JP2011054974A - ボロメータ用抵抗材料、それを用いた赤外線検出器用ボロメータ、及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ボロメータ用抵抗材料、それを用いた赤外線検出器用ボロメータ、及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】本発明に係るボロメータ用抵抗材料は、アンチモン(Ｓｂ)に、窒素(Ｎ)、酸素(Ｏ)及びゲルマニウム(Ｇｅ)からなる群から選択された１つ以上の元素を含むものであって、このような抵抗材料は、優れた特性、すなわち、高いＴＣＲ、低い比抵抗及び低いノイズ定数 を有し、ＣＭＯＳ工程で一般的に用いるスパッタリング法を用いて容易に薄膜で製造され、非冷却型赤外線検出器のボロメータに抵抗体として用いることができ、赤外線検出器に優れた温度精度を具現することができる。
【選択図】図１
【解決手段】本発明に係るボロメータ用抵抗材料は、アンチモン(Ｓｂ)に、窒素(Ｎ)、酸素(Ｏ)及びゲルマニウム(Ｇｅ)からなる群から選択された１つ以上の元素を含むものであって、このような抵抗材料は、優れた特性、すなわち、高いＴＣＲ、低い比抵抗及び低いノイズ定数 を有し、ＣＭＯＳ工程で一般的に用いるスパッタリング法を用いて容易に薄膜で製造され、非冷却型赤外線検出器のボロメータに抵抗体として用いることができ、赤外線検出器に優れた温度精度を具現することができる。
【選択図】図１
Description
本発明は、ボロメータ用抵抗材料、それを用いた赤外線検出器用ボロメータ及びその製造方法に関する。特に、詳しくは、アンチモン系化合物を抵抗材料として用い、これを抵抗体に適用して優れた温度精度を有する赤外線検出器用ボロメータ及びその製造方法に関する。
赤外線検出器は、動作原理によって光子型(ｐｈｏｔｏｎ−ｔｙｐｅ)と熱型(ｔｈｅｒｍａｌ−ｔｙｐｅ)とに区分される。前者は液体窒素温度で動作する冷却型(ｃｏｏｌｅｄ−ｔｙｐｅ)であり、後者は常温で動作する非冷却型(ｕｎｃｏｏｌｅｄ−ｔｙｐｅ)である。
光子型赤外線検出器は、水銀カドミウムテルリウム(ＨｇＣｄＴｅ)のようなバンドギャップの小さい半導体材料が主に中波長赤外線(Ｍｉｄ−Ｗａｖｅ ＩＲ、３−５μｍ)を吸収する際に生成する電子−正孔対を光電導体(ｐｈｏｔｏｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ)、光ダイオード(ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅｓ)及び光蓄電器(ｐｈｏｔｏｃａｐａｃｉｔｏｒｓ)方式で検知する。
一方、熱型赤外線検出器は、長波長赤外線(Ｌｏｎｇ−Ｗａｖｅ ＩＲ、８−１２μｍ)を吸収する際に発生する熱による温度変化を熱電(ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ)、焦電(ｐｙｒｏｅｌｅｃｔｉｃ)及びボロメータ(ｂｏｌｏｍｅｔｅｒ)方式で検知する。熱型は、光子型よりも赤外線を検知する精度が低いという短所を有するが、冷却装置が要らないので、小型であり、消費電力も少なく、且つ低価であるという長所から応用範囲が広い。
熱型赤外線検出器中の１つであるボロメータは、熱電方式のサーモパイル(ｔｈｅｒｍｏｐｉｌｅ)よりも温度精度がよく、焦電方式のパイロメータ(ｐｈｙｒｏｍｅｔｅｒ)と異なってチョッパ(ｃｈｏｐｐｅｒ)のような付帯装置が要らないため広く用いられている。
ボロメータは、物体の赤外線吸収による温度上昇を抵抗変化として検知するものであって、物体が金属の場合は温度が上昇すると抵抗が増加するが、半導体の場合は温度が上昇すると抵抗が減少する。ボロメータ用材料としては、チタン(Ｔｉ)のような金属を一部として用いることができるが、非晶質シリコン(ａ−Ｓｉ)、酸化バナジウム(ＶＯX)、酸化チタン(ＴｉＯX)のような半導体が主に用いられる。半導体は、金属よりもＴＣＲが高く、ボロメータ用抵抗材料として好適である。
優秀なボロメータ用抵抗材料になるためには、高いＴＣＲ(Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ)以外にも低い比抵抗(ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ)、低いノイズ定数 、ＣＭＯＳ(Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ)工程との互換性などの特性をすべて有しなければならない。
しかしながら、このようなボロメータ用抵抗材料は次のような欠点がある。例えば、ＴｉはＴＣＲが０．２５％と非常に低く、ａ−ＳｉはＴＣＲが２．５％／Ｋと高い。そして、半導体工程で通常に用いられるプラズマ化学気相蒸着(Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ)法により安定された特性の薄膜を容易に蒸着することはできるが、比抵抗が８６Ω・cmと高いという短所を有する。また、ＶＯXはＴＣＲが３％／Ｋと高く、比抵抗も０．４ Ω・cmと低いという長所を有するが、安定した薄膜蒸着のためにはイオンビームスパッタリング(Ｉｏｎ Ｂｅａｍ Ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ)のような特殊な装備と精巧な工程が要求されるという短所を有する。そして、ＴｉＯXはＴＣＲが２．１％／Ｋ、比抵抗が１ Ω・cmであって、酸化バナジウムよりも特性が多少低下される短所はあるが、通常のスパッタリング法で比較的に容易に安定した薄膜を蒸着することができるメリットがある。
