JP2010256189A

JP2010256189A - 赤外線センサ

Info

Publication number: JP2010256189A
Application number: JP2009107060A
Authority: JP
Inventors: Masao Kirihara; 昌男桐原
Original assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2009-04-24
Filing date: 2009-04-24
Publication date: 2010-11-11

Abstract

【課題】配線のレイアウトの自由度が高く且つ高感度化を図れる赤外線センサを提供する。
【解決手段】シリコン基板１と、シリコン基板１の主表面側に形成されてシリコン基板１に支持された薄膜構造部６とを備え、シリコン基板１に薄膜構造部６におけるシリコン基板１側の表面の一部を露出させる開口部１１が形成されている。薄膜構造部６は、シリコン基板１の主表面における開口部１１の周部の全周に亘って形成された支持部６１の内側に配置される赤外線受光部６３が２つの短冊状の連結部６２，６２を介して支持部６１に支持されるとともに赤外線受光部６３の温度変化を検出するサーモパイルからなる感温素子３が設けられている。赤外線受光部６３の周囲には連結部６２，６２を除いて支持部６１との間にスリット６４，６４が形成されており、支持部６１における赤外線受光部６３との対向面を開口部１１の開口縁から後退させてある。
【選択図】図１

Description

本発明は、赤外線センサに関するものである。

従来から、マイクロマシニング技術などを利用して形成され、赤外線を吸収して熱に変換する赤外線受光部と、赤外線受光部の温度変化を検出する感温素子とを備えた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１，２参照）。

ここで、上記特許文献１には、図７に示すように、主表面が（１００）面のシリコン基板１’と、シリコン基板１’の主表面側に形成されてシリコン基板１’に支持された薄膜構造部６’とを備え、シリコン基板１’に薄膜構造部６’におけるシリコン基板１’側の表面の一部を露出させる開口部１１’が形成された赤外線センサが記載されている。ここにおいて、薄膜構造部６’は、シリコン基板１の主表面における開口部１１’の周部上に形成された支持部６１’の内側に配置される赤外線受光部６３’が２つの連結部６２’を介して支持部６１’に支持されるとともに赤外線受光部６３’の温度変化を検出するサーモパイルからなる感温素子３’が設けられている。

また、薄膜構造部６’には、シリコン基板１’の開口部１１’に連通する２つのスリット６４’が形成されており、シリコン基板１’の開口部１１’は、薄膜構造部６’の各スリット６４’を通してアルカリ系溶液（例えば、ヒドラジンなど）からなるエッチャントを導入してシリコン基板１’を主表面側から異方性エッチングすることにより形成されている。したがって、シリコン基板１’の開口部１１’は、矩形状に開口され内側面が｛１１１｝面により構成されている。

また、薄膜構造部６’は、シリコン基板１’の主表面上に形成したシリコン窒化膜からなる第１の絶縁層２’と、当該絶縁層２’上に形成された感温素子３’と、当該感温素子３’を覆うように第１の絶縁層２’におけるシリコン基板１’側とは反対側に形成されたシリコン酸化膜からなる第２の絶縁層４’と、第２の絶縁層４’上に形成されたパッシベーション膜５’とを有する積層構造体に上述の各スリット６４’を形成することによりパターニングされている。しかして、シリコン基板１’の主表面側で平面視における開口部１１’の内側に上記積層構造体の一部からなる赤外線受光部６３’が配置されており、当該赤外線受光部６３’が２つの連結部６２’，６２’を介して開口部１１’の周部の支持部６１’に支持されている。ここで、図７に示した構成の赤外線センサは、赤外線受光部６３’において、パッシベーション膜５’上に金黒膜からなる赤外線吸収膜７’が形成されており、感温素子３’の両端の出力端子８’，８’が支持部６１’において露出している。なお、サーモパイルからなる感温素子３’は、赤外線受光部６３’に温接点Ｔ１’が配置され、支持部６１’に冷接点Ｔ２’が配置されている。

