JP2010021184A - 赤外線センサ素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】積層膜の剥離の発生を防止ししつつ所望の中空構造を容易に形成することができる赤外線センサ素子の製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】
ＳＯＩ基板準備工程と、ＳＯＩ基板に熱検出部及びこれ電気的に接続される配線を形成する熱検出構造形成工程と、少なくとも窒化シリコン膜を含む絶縁層を形成する絶縁層形成工程と、絶縁層上にガス流入開口を含む赤外線受光部形成する受光部形成工程と、ＳＯＩ基板に到達する貫通孔を形成する貫通孔形成工程と、貫通孔を介してエッチングを施すことによって半導体基板に空隙を形成する空隙形成工程と、を有し、貫通孔形成工程において窒化シリコン膜を露出することなく貫通孔を形成する。
【選択図】図４

Description

本発明は、赤外線センサ素子の製造方法に関し、特に、断熱性に優れる非冷却赤外線検出装置用の赤外線センサ素子の製造方法に関するものである。

地球上に存在する物体は基本的に温度に依存した赤外線（波長：０．７５〜１０００μｍ）を発しており、種々の装置によってかかる赤外線を検出することが可能である。例えば、赤外線カメラでは、上述した波長のなかでも特に大気の透過率の高いＭＷＩＲ（Middle Wavelength Infrared：３〜５μｍ）、ＬＷＩＲ（Long Wavelength Infrared：８〜１４μｍ）の波長領域を検出することができる。かかる赤外線の検出により暗闇の中でも対象物を認識して熱画像を表示し、又は対象物の温度を計測することができる故、赤外線カメラは防犯及び火災のための監視用、夜間における自動車の安全運転を確保するための車載用並びにプロセス監視及び電気保守等の温度異常モニタリング用等の幅広分野において利用されている。

上述した赤外線カメラには赤外線センサ素子を含む赤外線センサが内蔵されており、かかる赤外線センサは量子型又は熱型に分類することができる。半導体基板上にＰＮ接合領域からなる熱検出部を有する熱型赤外線センサは、狭バンドキャップ半導体を用いた量子型赤外線センサよりも価格、大きさ及び消費電力の観点において優れている。一方で、赤外線受光部に入射した赤外線を熱に変換し、赤外線受光部と接続した熱検出部の温度変化を測定する熱型赤外線センサは、その性能面において量子型赤外線センサよりも劣っている。

赤外線センサの性能の１つを表わす感度Ｒは、一般に次式によって定義されている。

数式１において、ΔＴｄは入射エネルギーによる熱検出部の温度変化を示し、Ｐｉｎは入射エネルギー総量を示し、Ｖｓは熱検出部の出力電圧を示す。数式１より感度Ｒを向上させるためには、入射エネルギーに対する熱検出部の温度変化率を大きくする観点から熱検出部とその周囲の熱抵抗（ケルビン／ワット）を増大させること、熱検出部の温度係数（ボルト／ケルビン）を大きくすること等が必要である。熱検出部とその周囲の熱抵抗を増大させるための具体例としては、熱検出部を半導体基板の上方の中空に浮かせ、且つ細長い支持脚で支持する断熱構造を構築するものがある。かかる断熱構造を構築するための技術には、マイクロマシン技術が必須となる。

熱検出部を中空に浮かせるための中空構造を形成するためには、水酸化カリウム（ＫＯＨ）又は水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）等のアルカリ溶液によるウエットエッチング技術を利用する方法がある。また、二フッ化キセノン（ＸｅＦ₂）によるドライエッチング技術を利用する方法もある。ＫＯＨ又はＴＭＡＨを利用したウエットエッチングにおいては、結晶方位によるエッチングレートの差異を生じることから半導体基板の底面に向かって進行する（すなわち、鉛直方向）エッチングは速く進行するが、鉛直方向に直交する方向（すなわち、水平方向）へのエッチングの進行は遅くなる。かかるエッチングレートの差異により半導体基板が斜めにエッチングされ、中空構造の自由度が制限される問題点があった。一方で、ＸｅＦ₂を利用したドライエッチングにおいては、かかる問題点を解消することができ等方的にエッチングを施すことができる。また、ＸｅＦ₂を利用したドライエッチングにおいては、半導体基板よりも酸化シリコン、窒化シリコン、レジスト、アルミニウム及び窒化チタン等におけるエッチング速度が遅いという高い選択性がある。これにより、例えば酸化シリコン被覆が被覆されたトレンチ及び熱検出部下方の酸化シリコン膜をエッチングストッパとして機能させ、半導体基板の所定領域のみをエッチングすることが可能となる。このようなエッチングストッパとして機能する酸化シリコンを有する構造及びＸｅＦ₂を利用したドライエッチングにより、所望の中空構造が形成される。

上述した中空構造を備える熱型赤外線センサについては特許文献１によってその代表的な構造が開示されている。また、エッチングの選択性を利用することにより、深さの異なる位置に形成された配線層又はゲート電極等に接続されるコンタクトプラグ用の深さの異なるビアホールを形成する方法が特許文献２乃至４に開示されている。
特開２０００−８８６４０ 特開平９−１５３５４５ 特開平９−１７２０６７ 特開平９−３０６９８８

特許文献２乃至４には、窒化シリコン膜をエッチングストッパ膜として利用し、酸化シリコン膜の所望の領域をエッチングすることが開示されている。具体的には、酸化シリコン膜上に形成された窒化シリコン膜の一部分（後に、ビアとなる部分）を予め除去して開口を形成し、かかる窒化シリコン膜上に更に追加酸化シリコンを堆積させる。その後、所定のレジスト膜を形成してエッチングを施すことで、不要な追加酸化シリコン膜を除去し、且つ窒化シリコン膜の開口から酸化シリコン膜に所望のビアホールが形成される。