上記以外に、以下のようなボロメータ用材料が開発されているが、ＣＭＯＳ(Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ)工程との互換性、薄膜蒸着工程の容易性、安定性などに対する特性が良くないという問題点が相変らず課題として残る。例えば、ＹＢａ０．４Ｃｕ２．４Ｏ４．６はＴＣＲが〜２．７％／Ｋ、比抵抗が８Ω・cmであって、比較的に優れた特性を有するが、ＣＭＯＳ工程との互換性が良くなく、ＲＥxＭ１−xＭｎyＯd(ＲＥ：Ｙ及びランタン族、Ｍ：Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｐｂ)の一種であるＬａ０．６７Ｓｒ０．３３ＭｎＯdは４％／Ｋと高いＴＣＲを有するが、ＬａＡｌＯ３単結晶基板の使用とともに、６００℃以上の高い蒸着温度に起因してＣＭＯＳ工程との互換性が良くない。
以上の結果から、現在まで開発されている多くの材料のうちに、ａ−Ｓｉ、ＶＯx、ＴｉＯxがボロメータ用抵抗材料として比較的に好ましいが、すべての要求条件を満たすことはできないため、業界からは上記のような要求条件が満たせるボロメータ用抵抗材料に対する要求が引き続いて高まっている。
したがって、この課題を解決するための本発明の一課題は、優れた特性を有する新たなボロメータ用抵抗材料を提供することにある。
本発明の他の課題は、優れた特性を有する新たなボロメータ用抵抗材料を抵抗体として適用した赤外線検出器用ボロメータを提供することにある。
本発明のさらに他の課題は、優れた特性を有する新たなボロメータ用抵抗材料を抵抗体として適用した赤外線検出器用ボロメータの製造方法を提供することにある。
本発明において、上記一課題を解決するために、アンチモン(Ｓｂ)に窒素(Ｎ)、酸素(Ｏ)及びゲルマニウム(Ｇｅ)からなる群から選択された１つ以上の元素が含まれたボロメータ用抵抗材料を提供する。本発明に係るボロメータ用抵抗材料において、アンチモンは２０ａｔ％以上の範囲内に含まれることが好ましい。
本発明に係る好適な抵抗材料としては、ＳｂＮｘ(０．０３≦ｘ≦０．２５)の組成を有するアンチモン窒化物、ＳｂＯｙ(０．０２≦ｙ≦０．１５)の組成を有するアンチモン酸化物、ＳｂＮｘＯｙ(０．０２≦ｘ＋ｙ≦０．２５)の組成を有するアンチモン酸化窒化物、ＧｅｘＳｂ(０．１≦ｘ≦０．８)の組成を有するゲルマニウムアンチモンがある。
本発明に係るボロメータ用抵抗材料において、遷移金属は３０ａｔ％以下にさらに含まれることが好ましく、上記遷移金属としては、チタン(Ｔｉ)、ジルコニウム(Ｚｒ)、ハフニウム(Ｈｆ)、バナジウム(Ｖ)、ニオビウム(Ｎｂ)、タンタル(Ｔａ)、クロム(Ｃｒ)、モリブデン(Ｍｏ)、タングステン(Ｗ)、マンガン(Ｍｎ)、鉄(Ｆｅ)及びコバルト(Ｃｏ)からなる群から選択されることが好ましい。
上記他の課題を解決するために、本発明は赤外線検出器用ボロメータにおいて、アンチモン(Ｓｂ)に、窒素(Ｎ)、酸素(Ｏ)及びゲルマニウム(Ｇｅ)からなる群から選択された１つ以上の元素を含むボロメータ用抵抗材料で形成された抵抗体を含むことを特徴とする赤外線検出器用ボロメータが提供される。
本発明に係る抵抗材料で形成された上記抵抗体は抵抗が０．１〜１０ＭΩであって、抵抗の温度係数(ＴＣＲ)の大きさは２％／Ｋ以上であることが好ましく、５０〜１００ｎｍの厚さを有する薄膜であることが好ましい。
本発明に係る赤外線検出器用ボロメータは、内部に検出回路を含む半導体基板と、上記半導体基板表面の一部領域に形成された反射膜と、上記反射膜の両側に所定間隔離隔して形成された金属パッドと、上記反射膜の表面から離隔されて上記半導体基板の上部に位置する抵抗体を有するセンサ構造体とを含む構造であって、上記センサ構造体は保護膜で覆われた抵抗体を含む積層体であり、上記反射膜上部に位置する胴部と、上記胴部の外側に上記金属パッドに機械的及び電気的に接続される固定部と、胴部と固定部とを接続する支持アームとを含む。
本発明に係る赤外線検出器用ボロメータにおいて、抵抗体の上下部には保護膜、電極及び吸収層を含んでおり、上記保護膜は窒化シリコン(Ｓｉ３Ｎ４)であり、上記電極及び吸収層はチタン窒化物(ＴｉＮ)であることが好ましい。
上記さらに他の課題を解決するための本発明は、赤外線検出器用ボロメータを製造する方法において、ボロメータ用抵抗材料によりスパッタリング法を用いて、薄膜状で抵抗体を形成する段階を含む赤外線検出器用ボロメータの製造方法が提供される。