また、上記特許文献２には、図８に示すように、シリコン基板１’の主表面側の赤外線受光部６３’が、シリコン基板１’の主表面における開口部１１’の周部上で矩形状の開口部１１’の一辺のみに沿って形成された支持部６１’に直接支持されてなる赤外線センサが記載されている。ここで、図８に示した構成の赤外線センサも、サーモパイルからなる感温素子３’の両端の出力端子８’，８’が支持部６１’において露出している。また、図８の構成においても、サーモパイルからなる感温素子３’は、赤外線受光部６３’に温接点Ｔ１’が配置され、支持部６１’に冷接点Ｔ２’が配置されている。

なお、赤外線センサとしては、シリコン基板１’の主表面側に感温素子３’が１つだけ設けられた赤外線センサに限らず、感温素子３’と感温素子３’の出力を読み出すためのＭＯＳトランジスタとを有する画素が２次元アレイ状（マトリクス状）に配列された赤外線イメージセンサや、ＭＯＳトランジスタなしで感温素子３’を有する画素が２次元アレイ状に配列された赤外線イメージセンサも考えられる。また、赤外線センサの感温素子３’としては、サーモパイルに限らず、例えば、抵抗ボロメータ、サーミスタ、ダイオード、焦電素子なども考えられる。

特開２００６−６４６０４号公報特開平１１−３２６０６４号公報

ところで、図７に示した構成の赤外線センサの感度の向上を図るために、当該赤外線センサを収納するパッケージの気密空間を真空雰囲気とすることが考えられるが、真空度の変動によって断熱性が変動するため、感度が不安定になってしまう。そこで、赤外線受光部６３’の面積を開口部１１’の開口面積に近づける（要するに、開口率を大きくする）ことで高感度化を図り、感度の安定化を図るために、パッケージの内部空間をＮ_２ガスなどの不活性ガス雰囲気とすることが考えられる。しかしながら、本願発明者は、鋭意研究の結果、高感度化を目的として赤外線受光部６３’の面積を大きくすることで赤外線受光部６３’と支持部６１’とを空間的に分離しているスリット６４’の幅を狭くした赤外線センサをパッケージに収納するとともに当該パッケージの気密空間をＮ_２ガス雰囲気とすると、スリット６４’内に存在するＮ_２ガスが熱伝導路となって赤外線受光部６３’での赤外線吸収により発生した熱の一部が支持部６１’へ放熱されてしまい、赤外線受光部６３’の面内での温度勾配が大きくなって感度が低下してしまうという知見を得た。このような感度の低下は、赤外線センサの小型化を図ることでスリット６４’の幅が小さくなった場合や、赤外線イメージセンサの各画素の縮小による赤外線イメージセンサの小型化を図ることでスリット６４’の幅が小さくなった場合にも起こってしまう。

これに対して、図８に示した構成の赤外線センサでは、シリコン基板１’の主表面側の赤外線受光部６３’が、シリコン基板１’の主表面における開口部１１’の周部上で矩形状の開口部１１’の一辺のみに沿って形成された支持部６１’に直接支持されているので、赤外線受光部６３’で発生した熱がＮ_２ガスを熱伝導路として支持部６１’へ放熱されるのを抑制することができる。

しかしながら、図８に示した構成の赤外線センサでは、シリコン基板１’の主表面における開口部１１’の周部のうち、矩形状の開口部１１’の１辺のみに沿った部位にしか支持部６１’が形成されていないので、シリコン基板１’の主表面側において開口部１１’の周部の大部分が金属配線などの配線を形成できないデッドスペースとなってしまい、シリコン基板１’の主表面側に複数の感温素子３’を２次元アレイ状に配列して適宜の配線やＭＯＳトランジスタなどに接続する必要のある赤外線イメージセンサへの応用が難しかった。

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、配線のレイアウトの自由度が高く且つ高感度化を図れる赤外線センサを提供することにある。