一方で、中空構造を形成するためのＸｅＦ₂を利用したドライエッチングにおいては、半導体基板に比べてエッチング速度は大幅に低下するものの、窒化シリコン膜と酸化シリコン膜との間にもエッチング速度差があり、酸化シリコンに比べて窒化シリコンにおけるエッチング速度が速いことが知られている。すなわち、窒化シリコン膜は酸化シリコン膜のエッチング時においてはエッチングストッパ膜として機能するが、半導体基板のエッチング時においては酸化シリコン膜よりもエッチングが進行しやすくなる。

また、上述した熱型の赤外線センサ素子の構造においては、中空構造を形成するためのＸｅＦ₂を流入する流入口は窒化シリコン膜及び酸化シリコン膜をエッチングするため、窒化シリコン膜及び酸化シリコン膜がかかる流入口において露出する。従って、流入口における窒化シリコン膜の露出がある状態でのＸｅＦ₂による半導体基板のエッチングは、酸化シリコン膜と窒化シリコン膜との間における積層膜の剥離の発生原因となる。

また、窒化シリコンの選択性は成膜方法に依存し、例えばプラズマＣＶＤで形成した窒化シリコンは、熱ＣＶＤで形成した窒化シリコンよりも２桁エッチング速度が速くなる。すなわち、窒化シリコンの成膜方法によって積層膜の剥離の発生率が高くなる場合もある。

本発明は、以上の如き事情に鑑みてなされたものであり、赤外線センサ素子の中空構造形成のために施す半導体基板へのエッチング工程において、積層膜の剥離の発生を防止ししつつ所望の中空構造を容易に形成することができる赤外線センサ素子の製造方法を提供する。

上述した課題を解決するために、本願発明の赤外線センサ素子の製造方法は、半導体基板上に埋め込み酸化膜を挟んで積層されたＳＯＩ層を有するＳＯＩ基板を準備し、ＳＯＩ層に熱検出部及びこれに電気的に接続される配線を形成し、少なくとも窒化シリコン膜を含む複数の絶縁膜からなる絶縁層によって熱検出部及び配線を覆い、絶縁層上にガス流入開口を含む赤外線受光部形成し、ガス流入開口の鉛直下方に半導体基板に到達する貫通孔を形成し、貫通孔を介してエッチングを施すことによって半導体基板に空隙を形成する工程を有して、貫通孔を形成する工程において窒化シリコン膜を露出することなく貫通孔を形成する。

また、上述した課題を解決するために、本願発明の赤外線センサ素子の製造方法は、半導体基板上に埋め込み酸化膜を挟んで積層されたＳＯＩ層を有するＳＯＩ基板を準備するＳＯＩ基板準備工程と、ＳＯＩ層にエッチングを施して熱検出領域及び配線領域を形成し、熱検出領域にイオン注入によりダイオードを形成するとともに配線領域に金属を堆積し、入射赤外線に応じた熱を検出する熱検出部と、熱検出部に電気的に接続されて熱検出部により生成される熱検出信号を外部に供給する配線と、を形成する熱検出構造形成工程と、熱検出部及び配線を覆い、少なくとも窒化シリコン膜を含む複数の絶縁膜からなる絶縁層を形成する絶縁層形成工程と、絶縁層上に受光絶縁膜及び金属膜を堆積することによって積層構造を有する赤外線受光部を形成する赤外線受光部形成工程と、赤外線受光部にエッチングを施すことによってガス流入開口を形成するガス流入開口形成工程と、ガス流入開口の鉛直下方に半導体基板に到達する貫通孔を形成する貫通孔形成工程と、貫通孔を介しエッチングガスを流入し、ドライエッチングを施すことによって半導体基板に空隙を形成する空隙形成工程と、を有し、絶縁層形成工程は、窒化シリコン膜にガス流入開口に対向し且つ貫通孔の幅よりも広い幅の断続部を形成する断続部形成工程と、断続部を覆う保護絶縁膜を形成する保護絶縁膜形成工程とを有することを特徴とする。

また、上述した課題を解決するために、本願発明の赤外線センサ素子の製造方法は、半導体基板上に埋め込み酸化膜を挟んで積層されたＳＯＩ層を有するＳＯＩ基板を準備するＳＯＩ基板準備工程と、ＳＯＩ層にエッチングを施して熱検出領域及び配線領域を形成し、熱検出領域にイオン注入によりダイオードを形成するとともに配線領域に金属を堆積し、入射赤外線に応じた熱を検出する熱検出部と、熱検出部に電気的に接続されて熱検出部により生成される熱検出信号を外部に供給する配線と、を形成する熱検出構造形成工程と、熱検出部及び配線を覆い、少なくとも窒化シリコン膜を含む複数の絶縁膜からなる絶縁層を形成する絶縁層形成工程と、熱検出部及び配線を覆い、少なくとも窒化シリコン膜を含む複数の絶縁膜からなる絶縁層を形成する絶縁層形成工程と、絶縁層上に受光絶縁膜及び金属膜を堆積することによって積層構造を有する赤外線受光部を形成する赤外線受光部形成工程と、赤外線受光部にエッチングを施すことによってガス流入開口を形成するガス流入開口形成工程と、ガス流入開口の鉛直下方に半導体基板に到達する貫通孔を形成する貫通孔形成工程と、貫通孔の側面に窒化シリコン膜を覆う保護膜を形成する保護膜形成工程と、当該保護膜が形成された貫通孔を介しエッチングガスを流入し、ドライエッチングを施すことによって半導体基板に空隙を形成する空隙形成工程と、を有することを特徴とする。

本発明の赤外線センサ素子の製造方法によれば、赤外線センサ素子の中空構造形成のために流入するエッチングガスの流入口の側面におけるエッチング選択性の低い保護膜の露出を防止することによって、積層膜の剥離の発生を防止しつつ所望の中空構造を容易に形成することができる。

発明を実施するための形態

以下、本発明の実施例について添付図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１乃至図４を参照しつつ、本発明の実施例によって製造される赤外線センサ素子の構造について詳細に説明する。