本発明に係る赤外線検出器用ボロメータの製造方法は、内部に検出回路が形成された半導体基板表面の一部領域に反射膜を形成し、上記反射膜の両側に所定間隔離隔して金属パッドを形成する段階と、上記反射膜と金属パッドとを含む半導体基板の全面に所定厚さの犠牲層を形成する段階と、上記犠牲層の上部に抵抗体を含むセンサ構造体を形成する段階と、上記犠牲層を除去する段階とを含み、抵抗体を形成するための上記スパッタリング法は直流(ＤＣ)または超高周波(ＲＦ)電源を印加する反応性スパッタリングまたは独立されたターゲットを使用するコスパッタリング(ｃｏ−ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ)であることが好ましい。
以上、説明の本発明によれば、アンチモンに窒素(Ｎ)、酸素(Ｏ)及びゲルマニウム(Ｇｅ)からなる群から選択された１つ以上の元素を含むボロメータ用抵抗材料は、優れた特性、すなわち、高いＴＣＲ、低い比抵抗及び低いノイズ定数 を有し、ＣＭＯＳ工程に一般的に用いられるスパッタリング法を用いて容易に薄膜に製造することができ、非冷却型赤外線検出器のボロメータに抵抗体として利用することができ、赤外線検出器に優れた温度精度を提供することができる。
以下の添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本発明は上記の実施形態に限定されることはない。当該技術分野の熟練した当業者は、添付の特許請求範囲に記載された本発明の思想及び領域から逸脱しない範囲で、本発明を多様に修正及び変更させることができる。
本発明に係るボロメータ用抵抗材料は、アンチモン(Ｓｂ)に窒素(Ｎ)、酸素(Ｏ)及びゲルマニウム(Ｇｅ)からなる群から選択された１つ以上の元素が含まれたボロメータ用抵抗材料を提供する。
本発明に係るボロメータ用抵抗材料において、上記アンチモンは２０ａｔ％以上の範囲内に含まれることが好ましい。
具体的に、好適な抵抗材料とは以下である。
(I)ＳｂＮｘ(０．０３≦ｘ≦０．２５)の組成を有するアンチモン窒化物、
(II)ＳｂＯｙ(０．０２≦ｙ≦０．１５)の組成を有するアンチモン酸化物、
(III)ＳｂＮｘＯｙ(０．０２≦ｘ＋ｙ≦０．２５)の組成を有するアンチモン酸化窒化物、または、
(IV)ＧｅｘＳｂ(０．１≦ｘ≦０．８)の組成を有するゲルマニウムアンチモン。
(I)ＳｂＮｘ(０．０３≦ｘ≦０．２５)の組成を有するアンチモン窒化物、
(II)ＳｂＯｙ(０．０２≦ｙ≦０．１５)の組成を有するアンチモン酸化物、
(III)ＳｂＮｘＯｙ(０．０２≦ｘ＋ｙ≦０．２５)の組成を有するアンチモン酸化窒化物、または、
(IV)ＧｅｘＳｂ(０．１≦ｘ≦０．８)の組成を有するゲルマニウムアンチモン。
また、本発明に係るアンチモン(Ｓｂ)に窒素(Ｎ)、酸素(Ｏ)及びゲルマニウム(Ｇｅ)からなる群から選択された１つ以上の元素が含まれたボロメータ用抵抗材料には、遷移金属が３０ａｔ％以下にさらに含まれる。この場合、遷移金属としては、チタン(Ｔｉ)、ジルコニウム(Ｚｒ)、ハフニウム(Ｈｆ)、バナジウム(Ｖ)、ニオビウム(Ｎｂ)、タンタル(Ｔａ)、クロム(Ｃｒ)、モリブデン(Ｍｏ)、タングステン(Ｗ)、マンガン(Ｍｎ)、鉄(Ｆｅ)及びコバルト(Ｃｏ)からなる群から選択されることが好ましい。
本発明に係るボロメータ用抵抗材料は、薄膜で形成されて、赤外線検出器のボロメータに抵抗体として用いることができる。
本発明に係るボロメータ用抵抗材料はスパッタリング方法を用いて薄膜に蒸着することができる。そして、スパッタリング方法には、直流(ＤＣ)または超高周波(ＲＦ)電源を印加する反応性スパッタリング(ｒｅａｃｔｉｖｅ ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ)法、または独立されたターゲットを用いる直流(ＤＣ)または超高周波(ＲＦ)電源を印加するコスパッタリング(ｃｏ−ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ)法がある。
アンチモンに窒素(Ｎ)及び／または酸素(Ｏ)が含まれた薄膜を蒸着するためには、この分野における一般的なスパッタリング法が用いられ、特に、直流(ＤＣ)または超高周波(ＲＦ)電源を印加する反応性スパッタリング法を用いることが好ましい。具体的には、チャンバに窒素(Ｎ２)及び／または酸素(Ｏ２)が混合されたアルゴン(Ａｒ)ガスを注入し、アンチモンターゲットに直流(ＤＣ)または超高周波(ＲＦ)電源を印加して蒸着する。
ボロメータ用抵抗材料として用いるために、上記薄膜の厚さは５０〜１００ｎｍであり、比抵抗は０．５〜１００Ω・cmであり、ＴＣＲの大きさは２％／Ｋ以上であることが好ましい。このような電気的特性を有するために、上記薄膜の組成は、ＳｂＮｘ(０．０３≦ｘ≦０．２５)、ＳｂＯｙ(０．０２≦ｙ≦０．１５)またはＳｂＮｘＯｙ(０．０２≦ｘ＋ｙ≦０．２５)に調節されることが好ましい。
ボロメータ用抵抗材料として用いるために、上記薄膜の厚さは５０〜１００ｎｍであり、比抵抗は０．５〜１００Ω・cmであり、ＴＣＲの大きさは２％／Ｋ以上であることが好ましい。このような電気的特性を有するために、上記薄膜の組成は、ＳｂＮｘ(０．０３≦ｘ≦０．２５)、ＳｂＯｙ(０．０２≦ｙ≦０．１５)またはＳｂＮｘＯｙ(０．０２≦ｘ＋ｙ≦０．２５)に調節されることが好ましい。
