JP2010249779A - Infrared sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、赤外線センサに関するものである。 The present invention relates to an infrared sensor.
従来から、マイクロマシニング技術などを利用して形成する赤外線センサが各所で研究開発されている(例えば、特許文献1参照)。 Conventionally, an infrared sensor formed using a micromachining technique or the like has been researched and developed in various places (for example, see Patent Document 1).
上記特許文献1に開示された赤外線センサは、図26に示すように、金黒などからなる赤外線吸収部33’および赤外線吸収部33’の温度変化を検出するサーモパイル30a’がシリコン基板1a’を用いて形成されたベース基板1の一表面側に設けられるとともに、ベース基板1’に赤外線吸収部33’を当該ベース基板1’から熱絶縁するための掘込部11’が形成されており、ベース基板1’の上記一表面側で平面視において掘込部11’の内側に位置し赤外線吸収部33’を有する薄膜構造部3a’がベース基板1’における掘込部11’の周部に支持されている。
As shown in FIG. 26, the infrared sensor disclosed in
ここにおいて、サーモパイル30a’は、薄膜構造部3a’とベース基板1’とに跨って複数のポリシリコンエレメント134’が形成されており、薄膜構造部3a’において各ポリシリコンエレメント134’の一端部にAlなどからなる接続用金属部(導電体)136’を接続することで複数の温接点T1が形成され、ベース基板1’における掘込部11’の周部において各ポリシリコンエレメント134’の他端部に接続用金属部136’を接続することで複数の冷接点T2が形成されている。
Here, in the
ここで、図26に示した構成の赤外線センサは、シリコン基板1a’の一表面側に、シリコン酸化膜31’と当該シリコン酸化膜31’上のシリコン窒化膜32’と当該シリコン窒化膜32’上のシリコン酸化膜131’とで構成される熱絶縁層33’が形成され、当該熱絶縁層33’上に上述の各ポリシリコンエレメント134’が形成され、熱絶縁層33’および各ポリシリコンエレメント134’を覆うようにシリコン酸化膜151’とBPSG膜152’との積層膜からなる層間絶縁膜50’が形成されており、上述の導体部136’が、層間絶縁膜50’に形成されたコンタクトホールを通して各ポリシリコンエレメント134’と接続されている。
Here, the infrared sensor having the configuration shown in FIG. 26 has a
ところで、上記特許文献1には、上述の赤外線センサの製造方法として、堀込部11’の形成にあたっては、図27に示すように、掘込部11’を形成する際に用いるエッチャントであるアルカリ系溶液(例えば、水酸化カリウム、水酸化ナトリウムなど)に対する耐性を有する樹脂からなる2層構造の保護膜75’を薄膜構造部3a’の最表層側のシリコン酸化膜61’とシリコン窒化膜62’との積層膜からなるパッシベーション膜60’および赤外線吸収部33’を覆うように形成してから、シリコン基板1a’において掘込部11’に対応する部位を上記エッチャントにより異方性エッチングするようにし、掘込部11’の形成後に保護膜75’を除去するようにした製造方法が記載されている。
By the way, in the above-mentioned
上記特許文献1の赤外線センサの製造方法によれば、薄膜構造部3a’の最表層側のパッシベーション膜60’および赤外線吸収部33’を覆う保護膜75’を形成してから、掘込部11’を形成するので、例えば、温接点T1や冷接点T2での段差などに起因して、パッシベーション膜60’および層間絶縁膜50’にパッシベーション膜60’の表面から深さ方向へ走るクラックやピンホールなどが形成されていても、ベース基板1’に掘込部11’を形成する際のエッチャントによりサーモパイル30a’が浸食されるのを防止することが可能となる。ここにおいて、上述の熱絶縁層33’のシリコン窒化膜32’は、掘込部11’の形成時に薄膜構造部3a’の裏面側からエッチャントが浸入してサーモパイル30a’に到達するのを防止する機能も有している。
According to the manufacturing method of the infrared sensor of the above-mentioned
なお、図26に示した構成の赤外線センサは、サーモパイル30a’がベース基板1’の上記一表面側に1個だけ設けられたものであるが、サーモパイル30a’を含む画素部を2次元アレイ状に配列したものや、2次元アレイ状に配列される各画素部それぞれに、サーモパイル30a’および当該サーモパイル30a’の出力を読み出すための画素選択用スイッチング素子であるMOSトランジスタを備えた構造のものも提案されている。
In the infrared sensor having the configuration shown in FIG. 26, only one
ところで、上記特許文献1に開示された赤外線センサの製造方法によれば、堀込部11’を形成する際に用いる上記エッチャントによりサーモパイル30a’が浸食されるのを防止することできるので、製造歩留まりの向上を図れるとともに信頼性の向上を図れる。
By the way, according to the manufacturing method of the infrared sensor disclosed in
しかしながら、このような製造方法により製造される赤外線センサにおいても、より一層の高感度化が望まれている。なお、図26に示した構成の赤外線センサでは、薄膜構造部3a’の厚み寸法を小さくすることで薄膜構造部3a’の熱容量を低減して応答速度の高速化を図ることが考えられるが、層間絶縁膜50’やパッシベーション膜60’の膜厚を小さくすると、感度が低下してしまうとともに、パッシベーション膜60’および層間絶縁膜50’にクラックやピンホールが発生しやすくなるとともに、薄膜構造部3a’に反りが発生しやすくなり、当該反りに起因した感度低下が起こったり、信頼性や製造歩留まりが低下してしまう恐れがある。
However, even higher sensitivity is desired for an infrared sensor manufactured by such a manufacturing method. In the infrared sensor having the configuration shown in FIG. 26, it is conceivable to reduce the heat capacity of the thin
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、信頼性の向上を図れるだけでなく感度の向上を図れる赤外線センサを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above reasons, and an object of the present invention is to provide an infrared sensor capable of improving not only reliability but also sensitivity.
請求項1の発明は、赤外線吸収部および赤外線吸収部の温度変化を検出するサーモパイルがシリコン基板を用いて形成されたベース基板の一表面側に設けられるとともに、ベース基板に赤外線吸収部を当該ベース基板から熱絶縁するための掘込部が形成され、ベース基板の前記一表面側で平面視において掘込部の内側に位置し前記赤外線吸収部を有する薄膜構造部がベース基板における掘込部の周部に支持されてなり、薄膜構造部およびベース基板の最表層側に両者に跨ってパッシベーション膜が形成されてなる赤外線センサであって、サーモパイルが、異種導電形の2つのポリシリコンエレメントを薄膜構造部において第1の接続金属部により接合することで形成された複数の温接点を有するとともに、異種導電形の2つのポリシリコンエレメントをベース基板における堀込部の周部において第2の接続金属部により接合することで形成された複数の冷接点を有し、掘込部を形成する際に用いるエッチャントに対する耐性を有し且つ平面視においてサーモパイルの複数の温接点が集中して設けられた領域を覆う形でパッシベーション膜上に形成され当該パッシベーション膜よりも熱伝導率の高い熱伝導性材料からなる第1の均熱層と、前記エッチャントに対する耐性を有し且つサーモパイルの複数の冷接点が集中して設けられた領域を覆う形でパッシベーション膜上に形成され前記熱伝導性材料からなる第2の均熱層とを備えることを特徴とする。 According to the first aspect of the present invention, an infrared absorption portion and a thermopile for detecting a temperature change of the infrared absorption portion are provided on one surface side of a base substrate formed using a silicon substrate, and the infrared absorption portion is provided on the base substrate. A digging portion for thermal insulation from the substrate is formed, and the thin film structure portion having the infrared absorbing portion located inside the digging portion in a plan view on the one surface side of the base substrate is a digging portion of the base substrate. An infrared sensor that is supported by a peripheral part and has a passivation film formed on the outermost layer side of the thin film structure part and the base substrate. The thermopile is a thin film of two polysilicon elements of different conductivity types. The structure portion has a plurality of hot junctions formed by joining with the first connecting metal portion, and two polysilicon conductors of different conductivity types. Having a plurality of cold junctions formed by joining the element to the periphery of the digging portion in the base substrate by the second connecting metal portion, and having resistance to an etchant used when forming the digging portion, and a flat surface A first soaking layer made of a thermally conductive material that is formed on the passivation film so as to cover a region where the plurality of hot contacts of the thermopile are provided in a concentrated manner in view, and has a higher thermal conductivity than the passivation film; A second soaking layer formed on the passivation film so as to cover a region where a plurality of cold junctions of the thermopile are concentrated and have resistance against the etchant. Features.