図１（ａ）は赤外線センサ素子１０の正面図を示し、図１（ｂ）は赤外線センサ素子１０の平面図を示している。図１（ａ）から判るように、半導体基板であるシリコン基板１１上に埋め込み酸化膜１２が形成されている。また、シリコン基板１１の内部には埋め込み酸化膜１２からシリコン基板１１の底面に向かって伸びたエッチングストッパ壁１３が埋め込まれている。埋め込み酸化膜１２上には、埋め込み酸化膜１２よりも厚い第１酸化シリコン膜１４が形成されている。また、第１酸化シリコン膜１４上には、第１酸化シリコン膜１４よりも薄い窒化シリコン膜１５が形成されている。更に、窒化シリコン膜上１５には、窒化シリコン膜１５よりも厚い第２酸化シリコン膜１６が形成されている。すなわち、保護絶縁膜である第２酸化シリコン膜１６と追加保護絶縁膜である第１酸化シリコン膜１４とによって、窒化シリコン膜１５を挟んだ３層構造の絶縁層（中空絶縁層）２０が形成されている。第２酸化シリコン膜１６には、後述する赤外線受光部を透過した赤外線を反射する反射膜１７が形成されている。例えば、反射膜１７は、チタン又はアルミニウム等の薄膜であっても良い。反射膜１７上には、赤外線を受光するための赤外線受光部１８が反射膜１７に対して部分的に接続されている。赤外線受光部１８は、反射膜１７と平行な平面部１８ａを有し、平面部１８ａの略中央部には反射膜１７と接続するために下方に向かって伸びる接続部１８ｂを有している。また図１（ｂ）から判るように、赤外線受光部１８の略中央部分には２つのガス流入開口１９ａ、１９ｂが設けられている。このガス流入開口１９ａ、１９ｂは後述するシリコン基板１１の中空構造の形成時に流入するエッチングガスの流入口として用いられる。なお、赤外線受光部１８は、第１受光絶縁膜（図示せず）と、かかる第１受光絶縁膜上に形成される金属膜（図示せず）と、かかる金属膜上に形成される第２受光絶縁膜（図示せず）と、から構成される３層構造であっても良い。例えば、第１及び第２受光絶縁膜は、酸化シリコン又は窒化シリコンからなる薄膜を含んでいても良い。また、金属膜はチタン、クロム若しくはバナジウムからなる薄膜を含んでいても良い。更に、チタン、クロム若しくはバナジウムからなる薄膜に代えて、金属膜はチタン、クロム又はバナジウムの窒化物、酸化物又は炭化物からな薄膜を含んでいても良い。なお、第２受光絶縁膜を堆積せずに、第１受光絶縁膜及び金属膜からなる２層構造でも良い。図１（ｂ）において、ガス流入開口１９ａ、１９ｂはその長辺方向に対してずれているが、赤外線センサ素子の構造に応じて長辺方向において並列して形成しても良い。更に、ガス流入開口１９ａ、１９ｂは、赤外線センサ素子の構造に応じて正方形又は円状の形状であっても良い。

図２は、図１（ａ）における線２−２（一点鎖線で示す）における断面図を示している。図２から判るように、第２酸化シリコン膜１６には２つの開口（絶縁層開口）２１、２２が形成されている。開口２１、２２は図２の左右方向に広がる開口部（絶縁層開口部）２１ａ、２２ａをそれぞれ有している。また、開口部２１は開口部２１ａから開口部２２ａに向かって伸長する開口部２１ｂ乃至２１ｅを有し、開口部２２は開口部２２ａから開口部２１ｂに向かって伸長する開口部２２ｂ乃至２２ｅを有している。第２酸化シリコン膜１６は、開口部２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｅの外側に位置する縁部１６ａと、開口部２１ａ、２１ｄ、２２ａ、２２ｃによって囲まれた中央部１６ｂと、縁部１６ａと中央部１６ｂを接続する２つの梁部１６ｃと、から構成されている。更に、開口部２１ｄは赤外線受光部１８のガス流入開口１９ｂに対向し、開口部２２ｃは赤外線受光部１８のガス流入開口１９ａに対向している。

図３は、図１（ａ）における線３−３（一点鎖線で示す）における断面図を示している。図３から判るように、線３−３における断面においても開口２１、２２が形成されている。第２酸化シリコン膜１６の中央部１６ｂに対応する部分（すなわち、中央部１６ｂの下層に位置する部分）の中央部には、高濃度Ｐ型領域３１、低濃度Ｎ型領域３２及び高濃度Ｎ型領域３３から構成されるダイオード３４が２つ並んでいる。ダイオード３４同士は接続電極（ダイオード接続電極）３５によって電気的に接続されている。ダイオード３４及び接続電極３５によって矩形状の熱検出部３６が構成される。熱検出部３６の両端（短辺部分）には、第２酸化シリコン膜１６の梁部１６ｃに対応する部分（すなわち、梁部１６ｃの下層に位置する部分）に沿って第１酸化シリコン膜１４まで伸びる配線３７が電気的に接続されている。熱検出部３６及び配線３７によって熱検出構造３８が形成される。かかる構造によって、熱検出部３６から得られる熱検出信号を配線３７を介して外部に供給することができる。なお、ダイオード３４は、高濃度Ｎ型領域、低濃度Ｐ型領域及び高濃度Ｐ型領域によって構成されていても良い。また、熱検出部３６は、上述したような２つのダイオード３４及び接続電極３５からなる構造に限られず、１つのダイオード又は３以上のダイオードから構成されても良い。なお、第１酸化シリコン膜１４は、図３に示された縁部分だけでなく、開口部２１ｂ、２１ｄ、２２ｃ、２２ｅに沿っても形成されている。

