JP2011214857A - Infrared sensor element - Google Patents

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Kazuhide Abe
一英 阿部
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Lapis Semiconductor Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent cracking between support legs of an infrared absorbing film on the occasion when the infrared absorbing film of an infrared sensor element having the infrared absorbing film supported by the support legs are made a thin film.SOLUTION: In regard to the infrared absorbing film having at least two or more support legs, a slit is provided between the support legs. Thereby a stress generated between the support legs of the infrared absorbing film in the process of removing a sacrifice layer is relaxed and cracking is suppressed. Therefore, the infrared absorbing film can be made thin and thus the infrared sensor element of higher sensitivity can be provided.

Description

本発明は、赤外線吸収膜のクラック耐性を向上させた熱型赤外線センサ素子に関するものである。 The present invention relates to a thermal infrared sensor element with improved crack resistance of an infrared absorption film.

赤外線センサは、例えば、物体や人物から放出される微弱な赤外線を検出するのに用いられ、監視用又は車載用など様々な分野において利用されている。赤外線センサには様々な赤外線の検出方式があるが、よく利用されている主流の方式として量子型赤外線センサと熱型赤外線センサがある。量子型赤外線センサは、固体材料の光電効果を利用し、吸収した赤外線を直接電気信号に変換して検出する。また、熱型赤外線センサは、受光した赤外線を一度熱に変換し、温度による物性の変化が大きい材料を用いて、前述の変換した熱による温度変化を検出する。このような赤外線センサは、現在では、半導体基板を用いた半導体チップとして実現されている。半導体基板を用いて構成された赤外線センサは、以下において“赤外線センサ素子”と称する。 An infrared sensor is used, for example, to detect weak infrared rays emitted from an object or a person, and is used in various fields such as monitoring or in-vehicle use. There are various infrared detection methods for infrared sensors, and the most commonly used methods are quantum infrared sensors and thermal infrared sensors. The quantum infrared sensor uses the photoelectric effect of a solid material to directly detect absorbed infrared light and convert it into an electrical signal. The thermal infrared sensor converts the received infrared ray into heat once, and detects the temperature change due to the converted heat using a material having a large change in physical properties due to temperature. Such an infrared sensor is currently realized as a semiconductor chip using a semiconductor substrate. An infrared sensor configured using a semiconductor substrate is hereinafter referred to as an “infrared sensor element”.

前述の熱型赤外線センサの構造としては、特許文献1のような、熱検出構造部上に所定の底面積を有する支持脚で赤外線吸収膜を支える構造や、赤外線吸収膜の一部を凸状にして形成した支持脚が複数形成された構造が開示されている。 As a structure of the above-described thermal infrared sensor, a structure in which the infrared absorption film is supported by a support leg having a predetermined bottom area on the heat detection structure as in Patent Document 1, or a part of the infrared absorption film is convex. A structure in which a plurality of support legs formed as described above is formed is disclosed.

ここで、熱型赤外線センサの性能を表すための指標の1つとして応答速度がある。応答速度とは、赤外線吸収膜で吸収した赤外線が熱検出構造部に伝わるまでの時間の概念を示す。前述のように熱型赤外線センサは、赤外線の量を熱に変換して検出していることから、反応速度を速くするためには熱検出構造部においての応答速度を高速化すればよい。そのためには、赤外線吸収膜を含めた熱検出構造部の熱容量を小さくすることが好ましい。特許文献2では、熱型赤外線センサにおいて、熱時定数を小さくし、反応速度を速くするために、赤外線吸収膜の厚さを薄くすることが開示されている。
特開2001−156277号公報 特開2006−170937号公報
Here, there is a response speed as one of the indexes for representing the performance of the thermal infrared sensor. The response speed indicates the concept of time until infrared rays absorbed by the infrared absorption film are transmitted to the heat detection structure. As described above, since the thermal infrared sensor detects the amount of infrared rays converted into heat, in order to increase the reaction speed, the response speed in the heat detection structure may be increased. For this purpose, it is preferable to reduce the heat capacity of the heat detection structure including the infrared absorption film. Patent Document 2 discloses that in a thermal infrared sensor, the thickness of the infrared absorption film is reduced in order to reduce the thermal time constant and increase the reaction rate.
JP 2001-156277 A JP 2006-170937 A