この発明によれば、掘込部を形成する際に用いるエッチャントに対する耐性を有し且つ平面視においてサーモパイルの複数の温接点が集中して設けられた領域を覆う形でパッシベーション膜上に形成され当該パッシベーション膜よりも熱伝導率の高い熱伝導性材料からなる第1の均熱層と、前記エッチャントに対する耐性を有し且つサーモパイルの複数の冷接点が集中して設けられた領域を覆う形でパッシベーション膜上に形成され前記熱伝導性材料からなる第2の均熱層とを備えているので、仮に温接点や冷接点での段差などに起因してパッシベーション膜にクラックやピンホールが形成されていたとしてもクラックやピンホールが第1の均熱層および第2の均熱層により覆われるので、製造時に掘込部を形成する際に用いるエッチャントによりサーモパイルが浸食されるのを防止することができて信頼性を向上でき、しかも、使用時には、第1の均熱層により複数の温接点の温度を均一化できるとともに、第2の均熱層により複数の冷接点の温度の均一化を図れるから、感度の向上を図れる。 According to the present invention, it is formed on the passivation film so as to cover a region having a resistance to the etchant used when forming the digging portion and a plurality of hot contacts of the thermopile are concentrated in a plan view. Passivation so as to cover a first soaking layer made of a heat conductive material having a higher thermal conductivity than the passivation film, and a region having a resistance to the etchant and where a plurality of cold junctions of the thermopile are concentrated. And a second soaking layer made of the thermally conductive material formed on the film, so that cracks and pinholes are formed in the passivation film due to steps at the hot and cold junctions. Even if cracks and pinholes are covered with the first soaking layer and the second soaking layer, the etchant used when forming the dug portion during manufacturing The thermopile can be further prevented from being eroded and the reliability can be improved. In addition, the temperature of the plurality of hot junctions can be made uniform by the first soaking layer during use, and the second soaking layer can be used. Thus, the temperature of the plurality of cold junctions can be made uniform, so that the sensitivity can be improved.
請求項2の発明は、請求項1の発明において、前記各接続金属部の材料と前記熱伝導性材料とが同じであることを特徴とする。
The invention of
この発明によれば、前記各接続金属部の材料と前記熱伝導性材料との熱膨張率が等しくなるから、温度変化に伴う前記薄膜構造部の膨張収縮により前記薄膜構造部に発生する応力を緩和することが可能となる。 According to this invention, since the coefficient of thermal expansion of the material of each connection metal part and the thermally conductive material are equal, the stress generated in the thin film structure part due to the expansion and contraction of the thin film structure part accompanying a temperature change is generated. It can be mitigated.
請求項3の発明は、請求項1または請求項2の発明において、前記熱伝導性材料がAl−Siであることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect of the present invention, the thermally conductive material is Al-Si.
この発明によれば、前記第1の均熱層および前記第2の均熱層の加工が容易である。 According to this invention, it is easy to process the first soaking layer and the second soaking layer.
請求項1の発明は、信頼性の向上を図れるだけでなく感度の向上を図れるという効果がある。
The invention of
(実施形態1)
以下、図1〜図13に基づいて本実施形態の赤外線センサAを説明する。
(Embodiment 1)
Hereinafter, the infrared sensor A of the present embodiment will be described with reference to FIGS.
本実施形態の赤外線センサAは、赤外線アレイセンサであって、熱型赤外線検出部3と画素選択用スイッチング素子であるMOSトランジスタ4とを有する複数の画素部2(図5参照)がベース基板1の一表面側においてアレイ状(ここでは、2次元アレイ状)に配列されている。ここで、ベース基板1は、シリコン基板1aを用いて形成されている。本実施形態では、1つのベース基板1の上記一表面側にm×n個(図5および図13に示した例では、8×8個)の画素部2が形成されているが、画素部2の数や配列は特に限定するものではない。また、本実施形態では、熱型赤外線検出部3の感温部30が、複数個(ここでは、6個)のサーモパイル30a(図3参照)を直列接続することにより構成されており、図13では、熱型赤外線検出部3における感温部30の等価回路を、当該感温部30の熱起電力に対応する電圧源Vsで表してある。
The infrared sensor A of the present embodiment is an infrared array sensor, and a plurality of pixel units 2 (see FIG. 5) having a thermal
また、本実施形態の赤外線センサAは、図3、図6および図13に示すように、各列の複数の熱型赤外線検出部3の感温部30の一端が上述のMOSトランジスタ4を介して各列ごとに共通接続された複数の垂直読み出し線7と、各行の熱型赤外線検出部3の感温部30に対応するMOSトランジスタ4のゲート電極46が各行ごとに共通接続された複数の水平信号線6と、各列のMOSトランジスタ4のp+形ウェル領域41が各列ごとに共通接続された複数のグラウンド線8と、各グラウンド線8が共通接続された共通グラウンド線9と、各列の複数個の熱型赤外線検出部3の感温部30の他端が各列ごとに共通接続された複数の基準バイアス線5とを備えており、全ての熱型赤外線検出部3の感温部30の出力を時系列的に読み出すことができるようになっている。要するに、本実施形態の赤外線センサAは、ベース基板1の上記一表面側に熱型赤外線検出部3と当該熱型赤外線検出部3に並設され当該熱型赤外線検出部3の出力を読み出すためのMOSトランジスタ4とを有する複数の画素部2が形成されている。
In addition, as shown in FIGS. 3, 6, and 13, the infrared sensor A of the present embodiment has one end of the
