JP2009236865A - 熱型赤外線固体撮像素子及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】庇部の入射赤外線吸収力の向上を図り、画素の熱応答特性を改善できる熱型赤外線固体撮像素子及びその製造方法の提供。
【解決手段】信号読出のための集積回路を備えた基板と赤外線を吸収し温度変化を検出するダイアフラムと前記ダイアフラムを前記基板の一側の面から浮かせて支持する支持部とを少なくとも有する赤外線検出素子が複数配置された熱型赤外線固体撮像素子において、前記ダイアフラムの外周近傍に設けられる接続領域に接続され、少なくとも前記ダイアフラム以外の構成要素を空間を隔てて覆い、入射する赤外線を吸収して発生する熱を前記ダイアフラムに伝達する庇部を備え、前記庇部は、少なくとも前記ダイアフラム以外の構成要素を空間を隔てて覆う第１の部位の厚さが、前記ダイアフラムの接続領域に接している第２の部位及び前記ダイアフラムから空中に立ち上がる第３の部位の厚さよりも厚い。
【選択図】図１（ｆ）
【解決手段】信号読出のための集積回路を備えた基板と赤外線を吸収し温度変化を検出するダイアフラムと前記ダイアフラムを前記基板の一側の面から浮かせて支持する支持部とを少なくとも有する赤外線検出素子が複数配置された熱型赤外線固体撮像素子において、前記ダイアフラムの外周近傍に設けられる接続領域に接続され、少なくとも前記ダイアフラム以外の構成要素を空間を隔てて覆い、入射する赤外線を吸収して発生する熱を前記ダイアフラムに伝達する庇部を備え、前記庇部は、少なくとも前記ダイアフラム以外の構成要素を空間を隔てて覆う第１の部位の厚さが、前記ダイアフラムの接続領域に接している第２の部位及び前記ダイアフラムから空中に立ち上がる第３の部位の厚さよりも厚い。
【選択図】図１（ｆ）
Description
本発明は、熱分離構造を有する熱型赤外線固体撮像素子及びその製造方法に関し、特に、画素が開口率を向上するための庇構造を有する熱型赤外線固体撮像素子及びその製造方法に関する。
熱型赤外線固体撮像素子に用いられる熱型赤外線検出器を高感度化するため、小田による特開2001−215151号公報に記載された開口率を向上できる構造及び製造方法が提案されている。図4は従来の熱型赤外線固体撮像素子である上記特開2001−215151号公報に記載された熱型赤外線固体撮像素子の単位画素を示す電流経路に沿った断面構造図である。
信号読出回路27が形成されたSi集積回路基板1上に金属反射膜2が形成されており、該金属反射膜2を覆って第1の絶縁保護膜21が形成されている。Si集積回路基板1の第1絶縁保護膜21側の面の上方に赤外線受光部22(ダイアフラム)が複数配列される。各々の赤外線受光部22(ダイアフラム)は、2つの支持部6によって空洞部23を隔てて第1絶縁保護膜21の表面から浮かせられて支持されており、1つの画素に1つの赤外線受光部22(ダイアフラム)が配置されている。赤外線受光部22(ダイアフラム)は、ボロメータ薄膜13(温度検出部)と、金属配線15のボロメータ薄膜13(温度検出部)に接した2つの電極部と、ボロメータ薄膜13(温度検出部)及び2つの電極部を取り囲む絶縁保護膜24，25，26とから構成されている。支持部6は、Si集積回路基板1表面に対して平行な梁6aと、梁6aの一端に接続された支持脚6bとから成り、金属配線15を絶縁保護膜24，25，26で取り囲んだ構造になっている。梁6aは、図4では非常に短いように描かれているが、実際には、熱コンダクタンスを小さくするために、赤外線受光部22(ダイアフラム)の少なくとも1辺に渡って引き延ばされ、一端が赤外線受光部22(ダイアフラム)と繋がっている。金属配線15は、その一端は前述のように電極部としてボロメータ薄膜13(温度検出部)と電気的に接続されており、他端は信号読出回路27の接続電極3と電気的に接続されている。赤外線受光部22(ダイアフラム)の、Si集積回路基板1と反対側の面から庇部12が突出している。庇部12は、赤外線受光部22(ダイアフラム)内の電極部との間、支持部6との間、及びSi集積回路基板1の接続電極3との間に空間を隔てて、電極部、支持部6、及び接続電極3を覆うように延びている。
赤外線受光部22(ダイアフラム)の絶縁保護膜24，25，26と庇部12に赤外線が入射すると、赤外線の一部が絶縁保護膜24，25，26と庇部12のそれぞれで吸収されて、絶縁保護膜24，25，26及び庇部12が加熱される。絶縁保護膜24，25，26と庇部12に入射した赤外線の他の部分は、赤外線受光部22(ダイアフラム)，庇部12，支持部6をそれぞれ透過してSi集積回路基板1側に向かって進行する。赤外線受光部22(ダイアフラム)，庇部12，支持部6をそれぞれ透過した赤外線は、金属反射膜2や金属配線15及び接続電極3により赤外線受光部22(ダイアフラム)及び庇部12に向けて反射されて、再び絶縁保護膜24，25，26と庇部12に入射する。これにより、金属反射膜2によって反射された赤外線が絶縁保護膜24，25，26と庇部12に吸収されて、絶縁保護膜24，25，26及び庇部12がさらに加熱される。庇部12の熱は、絶縁保護膜25，26を通してボロメータ薄膜13(温度検出部)に伝わる。このように庇部12及び絶縁保護膜24，25，26からの熱によりボロメータ薄膜13(温度検出部)の温度が変化して、ボロメータ薄膜13(温度検出部)の抵抗値が変化する。この抵抗値の変化は、Si集積回路基板1内の信号読出回路27により電圧変化に変換されて電気信号として読み出され、その電気信号を基に外部回路により赤外画像化される。