アンチモン薄膜内部に含有される窒素及び酸素の含量は反応性スパッタリング法による薄膜蒸着の際の混合ガスの割合、すなわち、Ｎ２／Ａｒ、Ｏ２／Ａｒまたは(Ｎ２＋Ｏ２)／Ａｒに調節される。同じ含量である場合は、窒素より酸素を添加した方が比抵抗をさらに高くすることができる。このとき、蒸着条件は、アルゴンガス流量２０〜４０ｓｃｃｍ、窒素ガス流量０〜４０ｓｃｃｍ、酸素ガス流量０〜２０ｓｃｃｍ、チャンバ圧力１〜５ｍＴｏｒｒ、アンチモンターゲットの印加電力１〜３Ｗ／ｃｍ２、及び基板温度２５〜３００℃であることが好ましい。
上記窒素及び酸素が添加されたアンチモン薄膜は、後続熱処理工程の際に薄膜内に添加された窒素及び酸素が薄膜外部に放出(ｅｆｆｕｓｉｏｎ)されて電気的特性が劣化(ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ)することがある。窒素及び酸素が添加されたアンチモン薄膜の熱的安定性を向上させるために、ゲルマニウム(Ｇｅ)または１つ以上の遷移金属(ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｍｅｔａｌ)元素を３０ａｔ％以下に加えることができる。このとき、遷移金属元素は、チタン(Ｔｉ)、ジルコニウム(Ｚｒ)、ハフニウム(Ｈｆ)、バナジウム(Ｖ)、ニオビウム(Ｎｂ)、タンタル(Ｔａ)、クロム(Ｃｒ)、モリブデン(Ｍｏ)、タングステン(Ｗ)、マンガン(Ｍｎ)、鉄(Ｆｅ)またはコバルト(Ｃｏ)である。
また、アンチモンに、ゲルマニウム(Ｇｅ)が含まれた薄膜を蒸着するためには、この分野における一般のスパッタリング法が利用されるが、特に、アンチモン用ターゲットとゲルマニウム(Ｇｅ)用ターゲットが独立的に用いられるコスパッタリング法を利用することが好ましい。具体的には、チャンバにアルゴンガスを注入した後、それぞれのアンチモンターゲット及びゲルマニウムターゲットに独立的に直流または超高周波電源を印加して蒸着させる。ボロメータ用抵抗材料として用いるためには、上記薄膜の厚さは５０〜１００ｎｍ、比抵抗は０．５〜１００Ω・cmであり、ＴＣＲの大きさは２％／Ｋ以上であることが好ましい。このような電気的特性を有するために、上記薄膜の組成はＧｅｘＳｂ(０．１≦ｘ≦０．８)に調節されることが好ましい。
アンチモン薄膜内部に含有されるゲルマニウムの含量は、コスパッタリング法による薄膜を蒸着する際に、アンチモンターゲットに印加する電力(ＰSb)に対するゲルマニウムターゲットに印加する電力(ＰGe)の割合、すなわち、ＰGe／ＰSbとして調節される。この場合、蒸着条件は、アルゴン(Ａｒ)流量２０〜４０ｓｃｃｍ、チャンバ圧力１〜５ｍＴｏｒｒ、アンチモンターゲットの印加電力１〜３Ｗ／ｃｍ２、ゲルマニウムターゲットの印加電力１〜１２Ｗ／ｃｍ２、基板温度２５〜３００℃の条件であることが好ましい。
図１は、本発明の一実施形態に係る赤外線検出器用ボロメータを説明するための断面図である。
図１に示すように、本発明が一実施形態に係る赤外線検出器用ボロメータは内部に検出回路を含む半導体基板１１０と、上記半導体基板表面の一部領域に形成された反射膜１１２と、上記反射膜１１２の両側に所定間隔離隔されて形成された金属パッド１１４と、上記反射膜の表面から離隔されている上記半導体基板の上部に位置するセンサ構造体１３０とを含み、上記センサ構造体１３０は、アンチモンに窒素(Ｎ)、酸素(Ｏ)及びゲルマニウム(Ｇｅ)からなる群から選択された１つ以上の元素が含まれた薄膜からなる抵抗体１４２を含んで上記反射膜１１２上部に位置する胴部ａと、上記胴部の外側に上記金属パッド１１４に機械的及び電気的に接続される固定部ｃと、胴部と固定部とを接続する支持アームｂとを含む。
上記内部に検出回路を含む半導体基板１１０は半導体シリコンで形成することができ、基板１１０内部に含まれている検出回路は一般のＣＭＯＳ(Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ)であることが好ましい。
上記半導体基板１１０上の反射膜１１２と上記反射膜１１２の両側に所定間隔分離隔されている金属パッド１１４は、アルミニウム(Ａｌ)で形成されていることが好ましく、この場合に、金属パッド１１４は内部に形成された検出回路と接続される。
上記反射膜１１２から離隔されて形成されるセンサ構造体１３０において、離隔されて形成される空間１２０の間隔は、赤外線波長λのおおよそ１／４であることが好ましい。
上記センサ構造体１３０は大きく分けて、１つの胴部ａ、２つの支持アームｂ及び２つの固定部ｃで構成されている。上記胴部ａは、第１絶縁膜１３２、電極１３６、吸収層１３８、第２絶縁膜１４０、抵抗体１４２及び第３絶縁膜１４４が順に積層されている構造である。また、支持アームｂは、第１絶縁膜１３２、電極１３６、第２絶縁膜１４０、抵抗体１４２及び第３絶縁膜１４４が順に積層されている構造である。固定部ｃは、第１絶縁膜１３２、補助電極１３４、電極１３６、第２絶縁膜１４０、抵抗体１４２及び第３絶縁膜１４４が順に積層されている構造である。上記固定部ｃは基板１１０表面に形成された金属パッド１１４と機械的及び電気的に接続される。