請求項１の発明は、シリコン基板と、シリコン基板の主表面側に形成されてシリコン基板に支持された薄膜構造部とを備え、シリコン基板に薄膜構造部におけるシリコン基板側の表面の一部を露出させる開口部が形成されてなる赤外線センサであって、薄膜構造部は、シリコン基板の主表面における開口部の周部の全周に亘って形成された支持部の内側に配置される赤外線受光部が連結部を介して支持部に支持されるとともに赤外線受光部の温度変化を検出する感温素子が設けられ、赤外線受光部の周囲には連結部を除いて支持部との間にスリットが形成されてなり、支持部における赤外線受光部との対向面を開口部の開口縁から後退させてあることを特徴とする。

この発明によれば、赤外線受光部の周囲には連結部を除いて支持部との間にスリットが形成されてなり、支持部における赤外線受光部との対向面を開口部の開口縁から後退させてあるので、支持部がシリコン基板の主表面における開口部の周部の全周に亘って形成された構造において、赤外線受光部の面積を大きくしながらも、赤外線受光部で発生した熱がスリット内の媒質を熱伝導路として支持部へ放熱されるのを抑制することができるから、配線のレイアウトの自由度が高く且つ高感度化を図れる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記シリコン基板の前記主表面側における前記開口部の形成部位と前記支持部の形成部位との間に断熱用凹部が形成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記シリコン基板の前記主表面側において前記開口部の形成部位と前記支持部の形成部位との間に断熱用凹部が形成されているので、前記赤外線受光部から前記シリコン基板への熱伝導路を長くすることができて、断熱性をより向上でき、より一層の高感度化を図れる。

請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記シリコン基板の前記主表面側における前記開口部の形成部位と前記支持部の形成部位との間に前記シリコン基板に比べて熱伝導率の低い熱絶縁部が形成され、当該熱絶縁部は、前記スリット内の媒質に接していることを特徴とする。

この発明によれば、前記シリコン基板の前記主表面側において前記開口部の形成部位と前記支持部の形成部位との間に熱絶縁部が形成されているので、前記赤外線受光部と前記シリコン基板との間の断熱性をより向上でき、より一層の高感度化を図れる。

請求項１の発明は、配線のレイアウトの自由度が高く且つ高感度化を図れるという効果がある。

実施形態１の赤外線センサの製造方法を説明するための主要工程断面図である。同上の赤外線センサの製造方法を説明するための主要工程断面図である。同上の赤外線センサの製造方法を説明するための主要工程断面図である。実施形態２の赤外線センサの概略断面図である。実施形態３の赤外線センサの概略断面図である。実施形態４の赤外線センサの概略断面図である。従来例の赤外線センサを示し、（ａ）は要部の平面レイアウト図、（ｂ）は概略断面図である。他の従来例の赤外線センサを示し、（ａ）は概略斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’概略断面図である。

（実施形態１）
本実施形態の赤外線センサは、図１に示すように、導電形がｎ形で主表面が｛１００｝面の単結晶のシリコン基板１と、シリコン基板１の主表面側に形成されてシリコン基板１に支持された薄膜構造部６とを備え、シリコン基板１に薄膜構造部６におけるシリコン基板１側の表面の一部を露出させる開口部１１が形成されている。ここで、シリコン基板１の開口部１１は、薄膜構造部６の厚み方向に貫通する形で形成した複数のスリット６４を通してエッチャントであるアルカリ系溶液（例えば、ＴＭＡＨ溶液、ＫＯＨ溶液など）を導入してシリコン基板１を主表面側から異方性エッチングすることにより形成されており（要するに、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されており）、矩形状に開口され内側面が｛１１１｝面により構成された四角錘状に形成されている。図１（ｂ）は、後述の層間絶縁膜４およびパッシベーション膜５の図示を省略してあり、同図（ａ）のＡ−Ａ’断面に相当する概略断面図である。また、本実施形態の赤外線センサは、複数の画素がアレイ状に配列された赤外線イメージセンサであるが、図１では、後述の感温素子３を有する画素を１つのみを図示してあり、当該画素に設けられ感温素子３の出力を読み出すための画素選択スイッチであるＭＯＳトランジスタの図示も省略してある。なお、シリコン基板１の導電形は、ｎ形に限らず、ｐ形でもよい。