図４（ａ）は、図１（ｂ）における線４ａ−４ａ（一点鎖線で示す）における断面図を示している。また、図４（ｂ）は図４（ａ）の線４ｂ（一点鎖線で示す）で囲まれた部分の拡大図を示している。図４（ａ）から判るように、シリコン基板１１内部にはエッチングストッパ壁１３に囲まれる領域に空隙４１が形成されている。空隙４１によって、シリコン基板１１上に熱検出部３６及び配線３７を含む所望の中空構造が形成されている。赤外線センサ素子１０には、埋め込み酸化膜１２、第１酸化シリコン膜１４、窒化シリコン膜１５、第２酸化シリコン膜１６及び反射膜１７を貫通する開口部２１ｂ乃至２１ｅ及び開口部２２ｂ乃至２２ｅが形成されている。図４（ａ）、（ｂ）から判るように、開口部２１ｄ、２２ｃが形成される部分においては、第１酸化シリコン膜１４が凹型形状を有している。また、窒化シリコン膜１５は第１酸化シリコン膜１４の凹型形状に沿って所定の膜厚で形成されており、かかる凹型形状の底面において開口部２１ｄ、２２ｃの幅よりも広い幅で離間している。すなわち、窒化シリコン膜１５は開口部２１ｄ、２２ｃにおいては露出しておらず、第２酸化シリコン膜１６によって覆われている。開口部２１ｄ、２２ｃはシリコン基板１１にドライエッチングを施すためのＸｅＦ₂の流入口でもあるため、かかる窒化シリコン膜１５が露出しない構造によってドライエッチング時における窒化シリコン膜と酸化シリコン膜との積層膜の剥離の発生を防止することができる。なお、図４（ａ）、（ｂ）に図示されていないが、開口部２１ａ、２２ａについても埋め込み酸化膜１２、第１酸化シリコン膜１４、窒化シリコン膜１５、第２酸化シリコン膜１６及び反射膜１７を貫通し空隙４１に到達している。

次に、本発明の実施例としての赤外線センサ素子の製造方法を図５乃至１５を参照しつつ詳細に説明する。

先ず、半導体基板１１、埋め込み酸化膜１２及びＳＯＩ（Silicon On Insulator）層５１からなるＳＯＩ基板５２を準備する（図５（ａ））。ＳＯＩ基板５２は、貼り合わせ法又はＳＩＭＯＸ（Silicon Implanted Oxide）法等の方法で形成されていても良い。なお、ＳＩＭＯＸ法で、プライムウエハ表面から高エネルギー且つ高濃度の酸素をイオン注入し、その後熱処理で注入酸素とシリコンを反応させ、ウエハ表面近傍の内部に酸化シリコンからなる絶縁層を形成する。一方、貼り合わせ法では、表面に酸化シリコン膜を形成したウエハと、かかるウエハとは別のウエハを熱と圧力で接着し、片側のウエハを途中まで研削除去することによってＳＯＩ基板を形成する。なお、ＳＯＩ層５１はＰ型及びＮ型のいずれの半導体基板であっても良く、本実施例においてはＮ型の半導体基板を使用している場合について説明する。

次に、準備したＳＯＩ基板５２上にレジストを塗布する。続いて、リソグラフィによってかかるレジストをパターンニングする。更に、パターンニングしたレジストをマスクとしてエッチングを行い、エッチングストッパ壁１３用の開口溝を形成する。かかるレジストを除去した後に、ＣＶＤ法によってかかる開口溝に酸化シリコンを堆積する。その後、開口溝以外の部分（すなわち、ＳＯＩ層５１上）に堆積した酸化シリコンをドライエッチングやＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法によって除去し、ＳＯＩ基板５２内にエッチングストッパ壁１３を形成する（図５（ｂ）、（ｃ））。また、図５（ｃ）に示されているように、赤外線センサ素子１０の側面への空隙４１（図４（ａ）参照）の到達を防止するために、エッチングストッパ壁１３を赤外線センサ素子１０の上記側面から所定の間隔を置き且つ上記側面に沿って形成する。なお、開口溝内部に埋め込まれる酸化シリコンを酸化シリコン膜／多結晶シリコン膜等の積層構造としても良い。

次に、ＳＯＩ基板５２上にレジストを再度塗布する。続いて、リソグラフィによってかかるレジストをパターンニングする。更に、パターンニングしたレジストをマスクとしてエッチングを行い、ＳＯＩ層５１を所望の形状に加工して下地部を形成する。具体的には図６（（ａ）、（ｂ））に示されるように、埋め込み酸化膜１２の中央部分に位置する矩形状の熱検出領域５１ａと、熱検出領域５１ａの短辺部分からエッチングストッパ壁１３に伸びる配線領域５１ｂと、からなる形状（すなわち、下地部）に加工する。エッチングによる加工後にかかるレジストを除去する。続いて、熱検出領域５１ａの破線によって区切られた矩形領域６１にボロンを、矩形領域６２、６３にリンをイオン注入する。かかるイオン注入によって、熱検出領域５１ａに高濃度Ｐ型領域３１、低濃度Ｎ型領域３２及び高濃度Ｎ型領域３３が形成される。また、高濃度Ｐ型領域３１、低濃度Ｎ型領域３２及び高濃度Ｎ型領域によってダイオード３４が構成される（図７（ｂ））。更に、配線領域５１ｂ及び熱検出領域５１ａの矩形領域６４にチタン又はコバルト等の金属を堆積し、熱処理を施す。かかる熱処理によって配線領域５１ｂに熱検出部３６から電気信号を取り出すための配線３７が形成され、矩形領域６４にダイオード３４同士を接続する接続電極３５が形成される（図７（ａ）、（ｂ））。なお、ダイオード３４及び接続電極３５によって入射赤外線に応じた熱を検出する熱検出部３６が構成される。更に、熱検出部３６及び配線３７から熱検出構造３８が構成される。