本画素構造では、赤外線受光部22(ダイアフラム)から庇部12が突出し、その庇部12で、電極部及び支持部6の、Si集積回路基板1側と反対側のそれぞれの面や、接続電極3を、空間を隔てて覆っているので、各画素の開口率が増加し、赤外線をより多く吸収でき、高感度にできている。
上述した従来技術においては、赤外線受光部(ダイアフラム)の絶縁保護膜，支持部の絶縁保護膜及び庇部は何れもシリコン窒化膜，シリコン酸化膜またはシリコン酸窒化膜より形成される。これらのうち、赤外線受光部(ダイアフラム)を構成する絶縁保護膜と支持部を構成する絶縁保護膜とは同層の前記絶縁膜で形成されるが、庇部は赤外線受光部内の電極部との間、支持部との間、及びＳｉ集積回路基板の接続電極との間に空間を隔てて、電極部、支持部、及び接続電極を覆うように延びている構造を持つため、赤外線受光部(ダイアフラム)や支持部とは別層の前記絶縁膜で形成される。そのため、製造過程において赤外線受光部(ダイアフラム)上に直接堆積され、開口率向上に寄与しない庇形成用絶縁膜不要部分が存在し、これをそのまま残すと赤外線受光部(ダイアフラム)の無意味な熱容量増加があり、熱応答特性が低下するという問題がある。
この熱応答特性低下を避けるためには、赤外線受光部(ダイアフラム)上の中央付近に堆積された庇形成用絶縁膜不要部分を部分的にエッチング除去すれば良く、図4に示した従来の熱型赤外線固体撮像素子単位画素断面構造図においても、赤外線受光部(ダイアフラム)上に堆積された庇形成用絶縁膜不要部分が除去されている様子が描かれている。特開2001−215151号公報の記述によれば、庇形成用絶縁膜を庇部形状に加工する工程において、同時にこの赤外線受光部(ダイアフラム)上に直接堆積された庇形成用絶縁膜不要部分を部分的にエッチング除去している。この工程では、庇形成用絶縁膜を各画素毎の庇部に確実に切り分けなければならないため、庇形成用絶縁膜の膜厚以上にエッチングを進めるオーバーエッチングを充分に加える必要がある。そのため、特開2001−215151号公報の製造方法では赤外線受光部(ダイアフラム)を構成する絶縁保護膜の削られる量が多く、かつ、その制御が難しいため、画素間，ウエハ間，さらにはロット間での特性バラツキが大きくなるという問題がある。オーバーエッチングが多過ぎれば、赤外線受光部(ダイアフラム)の絶縁保護膜を突き破り、ボロメータ薄膜(温度検出部)を傷めてしまう危険性さえある。
このような問題を回避するため、本願発明者等は特開2005−116856号公報及びUS 7,276,698 B2において、加工精度良く、画素間，ウエハ間，さらにはロット間での特性バラツキを抑えて、赤外線受光部(ダイアフラム)上に堆積される庇形成用絶縁膜不要部分を部分的に除去し、熱応答特性低下を抑え得る熱型赤外線固体撮像素子及びその製造方法を提案した。図5及び図6はUS 7,276,698 B2記載の熱型赤外線固体撮像素子の単位画素を示す模式的縦断面構造図及び単位画素平面図である。
図5及び図6に示すように、庇部12はリング状の庇接続部18によってダイアフラム5と接着しており、その僅か内側にて庇開口部19が開けられている。図5の断面のように、庇部12は庇接続部18から庇開口部19に掛けてダイアフラム5から浮き上がっている。庇開口部19に元は存在した庇形成用絶縁膜不要部分が、ダイアフラム5中央部に島状に設けた犠牲層をエッチングストッパとして取り除かれるため、このような断面形状となっている。この犠牲層は、庇部12と支持部6等との間の空間を確保するための犠牲層と同時に形成される、すなわち同じ物である。エッチングストッパとなった犠牲層の残骸は、その後の犠牲層エッチング工程において他の犠牲層と同時に除去される。
従って、製造工程を複雑化させること無く、エッチングストッパを用いた庇形成用絶縁膜不要部分除去ができるので、赤外線受光部(ダイアフラム)を構成する絶縁保護膜が削られることは無く、画素間，ウエハ間，さらにはロット間での特性バラツキが大きくなるという問題が解決されている。
前述した特開2001−215151号公報，特開2005−116856号公報及びUS 7,276,698 B2の熱型赤外線固体撮像素子においては、何れも庇部が一体物として構成されている。そのため、画素の熱応答特性の改善を図って庇部の膜厚を薄くすると、当該庇部の入射赤外線吸収力が減少してしまうと云う問題があった。
また、特開2005−116856号公報及びUS 7,276,698 B2の熱型赤外線固体撮像素子における画素の庇接続部は、フォトリソグラフィー技術による犠牲層の接続領域開口により形状寸法が決定される。犠牲層としては、感光性ポリイミド・ポリシリコン・アルミニウムと云ったものが用いられる。感光性ポリイミドの場合は直接露光によるパターン形成であり、ポリシリコンやアルミニウムでは、まずそれらの上に塗布したフォトレジストへ露光・パターン形成し、続いてエッチングによるポリシリコンやアルミニウムへのパターン形成となる。感光性ポリイミドやフォトレジストへ露光装置で装置限界付近の極狭い隙間をパターン形成する場合、回折効果によって隙間が拡がってしまい、露光マスク寸法通りに形成することが極めて難しい。その拡がりを考慮しなければならないため、ダイアフラムエッジから庇接続部までのマージン及び庇接続部から庇開口部までのマージンを大きく設定しなければならないと云う問題があった。ダイアフラムエッジから庇接続部までの領域，庇接続部，及び庇接続部から庇開口部までの領域はダイアフラムとオーバーラップしている所なので、これらの領域には庇部が無くても赤外線吸収に支障は無い。従って、これらの領域が大きい分は無駄に熱応答特性を低下させていることになる。
