JP2008232896A

JP2008232896A - 薄膜赤外線検出素子およびその製造方法

Info

Publication number: JP2008232896A
Application number: JP2007074401A
Authority: JP
Inventors: Makoto Ishida; 誠石田; Kazuaki Sawada; 和明澤田; Daisuke Akai; 大輔赤井; Kensuke Murakami; 健介村上; Naoto Nakayama; 直人中山
Original assignee: Toyohashi University of Technology NUC; Hioki EE Corp
Current assignee: Toyohashi University of Technology NUC; Hioki EE Corp
Priority date: 2007-03-22
Filing date: 2007-03-22
Publication date: 2008-10-02

Abstract

【課題】単一の薄膜上に配向制御した薄膜を形成することにより、結晶性の良い赤外線検出素子を得る。
【解決手段】シリコン基板４の上面には、γ−Ａｌ_２Ｏ_３薄膜６が配向制御され、形成されている。γ−Ａｌ_２Ｏ_３薄膜６の上面には、下部プラチナ膜８が配向制御され、形成されている。下部プラチナ膜８の上面には、ＰＺＴ膜が配向制御され、形成されている。ＰＺＴ膜１０の上面には、上部プラチナ膜１２が形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、薄膜を用いた赤外線検出素子に関するものであり、特に、単結晶半導体基板上に絶縁薄膜を積層させて形成される薄膜赤外線検出素子に関するものである。

従来より、半導体基板上に強誘電体薄膜を積層させて形成される薄膜の赤外線検出素子の開発が行なわれており、近年、単結晶絶縁薄膜を用いた薄膜赤外線検出素子の研究が行なわれている。例えば、下記に示す特許文献１は、半導体基板であるシリコン基板上に配向したＭｇＯ薄膜を形成し、ＭｇＯ薄膜の上面に強誘電体薄膜を形成したものである。

また、特許文献２は、シリコン基板上に絶縁膜である酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）薄膜を形成し、その上面に下部電極、強誘電体薄膜および上部電極を形成したものである。これについて図６を用いて説明すると、シリコン基板１００上には、酸化アルミニウム（γ−Ａｌ_２Ｏ_３）薄膜１０２および下部電極であるプラチナ薄膜１０４が形成されている。また、酸化アルミニウム薄膜１０２およびプラチナ薄膜１０４の両方の上面に強誘電体薄膜であるＰＺＴ薄膜１０６が形成され、酸化アルミニウム薄膜１０２およびＰＺＴ薄膜１０６の両方の上面に上部電極であるクロム薄膜１０８が形成されている。最上部は赤外線吸収膜１１０である。
特公平６−８５４５０号公報特許第３４８２０４８号公報

上述した従来技術では、以下の問題点があった。すなわち、特許文献１では、シリコン単結晶基板と、絶縁膜であるＭｇＯ薄膜との熱膨張係数の差が大きいため、シリコン基板からＭｇＯ薄膜が剥離しやすく、実際の赤外線検出素子として用いることが困難であった。また、特許文献２では、ＰＺＴ薄膜１０６の最下部には、酸化アルミニウム薄膜１０２およびプラチナ薄膜１０４が段差を持って存在することになるため、ＰＺＴ薄膜の結晶性を均一にすることや、ＰＺＴ薄膜の膜厚を薄くすることが困難になるという問題があった。

そこで、本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、単一の薄膜上に配向制御した薄膜を形成することにより、結晶性の良い赤外線検出素子を得ることを目的とする。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、請求項１に係る発明は、単結晶半導体基板上に形成される結晶性を有するＡｌ_２０_３薄膜上に下部金属薄膜、強誘電体薄膜をそれぞれ配向制御して積層し、前記強誘電体薄膜上に上部金属薄膜を積層させてなる薄膜赤外線検出素子であって、前記強誘電体薄膜は、前記下部金属薄膜の上面のみでかつ、前記下部金属薄膜の上面の一部分上のみに積層されており、前記上部金属薄膜は、前記強誘電体薄膜の上面のみでかつ、前記強誘電体薄膜の上面の一部分上のみに積層されていることを特徴とする薄膜赤外線検出素子によって構成される。上記の構成によれば、強誘電体薄膜は、下部金属薄膜の上面のみに配向制御されて積層されるため、高品質な強誘電体薄膜を積層させることができる。従来技術では、強誘電体薄膜が異種の材料の上に積層されていたため、配向制御による結晶成長は困難であったが、本発明では、配向制御されて積層されたＡｌ_２０_３薄膜、下部金属薄膜の上面に強誘電体薄膜が積層されるため、結晶性の良い強誘電体薄膜を得ることができるのである。