次に、ＣＶＤ法によって埋め込み酸化膜１２上に第１酸化シリコン膜１４を堆積する。かかるシリコン酸化膜１４の堆積により、熱検出部３６及び配線３７がシリコン酸化膜１４によって覆われる。ここで、シリコン酸化膜１４は、熱検出部３６及び配線３７の形状に沿って堆積する。従って、シリコン酸化膜１４は、熱検出部３６と配線３７とが接続されていない熱検出部３６の側面に沿い、且つ熱検出部３６と配線３７の間に２つの溝７１を有している（図７（ｃ））。

次に、ＣＶＤ法によって第１酸化シリコン膜１４上に所望の厚さの窒化シリコン膜１５を堆積する。（図８（ａ））。ここでは、溝７１上にも所定の膜厚の窒化シリコン膜１５が形成され、溝８１が形成される。その後、窒化シリコン膜１５上にレジストを塗布する。続いて、リソグラフィによってかかるレジストをパターンニングする。更に、パターンニングしたレジストをマスクとしてエッチングを行う。かかるエッチングによって、窒化シリコン膜１５の断続部である開口（断続開口）８２が形成され、第１酸化シリコン膜１４が部分的に露出される（図８（ｂ））。

次に、ＣＶＤ法によって窒化シリコン膜１５上に第２酸化シリコン膜１６を堆積する。第２酸化シリコン膜１６の堆積により、溝８１及び開口８２が第２酸化シリコン膜１６によって覆われる。続いて、堆積した第２酸化シリコン膜１６をドライエッチング又はＣＭＰ法によって平坦化する（図８（ｃ））。なお、第２酸化シリコン膜１６の替わりに炭化シリコン膜、ボロン・リン添加酸化シリコン膜、又はリン添加酸化膜を堆積しても良い。続いて、スパッタリング等によって第２酸化シリコン膜１６上に反射膜１７を堆積する。反射膜１７は、チタン又はアルミニウム等からなる薄膜であっても良い。反射膜１７によって赤外線受光部１８を透過した赤外線を反射することができるため、赤外線センサ素子１０は赤外線受光部１８における赤外線吸収効率を向上することができる。

次に、反射膜１７上にレジストを塗布する。続いて、リソグラフィによってかかるレジストをパターンニングする。更に、パターンニングしたレジストをマスクとしてエッチングを行う。かかるエッチングによって、埋め込み酸化膜１２、第１酸化シリコン膜１４、窒化シリコン膜１５、第２酸化シリコン膜１６、反射膜１７及び配線３７を貫通する開口部２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｅ、２２ａ、２２ｂ、２２ｄ、２２ｅが形成される（図９（ａ）、（ｂ））。かかる開口部を形成することによって、縁部１６ａ及び梁部１６ｃ（図２参照）の一部分が形成される。また、かかる開口部を形成することによって、図３に示されるような配線３７の形状が形成される。

次に、ＣＶＤ法によって第２酸化シリコン膜１６上に犠牲層１０１を形成する。かかる犠牲層１０１の形成により、開口部２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｅ、２２ａ、２２ｂ、２２ｄ、２２ｅが犠牲層１０１によって覆われる。その後、フォトリソグラフィによって、溝（犠牲層溝）１０２を犠牲層１０１に形成する（図１０（ａ）、（ｂ））。例えば、犠牲層１０１はポリイミド又はレジスト等であっても良い。

次に、ＣＶＤ法によって犠牲層１０１及び溝１０２の表面上に第１受光絶縁膜（図示せず）を堆積する。続いて、スパッタ法等によって第１受光絶縁膜上に金属膜（図示せず）を堆積する。更に、ＣＶＤ法によって金属膜上に第２受光絶縁膜（図示せず）を堆積する。これらの３つの膜（すなわち、第１受光絶縁膜、金属膜、第２受光絶縁膜）から赤外線受光部１８が構成される（図１１（ａ））。なお、第２受光絶縁膜を堆積せずに、第１受光絶縁膜及び金属膜からなる２層構造でも良い。ここで、第１及び第２受光絶縁膜は酸化シリコン又は窒化シリコンからなる薄膜を含んでいても良い。また、金属膜はチタン、クロム若しくはバナジウムからなる薄膜を含んでいても良い。更に、チタン、クロム若しくはバナジウムからなる薄膜に代えて、金属膜はチタン、クロム又はバナジウムの窒化物、酸化物又は炭化物からな薄膜を含んでいても良い。

次に、赤外線受光部１８上にレジストを塗布する。続いて、リソグラフィによってかかるレジストをパターンニングする。更に、パターンニングしたレジストをマスクとしてエッチングを行う。かかるエッチングによって、赤外線受光部１８に溝（受光溝）１１１及びガス流入開口１９ａ、１９ｂが形成される（図１１（ｂ）、図１２（ａ））。ここで、溝１１１は赤外線受光部１８の縁部に沿って形成される。縁部に沿って形成することにより、隣接して形成された赤外線センサ素子の赤外線受光部同士の接触を防止することができる。また、ガス流入開口１９ａ、１９ｂは窒化シリコン膜１５の開口８２（図８参照）の上方且つ対向する位置に形成される。但し、ガス流入開口１９ａ、１９ｂの幅は開口８２の幅より小さいことが望ましい。これは、後述する貫通孔の形成時において窒化シリコン膜１５の露出を防止するためである。