すなわち、上記胴部ａは反射膜１１２上に空間１２０を有しながら配置され、上記固定部ｃは金属パッド１１４上に形成され、支持アームｂは反射膜１１２と金属パッド１１４との間に空間１２０を有して配置されて胴部ａと固定部ｃとを連結する。
上記空間１２０は赤外線吸収が最大となるようにするためのものであって、上記空間の間隔を決定するλは８〜１２μｍ大きさの赤外線波長である。
上記第１絶縁膜１３２、第２絶縁膜１４０及び第３絶縁膜１４４は窒化シリコン(Ｓｉ３Ｎ４)で形成されることが好ましく、第１絶縁膜１３２は５０〜１００ｎｍ、第２絶縁膜１４０及び第３絶縁膜１４４はそれぞれ２０〜７０ｎｍ厚さであることが好ましい。
上記補助電極１３４はアルミニウム(Ａｌ)で形成されることが好ましく、１００〜３００ｎｍ厚さであることが好ましい。
上記電極１３６はチタン窒化物(ＴｉＮ)であり、１０〜３０ｎｍ厚さを有するように形成されることが好ましい。吸収層１３８はチタン窒化物(ＴｉＮ)で形成されて赤外線の吸収が最大化されるように、好ましくは、３７７±２００Ωの面抵抗(ｓｈｅｅｔ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ)を有するように１０〜３０ｎｍの厚さであることが好ましい。
上記抵抗体１４２は、上記説明したように、本発明に係るボロメータ用抵抗材料を用いて薄膜に形成され、好ましくは５０〜１００ｎｍの厚さであることが好ましい。
図２は、本発明の一実施形態に係るボロメータを説明するための平面図である。
図２に示すように、センサ構造体１３０は、１つの胴部ａ、２つの支持アームｂ及び２つの固定部ｃで構成されている。センサ構造体１３０の胴部ａはその両端に接続されている支持アームｂによって固定部ｃを介して基板に固定される。このとき、支持アームｂは胴部ａから所定空間ｄを有して細長く形成されて、胴部ａに赤外線が吸収される際に発生する熱が基板に漏洩されることを遮断する。赤外線の吸収と伴って胴部ａの温度が上昇すれば胴部ａの抵抗体１４２の抵抗は低下し、この抵抗の低下を抵抗体１４２の両端に形成された２つの電極１３６に接続している基板内部の検出回路が検知する。
図２の切断線Ａ−Ａ’による断面図が図１である。
本発明に係るボロメータの製造方法としては、内部に検出回路が形成された半導体基板表面の一部領域に反射膜を形成し、上記反射膜の両側から所定間隔離隔して金属パッドを形成する段階と、上記反射膜と金属パッドとを含む半導体基板の全面に赤外線波長λの１／４厚さの犠牲層を形成する段階と、上記犠牲層上部に、アンチモンに窒素(Ｎ)、酸素(Ｏ)及びゲルマニウム(Ｇｅ)からなる群から選択された１つ以上の元素が含まれた薄膜からなる抵抗体を含むセンサ構造体を形成する段階と、上記犠牲層を除去する段階とを含む。
図３Ａないし図３Ｉは、本発明の一実施形態に係る赤外線検出器用ボロメータの製造過程を示す模式図である。
図３Ａに示すように、内部にＣＭＯＳ検出回路(図示せず)が含まれたシリコン基板１１０を準備する。次に、基板１１０の表面に、反射膜１１２と反射膜１１２の両側に所定間隔分離隔された金属パッド１１４を同時に形成する。反射膜１１２及び金属パッド１１４は、アルミニウム(Ａｌ)のように表面反射度及び導電性に優れた物質からなる。この場合、金属パッド１１４は上記検出回路と電気的に接続される。
図３Ｂに示すように、基板１１０上に犠牲層１２２を形成し、所定領域をエッチングして金属パッド１１４を露出させる溝１２４を形成する。犠牲層１２２は、λ／４に相当する厚さｄを有するようにスピンコーティング(ｓｐｉｎ−ｃｏａｔｉｎｇ)で塗布した後、３００〜３５０℃に熱硬化(ｃｕｒｉｎｇ)して形成する。λは赤外線波長であって、８〜１２μｍの大きさを有する。
次に、図３Ｃないし図３Ｈは、センサ構造体１３０の形成段階をさらに詳しく説明する図である。
次に、図３Ｃないし図３Ｈは、センサ構造体１３０の形成段階をさらに詳しく説明する図である。
図３Ｃに示すように、上記犠牲層１２２及び溝１２４に、第１絶縁膜１３２を窒化シリコン(Ｓｉ３Ｎ４)で形成し、所定領域をエッチングして金属パッド１１４を露出させる溝１２６を形成する。
図３Ｄに示すように、上記溝１２６領域に補助電極１３４をアルミニウム(Ａｌ)で形成し、金属パッド１１４と電気的に接続させる。
図３Ｅに示すように、電極１３６及び吸収層１３８をチタン窒化物(ＴｉＮ)で同時に形成する。このとき、電極１３６は電気的に補助電極１３４とは接続し、吸収層１３８とは分離されている。
図３Ｆに示すように、第２絶縁膜１４０を窒化シリコン(Ｓｉ３Ｎ４)で形成し、エッチングして電極１３６の所定領域を露出させる溝１２８を形成する。
図３Ｇに示すように、抵抗体１４２及び第３絶縁膜１４４を順に形成する。このとき、抵抗体１４２は、アンチモンに窒素(Ｎ)、酸素(Ｏ)及びゲルマニウム(Ｇｅ)からなる群から選択された１つ以上の元素が含まれた抵抗材料を用いて直流(ＤＣ)または交流(ＲＦ)スパッタリング法を用いて薄膜に形成される。第３絶縁膜１４４は、窒化シリコン(Ｓｉ３Ｎ４)でプラズマ化学蒸着(ＰＥＣＶＤ、Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ)法を用いて形成する。