ここで、MOSトランジスタ4は、ゲート電極46が水平信号線6に接続され、ソース電極48が感温部30を介して基準バイアス線5に接続され、各基準バイアス線5が共通基準バイアス線5aに共通接続され、ドレイン電極47が垂直読み出し線7に接続されており、各水平信号線6それぞれが各別の画素選択用パッドVselに電気的に接続され、各垂直読み出し線7それぞれが各別の出力用パッドVoutに電気的に接続され、共通グラウンド線9がグラウンド用パッドGndに電気的に接続され、共通基準バイアス線5aが基準バイアス用パッドVrefと電気的に接続され、シリコン基板1aが基板用パッドVddに電気的に接続されている。
Here, in the
しかして、MOSトランジスタ4が順次オン状態になるように各画素選択用パッドVselの電位を制御することで各画素2の出力電圧を順次読み出すことができる。例えば、基準バイアス用パッドVrefの電位を1.65、グラウンド用パッドGndの電位を0V、基板用パッドVddの電位を5Vとしておき、画素選択用パッドVselの電位を5Vとすれば、MOSトランジスタ4がオンとなり、出力用パッドVoutから画素2の出力電圧(1.65V+感温部30の出力電圧)が読み出され、画素選択用パッドVselの電位を0Vとすれば、MOSトランジスタ4がオフとなり、出力用パッドVoutから画素2の出力電圧は読み出されない。なお、図5では、画素選択用パッドVsel、基準バイアス用パッドVref、グラウンド用パッドGnd、出力用パッドVoutなどを区別せずに全てパッド80として図示してある。
Thus, the output voltage of each
ここで、図14に示すように、赤外線センサAと、当該赤外線センサAの出力信号である出力電圧を信号処理する信号処理ICチップBと、赤外線センサAおよび信号処理ICチップBが収納されたパッケージCとを備えた赤外線センサモジュールを構成する場合、信号処理ICチップBには、赤外線センサAの各パッド80それぞれがボンディングワイヤからなる配線81を介して各別に電気的に接続される複数のパッド(図示せず)、これらのパッドのうち赤外線センサAの出力用パッドVoutに接続されているパッド(以下、入力用パッドと称する)の出力電圧を増幅する増幅回路(図示せず)、複数の入力用パッドの出力電圧を択一的に上記増幅回路に入力するマルチプレクサなどを設ければ、赤外線画像を得ることができる。
Here, as shown in FIG. 14, the infrared sensor A, the signal processing IC chip B that performs signal processing of the output voltage that is the output signal of the infrared sensor A, and the infrared sensor A and the signal processing IC chip B are accommodated. In the case of configuring an infrared sensor module including the package C, a plurality of
上述のパッケージCは、一面が開口した矩形箱状に形成され内底面側に赤外線センサAおよび信号処理ICチップBが実装された多層セラミック基板(セラミックパッケージ)からなるパッケージ本体90と、赤外線センサAへ赤外線を収束するレンズ110を備えパッケージ本体90の上記一面側に覆着されたメタルリッドよりなるパッケージ蓋100とで構成されており、パッケージ本体90とパッケージ蓋100とで囲まれた気密空間をドライ窒素雰囲気としてある。ここで、パッケージ蓋100の周部は、パッケージ本体90の上記一面上に形成された矩形枠状の金属パターン(図示せず)にシーム溶接により固着されている。なお、パッケージ本体90は、多層セラミック基板に限らず、例えば、ガラスエポキシ樹脂基板を積層したものを用いてもよい。
The above-mentioned package C is formed in a rectangular box shape with one surface open, and a package
ここおいて、パッケージ本体90の内面には、シールド用導体パターン92が形成されており、赤外線センサAおよび信号処理ICチップは、パッケージ本体90のシールド用導体パターン92に導電性接合材料(例えば、半田や銀ペーストなど)からなる接合層95,95を介して接合されている。なお、赤外線センサAおよび信号処理ICチップBとパッケージ本体90との接合方法は、半田や銀ペーストなどの導電性接合材料を用いた接合法に限らず、例えば、常温接合法や、例えば、Au−Sn共晶もしくはAu−Si共晶を利用した接合法などを採用してもよい。ただし、常温接合法などの直接接合が可能な接合法の方が、導電性接合材料を用いた接合法に比べて、赤外線センサ5とレンズ110との距離精度を向上させる上では有利である。
Here, a
上述のレンズ110の材料は赤外線透過材料の一種であるSiであり、当該レンズ110は、LIGAプロセスを利用して形成したり、陽極酸化技術を応用した半導体レンズの製造方法(例えば、特許第3897055号公報、特許第3897056号公報など)などを利用して形成すればよい。また、レンズ110は、パッケージ蓋100の開口窓101を閉塞するようにパッケージ蓋100における開口窓101の周部に導電性接着剤(例えば、半田、銀ペーストなどなど)により接着されており、パッケージ本体90のシールド用導体パターン92に電気的に接続されている。したがって、上述の赤外線センサモジュールでは、外来の電磁ノイズに起因したS/N比の低下を防止することができる。なお、レンズ110には、必要に応じて、屈折率の異なる複数種類の薄膜を交互に積層することにより形成される適宜の赤外線光学フィルタ部(バンドパスフィルタ部、広帯域遮断フィルタ部など)を設けるようにしてもよい。
The material of the
また、上述の赤外線センサモジュールでは、赤外線センサAのベース基板1は、外周形状が矩形状であり、赤外線センサAの全てのパッド80がベース基板1の外周縁の一辺に沿って並設され、信号処理ICチップBは、外周形状が矩形状であり、赤外線センサAの各パッド80に電気的に接続される上記各パッドが信号処理ICチップBの外周縁の一辺に沿って並設されており、赤外線センサAのベース基板1と信号処理ICチップBとの上記一辺同士が他の辺同士に比べて近くなるように赤外線センサAおよび信号処理ICチップBが配置されているので、赤外線センサAの各パッド80と信号処理ICチップBの上記各パッドとを接続する配線81を短くでき、外来ノイズの影響を低減できるから、耐ノイズ性が向上する。
Further, in the above-described infrared sensor module, the
以下、熱型赤外線検出部3およびMOSトランジスタ4それぞれの構造について説明する。なお、本実施形態では、上述のシリコン基板1aとして、導電形がn形で上記一表面が(100)面の単結晶シリコン基板を用いている。
Hereinafter, the structures of the thermal
熱型赤外線検出部3は、シリコン基板1aの上記一表面側の各画素部2それぞれにおける熱型赤外線検出部3の形成用領域A1に形成されており、MOSトランジスタ4は、シリコン基板1aの上記一表面側の各画素部2それぞれにおけるMOSトランジスタ4の形成用領域A2に形成されている。
The thermal
ところで、各画素部2は、赤外線を吸収する赤外線吸収部33(図1および図6(b)参照)を備えており、各画素部2では、ベース基板1に赤外線吸収部33を当該ベース基板1から熱絶縁するための掘込部11が形成され、ベース基板1の上記一表面側で平面視において掘込部11の内側に赤外線吸収部33を有し掘込部11を覆う薄膜構造部3aが形成されている。また、各画素部2では、薄膜構造部3aが複数の線状のスリット13により掘込部の周方向に沿って並設されそれぞれベース基板1における掘込部11の周部から内方へ延長された複数(図3に示した例では、6つ)の小薄膜構造部3aaに分離され、各小薄膜構造部3aaごとにサーモパイル30aが設けられるとともに、各サーモパイル30aごとに出力を取り出す場合に比べて温度変化に対する出力変化が大きくなるように全てのサーモパイル30aが直列接続されており、隣接する小薄膜構造部3aa,3aa同士を連結する連結片3cが形成されている。以下では、赤外線吸収部33のうち各小薄膜構造部3aaそれぞれに対応して分割された各部位を分割赤外線吸収部33aと称する。
Each
なお、必ずしも、薄膜構造部3aに形成された複数のサーモパイル30aの全て、上述の例では、6つ全てのサーモパイル30aを直列接続する必要はなく、例えば、それぞれ3個のサーモパイル30aの直列回路を並列接続するようにしてもよく、この場合には、6つ全てのサーモパイル30aが並列接続されている場合や各サーモパイル30aごとに出力を取り出す場合に比べて感度を高めることができ、また、6つ全てのサーモパイル30aが直列接続されている場合に比べて、感温部30の電気抵抗を低くできて熱雑音が低減されるから、S/N比が向上する。
Note that it is not always necessary to connect all of the plurality of