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、上述したような庇構造を持つ熱型赤外線検出器を単位画素とする熱型赤外線固体撮像素子及びその製造方法に関し、該庇部の入射赤外線吸収力を減少させること無く、むしろそれの向上を図ることができ、尚且つ、画素の熱応答特性を改善できる熱型赤外線固体撮像素子及びその製造方法を提供することにある。
前述の課題を解決するために本発明の熱型赤外線固体撮像素子は、基板に形成された信号読出のための集積回路に接続される配線を含む支持部により、前記配線に接続される温度検出部を含むダイアフラムが、前記基板から浮いた状態で支持される赤外線検出素子が複数配置された熱型赤外線固体撮像素子において、前記ダイアフラムの外周近傍に接続され、該外周近傍から空中に立ち上がり、前記ダイアフラムの外側に延びる庇部を備え、前記庇部は、前記ダイアフラムの外側に延びる第１の部位が、前記ダイアフラムの外周近傍に接続される第２の部位及び該外周近傍から空中に立ち上がる第３の部位よりも、厚く形成されていることを特徴とする。
また、本発明の熱型赤外線固体撮像素子は、信号読出のための集積回路が形成され、該集積回路との接続電極を備えた基板と、赤外線を吸収することにより加熱される赤外線吸収部、該赤外線吸収部からの熱によって温度が変化して前記赤外線吸収部の温度変化を検出する温度検出部、及び、該温度検出部と電気的に接続された電極部を備え、前記基板の一側の面上に間隔を空けて配置されるダイアフラムと、前記ダイアフラムを前記基板の前記一側の面から浮かせて支持し、前記基板の前記接続電極に前記ダイアフラムの前記電極部を電気的に接続する配線を構成するように少なくとも一部が導電性材料により形成された支持部と、を少なくとも有する赤外線検出素子が複数配置された熱型赤外線固体撮像素子において、前記ダイアフラムの外周近傍に設けられる接続領域に接続され、少なくとも前記ダイアフラム以外の構成要素との間に空間を隔てて前記ダイアフラム以外の構成要素の基板と反対側の面を覆い、入射する赤外線を吸収して発生する熱を前記ダイアフラムに伝達する庇部を備え、前記庇部は、少なくとも前記ダイアフラム以外の構成要素との間に空間を隔てて前記ダイアフラム以外の構成要素の基板と反対側の面を覆う第１の部位の厚さが、前記ダイアフラムの接続領域に接している第２の部位及び前記ダイアフラムから空中に立ち上がる第３の部位の厚さよりも厚いことを特徴とする。
本発明においては、前記庇部は、前記第１の部位を構成する膜の層数が、前記第２の部位及び前記第３の部位を構成する膜の層数よりも多い構成とすることが好ましい。
また、本発明においては、前記庇部は、前記第１の部位を構成する膜の赤外線入射側最外膜と、前記第２の部位及び前記第３の部位を構成する膜とが一体の膜である構成とすることが好ましい。
加えて、本発明においては、前記庇部は、前記第２の部位及び前記第３の部位を構成する膜の少なくとも一部に犠牲層保護膜を含む構成とすることができる。
さらに、本発明においては、前記庇部は、前記第１の部位を構成する膜の赤外線入射側最外膜が、導電性の材質である構成とすることができ、加えて、前記第１の部位を構成する膜の赤外線入射側最外膜が、空間とインピーダンス整合されている構成とすることが好ましい。
本発明の熱型赤外線固体撮像素子の製造方法は、信号読出のための集積回路が形成され、該集積回路との接続電極を備えた基板上に、前記接続電極上を除いて第１の犠牲層を配設する第１の工程と、前記第１の犠牲層上に、温度検出部を含むダイアフラムを形成すると共に、一端が前記接続電極に接続され、他端が前記温度検出部に接続される配線を含む支持部を形成し、その際、前記ダイアフラム及び前記支持部を形造るために開口する第１スリットにより、前記第１の犠牲層を露出させる第２の工程と、前記基板全面に、第２の犠牲層を配設し、該第２の犠牲層上に、庇形成用第１の部材を配設する第３の工程と、前記ダイアフラム上の前記庇形成用第１の部材及び前記第２の犠牲層をパターニング除去する第４の工程と、前記ダイアフラム上に、外周近傍を除いて、第３の犠牲層を配設する第５の工程と、前記基板全面に、庇形成用第２の部材を配設する第６の工程と、前記ダイアフラムの外周近傍よりも内側に配設された庇形成用第２の部材をパターニング除去すると共に、前記ダイアフラムの外周近傍よりも外側に配設された前記庇形成用第２の部材及び前記庇形成用第１部材の一部をパターニング除去して前記第２の犠牲層を露出させる第２スリットを形成する第７の工程と、前記ダイアフラム上の前記第３の犠牲層を除去すると共に、前記第２スリット及び前記第１スリットを介して、前記基板上の前記第２の犠牲層及び前記第１の犠牲層を除去する第８の工程と、