図３Ｈに示すように、第３絶縁膜１４４、抵抗体１４２、第２絶縁膜１４０及び第１絶縁膜１３２で構成された積層体(ｍｕｌｔｉ−ｌａｙｅｒ)を同時にエッチングし、センサ構造体１３０の胴部及び支持アームを形成する。このとき、上記抵抗層１４２とその上下に形成された窒化シリコン(Ｓｉ３Ｎ４)絶縁膜１３２、１４０、１４４の積層は、塩素(Ｃｌ)を含むガス(例：ＢＣｌ３、Ｃｌ２、ＣＣｌ４)とフッ素(Ｆ)を含むガス(例：ＳＦ６、ＣＦ４、ＣＨＦ３、Ｃ２Ｆ２、ＣＨ３Ｆ)の混合ガスを利用した反応性イオンエッチング(ＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ)法でエッチングする。
一例として、上記抵抗体と窒化シリコン絶縁膜の積層は、チャンバにＢＣｌ３ １０ｓｃｃｍ、ＳＦ６ ７０ｓｃｃｍ、Ｎ２ ２０ｓｃｃｍの混合ガスを注入し、圧力を３０ｍＴｏｒｒに調節した後に、ＲＦ電力２Ｗ／ｃｍ２を印加してエッチングする。
図３Ｉに示すように、犠牲層１２２を、酸素(Ｏ２)を含む混合ガスを使用するプラズマ燃焼(ｐｌａｓｍ ａｓｈｉｎｇ)法で除去する。これにより、センサ構造体１３０の胴部は反射膜１１２の上部に犠牲層１２２の厚さｄに相当する空間１２０分に離隔されて位置することができる。
上記抵抗体は、蒸着後の熱処理工程で抵抗が変化することもある。このような抵抗変化は、ボロメータ特性の不均一を誘発させるため、最小化させなければならない。そのため、抵抗体の蒸着以後の工程、すなわち、図３Ｇないし図３Ｉの工程は２００℃以下で行うことが好ましい。
＜実施例１〜９＞
本発明によって、窒素(Ｎ)及び／または酸素(Ｏ)が添加されたアンチモン(Ｓｂ)薄膜を、それぞれ１００ｎｍ窒化シリコン(Ｓｉ３Ｎ４）が形成されたシリコン単結晶基板に８０〜１２０ｎｍ厚さに蒸着した後に比抵抗及びＴＣＲ特性を測定した。上記アンチモン化合物薄膜は、チャンバに窒素(Ｎ２)及び／または酸素(Ｏ２)が混合されたアルゴン(Ａｒ)ガスを注入し、アンチモンターゲットに直流(ＤＣ)電源を印加する反応性スパッタリング法で蒸着した。スパッタリング条件による薄膜の特性を調査し、下記表１に示した。
本発明によって、窒素(Ｎ)及び／または酸素(Ｏ)が添加されたアンチモン(Ｓｂ)薄膜を、それぞれ１００ｎｍ窒化シリコン(Ｓｉ３Ｎ４）が形成されたシリコン単結晶基板に８０〜１２０ｎｍ厚さに蒸着した後に比抵抗及びＴＣＲ特性を測定した。上記アンチモン化合物薄膜は、チャンバに窒素(Ｎ２)及び／または酸素(Ｏ２)が混合されたアルゴン(Ａｒ)ガスを注入し、アンチモンターゲットに直流(ＤＣ)電源を印加する反応性スパッタリング法で蒸着した。スパッタリング条件による薄膜の特性を調査し、下記表１に示した。
＊分析方法(ＸＰＳ：Ｘ−ｒａｙ Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ)の特性上、ＳｂとＯの単独測定は不可であって、総量のみ測定可能である。
＜実施例１１〜１７＞
上記窒素(Ｎ)及び／または酸素(Ｏ)が添加されたアンチモン(Ｓｂ)薄膜にゲルマニウム(Ｇｅ)またはチタン(Ｔｉ)が加えられたアンチモン系薄膜を、それぞれ１００ｎｍ窒化シリコン(Ｓｉ３Ｎ４)が形成されたシリコン単結晶基板に１１０〜１５０ｎｍ厚さに蒸着した後、比抵抗及びＴＣＲ特性を測定した。上記アンチモン系薄膜は、チャンバに窒素(Ｎ２)及び酸素(Ｏ２)が混合されたアルゴン(Ａｒ)ガスを注入し、アンチモンターゲット及びゲルマニウムまたはチタンターゲットに直流(ＤＣ)電源を独立的に印加する反応性コスパッタリング法で蒸着した。スパッタリング条件による薄膜の特性を表２に示す。
上記窒素(Ｎ)及び／または酸素(Ｏ)が添加されたアンチモン(Ｓｂ)薄膜にゲルマニウム(Ｇｅ)またはチタン(Ｔｉ)が加えられたアンチモン系薄膜を、それぞれ１００ｎｍ窒化シリコン(Ｓｉ３Ｎ４)が形成されたシリコン単結晶基板に１１０〜１５０ｎｍ厚さに蒸着した後、比抵抗及びＴＣＲ特性を測定した。上記アンチモン系薄膜は、チャンバに窒素(Ｎ２)及び酸素(Ｏ２)が混合されたアルゴン(Ａｒ)ガスを注入し、アンチモンターゲット及びゲルマニウムまたはチタンターゲットに直流(ＤＣ)電源を独立的に印加する反応性コスパッタリング法で蒸着した。スパッタリング条件による薄膜の特性を表２に示す。
＊分析方法(ＸＰＳ：Ｘ−ｒａｙ Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ)の特性上、ＳｂとＯの単独測定は不可であり、総量のみ測定可能である。
＜実施例１８〜２３＞
本発明によれば、ゲルマニウム(Ｇｅ)が添加されたアンチモンＳｂ薄膜をそれぞれ１００ｎｍ窒化シリコン(Ｓｉ３Ｎ４)が形成されたシリコン単結晶基板に８０〜１５０ｎｍ厚さで蒸着した後、比抵抗及びＴＣＲ特性を測定した。上記アンチモン系薄膜は、チャンバにアルゴン(Ａｒ)ガスを注入し、アンチモンターゲット及びゲルマニウムターゲットに直流(ＤＣ)電源を独立的に印加するコスパッタリング法で蒸着した。スパッタリング条件による薄膜の特性を表３に示す。
