回路
３ 赤外線反射膜
４ 保護膜
５ 第１の赤外線吸収膜
６ ボロメータ層
７ 第２の赤外線吸収膜
８ 配線
９ 第３の赤外線吸収膜
１０ 梁
１１ 受光部
１２ 空洞部
１２ａ 犠牲層
１３ 電極部
１４ コンタクト部
１５ 凸状パターン
１６ 凹状パターン
１７ 庇
１８ 微細な粒子
２ 読み出し回路
３ 赤外線反射膜
４ 保護膜
５ 第１の赤外線吸収膜
６ ボロメータ層
７ 第２の赤外線吸収膜
８ 配線
９ 第３の赤外線吸収膜
１０ 梁
１１ 受光部
１２ 空洞部
１２ａ 犠牲層
１３ 電極部
１４ コンタクト部
１５ 凸状パターン
１６ 凹状パターン
１７ 庇
１８ 微細な粒子
Claims (6)
- 感熱抵抗体と赤外線吸収体とを備える受光部が、一端が基板に固定される梁によって中空に保持されてなる熱型赤外線検出素子において、
前記受光部の赤外線入射面側の表面に、赤外線吸収材料からなる略同一形状の複数の突起が略一定の間隔で配列された凸状パターンが形成されていることを特徴とする熱型赤外線検出素子。 - 感熱抵抗体と赤外線吸収体とを備える受光部と、一端が前記感熱抵抗体に接続され他端が基板に形成された回路に接続される配線を含む梁とで構成され、前記受光部が前記梁によって中空に保持されてなる熱型赤外線検出素子において、
前記赤外線吸収体が、前記感熱抵抗体の下層に形成される第１の赤外線吸収膜と、前記感熱抵抗体の上層に形成される第２の赤外線吸収膜と、前記第２の赤外線吸収膜に設けたスルーホールを介して前記感熱抵抗体に接続される前記配線の上層に形成される第３の赤外線吸収膜と、前記第３の赤外線吸収膜の上層に形成され、赤外線吸収材料からなる略同一形状の複数の突起が略一定の間隔で配列された凸状パターンとで構成されることを特徴とする熱型赤外線検出素子。 - 前記突起は、幅に対する高さの比率が１以上であり、かつ、隣り合う前記突起の間隔が前記高さよりも小さい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出素子。
- 感熱抵抗体と赤外線吸収体とを備える受光部が、一端が基板に固定される梁によって中空に保持されてなる熱型赤外線検出素子において、
前記受光部の赤外線入射面側の表面に配置される赤外線吸収膜に、略同一形状の複数の孔が略一定の間隔で配列された凹状パターンが形成されていることを特徴とする熱型赤外線検出素子。 - 感熱抵抗体と赤外線吸収体とを備える受光部と、一端が前記感熱抵抗体に接続され他端が基板に形成された回路に接続される配線を含む梁とで構成され、前記受光部が前記梁によって中空に保持されてなる熱型赤外線検出素子において、
前記赤外線吸収体が、前記感熱抵抗体の下層に形成される第１の赤外線吸収膜と、前記感熱抵抗体の上層に形成される第２の赤外線吸収膜と、前記第２の赤外線吸収膜に設けたスルーホールを介して前記感熱抵抗体に接続される前記配線の上層に形成され、略同一形状の複数の孔が略一定の間隔で形成された凹状パターンを備える第３の赤外線吸収膜とで構成されることを特徴とする熱型赤外線検出素子。 - 前記孔は、幅に対する深さの比率が１以上であり、かつ、隣り合う前記孔の間隔が前記深さよりも小さいことを特徴とする請求項４又は５に記載の熱型赤外線検出素子。
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