次に、赤外線受光部１７上にレジスト１２１を塗布する。更に、リソグラフィによってレジスト１２１にマスク開口１２２を形成する（図１２（ｂ））。マスク開口１２２の幅は、開口８２及びガス流入開口１９ａ、１９ｂの幅よりも小さく、且つ、開口８２及びガス流入開口１９ａ、１９ｂに対向した上方に形成される。これは、後述する貫通孔の側面に窒化シリコン膜１５及び赤外線受光部１８を構成する窒化シリコンの露出を防止するためである。更に、レジスト１２１をマスクとしてエッチングを行う。かかるエッチングによって、犠牲層１０１から埋め込み酸化膜１２までを貫通する貫通孔１３１が形成される（図１３（ａ）、（ｂ））。すなわち、貫通孔１３１は赤外線受光部１８のガス流入開口１９ａ、１９ｂから鉛直下方に向かって伸び、シリコン基板１１にまで到達する。また、図１４から判るように、窒化シリコン膜１５が第２酸化シリコン膜１６によって覆われているため、貫通孔１３１の側面には窒化シリコン膜１５が露出することはない。なお、貫通孔１３１の埋め込み酸化膜１２、第１酸化シリコン膜１４、窒化シリコン膜１５、第２酸化シリコン膜１６及び反射膜１７を貫通する部分は、開口部２１ｄ、２２ｃ（図２、図４（ａ）、図１５（ｂ）参照）に対応する。

次に、貫通孔１３１を介してＸｅＦ₂を導入し、シリコン基板１１にドライエッチングを行う。かかるドライエッチングによって、シリコン基板１１に所望の空隙４１が形成される（図１５（ａ））。続いて、不用な犠牲層１０１及びレジスト１２１を除去する。かかる除去によって開口部２１ａ乃至２１ｄ（開口部２１ａについては図２、図９を参照）からなる開口２１、開口部２２ａ乃至２２ｄ（開口部２２ａについては図２、図９を参照）からなる開口２２及び空隙４１から中空構造が形成され、赤外線センサ素子１０が完成する（図１５（ｂ））。

以上のように、本実施例による赤外線センサ素子の製造方法によれば、赤外線センサ素子１０の中空構造形成のために流入するエッチングガスの流入口である貫通孔の側面における選択性の低い窒化シリコン膜１５の露出を防止することによって、積層膜の剥離の発生を防止ししつつ所望の中空構造を容易に形成することができる。

第１の実施例においては、窒化シリコン膜１５の溝８１の底部に第１酸化シリコン膜１４を露出させる開口８２を形成しているが、開口８２を形成することなく第２酸化シリコン膜１６を形成しても良い。但し、第２酸化シリコン膜１６から埋め込み酸化膜１２までを貫通する貫通孔を形成した場合に、窒化シリコン膜１５が貫通孔の側面に露出することがないようにする必要がある。かかる赤外線センサ素子の構造及び製造方法について図１６乃至２１を参照しつつ詳細に説明する。なお、第１の実施例と同様の構造及び同様の製造工程についてはその説明を省略する。また、第１の実施例と同様の構造部分には同一符号を付する。

図１６（ａ）は赤外線センサ素子１００の断面図を示しており、図１６（ｂ）は、図１６（ａ）における線４００（一点鎖線で示す）によって囲まれた領域の拡大図である。図１６（ａ）、（ｂ）に示されているように、本実施例によって形成される赤外センサ素子１００を構成する窒化シリコン膜１５は、開口部２１ｄ、２２ｃにおいて露出している。かかる構造によって、窒化シリコン膜１５の溝８１の底部に開口８２を形成する工程が不用となり、製造工程数を減少することが可能となる。

次に、本実施例における赤外線センサ素子１００の製造方法について図１７乃至図２１を参照しつつ詳細に説明する。なお、ＳＯＩ基板５２の準備（図５（ａ））から第１酸化シリコン膜１４に溝７１を形成する工程（図７（ｃ））までは、同一であるため、その説明は省略する。

溝７１を有する第１酸化シリコン膜１４を形成した後、ＣＶＤ法によって第１酸化シリコン膜１４上に所望の厚さの窒化シリコン膜１５を形成する。（図１７（ａ））。ここでは、溝７１上にも所定の膜厚の窒化シリコン膜１５が形成され、溝１７１が形成される。続いて、ＣＶＤ法によって窒化シリコン膜１５上に第２酸化シリコン膜１６を堆積させる。続いて、堆積した第２酸化シリコン膜１６をドライエッチング又はＣＭＰ法によって平坦化する（図１７（ｂ））。なお、第１の実施例と同様に、第２酸化シリコン膜１６に代えて炭化シリコン膜、ボロン・リン添加酸化シリコン膜、又はリン添加酸化膜を堆積しても良い。続いて、スパッタリング等によって第２酸化シリコン膜１６上に反射膜１７を堆積する（図１７（ｃ）。更に、第１の実施例と同様用にして開口部２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｅ、２２ａ、２２ｂ、２２ｄ、２２ｅを形成する（図１７（ｃ）、開口部２１ａ、２２ｂについては図２及び図９参照）
次に、第１の実施例と同様にして、犠牲層１０１及び溝１０２の形成し（図１８（ａ）、溝１１１に囲まれ且つガス流入開口１９ａ、１９ｂを有する赤外線受光部１８の形成（図１８（ｂ）、（ｃ））する。続いて、ガス流入開口１９ａ、１９ｂを介してドライエッチングを施すことによって、犠牲層１０１から埋め込み酸化膜１２までを貫通する貫通孔１９１を形成する。（図１９（ａ））。なお、第１の実施例と同様に、貫通孔１８１の埋め込み酸化膜１２、第１酸化シリコン膜１４、窒化シリコン膜１５、第２酸化シリコン膜１６及び反射膜１７を貫通する部分は、開口部２１ｃ、２２ｄ（図１６（ａ）、図２１（ｂ）参照）に対応する。