薄膜構造部６は、シリコン基板１の主表面における開口部１１の周部の全周に亘って形成された支持部６１の内側に配置される赤外線受光部６３が２つの短冊状の連結部（ブリッジ部）６２，６２を介して支持部６１に支持されるとともに赤外線受光部６３の温度変化を検出する感温素子３が設けられ、赤外線受光部６３の周囲には連結部６２，６２を除いて支持部６１との間にスリット６４が形成されており、支持部６１における赤外線受光部６３との対向面を開口部１１の開口縁から後退させてある。ここでは、薄膜構造部６のうち、シリコン基板１の主表面における開口部１１の周部上に形成された部位の一部が除去されて、シリコン基板１の主表面の一部が露出している。

また、薄膜構造部６は、シリコン基板１の主表面側に形成されシリコン基板１に支持されたシリコン窒化膜２１と当該シリコン窒化膜２１上のシリコン酸化膜２２との積層膜からなる絶縁層２と、絶縁層２におけるシリコン基板１側とは反対側に形成された上述の感温素子３とを備えている。

感温素子３は、赤外線受光部６３と連結部６２と支持部６１とに跨って形成された細長のｐ形ポリシリコン層（ｐ形ポリシリコンエレメント）３２および細長のｎ形ポリシリコン層（ｎ形ポリシリコンエレメント）３１と、ｐ形ポリシリコン層３２とｎ形ポリシリコン層３１との一端部同士を薄膜構造部６の赤外線受光部６３において電気的に接合した金属膜（例えば、Ａｌ−Ｓｉ膜など）からなる接続金属部３３とで構成される複数の熱電対が直列接続されたサーモパイルにより構成されている。ここで、感温素子３を構成するサーモパイルは、ｐ形ポリシリコン層３２の上記一端部およびｎ形ポリシリコン層３１の上記一端部と、対をなすｐ形ポリシリコン層３２とｎ形ポリシリコン層３１との上記一端部同士を接合した接続金属部３３とで温接点Ｔ１を構成し、互いに異なる熱電対のｐ形ポリシリコン層３２の他端部およびｎ形ポリシリコン層３１の他端部と、これら他端部同士を支持部６１において接合した金属膜（例えば、Ａｌ−Ｓｉ膜など）からなる接続金属部３４とで冷接点Ｔ２を構成している。

ここで、ｎ形ポリシリコン層３１は、ｎ形不純物（例えば、リンなど）の不純物濃度を例えば１０^１８〜１０^２０ｃｍ^−３の範囲で適宜設定すればよく、ｐ形ポリシリコン層３２は、ｐ形不純物（例えば、ボロン）の不純物濃度を例えば１０^１８〜１０^２０ｃｍ^−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３１およびｐ形ポリシリコン層３２それぞれの不純物濃度が１０^１８〜１０^２０ｃｍ^−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。

本実施形態では、ｎ形ポリシリコン層３１およびｐ形ポリシリコン層３２の屈折率をｎ_１、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３１およびｐ形ポリシリコン層３２それぞれの厚さｔ１をλ／４ｎ_１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、ｎ_１＝３．６、λ＝１０μｍの場合には、ｔ１≒０．６９μｍとすればよい。

また、本実施形態では、ｎ形ポリシリコン層３１およびｐ形ポリシリコン層３２それぞれの不純物濃度が１０^１８〜１０^２０ｃｍ^−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、感温素子３の出力のＳ／Ｎ比を高めることができる。

本実施形態の赤外線センサでは、上述の開口部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、赤外線受光部６３の中央部に温接点Ｔ１が集まるように各画素における感温素子３の平面レイアウトを設計してある。すなわち、各温接点Ｔからスリット６４までの距離が略等しくなるように温接点Ｔ１を配置してあり、各温接点Ｔ１の温度変化を大きくできるので、感度を向上できる。