赤外線吸収膜の熱容量を小さくするために、特許文献1に開示される構造の赤外線センサに対しても特許文献2のように赤外線吸収膜を薄膜化することが考えられる。特許文献1の実施の形態3のように赤外線吸収膜に支持脚が複数本形成された赤外線センサ素子を利用し、赤外線吸収膜を薄膜化した場合、次のような問題が起こりうる。 In order to reduce the heat capacity of the infrared absorption film, it is conceivable to reduce the thickness of the infrared absorption film as in Patent Document 2 for the infrared sensor having the structure disclosed in Patent Document 1. When using an infrared sensor element in which a plurality of support legs are formed on an infrared absorption film as in Embodiment 3 of Patent Document 1 and reducing the thickness of the infrared absorption film, the following problems may occur.

図20は、赤外線吸収膜に支持脚が2本形成された従来技術による赤外線センサ素子の平面図である。図20の赤外線センサ素子では、1画素ごとに分離された赤外線吸収膜2の赤外線吸収部3には支持脚4が2箇所に形成されており、支持脚4の外側(赤外線吸収膜の外周領域)にガス注入用の開口5が設けられている。 FIG. 20 is a plan view of a conventional infrared sensor element in which two support legs are formed on an infrared absorption film. In the infrared sensor element of FIG. 20, support legs 4 are formed at two locations on the infrared absorption portion 3 of the infrared absorption film 2 separated for each pixel, and the outside of the support legs 4 (the outer peripheral region of the infrared absorption film). ) Is provided with an opening 5 for gas injection.

特許文献1における犠牲層除去工程においてレジストからなる犠牲層を除去した際に、犠牲層と赤外線吸収膜の熱膨張係数の差に起因した応力が赤外線吸収膜に発生するため、赤外線吸収膜は変形する。赤外線吸収膜は1画素ごとに分離されているため、赤外線吸収膜の外周領域は応力による変形が可能となり、外周領域が変形することで、赤外線吸収膜の外周領域に発生した応力は緩和される。一方、赤外線吸収膜の支持脚4に挟まれた領域(以下、支持脚間領域という)は支持脚4によって赤外線吸収膜の伸縮が固定されているため、赤外線吸収膜の外周領域に比べて赤外線吸収膜が変形しにくい。よって、支持脚間領域に発生した応力は緩和されず、支持脚間に応力が集中し、図20に示されたような支持脚4の間においてクラックが発生してしまう。クラックが発生した状態で赤外線センサ素子を使用すると、使用による振動等によって支持脚間のクラックが赤外線吸収膜の外周部へと広がり、そのクラックに沿って赤外線吸収膜が分断されてしまう恐れがある。そのため、2本以上の支持脚が形成された赤外線吸収膜の薄膜化は困難となる。性能を上げるために赤外線吸収膜を薄膜化し、赤外線吸収膜の熱容量を小さくした赤外線センサ素子は信頼性を保つことができなくなる。 When the sacrificial layer made of resist is removed in the sacrificial layer removing step in Patent Document 1, stress is generated in the infrared absorbing film due to the difference in thermal expansion coefficient between the sacrificial layer and the infrared absorbing film. To do. Since the infrared absorption film is separated for each pixel, the outer peripheral region of the infrared absorption film can be deformed by stress, and the stress generated in the outer peripheral region of the infrared absorption film is relieved by the deformation of the outer peripheral region. . On the other hand, since the expansion and contraction of the infrared absorption film is fixed by the support legs 4 in the area sandwiched between the support legs 4 of the infrared absorption film (hereinafter referred to as the inter-support leg area), the infrared rays are more in comparison with the outer peripheral area of the infrared absorption film. Absorption film is difficult to deform. Therefore, the stress generated in the region between the support legs is not relieved, the stress is concentrated between the support legs, and cracks are generated between the support legs 4 as shown in FIG. When an infrared sensor element is used in a state where cracks are generated, the cracks between the support legs spread to the outer peripheral portion of the infrared absorption film due to vibration due to use, etc., and the infrared absorption film may be divided along the cracks . Therefore, it is difficult to reduce the thickness of the infrared absorption film on which two or more support legs are formed. An infrared sensor element in which the infrared absorption film is thinned to increase the performance and the heat capacity of the infrared absorption film is reduced cannot maintain reliability.

そこで、本発明は、熱検出構造部の熱容量を小さく保ったまま、赤外線吸収膜におけるクラックの発生を抑制できる構造を備えた高感度の赤外線センサ素子を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a highly sensitive infrared sensor element having a structure capable of suppressing the occurrence of cracks in an infrared absorption film while keeping the heat capacity of the heat detection structure portion small.