本発明によれば、ゲルマニウム(Ｇｅ)が添加されたアンチモンＳｂ薄膜をそれぞれ１００ｎｍ窒化シリコン(Ｓｉ３Ｎ４)が形成されたシリコン単結晶基板に８０〜１５０ｎｍ厚さで蒸着した後、比抵抗及びＴＣＲ特性を測定した。上記アンチモン系薄膜は、チャンバにアルゴン(Ａｒ)ガスを注入し、アンチモンターゲット及びゲルマニウムターゲットに直流(ＤＣ)電源を独立的に印加するコスパッタリング法で蒸着した。スパッタリング条件による薄膜の特性を表３に示す。
＜実施例２４＞
基板上に、犠牲層１２２として２μｍ厚さのポリイミドを、第１絶縁膜１３２、第２ 絶縁膜１４０及び第３絶縁膜１４４としてそれぞれ１００ｎｍ、５０ｎｍ及び５０ｎｍ厚さの窒化シリコン(Ｓｉ３Ｎ４)を、補助電極１３４として３００ｎｍ厚さのアルミニウム（Ａｌ）を、電極１３６として２０ｎｍ厚さのチタン窒化物（ＴｉＮ）を、抵抗体１４２として８０ｎｍ厚さのゲルマニウム(Ｇｅ)が添加されたアンチモンＳｂ薄膜(試片番号２０)を用いて５０×５０μｍ２の大きさを有する赤外線検出器用ボロメータを製造した。製造されたボロメータを走査電子顕微鏡(Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ、ＳＥＭ)で撮影し、その結果を図４に示し、ボロメータのノイズの測定結果を図５に示す。
基板上に、犠牲層１２２として２μｍ厚さのポリイミドを、第１絶縁膜１３２、第２ 絶縁膜１４０及び第３絶縁膜１４４としてそれぞれ１００ｎｍ、５０ｎｍ及び５０ｎｍ厚さの窒化シリコン(Ｓｉ３Ｎ４)を、補助電極１３４として３００ｎｍ厚さのアルミニウム（Ａｌ）を、電極１３６として２０ｎｍ厚さのチタン窒化物（ＴｉＮ）を、抵抗体１４２として８０ｎｍ厚さのゲルマニウム(Ｇｅ)が添加されたアンチモンＳｂ薄膜(試片番号２０)を用いて５０×５０μｍ２の大きさを有する赤外線検出器用ボロメータを製造した。製造されたボロメータを走査電子顕微鏡(Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ、ＳＥＭ)で撮影し、その結果を図４に示し、ボロメータのノイズの測定結果を図５に示す。
次に、上記ボロメータを３２０×２４０アレイで配列してＱＶＧＡ(Ｑｕａｒｔｅｒ Ｖｉｄｅｏ Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ａｒｒａｙ)級の映像解像度を有する赤外線検出器用チップを製造し、これを光学顕微鏡で撮影してその結果を図６に示し、赤外線検出器用チップを用いて通常方法でＱＶＧＡ級赤外線検出器を製造した後に温度精度を測定した。測定した温度精度の結果を図７に示す。
＜比較例＞
従来のプラズマ化学気相蒸着(ＰＥＣＶＤ)法によるａ−Ｓｉ薄膜を、１００ｎｍ窒化シリコン(Ｓｉ３Ｎ４)が形成されたシリコン単結晶基板に１５０ｎｍ厚さで蒸着した。チャンバに、ＳｉＨ４ ３０ｓｃｃｍ、ＰＨ３ ６０ｓｃｃｍの混合ガスを注入し、圧力を１．２Ｔｏｒｒに調節した後、ＲＦ電力０．０８Ｗ／ｃｍ２を印加して３５０℃に加熱された基板に蒸着した。蒸着されたａ−Ｓｉ薄膜の比抵抗及びＴＣＲ大きさを測定した結果、それぞれ３０Ω・cm、２．４％／Ｋであった。
従来のプラズマ化学気相蒸着(ＰＥＣＶＤ)法によるａ−Ｓｉ薄膜を、１００ｎｍ窒化シリコン(Ｓｉ３Ｎ４)が形成されたシリコン単結晶基板に１５０ｎｍ厚さで蒸着した。チャンバに、ＳｉＨ４ ３０ｓｃｃｍ、ＰＨ３ ６０ｓｃｃｍの混合ガスを注入し、圧力を１．２Ｔｏｒｒに調節した後、ＲＦ電力０．０８Ｗ／ｃｍ２を印加して３５０℃に加熱された基板に蒸着した。蒸着されたａ−Ｓｉ薄膜の比抵抗及びＴＣＲ大きさを測定した結果、それぞれ３０Ω・cm、２．４％／Ｋであった。
抵抗体として８０ｎｍ厚さのゲルマニウム(Ｇｅ)が添加されたアンチモン(Ｓｂ)薄膜の代わりに、１５０ｎｍのａ−Ｓｉ薄膜を用いることを除いて、上記実施例２４と同様に製造して５０×５０μｍ２の大きさを有する赤外線検出器用ボロメータを製造した。製造されたａ−Ｓｉボロメータのノイズを測定した結果を図８に示す。
上記ａ−Ｓｉボロメータを３２０×２４０アレイで配列して実施例２４と同様な方法でＱＶＧＡ級映像解像度を有する赤外線検出器用チップを製造した。赤外線検出器用チップを用いて通常方法でＱＶＧＡ級赤外線検出器を製造した後に温度精度を測定した。測定された温度精度の結果を図９に示す。
上記の実施例２０、２４と比較例とを比較すると、本発明に係るＧｅ７４Ｓｂ２６薄膜のＴＣＲ大きさは２．６％／Ｋであり、従来のａ−Ｓｉ薄膜の２．４％／Ｋより大きかった。また、Ｇｅ７６Ｓｂ２４薄膜のノイズ定数 、すなわち、図５の周波数が１Ｈｚの場合のノイズ(Ｓｎ)に相当する値は３×１０−１２であって、図８のａ−Ｓｉ薄膜のノイズ定数 である３×１０−１１より１０倍も低い。
このように、本発明に係るＧｅ７４Ｓｂ２６薄膜は、従来のａ−Ｓｉ薄膜よりＴＣＲが高く、ノイズ定数 が低いことを確認することができた。
その結果、Ｇｅ７４Ｓｂ２６薄膜を抵抗体として用いる、ボロメータにより製造されたＱＶＧＡ級赤外線検出器の温度分解能、すなわち、図７のＮＥＴＤ(Ｎｏｉｓｅ Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ)は平均１５ｍＫであって、ａ−Ｓｉ薄膜を抵抗体として用いる場合(図９)の平均８５ｍＫよりも優れていることを確認することができた。