ここで、画素部2では、小薄膜構造部3aaごとに、ベース基板1と分割赤外線吸収部33aとを連結する2つの平面視短冊状のブリッジ部3bb,3bbが掘込部11の周方向に離間して形成されており、当該2つのブリッジ部3bb,3bbと分割赤外線吸収部33aとを空間的に分離し掘込部11に連通する平面視コ字状のスリット14が形成されている。ここにおいて、ベース基板1のうち平面視において薄膜構造部3aを囲む部位は矩形枠状の形状となっている。なお、ブリッジ部3bbは、赤外線吸収部33およびベース基板1それぞれとの連結部位以外の部分が上述の各スリット13,14により分割赤外線吸収部33aおよびベース基板1と空間的に分離されている。ここで、小薄膜構造部3aaのベース基板1からの延長方向の寸法を93μm、小薄膜構造部3aaの延長方向に直交する幅方向の寸法を75μm、各ブリッジ部3bbの幅寸法を23μm、各スリット13,14の幅を5μmに設定してあるが、これらの値は一例であって特に限定するものではない。
Here, in the
上述の薄膜構造部3aは、シリコン基板1aの上記一表面側に形成されたシリコン酸化膜1bと、当該シリコン酸化膜1b上に形成されたシリコン窒化膜32と、当該シリコン窒化膜32上に形成された感温部30と、シリコン窒化膜32の表面側で感温部30を覆うように形成されたBPSG膜からなる層間絶縁膜50と、層間絶縁膜50上に形成されたPSG膜と当該PSG膜上に形成されたNSG膜との積層膜からなるパッシベーション膜60との積層構造部をパターニングすることにより形成されている。
The
本実施形態では、シリコン窒化膜32のうち薄膜構造部3aのブリッジ部3bb,3bb以外の部位が上述の赤外線吸収部33を構成し、シリコン基板1aとシリコン酸化膜1bとシリコン窒化膜32と層間絶縁膜50とパッシベーション膜60とでベース基板1を構成している。また、本実施形態では、層間絶縁膜50とパッシベーション膜60との積層膜が、熱型赤外線検出部3の形成用領域A1とMOSトランジスタ4の形成用領域A2とに跨って形成されているが、熱型赤外線検出部3の形成用領域A1に形成された部分が赤外線吸収膜70(図6(b)参照)を兼ねている。ここで、赤外線吸収膜70の屈折率をn2、検出対象の赤外線の中心波長をλとするとき、赤外線吸収膜70の厚さt2をλ/4n2に設定するようにしているので、検出対象の波長(例えば、8〜12μm)の赤外線の吸収効率を高めることができ、高感度化を図れる。例えば、n2=1.4、λ=10μmの場合には、t2≒1.8μmとすればよい。なお、本実施形態では、層間絶縁膜50の膜厚を0.8μm、パッシベーション膜60の膜厚を1μm(PSG膜の膜厚を0.5μm、NSG膜の膜厚を0.5μm)としてある。また、赤外線吸収膜70は、上述の構成に限らず、例えば、シリコン窒化膜により構成してもよい。
In the present embodiment, portions of the
また、各画素部2では、掘込部11の内周形状が矩形状であり、連結片3cは、平面視十字状に形成されており、小薄膜構造部3aaの延長方向に交差する斜め方向において隣接する小薄膜構造部3aa,3aa同士、小薄膜構造部3aaの延長方向において隣接する小薄膜構造部3aa,3aa同士、小薄膜構造部3aaの延長方向に直交する方向において隣接する小薄膜構造部3aa,3aa同士を連結している。
Moreover, in each
サーモパイル30aは、シリコン窒化膜32上に形成され小薄膜構造部3aaとベース基板1とに跨って形成された細長のn形ポリシリコン層(n形のポリシリコンエレメント)34と細長のp形ポリシリコン層(p形のポリシリコンエレメント)35との一端部同士を分割赤外線吸収部33aの赤外線入射面側で金属材料(例えば、Al−Siなど)からなる第1の接続金属部36により電気的に接続した複数個(図3に示した例では、9個)の熱電対を有しており、ベース基板1の上記一表面側で互いに隣り合う熱電対のn形ポリシリコン層34の他端部とp形ポリシリコン層35の他端部とが金属材料(例えば、Al−Siなど)からなる第2の接続金属部37により接合され電気的に接続されている。ここで、サーモパイル30aは、n形ポリシリコン層34の上記一端部とp形ポリシリコン層35の上記一端部と第1の接続金属部36とで分割赤外線吸収部33a側の温接点T1を構成し、n形ポリシリコン層34の上記他端部とp形ポリシリコン層35の上記他端部と第2の接続金属部37とでベース基板1側の冷接点T2を構成している。
The
ここにおいて、本実施形態の赤外線センサAでは、上述の掘込部11の形状が四角錘状であり、平面視における中央部の方が周部に比べて深さ寸法が大きくなっているので、薄膜構造部3aの中央部に温接点が集まるように各画素部2におけるサーモパイル30aの平面レイアウトを設計してある。すなわち、図3の上下方向における真ん中の2つの画素部2では、図1および図3に示すように、3つの小薄膜構造部3aの並設方向に沿って接続部36を並べて配置してあるのに対し、当該上下方向における上側の2つの画素部2では、図2および図3に示すように、3つの小薄膜構造部3aaの並設方向において真ん中の小薄膜構造部3aaに近い側に温接点T1を集中して配置してあり、当該上下方向における下側の2つの画素部2では、図3に示すように、3つの小薄膜構造部3aaの並設方向において真ん中の小薄膜構造部3aaに近い側に温接点T1を集中して配置してある。しかして、本実施形態の赤外線センサAでは、図3の上下方向における上側、下側の小薄膜構造部3aaの複数の温接点T1の配置が、真ん中の小薄膜構造部3aaの複数の温接点T1の配置と同じである場合に比べて、温接点T1の温度変化を大きくできるので、感度を向上できる。
Here, in the infrared sensor A of the present embodiment, the shape of the above-described
また、小薄膜構造部3aaは、シリコン窒化膜32の赤外線入射面側においてサーモパイル30aを形成していない領域に、小薄膜構造部3aaの反りを抑制するとともに赤外線を吸収するn形ポリシリコン層からなる赤外線吸収層39(図3、図6および図10参照)が形成されている。また、隣接する小薄膜構造部3aa,3aa同士を連結する連結片3cには、当該連結片3cを補強するn形ポリシリコン層からなる補強層39b(図7参照)が設けられている。ここで、補強層39bは、赤外線吸収層39と連続一体に形成されている。しかして、本実施形態の赤外線センサAでは、連結片3cが補強層39bにより補強されているので、使用中の外部の温度変化や衝撃に起因して発生する応力による破損を防止でき、また、製造時の破損を低減でき、製造歩留まりの向上を図れる。なお、本実施形態では、図7に示す連結片3cの連結片3cの長さ寸法L1を24μm、幅寸法L2を5μm、補強層39bの幅寸法L3を1μmに設定してあるが、これらの数値は一例であり、特に限定するものではない。ただし、本実施形態のようにベース基板1がシリコン基板1aを用いて形成され、補強層39bがn形ポリシリコン層により形成される場合には、掘込部11の形成時に補強層39bがエッチングされるのを防止するために、補強層39bの幅寸法は、連結片3cの幅寸法よりも小さく設定し、平面視において補強層39bの両側縁が連結片3cの両側縁よりも内側に位置する必要がある。
Further, the small thin film structure portion 3aa is formed from an n-type polysilicon layer that suppresses the warp of the small thin film structure portion 3aa and absorbs infrared rays in a region where the
また、本実施形態の赤外線センサAは、図7および図12(b)に示すように、連結片3cの両側縁と小薄膜構造部3aaの側縁との間にそれぞれ面取り部3d,3dが形成され、十字状の連結片3cの略直交する側縁間にも面取り部3eが形成されている。しかして、本実施形態の赤外線センサAでは、図12(a)に示すように面取り部が形成されていない場合に比べて連結片3cと小薄膜構造部3aaとの連結部位での応力集中を緩和でき、製造時に発生する残留応力を低減できるとともに製造時の破損を低減でき、製造歩留まりの向上を図れる。また、使用中の外部の温度変化や衝撃に起因して発生する応力による破損を防止できる。なお、図7に示した例では、各面取り部3d,3eをRが3μmのR面取り部としてあるが、R面取り部に限らず、例えば、C面取り部としてもよい。
In addition, as shown in FIGS. 7 and 12B, the infrared sensor A of the present embodiment has chamfered
また、本実施形態の赤外線センサAは、各画素部2に、ベース基板1と一方のブリッジ部3bbと分割赤外線吸収部33aと他方のブリッジ部3bbとベース基板1とに跨るように引き回されたn形ポリシリコン層からなる故障診断用配線139を設けて、全ての故障診断用配線139を直列接続してある。しかして、m×n個の故障診断用配線139の直列回路へ通電することで、ブリッジ部3bbの折れなどの破損の有無を検出することができる。
