JP2009229260A - 赤外線センサ素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】支持部の断熱性の低下を抑制し、残留応力による歪みが少なく機械的剛性の強い支持部を備えた非冷却型赤外線センサ素子を提供する。
【解決手段】表面に凹部５１が設けられた半導体基板５と、凹部が設けられた領域と異なる半導体基板の領域上に設けられ、第１信号配線部３ａと、前記凹部が設けられた領域と異なる前記半導体基板の領域上に前記第１配線部と交差するように設けられ、第２信号配線３１ｂを含む第２信号配線部３ｂと、前記凹部５１の上方に配置され、第１信号配線と一端が電気的に接続される第１配線１０ａおよび第１配線と互いに絶縁されるとともに並列に配置され一端が電気的に接続される第２配線１０ｂを含む支持配線部１０を有する支持部１と、第１および第２配線の他端と電気的に接続された熱電変換部２１と、熱電変換部の上方に設けられそれと熱的に接続された赤外線吸収層とを有し、凹部の上方に支持された検出セル部２を備えている。
【選択図】図１
【解決手段】表面に凹部５１が設けられた半導体基板５と、凹部が設けられた領域と異なる半導体基板の領域上に設けられ、第１信号配線部３ａと、前記凹部が設けられた領域と異なる前記半導体基板の領域上に前記第１配線部と交差するように設けられ、第２信号配線３１ｂを含む第２信号配線部３ｂと、前記凹部５１の上方に配置され、第１信号配線と一端が電気的に接続される第１配線１０ａおよび第１配線と互いに絶縁されるとともに並列に配置され一端が電気的に接続される第２配線１０ｂを含む支持配線部１０を有する支持部１と、第１および第２配線の他端と電気的に接続された熱電変換部２１と、熱電変換部の上方に設けられそれと熱的に接続された赤外線吸収層とを有し、凹部の上方に支持された検出セル部２を備えている。
【選択図】図１
Description
本発明は非冷却型の赤外線センサ素子に関する。
非冷却型（熱型）赤外線センサ素子は、赤外線吸収層によって赤外線を吸収して熱に変換し、この熱を熱電変換素子によって電気信号に変換する素子である。非冷却型赤外線センサ素子では、赤外線吸収層及び熱電変換素子を外系と熱的に隔離するように、表面微細構造またはバルク微細構造の形成技術が活用される。冷却型（量子型）赤外線センサ素子が効果で大きな冷却器を必要とするのに対し、非冷却型赤外線センサ素子は小型で安価というメリットがある。
この非冷却型赤外線センサ素子の感度を向上するための方法の一つに、赤外線吸収層によって変換された熱を、熱電変換素子から外系へ逃がさないようにする方法がある。一般的に、真空パッケージに実装される非冷却型赤外線センサ素子においては、半導体基板の空洞部上に熱電変換素子が支持部によって中空構造に支持されているため、熱電変換素子から外系への熱輸送は、支持部の熱伝導によるものが支配的である。従って、熱電変換素子の断熱性を高めるには、低熱伝導率の材料からなる支持部の断面積をより小さく（例えば、特許文献１参照）、長さをより長くレイアウトする（例えば、特許文献２参照）ことが行なわれている。
特開２００６−１６２４７０号公報
特開２００６−３００８１６号公報
前述したように、非冷却型赤外線センサにおける支持部の断熱特性向上のためには、支持部の断面積をより小さく、長さをより長くレイアウトすることが必要となるが、すでに微細構造の形成が行われており、支持部のレイアウトでの工夫によって、これ以上の大幅な感度向上を実現するのは難しい。
従来の非冷却型赤外線センサ素子において、例えば、特許文献１に示されるような薄膜化した支持部は、断熱特性の向上に有効と考えられるものの、より高感度化のために支持部の断面積を更に小さくさせた場合、残留応力による予期しない歪みが生じる可能性がある。また、機械的剛性も弱くなるため、外部からの衝撃や経時劣化による予期しない破壊の可能性もあり、信頼性に課題がある。また、特許文献２に示されるような支持部を回転対称でレイアウトすることは、中心部にかかる内部応力が釣り合うため支持部の歪み防止に対して有効と考えられるものの、特に支持部形成プロセスのマスク合わせずれよって、中心部にかかる内部応力が釣り合わず歪みが生じてしまう。例えば、支持部の幅を１μｍとして配線部が０．１μｍ偏った場合でも大きな歪みを生じるため、０．１μｍ未満の合わせ精度が要求される。歪みや機械的剛性の改善手段として支持部の厚膜化があるが、断熱特性向上の方法と相反するため、感度が低下する。