を少なくとも有することを特徴とする。
を少なくとも有することを特徴とする。
また、本発明の熱型赤外線固体撮像素子の製造方法は、信号読出のための集積回路が形成され、該集積回路との接続電極を備えた基板上に、前記接続電極上を除いて第１の犠牲層を配設する第１の工程と、前記第１の犠牲層上に、赤外線を吸収することにより加熱される赤外線吸収部、該赤外線吸収部からの熱によって温度が変化して前記赤外線吸収部の温度変化を検出する温度検出部、及び、該温度検出部と電気的に接続される電極部を備えるダイアフラムを形成すると共に、前記ダイアフラムの外側の前記接続電極上及び前記第１の犠牲層上に、該ダイアフラムを前記基板の一側の面から浮かせて支持し、前記基板の前記接続電極に前記ダイアフラムの前記電極部を電気的に接続する配線を構成するように少なくとも一部が導電性材料により形成される支持部を形成する第２の工程と、前記基板上の赤外線検出素子形成領域全面に、第２の犠牲層を配設し、加えて該第２の犠牲層上に庇形成用第１の部材を配設する第３の工程と、前記ダイアフラム上の外周近傍に設けられる庇部の接続領域及び該接続領域から内側の領域に存在する、前記庇形成用第１の部材及び前記第２の犠牲層をパターニング除去する第４の工程と、前記ダイアフラム上における前記庇形成用第１の部材及び前記第２の犠牲層が除去された領域上に、前記ダイアフラム上の外周近傍に設けられる前記接続領域を除いて、第３の犠牲層を配設する第５の工程と、前記庇形成用第１の部材上、前記接続領域上、及び、前記第３の犠牲層上に、庇形成用第２の部材を配設する第６の工程と、前記接続領域外側における一部領域の、前記庇形成用第２の部材及び前記庇形成用第１部材をパターニング除去すると共に、前記第３の犠牲層上の開口部となる領域の前記庇形成用第１の部材をパターニング除去して、庇部を形成する第７の工程と、前記庇形成用第１の部材及び前記庇形成用第２の部材を除去した領域から、前記第１の犠牲層、前記第２の犠牲層、及び、前記第３の犠牲層を除去する第８の工程と、を少なくとも有することを特徴とする。
本発明においては、前記第４の工程の後に、前記ダイアフラム上、前記庇形成用第１の部材上、及び、パターニング除去によって形成された前記第２の犠牲層側壁上に、犠牲層保護膜を配設する工程を加えた構成とすることができる。
また、本発明においては、前記庇形成用第２の部材の材料として導電性物質を用いる構成とすることができる。
さらに、本発明においては、前記第１の犠牲層、前記第２の犠牲層、及び、前記第３の犠牲層の材料としてポリイミドを用いる構成とすることができる。
このように、本発明の熱型赤外線固体撮像素子では、庇部は、少なくとも前記ダイアフラム以外の構成要素との間に空間を隔てて前記ダイアフラム以外の構成要素の基板と反対側の面を覆う第１の部位の厚さが、前記ダイアフラムの接続領域に接している第２の部位の厚さ、及び、前記ダイアフラムから空中に立ち上がる第３の部位の厚さよりも厚い、あるいは、前者を構成する膜の層数が、後者を構成する膜の層数よりも多いので、前者の膜厚増，層数増，あるいは積層膜内の各層の膜厚や材質の組合せの工夫により入射赤外線吸収力を維持乃至向上させつつ、後者の膜厚減あるいは層数減により画素の熱応答特性を改善することができる。例えば、赤外線の吸収や透過の特殊な波長特性を庇部に持たせるべく、庇部を多層膜積層構造にした場合、従来構造では庇部全体が厚膜となり、画素の熱応答特性を著しく悪化させてしまうが、本発明では、後者の膜厚や膜の層数を、庇部を支えるに足る最小限の機械的強度のところまで削減できるので、画素の熱応答特性を損なわずに済む。後者はダイアフラムとオーバーラップしている所なので、膜厚減や層数減で素子の赤外検出感度を低下させることも無い。
また、前者の赤外線入射側最外膜を導電性の材質とし、さらに空間とインピーダンス整合を取ることにより、入射赤外線の反射損失を低減することができる。
本発明の熱型赤外線固体撮像素子の製造方法では、前述の構造を造り出せることに加え、ダイアフラム上の外周近傍に設けられる庇部の接続領域及び該接続領域から内側の領域に存在する、庇形成用第1層〜第n層の第1の部材及び第2の犠牲層をパターニング除去する、すなわち、ダイアフラムの接続領域より外側の犠牲層形成と、ダイアフラム上における庇形成用第1層〜第n層の第1の部材及び第2の犠牲層が除去された領域上に、接続領域を除いて第3の犠牲層を配設する、すなわち、ダイアフラムの接続領域より内側の犠牲層形成とを別工程で行なうので、庇接続部の形状寸法を決定する犠牲層の接続領域開口を、感光性ポリイミドやフォトレジストへの1回の露光による極狭い隙間のパターン形成によらず、従って、回折効果による隙間の拡大が抑えられ、ダイアフラムエッジから庇接続部までのマージン及び庇接続部から庇開口部までのマージンも大きく取らずに済ませることができる。これにより、庇部におけるダイアフラムとオーバーラップ部分を削減することができ、さらに画素の熱応答特性を改善することができる。