In addition, the infrared sensor A of the present embodiment is routed to each
上述の赤外線吸収層39、補強層39bおよび故障診断用配線139は、n形ポリシリコン層34と同じn形不純物(例えば、リンなど)を同じ不純物濃度(例えば、1018〜1020cm−3)で含んでおり、n形ポリシリコン層34に同時に形成されている。また、p形ポリシリコン層35のp形不純物として例えばボロンを採用すればよく、不純物濃度を例えば1018〜1020cm−3程度の範囲で適宜設定すればよい。本実施形態では、n形ポリシリコン層34およびp形ポリシリコン層35それぞれの不純物濃度が1018〜1020cm−3であり、熱電対の抵抗値を低減でき、S/N比の向上を図れる。なお、赤外線吸収層39、補強層39bおよび故障診断用配線139は、n形ポリシリコン層34と同じn形不純物を同じ不純物濃度でドーピングしてあるが、これに限らず、例えば、p形ポリシリコン層35と同じ不純物を同じ不純物濃度でドーピングするようにしてもよい。
The infrared absorbing
ところで、本実施形態では、n形ポリシリコン層34、p形ポリシリコン層35、赤外線吸収層39、補強層39bおよび故障診断用配線139の屈折率をn1、検出対象の赤外線の中心波長をλとするとき、n形ポリシリコン層34、p形ポリシリコン層35、赤外線吸収層39、補強層39bおよび故障診断用配線139それぞれの厚さt1をλ/4n1に設定するようにしているので、検出対象の波長(例えば、8〜12μm)の赤外線の吸収効率を高めることができ、高感度化を図れる。例えば、n1=3.6、λ=10μmの場合には、t1≒0.69μmとすればよい。
By the way, in this embodiment, the refractive index of the n-
また、本実施形態では、n形ポリシリコン層24、p形ポリシリコン層35、赤外線吸収層39、補強層39bおよび故障診断用配線139それぞれの不純物濃度が1018〜1020cm−3であるので、赤外線の吸収率を高くしつつ赤外線の反射を抑制することができて、感温部30の出力のS/N比を高めることができ、また、赤外線吸収層39、補強層39bおよび故障診断用配線139をn形ポリシリコン層34と同一工程で形成できるから、低コスト化を図れる。
In the present embodiment, the impurity concentration of each of the n-type polysilicon layer 24, the p-
ここで、感温部30の第1の接続金属部36と第2の接続金属部37とは、ベース基板1の上記一表面側において上述の層間絶縁膜50により絶縁分離されている(図8および図9参照)。すなわち、温接点T1側の第1の接続金属部36は、層間絶縁膜50に形成したコンタクトホール50a1,50a2を通して両ポリシリコン層34,35の上記各一端部と電気的に接続され、冷接点T2側の第2の接続金属部37は、層間絶縁膜50に形成されたコンタクトホール50a3,50a4を通して両ポリシリコン層34,35の上記各他端部と電気的に接続されている。
Here, the first
上述の説明から分かるように、本実施形態の赤外線センサAは、薄膜構造部3aおよびベース基板1の最表層側に薄膜構造部3aとベース基板1との両者に跨ってパッシベーション膜60が形成されており、サーモパイル30aが、異種導電形であるn形ポリシリコン層(n形のポリシリコンエレメント)34とp形ポリシリコン層(p形のポリシリコンエレメント)35とを薄膜構造部3aにおいて第1の接続金属部36により接合することで形成された複数の温接点T1を有するとともに、異種導電形であるn形ポリシリコン層(n形のポリシリコンエレメント)34とp形ポリシリコン層(p形のポリシリコンエレメント)35をベース基板1における堀込部11の周部において第2の接続金属部37により接合することで形成された複数の冷接点T2を有している。
As can be seen from the above description, in the infrared sensor A of the present embodiment, the
ここで、本実施形態の赤外線センサAは、掘込部11を形成する際に用いる後述のエッチャント(例えば、TMAH溶液など)に対する耐性を有し且つ平面視においてサーモパイル30aの複数の温接点T1が集中して設けられた領域(本実施形態では、各小薄膜構造部30aaそれぞれにおいて全ての温接点T1が集中して設けられた領域)を覆う形でパッシベーション膜60上に形成され当該パッシベーション膜60よりも熱伝導率の高い熱伝導性材料(例えば、Al−Siなどの金属材料)からなる第1の均熱層71(図1、図2、図6および図9)と、上記エッチャントに対する耐性を有し且つサーモパイル30aの複数の冷接点T2が集中して設けられた領域(本実施形態では、各小薄膜構造部30aaそれぞれの側方において全ての冷接点T2が集中して設けられた領域)を覆う形でパッシベーション膜60上に形成され上記熱伝導性材料からなる第2の均熱層72(図1、図2、図6および図8)とを備えている。
Here, the infrared sensor A of the present embodiment has resistance to an etchant (described later, for example, a TMAH solution) used when forming the dug
また、MOSトランジスタ4は、上述のように、シリコン基板1aの上記一表面側における各画素部2それぞれにおけるMOSトランジスタ4の形成用領域A2に形成されている。ここで、MOSトランジスタ4は、図6および図11に示すように、シリコン基板1aの上記一表面側にp+形ウェル領域41が形成され、p+形ウェル領域41内に、n+形ドレイン領域43とn+形ソース領域44とが離間して形成されている。また、p+形ウェル領域41内には、n+形ドレイン領域43とn+形ソース領域44とを囲むp++形チャネルストッパ領域42が形成されている。また、p+形ウェル領域41においてn+形ドレイン領域43とn+形ソース領域44との間に位置する部位の上には、シリコン酸化膜(熱酸化膜)からなるゲート絶縁膜45を介してn形ポリシリコン層からなるゲート電極46が形成されている。また、n+形ドレイン領域43上には金属材料(例えば、Al−Siなど)からなるドレイン電極47が形成され、n+形ソース領域44上には金属材料(例えば、Al−Siなど)からなるソース電極48が形成されている。ここで、ゲート電極46、ドレイン電極47およびソース電極48は、上述の層間絶縁膜50により絶縁分離されている。すなわち、ドレイン電極47は、層間絶縁膜50に形成したコンタクトホール50dを通してn+形ドレイン領域43と電気的に接続され、ソース電極48は、層間絶縁膜50に形成したコンタクトホール50eを通してn+形ソース領域44と電気的に接続されている。
Further, as described above, the
ところで、本実施形態の赤外線センサAの各画素部2では、MOSトランジスタ4のソース電極48と感温部30の一端とが電気的に接続され、感温部30の他端が基準バイアス線5に電気的に接続されている。また、本実施形態の赤外線センサAの各画素部2では、MOSトランジスタ4のドレイン電極47が垂直読み出し線7と電気的に接続され、ゲート電極46が当該ゲート電極46と連続一体に形成されたn形ポリシリコン配線からなる水平信号線6と電気的に接続されている。また、各画素部2では、MOSトランジスタ4のp++形チャネルストッパ領域42上に金属材料(例えば、Al−Siなど)からなるグラウンド用電極49が形成されており、当該グラウンド用電極49が、当該p++形チャネルストッパ領域42をn+形ドレイン領域43およびn+形ソース領域44よりも低電位にバイアスして素子分離するための共通グラウンド線8と電気的に接続されている。なお、グラウンド用電極49は、層間絶縁膜50に形成したコンタクトホール50fを通してp++形チャネルストッパ領域42と電気的に接続されている。また、パッシベーション膜60上には、平面視においてMOSトランジスタ4のゲート電極46、ドレイン電極47、ソース電極48、およびグラウンド用電極49が設けられた領域を覆う形でパッシベーション膜60上に上記熱伝導性材料からなる保護金属層73(図6および図11)が形成されている。
By the way, in each
以下、本実施形態の赤外線センサAの製造方法について図15〜図18を参照しながら簡説明する。 Hereinafter, the manufacturing method of the infrared sensor A of the present embodiment will be briefly described with reference to FIGS.