また、本発明では、強誘電体薄膜は、下部金属薄膜の上面のみでかつ、下部金属薄膜の一部分のみに積層されており、強誘電体薄膜は下部金属薄膜の上面に対して断面形状において、段差形状となるため、下部金属薄膜と上部金属薄膜のそれぞれの配線の断線、電極間のショートの問題を低減することができる。本発明の薄膜赤外線検出素子は、上部金属薄膜と下部金属薄膜には、それぞれ配線が設けられ、当該配線を通じて外部の回路を接続されるものであるが、基板に対して検出素子の厚さ（高さ）がある程度存在する場合、検出素子部から配線を取り出す際に配線が断線する場合がある。これに対し本発明では、強誘電体薄膜は下部金属薄膜に対して段差形状となっているため、薄膜厚さ方向において、配線をなだらかに取り出すことができ、配線の断線を低減することができる。これと同様に、上部金属薄膜と下部金属薄膜の間に絶縁膜を設ける場合は、段差形状によって当該絶縁膜を確実に設けることができるため、上部金属薄膜と下部金属薄膜の電極間のショートを少なくすることができる。

なお、結晶性を有するＡｌ_２０_３薄膜とは、ＲＨＥＥＤ等の観察により、結晶構造を確認することができる程度のＡｌ_２０_３薄膜をいい、単結晶でも良いし、多結晶でも良い。また、強誘電体薄膜は、ペロブスカイト構造を有する酸化物薄膜であり、ＰＺＴ等を用いることができる。

また、本発明は、前記下部金属薄膜は、前記Ａｌ_２０_３薄膜の上面のみでかつ、前記Ａｌ_２０_３薄膜の上面の一部分上のみに積層されることを特徴とする薄膜赤外線検出素子によって構成することもできる。この構成によれば、Ａｌ_２０_３薄膜上、下部金属薄膜上および強誘電体薄膜上にそれぞれ段差形状の薄膜が形成されるため、上部金属薄膜および下部金属薄膜の配線の断線およびショートを低減させることができる。

また、本発明は、前記上部金属薄膜が積層された部分の前記強誘電体薄膜の端部からの距離は、前記上部金属薄膜の厚さよりも大きいことを特徴とする薄膜赤外線検出素子によって構成することもできる。この構成によれば、強誘電体薄膜の端部からの距離を十分にとることができるため、配線の断線、ショートをより低減することができる。

また、本発明は、前記Ａｌ_２０_３薄膜は、γ−Ａｌ_２Ｏ_３薄膜であることを特徴とする薄膜赤外線検出素子によって構成することもできる。この構成によれば、γ−Ａｌ_２Ｏ_３薄膜は単結晶半導体基板上にエピタキシャル成長することが分かっているため、結晶性の良い赤外線検出素子を構成することができる。

また、本発明は、前記単結晶半導体基板は、単結晶シリコン基板であることを特徴とする薄膜赤外線検出素子によって構成することもできる。この構成によれば、単結晶シリコン基板を用いることにより、薄膜赤外線検出素子とシリコン基板を用いて作成される他の集積回路を同一基板上に構成することができる。これにより、赤外線検出素子の小型化を実現することができる。

また、本発明は、単結晶半導体基板上に形成される結晶性を有するＡｌ_２０_３薄膜上に下部金属薄膜、強誘電体薄膜をそれぞれ配向制御して積層し、前記強誘電体薄膜上に上部金属薄膜を積層させてなる薄膜赤外線検出素子であって、前記強誘電体薄膜は、前記下部金属薄膜の上面のみでかつ、前記下部金属薄膜の上面に対して段差状に積層されており、前記上部金属薄膜は、前記強誘電体薄膜の上面のみでかつ、前記強誘電体薄膜の上面に対して段差状に積層されていることを特徴とする薄膜赤外線検出素子によって構成することもできる。この構成によれば、強誘電体薄膜は下部金属薄膜の上面のみに配向制御されて積層されるため、結晶性の良い強誘電体薄膜を得ることができる。また、本発明の薄膜赤外線検出素子は、下部金属薄膜および強誘電体薄膜上に段差形状の薄膜を有しているため、上部金属薄膜のために設置された配線の断線を少なくすることができる。さらに、上部金属薄膜と下部金属薄膜の電極間のショートを少なくすることができる。