また、薄膜構造部６は、シリコン基板１の主表面側で各ポリシリコン層３１，３２および絶縁層２において各ポリシリコン層３１，３２が形成されていない部位を覆うＢＰＳＧ膜４１と当該ＢＰＳＧ膜４１上のＳＧ膜４２との積層膜からなる層間絶縁膜４と、層間絶縁膜４および各接続金属部３３，３４を覆うパッシベーション膜５とを備えている。しかして、上述の各接続金属部３３，３４が層間絶縁膜４により絶縁分離されている。ここで、温接点Ｔ１の接続金属部３３は、層間絶縁膜４に形成されたコンタクトホールを通して両ポリシリコン層３１，３２と接続され、冷接点Ｔ２の接続金属部３４は、層間絶縁膜４に形成されたコンタクトホールを通して両ポリシリコン層３１，３２と接続されている。なお、パッシベーション膜５は、ＰＳＧ膜とＮＳＧ膜との積層膜により構成されているが、当該積層膜に限らず、例えば、シリコン窒化膜により構成してもよい。いずれにしても、上述の薄膜構造部６は、シリコン基板１の主表面側に形成された絶縁層２と、絶縁層２上に形成された感温素子３と、絶縁層２におけるシリコン基板１側とは反対の表面側で感温素子３を覆うように形成された層間絶縁膜４と、層間絶縁膜４上に形成されたパッシベーション膜５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。また、本実施形態では、絶縁層２、層間絶縁膜４およびパッシベーション膜５が赤外線吸収膜として機能する。なお、層間絶縁膜４およびパッシベーション膜５は、シリコン基板１の主表面側における上述のＭＯＳトランジスタなどの形成領域にも形成されている。

本実施形態の赤外線センサの各画素では、感温素子３が層間絶縁膜４上に形成された金属配線８１，８２を介して、信号読み出し用の上記ＭＯＳトランジスタや配線と電気的に接続されている。ここで、各金属配線８１，８２および上記各配線は、各接続金属部３３，３４と同じ材料で、且つ、同時に形成されている。

ところで、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は、シリコン基板１の主表面において各画素ごとに開口部１１を形成することで、各画素それぞれにおいて赤外線受光部６３をシリコン基板１と熱絶縁してある。ここで、各画素では、赤外線受光部６３と支持部６１とを連結する２つの短冊状の連結部６２，６２が開口部１１の周方向に離間して形成されており、２つのスリット６４，６４の一方のスリット６４は、２つの連結部６２．６２を空間的に分離するとともに赤外線受光部６３を支持部６１と空間的に分離し開口部１１の内部空間に連通する平面視コ字状に形成され、他方のスリット６４は、赤外線受光部６３と支持部６１とを空間的に分離する平面視コ字状に形成されている。

また、シリコン基板１の主表面側には、開口部１１を上述のアルカリ系溶液を用いた異方性エッチングにより形成する際に開口部１１の形成予定領域を規定する不純物ドーピング層からなるエッチングストップ層１２が形成されている。ここで、本実施形態では、エッチングストップ層１２が、シリコン基板１の主表面側においてシリコン基板１内にボロンをイオン注入することにより開口部１１の形成予定領域を囲む矩形枠状に形成されており、開口部１１の開口面積のばらつきを低減でき、シリコン基板１の主表面側で平面視において開口部１１の周囲に配置される金属配線８１，８２、上記ＭＯＳトランジスタ、上記配線などとの距離を短くでき、赤外線センサの小型化を図れる。また、本実施形態では、エッチングストップ層１２が、支持部６１における赤外線受光部６３との対向面よりも内側に形成されているので、開口部１１の開口面積を支持部６１の開口面積よりも小さくすることができ、赤外線センサの小型化を図れる。