まず、シリコン基板1aの上記一表面側に第1の所定膜厚(例えば、0.3μm)の第1のシリコン酸化膜31と第2の所定膜厚(例えば、0.1μm)のシリコン窒化膜32との積層膜からなる絶縁層を形成する絶縁層形成工程を行い、その後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して当該絶縁層のうち熱型赤外線検出部3の形成用領域A1に対応する部分の一部を残してMOSトランジスタ4の形成用領域A2に対応する部分をエッチング除去する絶縁層パターニング工程を行うことによって、図15(a)に示す構造を得る。ここにおいて、シリコン酸化膜31は、シリコン基板1aを所定温度(例えば、1100℃)で熱酸化することにより形成し、シリコン窒化膜32は、LPCVD法により形成している。
First, a first
上述の絶縁層パターニング工程の後、シリコン基板1aの上記一表面側にp+形ウェル領域41を形成するウェル領域形成工程を行い、続いて、シリコン基板1の上記一表面側におけるp+形ウェル領域41内にp++形チャネルストッパ領域42を形成するチャネルストッパ領域形成工程を行うことによって、図15(b)に示す構造を得る。ここで、ウェル領域形成工程では、シリコン基板1aの上記一表面側の露出部位を所定温度で熱酸化することにより第2のシリコン酸化膜(熱酸化膜)51を選択的に形成し、その後、p+形ウェル領域41を形成するためのマスクを利用したフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用してシリコン酸化膜51をパターニングし、続いて、p形不純物(例えば、ボロンなど)のイオン注入を行ってから、ドライブインを行うことにより、p+形ウェル領域41を形成する。また、チャネルストッパ領域形成工程では、シリコン基板1aの上記一表面側を所定温度で熱酸化することにより第3のシリコン酸化膜(熱酸化膜)52を選択的に形成し、その後、p++形チャネルストッパ領域42を形成するためのマスクを利用したフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して第3のシリコン酸化膜52をパターニングし、続いて、p形不純物(例えば、ボロンなど)のイオン注入を行ってから、ドライブインを行うことにより、p++形チャネルストッパ領域42を形成する。なお、第1のシリコン酸化膜31と第2のシリコン酸化膜51と第3のシリコン酸化膜52とでシリコン基板1aの上記一表面側のシリコン酸化膜1bを構成している。
After the above-described insulating layer patterning step, a well region forming step for forming a p + -type well region 41 on the one surface side of the
上述のチャネルストッパ領域形成工程の後、p+形ウェル領域41におけるn+形ドレイン領域43およびn+形ソース領域44それぞれの形成予定領域にn形不純物(例えば、リンなど)のイオン注入を行ってからドライブを行うことによりn+形ドレイン領域43およびn+形ソース領域44を形成するソース・ドレイン形成工程を行い、当該ソース・ドレイン形成工程の後、シリコン基板1aの上記一表面側に熱酸化により所定膜厚(例えば、600Å)のシリコン酸化膜(熱酸化膜)からなるゲート絶縁膜45を形成するゲート絶縁膜形成工程を行い、続いて、シリコン基板1aの上記一表面側の全面にゲート電極46、水平信号線6(図3参照)、n形ポリシリコン層34、p形ポリシリコン層35、赤外線吸収層39、補強層39bおよび故障診断用配線139の基礎となる所定膜厚(例えば、0.69μm)のノンドープポリシリコン層をLPCVD法により形成するポリシリコン層形成工程を行い、その後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して上記ノンドープポリシリコン層のうちゲート電極46、水平信号線6、n形ポリシリコン層34、p形ポリシリコン層35、赤外線吸収層39、補強層39bおよび故障診断用配線139それぞれに対応する部分が残るようにパターニングするポリシリコン層パターニング工程を行い、続いて、上記ノンドープポリシリコン層のうちp形ポリシリコン層35に対応する部分にp形不純物(例えば、ボロンなど)のイオン注入を行ってからドライブを行うことによりp形ポリシリコン層35を形成するp形ポリシリコン層形成工程を行い、その後、上記ノンドープポリシリコン層のうちn形ポリシリコン層34、赤外線吸収層39、補強層39b、故障診断用配線139、ゲート電極46および水平信号線6に対応する部分にn形不純物(例えば、リンなど)のイオン注入を行ってからドライブを行うことによりn形ポリシリコン層34、赤外線吸収層39、補強層39b、故障診断用配線139、ゲート電極46および水平信号線6を形成するn形ポリシリコン層形成工程を行うことによって、図16(a)に示す構造を得る。なお、p形ポリシリコン層形成工程とn形ポリシリコン層形成工程との順序は逆でもよい。
After the channel stopper region forming step described above, ion implantation of an n-type impurity (for example, phosphorus) is performed in the regions where the n + -
上述のp形ポリシリコン層形成工程およびn形ポリシリコン層形成工程が終了した後、シリコン基板1aの上記一表面側に層間絶縁膜50を形成する層間絶縁膜形成工程を行い、続いて、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して層間絶縁膜50に上記各コンタクトホール50a1,50a2,50a3,50a4,50d,50e,50f(図8、図9および図11参照)を形成するコンタクトホール形成工程を行うことによって、図16(b)に示す構造を得る。ここで、層間絶縁膜形成工程では、シリコン基板1aの上記一表面側に所定膜厚(例えば、0.8μm)のBPSG膜をCVD法により堆積させてから、所定温度(例えば、800℃)でリフローすることにより平坦化された層間絶縁膜50を形成する。
After the p-type polysilicon layer forming step and the n-type polysilicon layer forming step are completed, an interlayer insulating film forming step for forming an
上述のコンタクトホール形成工程の後、シリコン基板1aの上記一表面側の全面に第1の接続金属部36、第2の接続金属部37、ドレイン電極47、ソース電極48、基準バイアス線5、垂直読み出し線7、グラウンド線8、共通グラウンド線9および各パッドVout,Vsel,Vref,Vdd,Gndなど(図13参照)の基礎となる所定膜厚(例えば、2μm)の金属膜(例えば、Al−Si膜)をスパッタ法などにより形成する金属膜形成工程を行い、続いて、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して金属膜をパターニングすることで第1の接続金属部36、第2の接続金属部37、ドレイン電極47、ソース電極48、基準バイアス線5、垂直読み出し線7、グラウンド線8、共通グラウンド線9および各パッドVout,Vsel,Vref,Vdd,Gndなどを形成する金属膜パターニング工程を行うことによって、図17(a)に示す構造を得る。なお、金属膜パターニング工程におけるエッチングはRIEにより行っている。また、この金属膜パターニング工程を行うことにより、温接点T1および冷接点T2が形成される。
After the contact hole forming step, the first
上述の金属膜パターニング工程の後、シリコン基板1aの上記一表面側(つまり、層間絶縁膜50の表面側)に所定膜厚(例えば、0.5μm)のPSG膜と所定膜厚(例えば、0.5μm)のNSG膜との積層膜からなるパッシベーション膜60をCVD法により形成するパッシベーション膜形成工程を行い、その後、上記熱伝導性材料(例えば、Al−Siなどの金属材料)からなる熱伝導性材料膜をスパッタ法などにより形成する熱伝導性材料膜形成工程を行い、続いて、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して熱伝導性材料膜をパターニングすることで第1の均熱層71、第2の均熱層72および保護金属73を形成する熱伝導性材料膜パターニング工程を行うことによって、図17(b)に示す構造を得る。なお、パッシベーション膜60は、PSG膜とNSG膜との積層膜に限らず、例えば、シリコン窒化膜でもよい。