本発明は、上記事情を考慮してなされたものであって、支持部の断熱性の低下を可及的に抑制し、残留応力による歪みが少なく且つ機械的剛性の強い支持部を備えた非冷却型赤外線センサ素子を提供することを目的とする。
本発明の一態様による赤外線センサ素子は、表面に凹部が設けられた半導体基板と、前記凹部が設けられた領域と異なる前記半導体基板の領域上に設けられ、第１信号配線を含む第１信号配線部と、前記凹部が設けられた領域と異なる前記半導体基板の領域上に前記第１配線部と交差するように設けられ、第２信号配線を含む第２信号配線部と、前記凹部の上方に配置され、前記第１信号配線と一端が電気的に接続される第１配線および前記第１配線と互いに絶縁されるとともに並列に配置され前記第２信号配線と一端が電気的に接続される第２配線を含む支持配線部を有する支持部と、前記第１および第２配線のそれぞれの他端と電気的に接続された熱電変換部と、前記熱電変換部の上方に設けられ前記熱電変換部と熱的に接続され赤外線を吸収する赤外線吸収層とを有し、前記凹部の上方に配置され、前記支持部によって支持された検出セル部と、を備えていることを特徴とする。
本発明によれば、支持部の断熱性の低下を可及的に抑制し、残留応力による歪みが少なく且つ機械的剛性の強い支持部を備えた非冷却型赤外線センサ素子を提供することができる。
本発明の一実施形態による赤外線センサ素子を図１（ａ）、１（ｂ）に示す。図１（ａ）は本実施形態による赤外線センサ素子の平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）に示す切断線Ａ−Ａで切断した断面図である。なお、図１（ａ）では、全体の構成がわかるように、赤外線吸収部６の記載は省略している。本実施形態の赤外線センサ素子は支持部１と、検出セル部２と、格子状に配列された信号配線部３ａ、３ｂとを備えている。信号配線部３ａは半導体基板５上に絶縁膜を介して図１（ａ）では縦方向に複数本形成され、信号配線部３ｂは、信号配線部３ａと交差するように、図１（ａ）では横方向に複数本形成される。なお、信号配線部３ａには、保護絶縁膜７に覆われた信号線３１ａが設けられ、信号配線部３ｂには、同様に保護絶縁膜７に覆われた信号線３１ｂが設けられている。信号線３１ａと、信号線３１ｂとは交差部において保護絶縁膜７によって絶縁されている。信号配線部３ａ、３ｂによって囲まれた、半導体基板５の表面には、空洞部（凹部）５１が設けられている。そして、支持部１および検出セル部２は、凹部５１の上方に配置される。支持部１は、九十九折り状の形状を有し、その一端が信号配線部３ａに連結され、他端が検出セル部２に連結している。検出セル部２は、支持部１のみによって、凹部５１の中空に浮いた状態で支持された構成となっている。支持部１には、保護絶縁膜７によって覆われた配線部１０が設けられ、この配線部１０は、保護絶縁膜７によって絶縁された２本の配線１０ａ、１０ｂを有している。配線１０ａは、一端が信号線３１ａと電気的に接続され、他端が検出セル部２と電気的に接続される。配線１０ｂは、一端が検出セル部２と電気的に接続され、他端が信号線３１ｂと電気的に接続される。本実施形態においては、凹部５１は信号配線部３ａ、３ｂの交差領域毎に設けられ、支持部１および検出セル部２は凹部５１に対応して設けられている。すなわち、検出セル部２はマトリクス状に配列され、各検出セル部２毎に凹部５１が設けられている。
検出セル部２は、熱電変換部２１と、セル配線部２０と、それらの周囲を被覆する絶縁材料からなる保護絶縁膜７と、を有している。実際には、熱電変換部２１とセル配線部２０とは電気的に導通しているが、図１（ｂ）では省略している。検出セル２部の上方には信号配線部３ａ、３ｂまでを覆うように傘構造の赤外線吸収部６が形成されている。赤外線吸収部６は二酸化シリコン、窒化シリコンなどの絶縁材料によって形成され、検出セル部２と保護絶縁膜７を介して熱的に接続されている。