また、本発明は、前記下部金属薄膜は、前記Ａｌ_２０_３薄膜の上面のみでかつ、前記Ａｌ_２０_３薄膜の上面に対して段差状に積層されることを特徴とする薄膜赤外線検出素子によって構成することもできる。この構成によれば、本発明の薄膜赤外線検出素子は、Ａｌ_２０_３薄膜上、下部金属薄膜上および強誘電体薄膜上にそれぞれ段差形状の薄膜が形成されるため、上部金属薄膜および下部金属薄膜の配線の断線および電極間のショートを低減させることができる。

また、本発明は、前記上部金属薄膜が積層された部分の前記強誘電体薄膜の端部からの距離は、前記上部金属薄膜の厚さよりも大きいことを特徴とする薄膜赤外線検出素子によって構成することもできる。この構成によれば、強誘電体薄膜の端部からの距離を十分にとることができるため、配線の断線、電極間のショートをより低減することができる。

また、本発明は、前記単結晶半導体基板は、単結晶シリコン基板であることを特徴とする赤外線検出素子によって構成することもできる。この構成によれば、単結晶シリコン基板を用いることにより、薄膜赤外線検出素子とシリコン基板を用いて作成される他の集積回路を同一基板上に構成することができる。これにより、赤外線検出素子の小型化を実現することができる。

また、本発明は、単結晶半導体基板上に結晶性を有するＡｌ_２Ｏ_３薄膜を形成する第１の工程と、前記第１の工程で形成されたＡｌ_２０_３薄膜の上面に下部金属薄膜を配向制御して形成する第２の工程と、前記第２の工程で形成された下部金属薄膜の上面に強誘電体薄膜を配向制御して形成する第３の工程と、前記第３の工程で形成された強誘電体薄膜の上面に上部金属薄膜を形成する第４の工程と、前記第４の工程で形成された上部金属薄膜を、前記強誘電体薄膜の上面のみでかつ、前記強誘電体薄膜の上面の一部分上のみに積層されるように、前記上部金属薄膜をエッチングする第５の工程と、前記第３の工程で形成された強誘電体薄膜を、前記下部金属薄膜の上面のみでかつ、前記下部金属薄膜の上面の一部分上のみに積層されるように、前記強誘電体薄膜をエッチングする第６の工程と、前記第２の工程で形成された下部金属薄膜を、前記Ａｌ_２０_３薄膜の上面のみでかつ、前記Ａｌ_２０_３薄膜の上面の一部分上のみに積層されるように、前記下部金属薄膜をエッチングする第７の工程と、前記第１の工程で形成された結晶性を有するＡｌ_２Ｏ_３薄膜を所望の形状にエッチングする第８の工程と、からなる薄膜赤外線検出素子の製造方法とすることもできる。これによれば、強誘電体薄膜は下部金属薄膜の上面のみに配向制御されて積層されるため、結晶性の良い強誘電体薄膜を得ることができる。また、本発明の製造方法による薄膜赤外線検出素子は、下部金属薄膜および強誘電体薄膜上に段差形状の薄膜を有するように製造されるため、上部金属薄膜のために設置された配線の断線を少なくすることができる。さらに、上部金属薄膜と下部金属薄膜の電極間のショートを少なくすることができる。