After the metal film patterning step, a PSG film having a predetermined film thickness (for example, 0.5 μm) and a predetermined film thickness (for example, 0 μm) are formed on the one surface side of the
上述の熱伝導性材料膜パターニング工程の後、シリコン酸化膜31とシリコン窒化膜32との積層膜からなる熱絶縁層と、当該熱絶縁層上に形成された感温部30と、熱絶縁層の表面側で感温部30を覆うように形成された層間絶縁膜50と、層間絶縁膜50上に形成されたパッシベーション膜60との積層構造部をパターニングすることにより上述の小薄膜構造部3aaを形成する積層構造部パターニング工程を行うことによって、図18(a)に示す構造を得る。なお、積層構造部パターニング工程において、上述の各スリット13,14を形成している。
After the above-described thermal conductive material film patterning step, a thermal insulating layer composed of a laminated film of the
上述の積層構造部パターニング工程の後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して各パッドVout,Vsel,Vref,Vdd,Gndを露出させるパッド用開口部(図示せず)を形成するパッド用開口部形成工程を行い、続いて、上述の各スリット13,14をエッチャント導入孔として上記エッチャントを導入してシリコン基板1aを異方性エッチングすることによりシリコン基板1aに掘込部11を形成する掘込部形成工程を行うことによって、図18(b)に示す構造の画素部2が2次元アレイ状に配列された赤外線センサAを得る。ここで、パッド用開口部形成工程におけるエッチングはRIEにより行っている。また、堀込部形成工程では、上記エッチャントとして所定温度(例えば、85℃)に加熱したTMAH溶液を用いているが、上記エッチャントはTMAH溶液に限らず、他のアルカリ系溶液(例えば、エチレンジアミンピロカテコール:EDPなど)を用いてもよい。なお、堀込部形成工程が終了するまでの全工程はウェハレベルで行うので、堀込部形成工程が終了した後、個々の赤外線センサAに分離する分離工程を行えばよい。また、上述の説明から分かるように、MOSトランジスタ4の製造方法に関してみれば、周知の一般的なMOSトランジスタの製造方法を採用しており、熱酸化による熱酸化膜の形成、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術による熱酸化膜のパターニング、不純物のイオン注入、ドライブイン(不純物の拡散)の基本工程を繰り返すことにより、p+形ウェル領域41、p++形チャネルストッパ領域42、n+形ドレイン領域43とn+形ソース領域44を形成している。
After the laminated structure patterning step described above, a pad opening for forming a pad opening (not shown) for exposing the pads Vout, Vsel, Vref, Vdd, and Gnd using a photolithography technique and an etching technique. A formation step is performed, and then the above-described
以上説明した本実施形態の赤外線センサAによれば、赤外線吸収部33および赤外線吸収部33の温度変化を検出するサーモパイル30aがシリコン基板1aを用いて形成されたベース基板1の上記一表面側に設けられるとともに、ベース基板1に赤外線吸収部33を当該ベース基板1から熱絶縁するための掘込部11が形成され、ベース基板1の上記一表面側で平面視において掘込部11の内側に位置し赤外線吸収部33を有する薄膜構造部3aがベース基板1における掘込部11の周部に支持され、薄膜構造部3aおよびベース基板1の最表層側に薄膜構造部3aとベース基板1との両者に跨ってパッシベーション膜60が形成されており、掘込部11を形成する際に用いる上記エッチャントに対する耐性を有し且つ平面視においてサーモパイル30aの複数の温接点T1が集中して設けられた領域を覆う形でパッシベーション膜60上に形成され当該パッシベーション膜60よりも熱伝導率の高い熱伝導性材料からなる第1の均熱層71と、上記エッチャントに対する耐性を有し且つサーモパイル30aの複数の冷接点T2が集中して設けられた領域を覆う形でパッシベーション膜60上に形成され上記熱伝導性材料からなる第2の均熱層72とを備えているので、仮に温接点T1や冷接点T2での段差などに起因してパッシベーション膜60にクラックやピンホールが形成されていたとしてもクラックやピンホールが第1の均熱層71および第2の均熱層72により覆われるので、製造時に掘込部11を形成する際に用いる上記エッチャントによりサーモパイル30aが浸食されるのを防止することができて信頼性を向上でき、しかも、使用時には、第1の均熱層71により複数の温接点T1の温度を均一化できるとともに、第2の均熱層72により複数の冷接点T1の温度の均一化を図れるから、感度の向上を図れる。なお、本実施形態の赤外線センサAでは、上述のシリコン窒化膜32の一部からなる赤外線吸収部33が、ベース基板1の上記他表面側からの上記エッチャントの浸入を防止する機能を有している。また、平面視においてMOSトランジスタ4のゲート電極46、ドレイン電極47、ソース電極48、およびグラウンド用電極49が設けられた領域を覆う形でパッシベーション膜60上に形成された保護金属層73により、上記エッチャントの浸入が防止され、MOSFET4も保護される。
According to the infrared sensor A of the present embodiment described above, the infrared absorbing
また、本実施形態の赤外線センサAでは、各接続金属部36,37の材料と上記熱伝導性材料とが同じであり、各接続金属部36,37の材料と上記熱伝導性材料との熱膨張率が等しくなるから、温度変化に伴う薄膜構造部3aの膨張収縮により薄膜構造部3aに発生する応力を緩和することが可能となる。また、上記熱伝導性材料としてAl−Siを採用しているので、上述の熱伝導性材料膜パターニング工程による第1の均熱層71および第2の均熱層72の加工(熱伝導性材料膜のエッチング)が容易である。
Moreover, in the infrared sensor A of this embodiment, the material of each
また、本実施形態の赤外線センサAによれば、各画素部2では、ベース基板1に赤外線吸収部33を当該ベース基板1から熱絶縁するための掘込部11が形成され、ベース基板1の上記一表面側で平面視において掘込部11の内側に赤外線吸収部33を有し掘込部11を覆う薄膜構造部3aが形成されており、薄膜構造部3aが複数の線状のスリット13により掘込部11の周方向に沿って並設されそれぞれベース基板1における掘込部11の周部から内方へ延長された複数の小薄膜構造部3aaに分離され、各小薄膜構造部3aaごとにサーモパイル30aが設けられるとともに、各サーモパイル30aごとに出力を取り出す場合に比べて温度変化に対する出力変化が大きくなる接続関係で全てのサーモパイル30aが電気的に接続されていることにより、応答速度および感度の向上を図れ、しかも、隣接する小薄膜構造部3aa,3aa同士を連結する連結片3cが形成されていることにより、各小薄膜構造部3aaの反りを低減でき、構造安定性の向上を図れ、感度が安定する。
Further, according to the infrared sensor A of the present embodiment, in each
また、本実施形態の赤外線センサAは、上述の掘込部11を四角錘状に形成するので、ベース基板1がシリコン基板1aを用いて形成される場合に掘込部11をアルカリ系溶液からなる上記エッチャントによる異方性エッチングによって容易に形成することができる。
Moreover, since the infrared sensor A of this embodiment forms the above-mentioned dug