赤外線素子の全体は真空パッケージされ、赤外線吸収部６と検出セル部２との間、および空洞部５１は真空となっている。このように、半導体基板５から分離された検出セル部２を真空中に置くことにより検出セル部２の断熱性を向上させ、感度を高めるようにしている。
熱電変換部２１はｐｎ接合を有し、ｐｎ接合の順方向特性の温度依存性を利用し、電流または電圧一定の条件化で順方向電圧または電流の変化を読み出す。単位面積当たりの入射赤外線パワーをＩｌｉｇｈｔ、吸収効率をγ、単位画素当たりの赤外線吸収面積をＡＤ、検出セル部２から半導体基板５への熱コンダクタンスをＧｔｈ、ｐｎ接合の熱電変換係数をｄＶ／ｄＴとすると、熱電変換部２１の出力信号は（１）式で表される。
（ＩｌｉｇｈｔＡＤγ／Ｇｔｈ）（ｄＶ／ｄＴ） ・・・（１）
（１）式において、Ｇｔｈは支持部１の熱コンダクタンスであり、（２）式で表される。
Ｇｔｈ ＝κＮＡ／Ｌ ・・・（２）
（２）式において、κは支持部１の材料に依存する熱伝導率、Ａは支持部１の断面積、Ｌは支持部１の長さ、Ｎは支持部１の本数である。
（ＩｌｉｇｈｔＡＤγ／Ｇｔｈ）（ｄＶ／ｄＴ） ・・・（１）
（１）式において、Ｇｔｈは支持部１の熱コンダクタンスであり、（２）式で表される。
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（２）式において、κは支持部１の材料に依存する熱伝導率、Ａは支持部１の断面積、Ｌは支持部１の長さ、Ｎは支持部１の本数である。
赤外線センサ素子の感度は、（１）式から明らかなように、検出セル部２と半導体基板５との間の熱コンダクタンスＧｔｈに反比例する。したがって、半導体基板５の表面に設けられた空洞部５１により、検出セル部２および支持部１を半導体基板５および信号配線部３ａ、３ｂから熱分離することで、赤外線センサ素子の感度を向上できる。
また、（２）式から明らかなように、熱コンダクタンスは支持部１の構造に大きく依存しており、本実施形態のように１本の支持部１で検出セル部２を支持する赤外線センサ素子は、例えば、２本の支持部で検出セル部を支持する赤外線センサ素子に比べ、熱コンダクタンスを等しくすると、支持部１幅が２倍の広さで形成できるため、機械的強度の向上や歪みの抑制を図ることができる。また、本実施形態のように、支持部１を九十九折り形状としてその長さＬを長くすることが可能となるので、熱コンダクタンスを小さくすることができ、優れた断熱特性を有することになる。この結果、信頼性が高くかつ感度の高い赤外線センサ素子を得ることができる。なお、配線１０ａ、１０ｂは、熱伝導率の低いチタンまたは窒化チタンから形成されることが好ましい。
次に、本実施形態の赤外線センサ素子の製造方法を図２乃至図７を参照して説明する。図２乃至図７は、本実施形態の赤外線センサ素子の製造工程を示す断面図である。
まず、半導体基板５上に絶縁膜７ａを形成し、この絶縁膜７ａ上に熱電変換部２１を形成し、この熱電変換部２１を覆うように、絶縁膜７ｂを形成する（図２）。半導体基板５としてＳＯＩ基板を用いた場合には、ＳＯＩ基板の埋め込み酸化膜を絶縁膜７ａとして用いてもよい。熱電変換部２１は、例えば単結晶シリコンを材料とするｐｎダイオードである。熱電変換部２１を覆うよう形成される絶縁膜７ｂは、例えば二酸化シリコンで形成され、素子分離領域として作用する。絶縁膜７ａ、７ｂが保護絶縁膜７を構成する。
次に、絶縁膜７ｂ上に導電性材料膜を形成しパターニングすることにより複数本の信号線３１ｂ（図示せず）を形成した後、これらの信号線３１ｂを覆うように第１絶縁膜（図示せず）を形成する。そして、この絶縁膜上に導電性材料膜を形成しパターニングすることにより複数本の信号線３１ａ、セル配線部２０、および配線部１０を形成する。なお、配線部１０は、配線１０ａと、配線１０ｂとを備えている。これらの信号線３１ａ、セル配線部２０、および配線部１０は、第２絶縁膜７ｃによって覆われる。絶縁膜７ａ、７ｂ、第１絶縁膜、および第２絶縁膜７ｃが保護絶縁膜７を構成する。