次に、ＣＶＤ法等を用いて貫通孔１９１の側面及び底面並びに赤外線受光部１８及び犠牲層９１の表面に所定の膜厚の保護膜であるカーボン保護膜１９２を形成する（図１９（ｂ））。なお、貫通孔１９１の側面及び底面並びに赤外線受光部１８及び犠牲層９１の表面に形成される保護膜はカーボン保護膜１９２に限られることなく、例えば、カーボンを含む有機膜であって良い。このカーボン保護膜１９２によって、窒化シリコン膜１５及び赤外線受光部１８を構成する窒化シリコンの露出を防止し、後述するＸｅＦ₂によるドライエッチング時の窒化シリコン膜と酸化シリコン膜との積層膜の剥離の発生を防止することができる。続いて、周知のエッチング技術を用いて貫通孔１９１の側面並びに赤外線受光部１８の接続部１７ｂの側面及び底面に形成されたカーボン保護膜１９２以外を除去する（図１９（ｃ）、図２０）。ここで、貫通孔１９１の底面に形成されたカーボン保護膜１９２が除去されることにより、上述するＸｅＦ₂によるシリコン基板１１のドライエッチングが可能となる。また、図２０から判るように、窒化シリコン膜１５が保護膜であるカーボン保護膜１９２によって覆われているため、貫通孔１９１の側面には窒化シリコン膜１５が露出することはない。

次に、カーボン保護膜１９２によって側面を覆われた状態で貫通孔１９１を介してＸｅＦ₂を導入し、シリコン基板１１にドライエッチングを行う。かかるドライエッチングによって、シリコン基板１１に所望の空隙４１が形成される（図２１（ａ））。続いて、不用な犠牲層１０１及びカーボン保護膜１９２を除去する。かかる除去によって中空構造を有する赤外線センサ素子１００が完成する（図２１（ｂ））。

以上のように、第２の実施例による赤外センサ素子の製造方法によれば、第１の実施例と比較して窒化シリコン１５に開口８２を形成する工程が不用となり、製造工程数の減少を図ることが可能となる。

（ａ）は本発明の本発明の第１の実施例としての赤外線センサ素子の製造方法によって製造される赤外線センサ素子の正面図あり、（ｂ）は本発明の第１の実施例によって製造される赤外線センサ素子の平面図である。 図１（ａ）における線２−２における断面図である。 図１（ａ）における線３−３における断面図である。 （ａ）は本発明の第１の実施例としての赤外線センサ素子の製造方法によって製造される赤外線センサ素子の断面図であり、（ｂ）は図４（ａ）の線４ｂによって囲まれた部分の拡大図である。 （ａ）は本発明の第１の実施例としての赤外線センサ素子の各製造工程における断面図であり、（ｂ）は本発明の第１の実施例としての赤外線センサ素子の各製造工程における断面図であり、（ｃ）は図５（ｂ）に示された工程における平面図である。 （ａ）は本発明の第１の実施例としての赤外線センサ素子の各製造工程における断面図であり、（ｂ）は図６（ａ）に示された工程における平面図である。 （ａ）は本発明の第１の実施例としての赤外線センサ素子の各製造工程における断面図であり、（ｂ）は図７（ａ）に示された工程における平面図であり、（ｃ）は本発明の第１の実施例としての赤外線センサ素子の各製造工程における断面図である。 本発明の第１の実施例としての赤外線センサ素子の各製造工程における断面図である。 （ａ）は本発明の第１の実施例としての赤外線センサ素子の各製造工程における断面図であり、（ｂ）は図９（ａ）に示された工程における平面図である。 （ａ）は本発明の第１の実施例としての赤外線センサ素子の各製造工程における断面図であり、（ｂ）は図１０（ａ）に示された工程における平面図である。 本発明の第１の実施例としての赤外線センサ素子の各製造工程における断面図である。 （ａ）は図１１（ｂ）に示された工程における平面図であり、（ｂ）は本発明の第１の実施例としての赤外線センサ素子の各製造工程における断面図である。 （ａ）は本発明の第１の実施例としての赤外線センサ素子の各製造工程における断面図であり、（ｂ）は図１３（ａ）に示された工程における平面図である。 図１３（ａ）の線３００によって囲まれた部分の拡大図である。 本発明の第１の実施例としての赤外線センサ素子の各製造工程における断面図である。 （ａ）は本発明の第２の実施例としての赤外線センサ素子の製造方法によって製造される赤外線センサ素子の断面図であり、（ｂ）は図１６（ａ）の線４００によって囲まれた部分の拡大図である。 本発明の第２の実施例としての赤外線センサ素子の各製造工程における断面図である。 本発明の第２の実施例としての赤外線センサ素子の各製造工程における断面図である。 本発明の第２の実施例としての赤外線センサ素子の各製造工程における断面図である。 図１９（ａ）の線５００によって囲まれた部分の拡大図である。 本発明の第２の実施例としての赤外線センサ素子の各製造工程における断面図である。

符号の説明

１０ 赤外線センサ素子
１１ シリコン基板
１２ 埋め込み酸化膜
１３ エッチングストッパ壁
１４ 第１酸化シリコン膜
１５ 窒化シリコン膜
１６ 第２酸化シリコン膜
１８ 赤外線受光部
２１、２２ 開口
３６ 熱検出部
３７ 配線

Claims (14)