以上説明したように、本発明の熱型赤外線固体撮像素子によれば、庇部は、少なくとも前記ダイアフラム以外の構成要素との間に空間を隔てて前記ダイアフラム以外の構成要素の基板と反対側の面を覆う部位の厚さが、前記ダイアフラムの接続領域に接している庇側接続部の厚さ、及び、前記ダイアフラムから空中に立ち上がる部位の厚さよりも厚い、あるいは、前者を構成する膜の層数が、後者を構成する膜の層数よりも多いので、前者の膜厚増，層数増，あるいは積層膜内の各層の膜厚や材質の組合せの工夫により入射赤外線吸収力を維持乃至向上させつつ、後者の膜厚減あるいは層数減により画素の熱応答特性を改善できる効果がある。また、前者の赤外線入射側最外膜を導電性の材質とし、さらに空間とインピーダンス整合を取ることにより、入射赤外線の反射損失を低減できる効果がある。
本発明の熱型赤外線固体撮像素子の製造方法によれば、本熱型赤外線固体撮像素子構造を造り出せることに加え、ダイアフラムの接続領域より外側の犠牲層形成と、ダイアフラムの接続領域より内側の犠牲層形成とを別工程で行なうので、庇接続部の形状寸法を決定する犠牲層の接続領域開口を、感光性ポリイミドやフォトレジストへの1回の露光による極狭い隙間のパターン形成によらず、従って、回折効果による隙間の拡大が抑えられ、ダイアフラムエッジから庇接続部までのマージン及び庇接続部から庇開口部までのマージンも大きく取らずに済ませることができる効果がある。これにより、庇部におけるダイアフラムとオーバーラップ部分を削減することができ、さらに画素の熱応答特性を改善できる効果がある。
本発明の一実施形態に係る熱型赤外線固体撮像素子及びその製造方法について、図面を用いて詳細に説明する。
図1(a)〜(f)は本発明の熱型赤外線固体撮像素子の製造方法における主要工程を示す縦断面構造図であり、図2(a)，(b)はそれぞれ庇を取り除いた状態と庇を設けた状態の単位画素平面図である。
まず、通常のSi集積回路製造工程により、信号読出回路(図示せず)，金属反射膜2，及び接続電極3を複数具備したSi集積回路基板1を形成する。図1(a)〜(f)には描かれていないが、Si集積回路基板1表面や金属反射膜2及び接続電極3を覆うように、全体に絶縁保護膜を形成しておいても良い。
図1(a)において、支持部6と接続電極3との接触部を除いて、ダイアフラム5や支持部6とSi集積回路基板1との間の空隙を形成するための第1犠牲層4を、Si集積回路基板1上に形成する。第1犠牲層4は、例えば、感光性ポリイミドを塗布し、露光・現像によってパターニングした後、熱処理を施して形成する。第1犠牲層4の厚さは0.5〜3mm程度である。第1犠牲層4及び接続電極3上にダイアフラム5や支持部6を形成する。これらの形成は、まずプラズマCVD法等で下層絶縁保護膜を形成する。下層絶縁保護膜は、膜厚50〜500 nm程度のSi酸化膜(SiO，SiO2)，Si窒化膜(SiN，Si3N4)，あるいはSi酸化窒化膜(SiON)などから成る。その上にボロメータ薄膜13を構成する材料膜をスパッタ法等で形成し、図2(a)に示す画素のダイアフラム5に対応するようにボロメータ薄膜13のパターニングを行なう。例えば、ボロメータ薄膜13は、膜厚が50〜200 nm程度の酸化バナジウム(V2O3，VOXなど)や酸化チタン(TiOX)などから成る。ボロメータ薄膜13を覆う絶縁保護膜をプラズマCVD法等で形成し、該絶縁保護膜にボロメータコンタクト16及び接続電極コンタクト17を開口する。該絶縁保護膜は、膜厚50〜200 nm程度のSi酸化膜(SiO，SiO2)，Si窒化膜(SiN，Si3N4)，あるいはSi酸化窒化膜(SiON)などから成る。金属配線15を構成する金属薄膜をスパッタ法等で形成し、支持部6に対応するように金属配線15のパターニングを行なう。金属配線15は、膜厚が50〜200 nm程度のアルミニウム，銅，金，チタン，タングステン，モリブデン，あるいはチタン・アルミニウム・バナジウムなどから成る。さらにそれらの上を覆うようにプラズマCVD法等で上層絶縁保護膜を形成する。上層絶縁保護膜は、膜厚50〜500 nm程度のSi酸化膜(SiO，SiO2)，Si窒化膜(SiN，Si3N4)，あるいはSi酸化窒化膜(SiON)などから成る。最後に上層絶縁保護膜から下層絶縁保護膜までをまとめてダイアフラム5及び支持部6の形状になるようにパターニングして図2(a)の構造まで出来上がる。ダイアフラム5及び支持部6のパターニングには、同時に第1犠牲層4のポリイミドを部分的に露出させる効果もある。図1(a)では、さらに図2(a)の単位画素上全面に第2犠牲層7及び庇形成用第1層部材8を形成している。第2犠牲層7は、例えば、感光性ポリイミドを塗布し、露光・現像によって画素がアレイ状に配置された領域の周囲のみ除去するパターニングを行なった後、熱処理を施して形成する。第2犠牲層7の厚さは0.5〜3 mm程度である。庇形成用第1層部材8は、膜厚20〜2000 nm程度のSi酸化膜(SiO，SiO2)，Si窒化膜(SiN，Si3N4)，あるいはSi酸化窒化膜(SiON)などから成り、プラズマCVD法等で形成する。
図1(b)において、フォトレジストマスク9を用いて、ダイアフラム5のエッジ直近まで庇形成用第1層部材8及び第2犠牲層7をドライエッチング除去する。エッチング除去する領域が、極狭いギャップではなく、露光装置性能から見て遥かに広いので、高精度のパターニングができる。ダイアフラム5最上層の材料と庇形成用第1層部材8の材料として同一の物質を選択した場合には、本ドライエッチング除去がダイアフラム5に達する前に、該材料がほとんどエッチングされず、第2犠牲層7のみエッチングされるような選択比の高いエッチング条件に切替える必要がある。