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
１１０ 基板
１１２ 反射膜
１１４ 金属パッド
１２０ 空間
１２２ 犠牲層
１２４、１２６ 溝
１３０ センサ構造体
１３２、１４０、１４４ 絶縁膜
１３４ 補助電極
１３６ 電極
１３８ 吸収層
１４２ 抵抗体
１１２ 反射膜
１１４ 金属パッド
１２０ 空間
１２２ 犠牲層
１２４、１２６ 溝
１３０ センサ構造体
１３２、１４０、１４４ 絶縁膜
１３４ 補助電極
１３６ 電極
１３８ 吸収層
１４２ 抵抗体
Claims (19)
- アンチモンＳｂに、窒素(Ｎ)、酸素(Ｏ)及びゲルマニウム(Ｇｅ)からなる群から選択された１つ以上の元素が含まれることを特徴とするボロメータ用抵抗材料。
- アンチモンが２０ａｔ％以上の範囲内に含まれることを特徴とする請求項１に記載のボロメータ用抵抗材料。
- 前記抵抗材料は、ＳｂＮｘ(０．０３≦ｘ≦０．２５)の組成を有するアンチモン窒化物であることを特徴とする請求項１に記載のボロメータ用抵抗材料。
- 前記抵抗材料は、ＳｂＯｙ(０．０２≦ｙ≦０．１５)の組成を有するアンチモン酸化物であることを特徴とする請求項１に記載のボロメータ用抵抗材料。
- 前記抵抗材料は、ＳｂＮｘＯｙ(０．０２≦ｘ＋ｙ≦０．２５)の組成を有するアンチモン酸化窒化物であることを特徴とする請求項１に記載のボロメータ用抵抗材料。
- 前記抵抗材料は、ＧｅｘＳｂ(０．１≦ｘ≦０．８)の組成を有するゲルマニウムアンチモンであることを特徴とする請求項１に記載のボロメータ用抵抗材料。
- 前記抵抗材料には、遷移金属が３０ａｔ％以下でさらに含まれることを特徴とする請求項１に記載のボロメータ用抵抗材料。
- 前記遷移金属としては、チタン(Ｔｉ)、ジルコニウム(Ｚｒ)、ハフニウム(Ｈｆ)、バナジウム(Ｖ)、ニオビウム(Ｎｂ)、タンタル(Ｔａ)、クロム(Ｃｒ)、モリブデン(Ｍｏ)、タングステン(Ｗ)、マンガン(Ｍｎ)、鉄(Ｆｅ)及びコバルト(Ｃｏ)からなる群から１つ以上に選択されることを特徴とする請求項７に記載のボロメータ用抵抗材料。
- 赤外線検出器用ボロメータにおいて、
請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載のボロメータ用抵抗材料から形成される抵抗体を含むことを特徴とする赤外線検出器用ボロメータ。 - 前記抵抗体は抵抗が０．１〜１０ＭΩであり、抵抗の温度係数(ＴＣＲ)の大きさが２％／Ｋ以上であることを特徴とする請求項９に記載の赤外線検出器用ボロメータ。
- 前記抵抗体は、５０〜１００ｎｍの厚さの薄膜であることを特徴とする請求項９に記載の赤外線検出器用ボロメータ。
- 前記ボロメータは、
内部に検出回路を含む半導体基板と、
前記半導体基板表面の一部領域に形成された反射膜と、
前記反射膜の両側に所定間隔離隔されて形成された金属パッドと、
前記反射膜の表面から離隔されて前記半導体基板の上部に位置する抵抗体を含むセンサ構造体と
を含むことを特徴とする請求項９に記載の赤外線検出器用ボロメータ。 - 前記センサ構造体は保護膜で覆われた抵抗体を含む積層体であって、前記反射膜上部に位置する胴部と、前記胴部の外側に前記金属パッドに機械的及び電気的に接続される固定部と、胴部と固定部とを連結する支持アームと、を含むことを特徴とする請求項１２に記載の赤外線検出器用ボロメータ。
- 前記センサ構造体は、抵抗体の上下部に保護膜、電極及び吸収層が含まれることを特徴とする請求項１２に記載の赤外線検出器用ボロメータ。
- 前記保護膜は、窒化シリコン(Ｓｉ３Ｎ４)であることを特徴とする請求項１４に記載の赤外線検出器用ボロメータ。
- 前記電極及び前記吸収層は、チタン窒化物(ＴｉＮ)であることを特徴とする請求項１４に記載の赤外線検出器用ボロメータ。
- 赤外線検出器用ボロメータを製造する方法において、
請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載のボロメータ用抵抗材料からスパッタリング法を用いて薄膜状で抵抗体を形成する段階を含むことを特徴とする赤外線検出器用ボロメータの製造方法。 - 前記ボロメータの製造方法は、
内部に検出回路が形成された半導体基板表面の一部領域に反射膜を形成し、前記反射膜の両側に所定間隔離隔して金属パッドを形成する段階と、
前記反射膜と金属パッドを含む半導体基板の全面に所定厚さの犠牲層を形成する段階と、
前記犠牲層の上部に抵抗体を含むセンサ構造体を形成する段階と、
前記犠牲層を除去する段階と
を含むことを特徴とする請求項１７に記載の赤外線検出器用ボロメータの製造方法。 - 前記スパッタリング法は、直流(ＤＣ)または超高周波(ＲＦ)電源を印加する反応性スパッタリングまたは独立されたターゲットを使用するコスパッタリングであることを特徴とする請求項１７に記載の赤外線検出器用ボロメータの製造方法。
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