以下、本実施形態の赤外線センサの製造方法について図２および図３を参照しながら説明する。

まず、シリコン基板１の主表面側にエッチングストップ層１２を形成するエッチングストップ層形成工程を行うことによって、図２（ａ）に示す構造を得る。エッチングストップ層形成工程では、シリコン基板１の主表面側を熱酸化することによりシリコン酸化膜を形成してから、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をパターニングし、パターニングされたシリコン酸化膜をマスクとしてシリコン基板１の主表面側にボロン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、エッチングストップ層１２を形成する。

上述のエッチングストップ層形成工程の後、シリコン基板１の主表面上にシリコン窒化膜２１をＬＰＣＶＤ法などにより形成するシリコン窒化膜形成工程を行うことによって、図２（ｂ）に示す構造を得る。

上述のシリコン窒化膜形成工程の後で、シリコン窒化膜２１上にシリコン酸化膜２２を形成するシリコン酸化膜形成工程を行うことによって、図２（ｃ）に示す構造を得る。なお、本実施形態では、シリコン窒化膜形成工程とシリコン酸化膜形成工程とで絶縁層２を形成する絶縁層形成工程を構成している。

絶縁層形成工程の後、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当該シリコン窒化膜２１のうち所定領域を残して上記ＭＯＳトランジスタの形成用領域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。

上述の絶縁層パターニング工程の後、シリコン基板１の主表面側に上記ＭＯＳトランジスタのｐ^＋形ウェル領域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の主表面側における上記ｐ^＋形ウェル領域内にｐ^＋＋形チャネルストッパ領域を形成するチャネルストッパ領域形成工程を行い、その後、ｐ^＋形ウェル領域におけるｎ^＋形ドレイン領域およびｎ^＋形ソース領域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^＋形ドレイン領域およびｎ^＋形ソース領域を形成するソース・ドレイン形成工程を行う。

上述のソース・ドレイン形成工程の後、シリコン基板１の主表面側に熱酸化によりシリコン酸化膜（熱酸化膜）からなるゲート絶縁膜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１の主表面側の全面に、各ｎ形ポリシリコン層３１、各ｐ形ポリシリコン層３２、上記配線（ポリシリコン層配線）およびゲート電極の基礎となるノンドープのポリシリコン層３０をＬＰＣＶＤ法により形成するポリシリコン層形成工程を行うことによって、図２（ｄ）に示す構造を得る。

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ノンドープのポリシリコン層のうち各ｎ形ポリシリコン層３１、各ｐ形ポリシリコン層３２、上記各配線およびゲート電極それぞれに対応する部分が残るようにノンドープのポリシリコン層を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、ノンドープのポリシリコン層のうち各ｐ形ポリシリコン層３２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各ｐ形ポリシリコン層３２を形成するｐ形ポリシリコン層形成工程を行い、その後、ノンドープのポリシリコン層のうち各ｎ形ポリシリコン層３１、ゲート電極および上記各配線それぞれに対応する部分に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各ｎ形ポリシリコン層３１、ゲート電極および上記各配線を形成するｎ形ポリシリコン層形成工程を行うことによって、図２（ｅ）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。

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１の主表面側にＢＰＳＧ膜４１を形成するＢＰＳＧ膜形成工程を行うことによって、図３（ａ）に示す構造を得る。ＢＰＳＧ膜形成工程では、シリコン基板１の主表面側に所定膜厚の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表面が平坦化されたＢＰＳＧ膜４１を形成する。

上述のＢＰＳＧ膜形成工程の後、ＢＰＳＧ膜４１上にＳＧ膜を形成するＳＧ膜形成工程を行うことによって、図３（ｂ）に示す構造を得る。なお、本実施形態では、ＢＰＳＧ膜形成工程とＳＧ膜形成工程とで層間絶縁膜４を形成する層間絶縁膜形成工程を構成している。