また、本発明は、単結晶半導体基板上に結晶性を有するＡｌ_２Ｏ_３薄膜を形成する第１の工程と、前記第１の工程で形成されたＡｌ_２０_３薄膜の上面にのみ下部金属薄膜を配向制御して形成する第２の工程と、前記第２の工程で形成された下部金属薄膜の上面にのみ強誘電体薄膜を配向制御して形成する第３の工程と、前記第３の工程で形成された強誘電体薄膜の上面にのみ上部金属薄膜を形成する第４の工程と、前記第４の工程で形成された上部金属薄膜を、前記強誘電体薄膜の上面の一部分上のみに積層されるように、前記上部金属薄膜をエッチングする第５の工程と、前記第３の工程で形成された強誘電体薄膜を、前記下部金属薄膜の上面の一部分上のみに積層されるように、前記強誘電体薄膜をエッチングする第６の工程と、前記第２の工程で形成された下部金属薄膜を、前記Ａｌ_２０_３薄膜の上面の一部分上のみに積層されるように、前記下部金属薄膜をエッチングする第７の工程と、前記第１の工程で形成されたＡｌ_２Ｏ_３薄膜を所望の形状にエッチングする第８の工程と、からなる薄膜赤外線検出素子の製造方法とすることもできる。これによれば、強誘電体薄膜は下部金属薄膜の上面のみに配向制御されて積層されるため、結晶性の良い強誘電体薄膜を得ることができる。また、本発明の製造方法による薄膜赤外線検出素子は、下部金属薄膜および強誘電体薄膜上に段差形状の薄膜を有するように製造されるため、上部金属薄膜のために設置された配線の断線を少なくすることができる。さらに、上部金属薄膜と下部金属薄膜の電極間のショートを少なくすることができる。

本発明の薄膜赤外線検出素子においては、下部金属薄膜の上面のみに配向制御され形成された強誘電体薄膜を用いることにより、高感度の薄膜赤外線検出素子を得ることができる。また、各薄膜を段差形状とすることにより、配線の断線の少ない赤外線検出素子を得ることができる。

本発明を実施するための実施の形態について以下に詳細に説明する。まず、図１乃至図３を用いて、本発明の赤外線検出素子２の構成について説明する。図１は、本発明が適用された第１の実施形態の赤外線検出素子２の構成を示す上面視図である。また、図２は、図１の２−２’線に沿って見た赤外線検出素子２の断面図である。また、図３は、図１の３−３’線に沿って見た赤外線検出素子２の断面図である。なお、図１においては、各積層膜の構造をわかりやすくするために、絶縁膜１４およびポリイミド１９の図示を省略している。

図１および図２において、赤外線検出素子２は、シリコン基板４上に複数の薄膜を積層させることにより構成されている。シリコン基板４は、（００１）の単結晶半導体基板である。シリコン基板４上には、絶縁膜であるγ−Ａｌ_２Ｏ_３薄膜６が形成されている。γ−Ａｌ_２Ｏ_３薄膜６は、配向制御されて形成される結晶性を有するＡｌ_２Ｏ_３薄膜の１つであり、γ−Ａｌ_２Ｏ_３薄膜６は、シリコン基板４上に約６０ｎｍ積層されている。なお、γ−Ａｌ_２Ｏ_３薄膜６の厚さは５から１００ｎｍとすることができる。

また、γ−Ａｌ_２Ｏ_３薄膜６の上面には、下部金属薄膜である下部プラチナ膜８が形成されている。下部プラチナ膜８は、配向制御されてγ−Ａｌ_２Ｏ_３薄膜６上に形成されるものであり、下部プラチナ膜８は、γ−Ａｌ_２Ｏ_３薄膜６上に約１００ｎｍ形成されている。なお、図２において、下部プラチナ膜８の右端部は、γ−Ａｌ_２Ｏ_３薄膜６の右端部よりも図中左側にあり、γ−Ａｌ_２Ｏ_３薄膜６の上面に対して下部プラチナ膜８が図２に示す断面形状で段差形状とされている。この段差形状において、図２のγ−Ａｌ_２Ｏ_３薄膜６の右端部と下部プラチナ膜８の右端部の距離は約１０μｍである。なお、γ−Ａｌ_２Ｏ_３薄膜６の右端部と下部プラチナ膜８の右端部の距離は下部プラチナ膜８の膜厚よりも大きいものとすることが望ましい。