図1(c)において、ダイアフラム5上の接続領域より内側に第3犠牲層10を形成する。第3犠牲層10は、例えば、感光性ポリイミドを塗布し、露光・現像によってパターニングした後、熱処理を施して形成する。ここでのパターニングも、露光装置性能から見て遥かに広い領域を除去するものなので、高精度で加工することができる。その結果できるダイアフラム5上の接続領域の幅は、露光装置性能限界を超える細さにすることもできる。本工程での感光性ポリイミド塗布時に、感光性ポリイミドから成る第2犠牲層7と接触する領域が存在するが、第2犠牲層7は先の熱処理により既に変質・硬化しているので、露光・現像時に第2犠牲層7の形状を崩すことは無くパターニングすることができる。第3犠牲層10の厚さは0.5〜3 mm程度である。
図1(d)において、庇形成用第1層部材8上、ダイアフラム5の接続領域上、及び、第3犠牲層10上に、庇形成用第2層部材11を形成する。庇形成用第2層部材11は、膜厚10〜500 nm程度のSi酸化膜(SiO，SiO2)，Si窒化膜(SiN，Si3N4)，あるいはSi酸化窒化膜(SiON)などから成り、プラズマCVD法等で形成する。
図1(e)において、画素間を切離す、庇部12構造のパターニングを行なうが、このとき同時にダイアフラム5中央部の第3犠牲層10上の庇形成用第2層部材11不要部分もエッチング除去する。この結果、図2(b)に示すように、庇部12は極狭い帯状の庇接続部18によってダイアフラム5と接着し、その僅か内側にて庇開口部19が開けられている。庇形成用第2層部材11不要部分のエッチングが島状の第3犠牲層10内で終了し、庇開口部19内には第3犠牲層10が一部残った状態になっている。
図1(f)において、第1犠牲層4、第2犠牲層7、及び、第3犠牲層10を、O2ガスプラズマを用いたアッシングにより除去することで、庇部12のSi集積回路基板1側の空隙と、ダイアフラム5のSi集積回路基板1側の空隙を形成すると共に、庇開口部19内も空にする。
以上の工程を経た結果、図1(f)に示すように、庇部が、ダイアフラム5以外の構成要素との間に空間を隔ててダイアフラム5以外の構成要素の基板と反対側の面を覆う部位の膜が2層で厚く、庇接続部及びダイアフラム5から空中に立ち上がる部位の膜が1層で薄い構造を有し、尚且つ、ダイアフラムエッジから庇接続部までのマージン及び庇接続部から庇開口部までのマージンが極小さい熱型赤外線検出器を複数配列した熱型赤外線固体撮像素子が実現できる。当該熱型赤外線固体撮像素子の特徴により、入射赤外線吸収力を維持乃至向上させつつ、画素の熱応答特性改善を達成できている。
上述した実施の形態において、図1(a)で庇形成用部材を1層しか形成しなかったが、ここで任意の層数の膜を形成すれば、庇部に赤外線の吸収や透過の特殊な波長特性を持たせた熱型赤外線固体撮像素子を実現することができる。赤外線入射側最外膜を導電性の材質とし、さらに空間とインピーダンス整合(シート抵抗条件 377 W/□)を取ることにより、入射赤外線の反射損失を低減することもできる。
また、図1(d)でも庇形成用部材を1層しか形成しなかったが、これも多層にしてそれら多種の物質の相乗効果により機械的強度を増し、全体の膜厚をさらに減少させることもできる。
加えて、第1犠牲層4、第2犠牲層7、及び、第3犠牲層10をポリシリコンやアルミニウムで構成することができる。第2犠牲層7と第3犠牲層10を同種の材料で構成する場合、図1(c)における第3犠牲層10のパターニングに異方性の強いドライエッチングを用いるのであれば問題無いが、そうでない場合には第2犠牲層7の側壁形状が崩れる危険があるので、図3(a)〜(c)に示すように、第3犠牲層10形成前に極薄い犠牲層保護膜20を形成する。ポリシリコンを犠牲層に用いる場合の犠牲層除去は、例えば、ヒドラジンやテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド(TMAH)を用いたウェットエッチング、XeF2プラズマを用いたドライエッチング等により行なう。アルミニウムを犠牲層に用いる場合の犠牲層除去は、例えば、塩酸やホットリン酸を用いたウェットエッチングにより行なう。なお、ダイアフラム5や支持部6を構成する絶縁保護膜にSi窒化膜を用いた場合には、ホットリン酸をあまり高温(〜160℃)にするとSi窒化膜もエッチングされるので注意が必要である。
また、ダイアフラム5、支持部6、及び、庇部12を構成する材料にSi酸化膜を用いる場合には、第1犠牲層4、第2犠牲層7、及び、第3犠牲層10をSi窒化膜で構成することも可能であり、さらに、その逆も可能である。Si窒化膜が犠牲層の場合の犠牲層除去は、例えば、ホットリン酸を用いたウェットエッチングで行ない、Si酸化膜が犠牲層の場合の犠牲層除去は、例えば、弗酸を用いたウェットエッチングで行なう。
上述した実施の形態では、温度検出部としてボロメータ薄膜を備えたボロメータ型赤外線固体撮像素子について述べたが、本発明はこれに限定されず、例えば温度検出部としてサーモパイルを備えたものなど庇構造によって高感度化できる熱型赤外線固体撮像素子において全て効果を発揮し得るものである。