上述の層間絶縁膜形成工程の後、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層間絶縁膜４に、コンタクトホールを形成するコンタクトホール形成工程を行い、その後、シリコン基板１の主表面側の全面に各接続金属部３３，３４、各金属配線８１，８２および上記ＭＯＳトランジスタのドレイン電極、ソース電極などの基礎となる金属膜（例えば、Ａｌ−Ｓｉ膜）を例えば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各接続金属部３３，３３、各金属配線８１，８２および上記ＭＯＳトランジスタのドレイン電極、ソース電極などを形成する金属膜パターニング工程を行い、その後、シリコン基板１の主表面側（つまり、層間絶縁膜４の表面側）にＰＳＧ膜とＮＳＧ膜との積層膜からなるパッシベーション膜５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、続いて、薄膜構造部６にスリット６４，６４を形成するスリット形成工程を行うことによって、図３（ｃ）に示す構造を得る。なお、コンタクトホール形成工程では、バッファードフッ酸により層間絶縁膜４をエッチングする。また、スリット形成工程では、ＲＩＥにより薄膜構造部６をエッチングする。ここで、スリット６４は、平面視において赤外線受光部６３の外周線がエッチングストップ層１２よりも内側になるように形成位置を規定してある。

上述のスリット形成工程の後、パッドを露出させるパッド用開口部を形成するパッド用開口部形成工程を行ってから、シリコン基板１の主表面側に開口部１１を形成する開口部形成工程を行うことによって、図３（ｄ）に示す構造の赤外線センサを得る。開口部形成工程では、各画素ごとに２つのスリット６４，６４それぞれを通してアルカリ系溶液からなるエッチャントを導入してシリコン基板１を異方性エッチングすることによりシリコン基板１の主表面側に開口部１１を形成する。ここで、アルカリ系溶液としては、所定温度（例えば、８５℃）に加熱したＴＭＡＨ溶液を用いているが、アルカリ系溶液はＴＭＡＨ溶液に限らず、他のアルカリ系溶液（例えば、ＫＯＨ溶液など）を用いてもよい。いずれにしても、開口部１１の内側面は｛１１１｝面により構成される。

上述の開口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、開口部形成工程が終了した後、個々の赤外線センサに分離する分離工程（ダイシング工程）を行えばよい。

以上説明した本実施形態の赤外線センサによれば、赤外線受光部６３の周囲には連結部６２を除いて支持部６１との間にスリットが形成されており、支持部６１における赤外線受光部６３との対向面をシリコン基板１の主表面側の開口部１１の開口縁から後退させてあるので、支持部６１がシリコン基板１の主表面における開口部１１の周部の全周に亘って形成された構造において、赤外線受光部６３の面積を大きくしながらも、赤外線受光部６３で発生した熱がスリット６４内の媒質を熱伝導路として支持部６１へ放熱されるのを抑制することができる（なお、図１（ｂ）中の矢印は、温接点Ｔ１から赤外線受光部６２における支持部６１との対向面側への熱の流れを模式的に示している）から、配線のレイアウトの自由度が高く且つ高感度化を図れる。ここで、本実施形態の赤外線センサをパッケージの気密空間をＮ_２ガス雰囲気とした場合には、上記媒質は気体であるＮ_２ガスなる。なお、ＳｉＯ_２の熱伝導率は１．２Ｗ／ｍ・Ｋ程度、Ｎ_２の熱伝導率は０．０２６Ｗ／ｍ・Ｋ程度である。

また、上述の赤外線センサの製造方法によれば、シリコン基板１の主表面側に形成される開口部１１の開口面積は異方性エッチングを行う際のエッチングストップ層１２の形成位置により規定されるから、開口部１１の開口面積のばらつきを低減でき、低コストで小型化を図れる。

（実施形態２）
本実施形態の赤外線センサの基本構成は実施形態１と同じであって、図４に示すように、開口部１１がシリコン基板１の厚み方向に貫通し且つ開口面積が厚み方向の位置によらず略一様となる形で形成されている点が相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

ところで、実施形態１では、開口部１１を形成する開口部形成工程において、ベース基板１の主表面側からスリット６４，６４を通してアルカリ系溶液を導入してシリコン基板１を異方性エッチングすることで開口部１１を形成している。