また、下部プラチナ膜８の上面には、強誘電体薄膜であるＰＺＴ膜（Ｐｂ（Ｚｒ_ｘ,Ｔｉ_１−ｘ）Ｏ_３膜）１０が形成されている。ＰＺＴ膜１０は、下部プラチナ膜８上に配向制御されて形成されるものであり、ＰＺＴ膜１０は下部プラチナ膜８上に約１μｍ形成されている。なお、ＰＺＴ膜１０の膜厚は、１００ｎｍから１０μｍとすることが望ましい。また、図２において、ＰＺＴ膜１０の右端部は、下部プラチナ膜８の右端部よりも図中左側にあり、下部プラチナ膜８の上面に対してＰＺＴ膜が図２に示す断面形状で段差形状とされている。この段差形状において、図２の下部プラチナ膜８の右端部とＰＺＴ膜１０の右端部の間の距離は約１０μｍである。なお、下部プラチナ膜８の右端部とＰＺＴ膜１０の右端部の間の距離は、ＰＺＴ膜１０の膜厚よりも大きいものとすることが望ましい。

また、ＰＺＴ膜１０の上面には、上部金属薄膜である上部プラチナ膜１２が形成されており、上部プラチナ膜１２は、ＰＺＴ膜１０上に約１００ｎｍ形成されている。また、図１において、上部プラチナ膜１２の寸法は、２０〜５００μｍ角程度であり、例えば１００μｍ角である。なお、図２において、上部プラチナ膜１２の右端部は、ＰＺＴ膜１０の右端部よりも図中左側にあり、ＰＺＴ膜１０の上面に対して上部プラチナ膜１２が図２に示す断面形状で段差形状とされている。この段差形状において、図２のＰＺＴ膜１０の右端部と上部プラチナ膜１２の右端部の間の距離は約１０μｍである。なお、ＰＺＴ膜１０の右端部と上部プラチナ膜１２の右端部の間の距離は、上部プラチナ膜１２の膜厚よりも大きいものとすることが望ましい。

図２において、各積層膜の上面を覆うように、絶縁膜１４が形成されている。絶縁膜１４は、ポリイミドよりなる絶縁膜であり、絶縁膜１４の厚さは約１μｍである。なお、絶縁膜１４の厚さは、ＰＺＴ膜１０の厚さよりも厚く、１μｍから１０μｍが望ましい。絶縁膜１４は、図２の右側部分において、シリコン基板４の上面であって、γ−Ａｌ_２Ｏ_３薄膜６、下部プラチナ膜８、ＰＺＴ膜１０および上部プラチナ膜１２の各段差形状を覆う部分に設けられている。また、図２の左側部分においては、下部プラチナ膜８の一部を上部に露出させる部分以外は、下部プラチナ膜８、ＰＺＴ膜１０および上部プラチナ膜１２を覆うように形成されている。なお、下部プラチナ膜８の上部に露出した部分は、外部回路との接続に用いられる。なお、本実施形態では、絶縁膜１４にポリイミドを用いることにより、赤外線検出素子２にかかる応力を吸収したり、絶縁膜１４の熱伝導性を低くするという効果がある。

図２において、上部プラチナ膜１２の上面には、外部回路との接続に用いられる配線１６が形成されている。配線１６は、図２に示すように、絶縁膜１４上に設けられており、絶縁膜１４により、下部プラチナ膜８等と絶縁されている。なお、図１に示すように、配線１６および下部プラチナ膜８は、他の回路と接続するために、左右端部に接続用パッドが形成されている。また、図２において、赤外線検出素子２の中央部の配線１６の上部には、光吸収膜１７が設けられている。光吸収膜１７は、赤外線を吸収し、熱に変換して下部のＰＺＴ膜１０に伝えるものである。

また、図３に示すように、γ−Ａｌ_２Ｏ_３薄膜６の下部であり、シリコン基板４の内部には、空洞部１８が形成されている。空洞部１８は、シリコン基板４の上面であって、絶縁膜１４で覆われていない部分を形成し、ＸｅＦ_２雰囲気にさらすことにより、形成されるものである。なお、本実施形態の赤外線検出素子２の上面（外面）は、ポリイミド１９で覆うことにより、赤外線検出素子２が外気から保護されるとともに、素子全体の強度が増加されることとなる。