次に、空洞部５１を形成するために、半導体基板５の表面に達するエッチングホール４を、例えばＲＩＥ等の異方性エッチングによって保護絶縁膜７に形成し、半導体基板５の表面を露出させる（図４）。この工程により、検出セル２部が形成される領域と、支持部１が形成される領域とが互いに分離されるとともに、信号配線部３ａ、３ｂが画定する。また、この工程によって、支持部１のパターニングが行われる。このパターニングは図１（ｂ）に示す支持部１の形状のほか、検出セル部２のサイズ、赤外線センサ素子サイズ、支持部１の幅等の条件に応じて形成しても良い。このエッチングホール４を形成するためのレジスト露光工程は、一般的には、厳しいマスク合わせ精度が要求される。さらに、支持部１の保護絶縁膜７の一部を深さ方向に、ＲＩＥ等の異方性エッチングによって削ってもよい。これにより、支持部１の熱コンダクタンスを低減させることができる。
次に、図５に示すように、エッチングホール４を埋め込むように、全面に犠牲層８を形成し、その後、検出セル部２上の犠牲層８を一部除去することにより開口を形成する。続いて、この開口を埋め込むように、絶縁材料の膜を形成し、パターニングすることにより、検出セル部２および犠牲層８上に絶縁材料からなる赤外線吸収部６が形成される。赤外線吸収部６は、例えば、二酸化シリコン、窒化シリコン等の絶縁材料が用いられるが、この他に赤外線（〜１０μｍ）に吸収感度を持つ材料でも良い。
次に、図６に示すように、犠牲層８をエッチングすることで、赤外線吸収部６は傘構造に形成され、検出セル部２のみと保護絶縁膜７を介して接続した構造となる。犠牲層８の除去後は、エッチングホール４の底面から半導体基板５を徐々にエッチングし、空洞部５１を形成する。この工程に用いられるエッチング液として、例えばＴＭＡＨやＫＯＨ等の異方性エッチング溶液が用いられる。
空洞部５１を形成した後、必要に応じて、支持部１を構成する支持配線部１０の形状を成形するスリミング処理を行う（図７参照）。例えば、保護絶縁膜７が二酸化シリコンの場合、フッ酸処理によりスリミングを行い、熱コンダクタンスを低下させる。なお、配線１０ａ、１０ｂは、図８に示すように保護絶縁膜７によって完全に覆われるように構成してもよいし、図９に示すように配線１０ａ、１０ｂのそれぞれの片方の側面のみが露出するように構成してもよいし、図１０に示すようにそれぞれの片方の側面のみならず、配線１０ａ、１０ｂの上下面の一部が露出するように構成してもよいし、図１１に示すように配線１０ａ、１０ｂのそれぞれの片方の側面と、それぞれの上面（または下面）の一部のみが露出するように構成してもよい。これらの構成は、保護絶縁膜７の膜剥がれや機械的強度が仕様に耐えられる範囲で行うことが必要である。なお、図８乃至図１１に示す構成は、スリミング処理にフッ酸を用いる場合、支持部１の配線１０ａ、１０ｂと保護絶縁膜７とにエッチングレートの選択比があるため、処理時間を長くすることで、容易に形成できる。
このように、本実施形態では、検出セル部２を電気的に分離した２本の支持配線部１０を含む支持部１が１本のみで支持するため、熱コンダクタンスが低下することなく支持部１の幅が広く形成でき、機械的強度を増すことが可能となる。この結果、支持部１の熱的短絡による熱コンダクタンスの低下の恐れもなくなる。したがって、検出セル部２の感度が低下する恐れも無く、ロバストな非冷却型赤外線センサ素子を作製できる。
また、支持部１の形成の際に、マスク合わせずれによって支持部１の断面の対称性が失われたとしても、支持部１の幅が広いため従来よりも応力歪みが緩和され、特にフッ酸処理でのスリミングによって支持配線部１０の側面が露呈している断面構造については、水平方向への応力歪みがなく、かつ支持部１の熱的短絡の恐れが無いため、支持部１を形成する際のマスク合わせ精度がそれほど要求されず、製造工程の簡略化と歩留まり向上が図れる。
さらに付加的な効果としては、本実施形態の支持部１の幅が従来の２本の支持部によって支持される赤外線センサ素子の２本の支持部幅の和よりも狭く、支持部１を形成するエッチングホール４領域の面積も減るため、熱コンダクタンスを低減することなく赤外線センサ素子の微細化が可能となり、コストの低下を図ることができる。