これに対して、本実施形態の赤外線センサの製造にあたっては、開口部１１を形成する開口部形成工程において、シリコン基板１の裏面側からシリコン基板１における開口部１１の形成予定領域を例えば誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）型のドライエッチング装置を用いて異方性エッチングすることにより形成すればよい。

しかして、本実施形態の赤外線センサによれば、赤外線受光部６３の厚み方向での断熱性が向上し、より一層の高感度化を図れる。

（実施形態３）
本実施形態の赤外線センサの基本構成は実施形態１と略同じであり、図５に示すように、シリコン基板１の主表面側における開口部１１の形成部位と支持部６１の形成部位との間に、断熱用凹部１３が形成されている点が相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

シリコン基板１の主表面側の断熱用凹部１３は、実施形態１で説明した製造方法において、開口部形成工程の後、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）型のドライエッチング装置を用いてシリコン基板１を主表面側からドライエッチングすることにより形成している。

しかして、本実施形態の赤外線センサによれば、シリコン基板１の主表面側において開口部１１の形成部位と支持部６１の形成部位との間に断熱用凹部１３が形成されているので、赤外線受光部６３からシリコン基板１への熱伝導路を長くすることができて、断熱性をより向上でき、より一層の高感度化を図れる。なお、実施形態２の赤外線センサにおいて同様の断熱用凹部１３を形成してもよい。

（実施形態４）
本実施形態の赤外線センサの基本構成は実施形態１と略同じであり、図６に示すように、シリコン基板１の主表面側における開口部１１の形成部位と支持部６１の形成部位との間に、シリコン基板１に比べて熱伝導率の低い熱絶縁部１４が形成され、当該熱絶縁部１４が、スリット６４内の媒質に接している点が相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

熱絶縁部１４は、シリコン基板１の主表面側の露出部位を熱酸化することにより形成したシリコン酸化膜により構成してあり、熱絶縁部１４は、シリコン基板１の主表面と開口部１１の内側面とに跨って形成されている。

しかして、本実施形態の赤外線センサによれば、シリコン基板１の主表面側において開口部１１の形成部位と支持部６１の形成部位との間に、熱絶縁部１４が形成されているので、赤外線受光部６３とシリコン基板１との間の断熱性をより向上でき、より一層の高感度化を図れる。なお、実施形態２，３の赤外線センサにおいて同様の熱絶縁部１４を形成してもよい。また、熱絶縁部１４は、シリコン酸化膜に限らず、シリコン基板１の一部を多孔質化することにより形成した多孔質シリコン部により構成してもよい。

ところで、上記各実施形態では、感温素子３としてサーモパイルを例示したが、感温素子３は、サーモパイルに限らず、例えば、抵抗ボロメータや、サーミスタ、ダイオード、焦電素子などでもよい。

１シリコン基板
３感温素子
６薄膜構造部
１１開口部
１３断熱用凹部
１４熱絶縁部
６１支持部
６２連結部
６３赤外線受光部
６４スリット

Claims

シリコン基板と、シリコン基板の主表面側に形成されてシリコン基板に支持された薄膜構造部とを備え、シリコン基板に薄膜構造部におけるシリコン基板側の表面の一部を露出させる開口部が形成されてなる赤外線センサであって、薄膜構造部は、シリコン基板の主表面における開口部の周部の全周に亘って形成された支持部の内側に配置される赤外線受光部が連結部を介して支持部に支持されるとともに赤外線受光部の温度変化を検出する感温素子が設けられ、赤外線受光部の周囲には連結部を除いて支持部との間にスリットが形成されてなり、支持部における赤外線受光部との対向面を開口部の開口縁から後退させてあることを特徴とする赤外線センサ。
前記シリコン基板の前記主表面側における前記開口部の形成部位と前記支持部の形成部位との間に断熱用凹部が形成されてなることを特徴とする請求項１記載の赤外線センサ。
前記シリコン基板の前記主表面側における前記開口部の形成部位と前記支持部の形成部位との間に、前記シリコン基板に比べて熱伝導率の低い熱絶縁部が形成され、当該熱絶縁部は、前記スリット内の媒質に接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。