有効画素数320×240で画素ピッチ23.5 mmのボロメータ型赤外線固体撮像素子を製作した。Si集積回路基板上に、図2に示す構造の画素をアレイ状に形成しており、画素全面積に対するダイアフラム面積の割合は庇構造を持たない(a)の場合で約60％、庇構造を持つ(b)の場合で約92％となった。ダイアフラム及び支持部を構成する下層絶縁保護膜と上層絶縁保護膜とは共に膜厚150 nmのSi窒化膜で形成した。ボロメータ薄膜としては、膜厚100 nmの酸化バナジウムを用いた。ボロメータ薄膜上の絶縁保護膜には膜厚50 nmのSi窒化膜を用いた。配線には赤外線で生じた熱をできるだけ逃がさないようにするため、熱伝導率の低い膜厚50 nmのチタン・アルミニウム・バナジウムを採用した。庇部は、庇形成用第1層部材を膜厚250 nmのSi窒化膜、庇形成用第2層部材を膜厚50 nmのSi窒化膜で形成した。ダイアフラムエッジから庇接続部までのマージンを0.3 mm、接続部幅を0.4 mm、庇接続部から庇開口部までのマージンを0.4 mmとした。その結果、画素受光面積に対する庇開口部面積の割合は、約49%であった。
図6に示す従来構造の画素を有する同規格のボロメータ型赤外線固体撮像素子も同時に製作して前述のものと性能比較を行なった。庇部は膜厚300 nmのSi窒化膜で形成した。ダイアフラムエッジから庇接続部までのマージンは1 mm、接続部幅は1 mm、庇接続部から庇開口部までのマージンは0.75 mmとなった。その結果、画素受光面積に対する庇開口部面積の割合は、約27%となった。このことから、本発明では、庇形成用部材不要部分除去率が約1.8倍に改善されていることがわかる。
庇部の受光部分については、両者の材質及び膜厚が同一なので、感度比較では同等性能であった。しかしながら、熱時定数を比較したところ、本発明における画素の体積が従来のものの約75%に削減されたため、従来の約16 msecに対して本発明では約12 msecの熱時定数を得ることができた。
以上により、本発明の熱型赤外線固体撮像素子及びその製造方法の有効性が確認された。
本発明の活用例として、暗視装置(赤外線カメラ)やサーモグラフィに使用される熱型赤外線固体撮像素子の製造が挙げられる。
１ Ｓｉ集積回路基板
２ 金属反射膜
３ 接続電極
４ 第１犠牲層
５ ダイアフラム
６ 支持部
６ａ 梁
６ｂ 支持脚
７ 第２犠牲層
８ 庇形成用第１層部材
９ フォトレジストマスク
１０ 第３犠牲層
１１ 庇形成用第２層部材
１２ 庇部
１３ ボロメータ薄膜
１４ 電極部
１５ 金属配線
１６ ボロメータコンタクト
１７ 接続電極コンタクト
１８ 庇接続部
１９ 庇開口部
２０ 犠牲層保護膜
２１ 第１絶縁保護膜
２２ 赤外線受光部
２３ 空洞部
２４ 第２絶縁保護膜
２５ 第３絶縁保護膜
２６ 第４絶縁保護膜
２７ 信号読出回路
２ 金属反射膜
３ 接続電極
４ 第１犠牲層
５ ダイアフラム
６ 支持部
６ａ 梁
６ｂ 支持脚
７ 第２犠牲層
８ 庇形成用第１層部材
９ フォトレジストマスク
１０ 第３犠牲層
１１ 庇形成用第２層部材
１２ 庇部
１３ ボロメータ薄膜
１４ 電極部
１５ 金属配線
１６ ボロメータコンタクト
１７ 接続電極コンタクト
１８ 庇接続部
１９ 庇開口部
２０ 犠牲層保護膜
２１ 第１絶縁保護膜
２２ 赤外線受光部
２３ 空洞部
２４ 第２絶縁保護膜
２５ 第３絶縁保護膜
２６ 第４絶縁保護膜
２７ 信号読出回路
Claims (12)
- 基板に形成された信号読出のための集積回路に接続される配線を含む支持部により、前記配線に接続される温度検出部を含むダイアフラムが、前記基板から浮いた状態で支持される赤外線検出素子が複数配置された熱型赤外線固体撮像素子において、
前記ダイアフラムの外周近傍に接続され、該外周近傍から空中に立ち上がり、前記ダイアフラムの外側に延びる庇部を備え、
前記庇部は、前記ダイアフラムの外側に延びる第１の部位が、前記ダイアフラムの外周近傍に接続される第２の部位及び該外周近傍から空中に立ち上がる第３の部位よりも、厚く形成されていることを特徴とする熱型赤外線固体撮像素子。 - 信号読出のための集積回路が形成され、該集積回路との接続電極を備えた基板と、
赤外線を吸収することにより加熱される赤外線吸収部、該赤外線吸収部からの熱によって温度が変化して前記赤外線吸収部の温度変化を検出する温度検出部、及び、該温度検出部と電気的に接続された電極部を備え、前記基板の一側の面上に間隔を空けて配置されるダイアフラムと、
前記ダイアフラムを前記基板の前記一側の面から浮かせて支持し、前記基板の前記接続電極に前記ダイアフラムの前記電極部を電気的に接続する配線を構成するように少なくとも一部が導電性材料により形成された支持部と、を少なくとも有する赤外線検出素子が複数配置された熱型赤外線固体撮像素子において、
前記ダイアフラムの外周近傍に設けられる接続領域に接続され、少なくとも前記ダイアフラム以外の構成要素との間に空間を隔てて前記ダイアフラム以外の構成要素の基板と反対側の面を覆い、入射する赤外線を吸収して発生する熱を前記ダイアフラムに伝達する庇部を備え、