次に、図４を用いて、本実施形態の赤外線検出素子２の製造工程について説明する。図４（ａ）において、シリコン基板４の上面にγ−Ａｌ_２Ｏ_３薄膜６をエピタキシャル成長させる。γ−Ａｌ_２Ｏ_３薄膜６の形成には、ＣＶＤ法（化学気相成長法）を用いた。

次に、図４（ｂ）において、γ−Ａｌ_２Ｏ_３薄膜６の上面に下部プラチナ膜８をエピタキシャル成長させる。下部プラチナ膜８の形成には、スパッタ法を用いた。次に、図４（ｃ）において、下部プラチナ膜８の上面にＰＺＴ膜１０をエピタキシャル成長させる。ＰＺＴ膜１０の形成には、ゾルゲル法を用いた。

次に、図４（ｄ）において、ＰＺＴ膜１０の上面に上部プラチナ膜１２を形成させる。上部プラチナ膜１２の形成には、スパッタ法を用いた。次に、図４（ｅ）において、半導体集積回路作製で用いられるホトリソグラフィ技術とエッチング技術を用いて、γ−Ａｌ_２Ｏ_３薄膜６、下部プラチナ膜８、ＰＺＴ膜１０および上部プラチナ膜１２を図４（ｅ）の形状となるよう加工する。

次に、図４（ｆ）において、エッチング加工後、ポリイミドよりなる絶縁膜１４を形成する。絶縁膜１４を形成した後、ホトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて所望の形状に加工する。なお、絶縁膜１４にポリイミドを用いた場合は、溶液塗布法などにより形成することができる。また、絶縁膜１４にＳｉＯ_２を用いた場合は、スパッタ法、ＣＶＤ法、溶液塗布法などにより形成することができる。

次に、図４（ｇ）において、金属薄膜を形成し、ホトリソグラフィ技術およびエッチング技術により、配線１６を形成する。次に、図４（ｈ）において、光吸収膜１７を配線１６上に形成し、次いで、ポリイミド１９形成した後、本実施形態の基板をＸｅＦ_２雰囲気にさらすことにより、空洞部１８を形成する。

次に、本実施形態の赤外線検出素子２の作用について説明する。赤外線検出素子２に赤外線が入射された場合、光吸収膜１７が赤外線を吸収し、赤外線を熱に変換する。光吸収膜で発生した熱は、配線１６、上部プラチナ膜１２を介してＰＺＴ膜１０に伝達される。ＰＺＴ膜１０では、強誘電体の焦電効果により、電荷の移動が発生し、ＰＺＴ膜１０に並列に接続された図示しない抵抗に発生した電圧を検出することにより、赤外線を検出することができるのである。

したがって、本発明の第１の実施形態においては、シリコン基板４上に薄膜を積層させて赤外線検出素子２を構成したため、コンパクトな赤外線検出素子２を得ることができる。特に、本発明の実施形態においては、単結晶のシリコン基板４上にγ−Ａｌ_２Ｏ_３薄膜６、下部プラチナ膜８およびＰＺＴ膜１０をエピタキシャル成長させたため、ＰＺＴ膜１０の結晶性を高品質なものとすることができ、高感度の赤外線検出素子２を得ることができる。

また、本発明の第１の実施形態においては、下部プラチナ膜８がγ−Ａｌ_２Ｏ_３薄膜６の上面のみでかつ、γ−Ａｌ_２Ｏ_３薄膜６の一部のみに形成されているため、下部プラチナ膜８の結晶性を高品質なものとすることができる。これにより、下部プラチナ膜８の上面に形成されるＰＺＴ膜１０を良好にエピタキシャル成長させることができ、高感度の赤外線検出素子２を得ることができる。