1. 赤外線センサ素子の製造方法であって、
   半導体基板上に埋め込み酸化膜を挟んで積層されたＳＯＩ層を有するＳＯＩ基板を準備するＳＯＩ基板準備工程と、
   前記ＳＯＩ層に熱検出部及び前記熱検出部に電気的に接続される配線を形成する熱検出構造形成工程と、
   前記熱検出部及び前記配線を覆い、少なくとも窒化シリコン膜を含む複数の絶縁膜からなる絶縁層を形成する絶縁層形成工程と、
   前記絶縁層上にガス流入開口を含む赤外線受光部形成する受光部形成工程と、
   前記ガス流入開口の鉛直下方に前記半導体基板に到達する貫通孔を形成する貫通孔形成工程と、
   前記貫通孔を介してエッチングを施すことによって前記半導体基板に空隙を形成する空隙形成工程と、を有し、
   前記貫通孔形成工程は、前記窒化シリコン膜を露出することなく前記貫通孔を形成することを特徴とする赤外線センサ素子の製造方法。
2. 前記絶縁層形成工程は、前記窒化シリコン膜に前記ガス流入開口に対向し且つ前記貫通孔の幅よりも広い幅の断続部を形成する断続部形成工程と、前記断続部覆う保護絶縁膜を形成する保護絶縁膜形成工程とを有することを特徴とする請求項１記載の赤外線センサ素子の製造方法。
3. 前記絶縁層形成工程は、前記絶縁層に少なくとも２つの溝を形成し、前記溝の底面に前記断続部を形成することを特徴とする請求項２記載の赤外線センサ素子の製造方法。
4. 前記貫通孔形成工程は、前記貫通孔の側面に前記窒化シリコン膜を覆う保護膜を形成する保護膜形成工程を更に含むことを特徴とする請求項１記載の赤外線センサ素子の製造方法。
5. 前記絶縁層形成工程は、前記窒化シリコン膜と、前記保護絶縁膜と、前記窒化シリコン膜を前記保護絶縁膜と挟む追加保護絶縁膜と、からなる３層の絶縁層を形成することを特徴とする請求項１乃至４記載のいずれか１に記載の赤外線センサ素子の製造方法。
6. 前記貫通孔形成工程は、前記貫通孔の側面に前記赤外線検出部を露出することなく前記貫通孔を形成することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１に記載の赤外線センサ素子の製造方法。
7. 赤外線センサ素子の製造方法であって、
   半導体基板上に埋め込み酸化膜を挟んで積層されたＳＯＩ層を有するＳＯＩ基板を準備するＳＯＩ基板準備工程と、
   前記ＳＯＩ層にエッチングを施して熱検出領域及び配線領域を形成し、前記熱検出領域にイオン注入によりダイオードを形成するとともに前記配線領域に金属を堆積し、入射赤外線に応じた熱を検出する熱検出部と、前記熱検出部に電気的に接続されて前記熱検出部により生成される熱検出信号を外部に供給する配線と、を形成する熱検出構造形成工程と、
   前記熱検出部及び前記配線を覆い、少なくとも窒化シリコン膜を含む複数の絶縁膜からなる絶縁層を形成する絶縁層形成工程と、
   前記絶縁層上に受光絶縁膜及び金属膜を堆積することによって積層構造を有する赤外線受光部を形成する赤外線受光部形成工程と、
   前記赤外線受光部にエッチングを施すことによってガス流入開口を形成するガス流入開口形成工程と、
   前記ガス流入開口の鉛直下方に前記半導体基板に到達する貫通孔を形成する貫通孔形成工程と、
   前記貫通孔を介しエッチングガスを流入し、ドライエッチングを施すことによって前記半導体基板に空隙を形成する空隙形成工程と、を有し、
   前記絶縁層形成工程は、前記窒化シリコン膜に前記ガス流入開口に対向し且つ前記貫通孔の幅よりも広い幅の断続部を形成する断続部形成工程と、前記断続部を覆う保護絶縁膜を形成する保護絶縁膜形成工程とを有することを特徴とする赤外線センサ素子の製造方法。
8. 前記絶縁層形成工程は、前記絶縁層に少なくとも２つの溝を形成し、前記溝の底面に前記断続部を形成することを特徴とする請求項７記載の赤外線センサ素子の製造方法。
9. 赤外線センサ素子の製造方法であって、
   半導体基板上に埋め込み酸化膜を挟んで積層されたＳＯＩ層を有するＳＯＩ基板を準備するＳＯＩ基板準備工程と、
   前記ＳＯＩ層にエッチングを施して熱検出領域及び配線領域を形成し、前記熱検出領域にイオン注入によりダイオードを形成するとともに前記配線領域に金属を堆積し、入射赤外線に応じた熱を検出する熱検出部と、前記熱検出部に電気的に接続されて前記熱検出部により生成される熱検出信号を外部に供給する配線と、を形成する熱検出構造形成工程と、
   前記熱検出部及び前記配線を覆い、少なくとも窒化シリコン膜を含む複数の絶縁膜からなる絶縁層を形成する絶縁層形成工程と、
   前記熱検出部及び前記配線を覆い、少なくとも窒化シリコン膜を含む複数の絶縁膜からなる絶縁層を形成する絶縁層形成工程と、
   前記絶縁層上に受光絶縁膜及び金属膜を堆積することによって積層構造を有する赤外線受光部を形成する赤外線受光部形成工程と、
   前記赤外線受光部にエッチングを施すことによってガス流入開口を形成するガス流入開口形成工程と、
   前記ガス流入開口の鉛直下方に前記半導体基板に到達する貫通孔を形成する貫通孔形成工程と、
   前記貫通孔の側面に前記窒化シリコン膜を覆う保護膜を形成する保護膜形成工程と、
   当該保護膜が形成された貫通孔を介しエッチングガスを流入し、ドライエッチングを施すことによって前記半導体基板に空隙を形成する空隙形成工程と、を有することを特徴とする赤外線センサ素子の製造方法。
10. 前記保護膜は、カーボン膜又はカーボンを含む有機膜であることを特徴とする請求項９記載の赤外線センサ素子の製造方法。
11. 前記熱検出部は、２つのダイオード及び前記２つのダイオードを接続する接続電極からなることを特徴とする請求項７乃至１０記載のいずれか１に記載の赤外線センサ素子の製造方法。
12. 前記絶縁層形成工程は、前記窒化シリコン膜と、前記保護絶縁膜と、前記窒化シリコン膜を前記保護絶縁膜と挟む追加保護絶縁膜と、からなる３層の絶縁層を形成することを特徴とする請求項７乃至１１記載のいずれか１に記載の赤外線センサ素子の製造方法。
13. 前記貫通孔形成工程は、前記貫通孔の側面に前記赤外線検出部を露出することなく前記貫通孔を形成することを特徴とする請求項７乃至１２のいずれか１に記載の赤外線センサ素子の製造方法。
14. 前記エッチングガスは、二フッ化キセノン（ＸｅＦ₂）であることを特徴とする請求項７乃至１３のいずれか１に記載の赤外線センサ素子の製造方法。

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