また、本実施形態の赤外線センサAでは、シリコン窒化膜32の赤外線入射面側に、n形ポリシリコン層34およびp形ポリシリコン層35の他に、赤外線吸収層39、補強層39b、故障診断用配線139が形成されているので、n形ポリシリコン層34およびp形ポリシリコン層35の形成時にシリコン窒化膜32がエッチングされて薄くなるのを抑制する(ここでは、上述のポリシリコン層パターニング工程でn形ポリシリコン層34およびp形ポリシリコン層35の基礎となるノンドープポリシリコン層をエッチングする際のオーバーエッチング時にシリコン窒化膜32がエッチングされて薄くなるのを抑制する)ことができるとともに薄膜構造部3aの応力バランスの均一性を高めることができ、赤外線吸収部33の薄膜化を図りながらも小薄膜構造部3aaの反りを防止することが可能となり、感度の向上を図れる。ここで、n形ポリシリコン層34、p形ポリシリコン層35、赤外線吸収層39、補強層39b、故障診断用配線139は、上述の堀込部形成工程において用いるエッチング液(例えば、TMAH溶液など)によりエッチングされるのを防止するため、スリット13,14の内側面に露出しないように平面視形状を設計する必要がある。
Further, in the infrared sensor A of the present embodiment, on the infrared incident surface side of the
また、本実施形態の赤外線センサAでは、n形ポリシリコン層34とp形ポリシリコン層35と赤外線吸収層39と補強層39bと故障診断用配線139とが同一の厚さに設定されているので、小薄膜構造部3aaの応力バランスの均一性が向上し、小薄膜構造部3aaの反りを抑制することができる。
In the infrared sensor A of the present embodiment, the n-
また、本実施形態の赤外線センサAは、各画素部2ごとに感温部30の出力を読み出すためのMOSトランジスタ4を有しているので、出力用パッドVoutの数を少なくでき、小型化および低コスト化を図れる。
In addition, since the infrared sensor A of the present embodiment includes the
ところで、上述の赤外線センサAでは、シリコン基板1aとして上記一表面が(100)面のシリコン基板を用いて、エッチング速度の結晶面方位依存性を利用した異方性エッチングにより形成する掘込部11を四角錘状の形状としてあるが、シリコン基板1aとして上記一表面が(110)面のシリコン基板を用いて、図19に示すように、掘込部11をエッチング速度の結晶面方位依存性を利用した異方性エッチングによりシリコン基板1aの厚み方向に貫通する形で形成してもよい。この図19の構成によれば、薄膜構造部3aの各小薄膜構造部3aaからベース基板1への熱伝達をより抑制することができ、より一層の高感度化を図れる。
By the way, in the above-described infrared sensor A, the digging
また、上述の赤外線センサAの掘込部11は、図20に示すように、上記エッチャントとして等方性エッチングが可能なエッチング液を用いて当該掘込部11の内面が凹曲面となる形状に形成してもよい。この図20の構成によれば、薄膜構造部3aを透過した赤外線を掘込部11の内面で薄膜構造部3a側へ反射することができるので、赤外線吸収部33での赤外線吸収量を大きくでき、感度の向上を図れる。
Further, as shown in FIG. 20, the digging
また、赤外線センサAは、図21に示すように、ベース基板1の他表面側に、複数の掘込部11を連通させる開口部12が形成された構成としてもよく、ベース基板1の開口部12は、ベース基板1の上記他表面側からシリコン基板1aにおける開口部12の形成予定領域を例えばICP型のドライエッチング装置を用いた異方性エッチング技術を利用して形成すればよい。この図21の構成の赤外線センサAによれば、図20の構成と同様、薄膜構造部3aの各小薄膜構造部3aaからベース基板1への熱伝達をより抑制することができ、より一層の高感度化を図れる。
Further, as shown in FIG. 21, the infrared sensor A may have a configuration in which
また、赤外線センサAは、図22に示すように、小薄膜構造部33aの延長方向において隣接する小薄膜構造部33a,33a同士が、上記延長方向に交差する方向(つまり、小薄膜構造部3aaの幅方向)において離間した2つの連結片3cにより連結された構成としてもよい。この図22の構成の赤外線センサAによれば、連結片3cが、小薄膜構造部3aaの延長方向において隣接する小薄膜構造部3aa,3aa同士を連結しているので、小薄膜構造部3aa,3aaの一端側がベース基板1における堀込部11の周部に直接支持される一方で、他端側が連結片3cと別の小薄膜構造部3aaとを介してベース基板1における堀込部11の周部に支持され、結果的に、各小薄膜構造部3aaがベース基板1に両持ち支持されるから、小薄膜構造部3aaの反りを低減でき、感度が安定するとともに、製造歩留まりが向上する。なお、上記延長方向において隣接する小薄膜構造部33a,33a同士は、小薄膜構造部3aaの幅方向の中央部において1つの連結片3cにより連結するようにしてもよい。
Further, as shown in FIG. 22, the infrared sensor A has a direction in which small thin
また、赤外線センサAは、図23に示すように、小薄膜構造部3aaの延長方向に直交する方向(小薄膜構造部3aaの幅方向、つまり、図23の上下方向)において隣接する小薄膜構造部3aa,3aa同士がブリッジ部3bb以外の部位で1つの連結片3cにより連結された構成としてもよい。この図23の構成の赤外線センサAによれば、連結片3cが、小薄膜構造部3aaの延長方向に直交する方向において隣接する小薄膜構造部3aa,3aa同士を連結しているので、各小薄膜構造部3aaのねじり剛性が大きくなって、各小薄膜構造部3aaのねじり変形を低減でき、感度が安定するとともに、製造歩留まりが向上する。
Further, as shown in FIG. 23, the infrared sensor A has a small thin film structure adjacent in a direction orthogonal to the extending direction of the small thin film structure 3aa (the width direction of the small thin film structure 3aa, that is, the vertical direction in FIG. 23). The portions 3aa and 3aa may be connected to each other by one connecting
また、赤外線センサAは、図24および図25に示すように、画素部2の平面視形状が六角形状であり、画素部2がハニカム状に配列された構成としてもよい。ここで、薄膜構造部3aは、6つのスリット13により6個の小薄膜構造部3aaに分離され連結片3cにより、これら6個の小薄膜構造部3aaが連結されている。この図24に示した構成の赤外線センサAは、各小薄膜構造部3aaの変形を防止でき、且つ、画素部2の配置密度を高めることができる。
In addition, as shown in FIGS. 24 and 25, the infrared sensor A may have a configuration in which the
ところで、上記各実施形態の赤外線センサAは、各画素部2にMOSトランジスタ4を設けてあるが、MOSトランジスタ4は必ずしも設ける必要はない。また、赤外線センサAは、必ずしも画素部2をアレイ状に備えた赤外線アレイセンサである必要はなく、少なくとも1つのサーモパイル30aを備えたものであればよい。
By the way, in the infrared sensor A of each of the above embodiments, the
A 赤外線センサ
1 ベース基板
3a 薄膜構造部
11 掘込部
30a サーモパイル
33 赤外線吸収部
34 n形ポリシリコン層(n形のポリシリコンエレメント)
35 p形ポリシリコン層(p形のポリシリコンエレメント)
36 第1の接続金属部
37 第2の接続金属部
71 第1の均熱層
72 第2の均熱層
T1 温接点
T2 冷接点
A
35 p-type polysilicon layer (p-type polysilicon element)
36 1st
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
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