前記庇部は、少なくとも前記ダイアフラム以外の構成要素との間に空間を隔てて前記ダイアフラム以外の構成要素の基板と反対側の面を覆う第１の部位の厚さが、前記ダイアフラムの接続領域に接している第２の部位及び前記ダイアフラムから空中に立ち上がる第３の部位の厚さよりも厚いことを特徴とする熱型赤外線固体撮像素子。 - 前記庇部は、前記第１の部位を構成する膜の層数が、前記第２の部位及び前記第３の部位を構成する膜の層数よりも多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固体撮像素子。
- 前記庇部は、前記第１の部位を構成する膜の赤外線入射側最外膜と、前記第２の部位及び前記第３の部位を構成する膜とが一体の膜であることを特徴とする請求項３記載の熱型赤外線固体撮像素子。
- 前記庇部は、前記第２の部位及び前記第３の部位を構成する膜の少なくとも一部に犠牲層保護膜を含むことを特徴とする請求項３又は４に記載の熱型赤外線固体撮像素子。
- 前記庇部は、前記第１の部位を構成する膜の赤外線入射側最外膜が、導電性の材質であることを特徴とする請求項３乃至５のいずれか一に記載の熱型赤外線固体撮像素子。
- 前記庇部は、前記第１の部位を構成する膜の赤外線入射側最外膜が、空間とインピーダンス整合されていることを特徴とする請求項６記載の熱型赤外線固体撮像素子。
- 信号読出のための集積回路が形成され、該集積回路との接続電極を備えた基板上に、前記接続電極上を除いて第１の犠牲層を配設する第１の工程と、
前記第１の犠牲層上に、温度検出部を含むダイアフラムを形成すると共に、一端が前記接続電極に接続され、他端が前記温度検出部に接続される配線を含む支持部を形成し、その際、前記ダイアフラム及び前記支持部を形造るために開口する第１スリットにより、前記第１の犠牲層を露出させる第２の工程と、
前記基板全面に、第２の犠牲層を配設し、該第２の犠牲層上に、庇形成用第１の部材を配設する第３の工程と、
前記ダイアフラム上の前記庇形成用第１の部材及び前記第２の犠牲層をパターニング除去する第４の工程と、
前記ダイアフラム上に、外周近傍を除いて、第３の犠牲層を配設する第５の工程と、
前記基板全面に、庇形成用第２の部材を配設する第６の工程と、
前記ダイアフラムの外周近傍よりも内側に配設された庇形成用第２の部材をパターニング除去すると共に、前記ダイアフラムの外周近傍よりも外側に配設された前記庇形成用第２の部材及び前記庇形成用第１部材の一部をパターニング除去して前記第２の犠牲層を露出させる第２スリットを形成する第７の工程と、
前記ダイアフラム上の前記第３の犠牲層を除去すると共に、前記第２スリット及び前記第１スリットを介して、前記基板上の前記第２の犠牲層及び前記第１の犠牲層を除去する第８の工程と、
を少なくとも有することを特徴とする熱型赤外線固体撮像素子の製造方法。 - 信号読出のための集積回路が形成され、該集積回路との接続電極を備えた基板上に、前記接続電極上を除いて第１の犠牲層を配設する第１の工程と、
前記第１の犠牲層上に、赤外線を吸収することにより加熱される赤外線吸収部、該赤外線吸収部からの熱によって温度が変化して前記赤外線吸収部の温度変化を検出する温度検出部、及び、該温度検出部と電気的に接続される電極部を備えるダイアフラムを形成すると共に、前記ダイアフラムの外側の前記接続電極上及び前記第１の犠牲層上に、該ダイアフラムを前記基板の一側の面から浮かせて支持し、前記基板の前記接続電極に前記ダイアフラムの前記電極部を電気的に接続する配線を構成するように少なくとも一部が導電性材料により形成される支持部を形成する第２の工程と、
前記基板上の赤外線検出素子形成領域全面に、第２の犠牲層を配設し、加えて該第２の犠牲層上に庇形成用第１の部材を配設する第３の工程と、
前記ダイアフラム上の外周近傍に設けられる庇部の接続領域及び該接続領域から内側の領域に存在する、前記庇形成用第１の部材及び前記第２の犠牲層をパターニング除去する第４の工程と、
前記ダイアフラム上における前記庇形成用第１の部材及び前記第２の犠牲層が除去された領域上に、前記ダイアフラム上の外周近傍に設けられる前記接続領域を除いて、第３の犠牲層を配設する第５の工程と、
前記庇形成用第１の部材上、前記接続領域上、及び、前記第３の犠牲層上に、庇形成用第２の部材を配設する第６の工程と、
前記接続領域外側における一部領域の、前記庇形成用第２の部材及び前記庇形成用第１部材をパターニング除去すると共に、前記第３の犠牲層上の開口部となる領域の前記庇形成用第１の部材をパターニング除去して、庇部を形成する第７の工程と、
前記庇形成用第１の部材及び前記庇形成用第２の部材を除去した領域から、前記第１の犠牲層、前記第２の犠牲層、及び、前記第３の犠牲層を除去する第８の工程と、
を少なくとも有することを特徴とする熱型赤外線固体撮像素子の製造方法。 - 前記第４の工程の後に、
前記ダイアフラム上、前記庇形成用第１の部材上、及び、パターニング除去によって形成された前記第２の犠牲層側壁上に、犠牲層保護膜を配設する工程を加えたことを特徴とする請求項８又は９に記載の熱型赤外線固体撮像素子の製造方法。 - 前記庇形成用第２の部材の材料として導電性物質を用いることを特徴とする請求項８乃至１０のいずれか一に記載の熱型赤外線固体撮像素子の製造方法。
- 前記第１の犠牲層、前記第２の犠牲層、及び、前記第３の犠牲層の材料としてポリイミドを用いることを特徴とする請求項８乃至１１のいずれか一に記載の熱型赤外線固体撮像素子の製造方法。
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