また、本実施形態においては、ＰＺＴ膜１０が下部プラチナ膜８の上面のみでかつ、下部プラチナ膜８の一部のみに形成されているため、ＰＺＴ膜１０の結晶性を高品質なものとすることができる。これにより、高感度の赤外線検出素子２を得ることができる。例えば、ＰＺＴ膜１０が下部プラチナ膜８とγ−Ａｌ_２Ｏ_３薄膜６の両方の上面に形成されている場合は、ＰＺＴ膜１０は異種材料の上面に形成されることになり、格子欠陥等の問題が生じる恐れがある。これに対し、本実施形態では、ＰＺＴ膜１０は下部プラチナ膜８の上面のみに形成されているため、膜の結晶性を高品質なものとすることができるのである。また、本実施形態においては、γ−Ａｌ_２Ｏ_３薄膜６の上面のみに下部プラチナ膜８を形成し、下部プラチナ膜８の上面のみにＰＺＴ膜１０を形成するという製造方法を用いたため、他の製法、例えば、γ−Ａｌ_２Ｏ_３薄膜６とシリコン基板４の両方に下部プラチナ膜８を形成する場合に比べて、各膜の結晶性を良くすることができる。

また、本発明の第１の実施形態においては、シリコン基板４上の各膜が、断面形状で段差形状となるように形成されているため、上部プラチナ膜１２に接続される配線１６の断線の問題の発生を低減することができ、赤外線検出素子２の歩留まりを向上させることができる。すなわち、シリコン基板４上の各膜を、断面形状で段差形状とすることで、配線１６をなだらかに配置することができるため、断線の恐れを低減することができるのである。

なお、シリコン基板４上の各膜の段差形状は、比較的膜厚が厚いＰＺＴ膜１０の段差形状が重要であり、第１の実施形態の赤外線検出素子２は、図５のような断面形状とすることも可能である。図５は、第１の実施形態の赤外線検出素子２の図２に対応する図であり、γ−Ａｌ_２Ｏ_３薄膜６の上面の下部プラチナ膜８は段差形状とされていない。この場合でも、ＰＺＴ膜１０および上部プラチナ膜１２が段差形状とされているため、配線１６の断線の恐れを低減することができる。

また、本実施形態においては、配線１６の断線の他に、シリコン基板４上の各膜を段差形状としたため、絶縁膜１４が層間絶縁を確実に行なうことができ、下部プラチナ膜８と上部プラチナ膜１２の間のショートの恐れを低減することができる。

なお、本実施形態においては、本発明の構造を赤外線検出素子２に適用したものについて説明したが、これに限らず、本発明の構造を強誘電体を用いた他の素子、例えば超音波検出素子や強誘電体メモリへの適用も可能である。

本発明に係る第１実施形態の赤外線検出素子２の全体構成を示す上面視図である。本発明に係る第１実施形態の赤外線検出素子２の構成を示す断面図である。本発明に係る第１実施形態の赤外線検出素子２の構成を示す断面図である。本発明に係る第１実施形態の赤外線検出素子２の製造工程を説明するための図である。本発明に係る第１実施形態の赤外線検出素子２の変形例を示す断面図である。従来技術の赤外線検出素子の断面図である。