なお、本実施形態においては、支持部１は、形状が九十九折り形状であって、信号配線部３ａとの接続が、信号配線部３ａと、信号配線部３ｂとの交差部の近辺で行われていたが、図１２に示す第１変形例のように、信号配線部３ａとの接続を信号配線部３ａの中央近辺で行い、かつ九十九折り形状の長さを約半分程度となるように構成してもよい。また、図１３に示す第２変形例のように、支持部１を検出セル部２の周囲の３辺を取り囲むように構成してもよい。また、図１４に示す第３変形例のように、信号配線部３ａと、信号配線部３ｂとの両方に連結するように構成してもよい。
１ 支持部
２ 検出セル部
３ａ 信号配線部
３ｂ 信号配線部
４ エッチングホール
５ 半導体基板
６ 赤外線吸収部
７ 保護絶縁膜
８ 犠牲層
１０ 配線部
１０ａ 配線
１０ｂ 配線
２０ セル配線部
２１ 熱電変換部
３１ａ 信号配線
３１ｂ 信号配線
５１ 空洞部（凹部）
２ 検出セル部
３ａ 信号配線部
３ｂ 信号配線部
４ エッチングホール
５ 半導体基板
６ 赤外線吸収部
７ 保護絶縁膜
８ 犠牲層
１０ 配線部
１０ａ 配線
１０ｂ 配線
２０ セル配線部
２１ 熱電変換部
３１ａ 信号配線
３１ｂ 信号配線
５１ 空洞部（凹部）
Claims (8)
- 表面に凹部が設けられた半導体基板と、
前記凹部が設けられた領域と異なる前記半導体基板の領域上に設けられ、第１信号配線を含む第１信号配線部と、
前記凹部が設けられた領域と異なる前記半導体基板の領域上に前記第１配線部と交差するように設けられ、第２信号配線を含む第２信号配線部と、
前記凹部の上方に配置され、前記第１信号配線と一端が電気的に接続される第１配線および前記第１配線と互いに絶縁されるとともに並列に配置され前記第２信号配線と一端が電気的に接続される第２配線を含む支持配線部を有する支持部と、
前記第１および第２配線のそれぞれの他端と電気的に接続された熱電変換部と、前記熱電変換部の上方に設けられ前記熱電変換部と熱的に接続され赤外線を吸収する赤外線吸収層とを有し、前記凹部の上方に配置され、前記支持部によって支持された検出セル部と、
を備えていることを特徴とする赤外線センサ素子。 - 前記支持部は前記支持配線部の上下に形成された絶縁膜を有し、前記支持部の側面に、２本の前記配線の対向する側の側面と反対側の側面が露出していることを特徴とする請求項１記載の赤外線センサ素子。
- 前記支持配線部の上下の絶縁膜のうち、少なくとも一方の絶縁膜の幅が、前記支持部の最大幅の０．５倍以上から１倍以下であることを特徴とする請求項２記載の赤外線センサ素子。
- 前記第１および第２配線は、チタンまたは窒化チタンから形成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の赤外線センサ素子。
- 前記支持部は九十九折り形状であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の赤外線センサ素子。
- 前記支持部は前記第１信号配線部のみと連結され、その連結箇所は前記第１および第２信号配線部との交差領域に近接していることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の赤外線センサ素子。
- 前記支持部は前記検出セル部の３方の周囲を取り囲むように形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の赤外線センサ素子。
- 前記第１および第２信号配線部はそれぞれ複数個設けられ、前記凹部は前記第１および第２信号配線部に囲まれた領域に設けられ、前記支持部および前記検出セル部は前記凹部に対応して設けられていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の赤外線センサ素子。
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