符号の説明

２赤外線検出素子
４シリコン基板
６ γ−Ａｌ_２Ｏ_３薄膜
８下部プラチナ膜
１０ＰＺＴ膜
１２上部プラチナ膜
１４絶縁膜
１６配線
１８空洞部

Claims

単結晶半導体基板上に形成される結晶性を有するＡｌ_２０_３薄膜上に下部金属薄膜、強誘電体薄膜をそれぞれ配向制御して積層し、前記強誘電体薄膜上に上部金属薄膜を積層させてなる薄膜赤外線検出素子であって、
前記強誘電体薄膜は、前記下部金属薄膜の上面のみでかつ、前記下部金属薄膜の上面の一部分上のみに積層されており、
前記上部金属薄膜は、前記強誘電体薄膜の上面のみでかつ、前記強誘電体薄膜の上面の一部分上のみに積層されていることを特徴とする薄膜赤外線検出素子。
前記下部金属薄膜は、前記Ａｌ_２０_３薄膜の上面のみでかつ、前記Ａｌ_２０_３薄膜の上面の一部分上のみに積層されることを特徴とする請求項１に記載の薄膜赤外線検出素子。
前記上部金属薄膜が積層された部分の前記強誘電体薄膜の端部からの距離は、前記上部金属薄膜の厚さよりも大きいことを特徴とする請求項１または２に記載の薄膜赤外線検出素子。
前記Ａｌ_２０_３薄膜は、γ−Ａｌ_２Ｏ_３薄膜であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の薄膜赤外線検出素子。
前記単結晶半導体基板は、単結晶シリコン基板であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の薄膜赤外線検出素子。
単結晶半導体基板上に形成される結晶性を有するＡｌ_２０_３薄膜上に下部金属薄膜、強誘電体薄膜をそれぞれ配向制御して積層し、前記強誘電体薄膜上に上部金属薄膜を積層させてなる薄膜赤外線検出素子であって、
前記強誘電体薄膜は、前記下部金属薄膜の上面のみでかつ、前記下部金属薄膜の上面に対して段差状に積層されており、
前記上部金属薄膜は、前記強誘電体薄膜の上面のみでかつ、前記強誘電体薄膜の上面に対して段差状に積層されていることを特徴とする薄膜赤外線検出素子。
前記下部金属薄膜は、前記Ａｌ_２０_３薄膜の上面のみでかつ、前記Ａｌ_２０_３薄膜の上面に対して段差状に積層されることを特徴とする請求項６に記載の薄膜赤外線検出素子。
前記上部金属薄膜が積層された部分の前記強誘電体薄膜の端部からの距離は、前記上部金属薄膜の厚さよりも大きいことを特徴とする請求項６または７に記載の薄膜赤外線検出素子。
前記Ａｌ_２０_３薄膜は、γ−Ａｌ_２Ｏ_３薄膜であることを特徴とする請求項６から８のいずれか１項に記載の薄膜赤外線検出素子。
前記単結晶半導体基板は、単結晶シリコン基板であることを特徴とする請求項６から９のいずれか１項に記載の赤外線検出素子。
単結晶半導体基板上に結晶性を有するＡｌ_２Ｏ_３薄膜を形成する第１の工程と、
前記第１の工程で形成されたＡｌ_２０_３薄膜の上面に下部金属薄膜を配向制御して形成する第２の工程と、
前記第２の工程で形成された下部金属薄膜の上面に強誘電体薄膜を配向制御して形成する第３の工程と、
前記第３の工程で形成された強誘電体薄膜の上面に上部金属薄膜を形成する第４の工程と、
前記第４の工程で形成された上部金属薄膜を、前記強誘電体薄膜の上面のみでかつ、前記強誘電体薄膜の上面の一部分上のみに積層されるように、前記上部金属薄膜をエッチングする第５の工程と、
前記第３の工程で形成された強誘電体薄膜を、前記下部金属薄膜の上面のみでかつ、前記下部金属薄膜の上面の一部分上のみに積層されるように、前記強誘電体薄膜をエッチングする第６の工程と、
前記第２の工程で形成された下部金属薄膜を、前記Ａｌ_２０_３薄膜の上面のみでかつ、前記Ａｌ_２０_３薄膜の上面の一部分上のみに積層されるように、前記下部金属薄膜をエッチングする第７の工程と、
前記第１の工程で形成された結晶性を有するＡｌ_２Ｏ_３薄膜を所望の形状にエッチングする第８の工程と、
からなる薄膜赤外線検出素子の製造方法。
単結晶半導体基板上に結晶性を有するＡｌ_２Ｏ_３薄膜を形成する第１の工程と、
前記第１の工程で形成されたＡｌ_２０_３薄膜の上面にのみ下部金属薄膜を配向制御して形成する第２の工程と、
前記第２の工程で形成された下部金属薄膜の上面にのみ強誘電体薄膜を配向制御して形成する第３の工程と、
前記第３の工程で形成された強誘電体薄膜の上面にのみ上部金属薄膜を形成する第４の工程と、
前記第４の工程で形成された上部金属薄膜を、前記強誘電体薄膜の上面の一部分上のみに積層されるように、前記上部金属薄膜をエッチングする第５の工程と、
前記第３の工程で形成された強誘電体薄膜を、前記下部金属薄膜の上面の一部分上のみに積層されるように、前記強誘電体薄膜をエッチングする第６の工程と、
前記第２の工程で形成された下部金属薄膜を、前記Ａｌ_２０_３薄膜の上面の一部分上のみに積層されるように、前記下部金属薄膜をエッチングする第７の工程と、
前記第１の工程で形成されたＡｌ_２Ｏ_３薄膜を所望の形状にエッチングする第８の工程と、
からなる薄膜赤外線検出素子の製造方法。