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は、凹部を有する半導体基板と、前記半導体基板の外縁近傍にて該半導体基板と接続され、外縁近傍から前記凹部の上方に延在して配置された梁部と、前記梁部に接続されて前記凹部の上部に保持された熱検知部と、前記凹部、前記梁部及び前記熱検知部を覆い、かつ、少なくとも二以上の支持脚を介して前記熱検知部に接続される赤外線吸収部と、を備え、前記赤外線吸収部の前記支持脚間領域にスリットが形成されていることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, an infrared sensor element of the present invention is connected to a semiconductor substrate having a recess and the semiconductor substrate in the vicinity of the outer edge of the semiconductor substrate, and extends from the vicinity of the outer edge to the upper portion of the recess. A beam portion disposed in a row, a heat detection portion connected to the beam portion and held at the top of the recess, and covering the recess, the beam portion and the heat detection portion, and at least two support legs And an infrared absorber connected to the heat detector via a slit, and a slit is formed in the region between the support legs of the infrared absorber.

本発明の赤外線センサ素子の構造及び製造方法によれば、赤外線吸収膜の支持脚間にスリットを設けることによってクラックの発生を抑える構造となり、赤外線センサ素子の信頼性を向上させることができる。また、クラックの発生が抑えられた構造とすることで赤外線吸収膜を薄膜化することが可能となり、熱検出構造部の熱容量を小さくすることができる。そのため、反応速度の速い高感度の赤外線センサ素子を得ることができる。 According to the structure and the manufacturing method of the infrared sensor element of the present invention, it becomes a structure that suppresses the generation of cracks by providing slits between the support legs of the infrared absorption film, and the reliability of the infrared sensor element can be improved. Moreover, it becomes possible to make an infrared absorption film thin by setting it as the structure where generation | occurrence | production of the crack was suppressed, and the heat capacity of a heat detection structure part can be made small. Therefore, a highly sensitive infrared sensor element with a fast reaction speed can be obtained.

本発明の第1実施例に係る赤外線センサ素子の断面図である。It is sectional drawing of the infrared sensor element which concerns on 1st Example of this invention. 本発明の第1実施例に係る赤外線センサ素子の平面図である。It is a top view of the infrared sensor element which concerns on 1st Example of this invention. 本発明の第1実施例に係る赤外線センサ素子の平面図である。It is a top view of the infrared sensor element which concerns on 1st Example of this invention. 本発明の第1実施例に係る赤外線センサ素子の製造工程の一部を示す断面図である。It is sectional drawing which shows a part of manufacturing process of the infrared sensor element which concerns on 1st Example of this invention. 本発明の第1実施例に係る赤外線センサ素子の製造工程の一部を示す断面図である。It is sectional drawing which shows a part of manufacturing process of the infrared sensor element which concerns on 1st Example of this invention. 本発明の第1実施例に係る赤外線センサ素子の製造工程の一部を示す平面図である。It is a top view which shows a part of manufacturing process of the infrared sensor element which concerns on 1st Example of this invention. 本発明の第1実施例に係る赤外線センサ素子の製造工程の一部を示す断面図である。It is sectional drawing which shows a part of manufacturing process of the infrared sensor element which concerns on 1st Example of this invention. 本発明の第1実施例に係る赤外線センサ素子の製造工程の一部を示す断面図である。It is sectional drawing which shows a part of manufacturing process of the infrared sensor element which concerns on 1st Example of this invention. 本発明の第1実施例に係る赤外線センサ素子の製造工程の一部を示す断面図である。It is sectional drawing which shows a part of manufacturing process of the infrared sensor element which concerns on 1st Example of this invention. 本発明の第1実施例に係る赤外線センサ素子の製造工程の一部を示す断面図である。It is sectional drawing which shows a part of manufacturing process of the infrared sensor element which concerns on 1st Example of this invention. 本発明の第1実施例に係る赤外線センサ素子の製造工程の一部を示す断面図である。It is sectional drawing which shows a part of manufacturing process of the infrared sensor element which concerns on 1st Example of this invention. 本発明の第1実施例に係る赤外線センサ素子の製造工程の一部を示す断面図である。It is sectional drawing which shows a part of manufacturing process of the infrared sensor element which concerns on 1st Example of this invention. 本発明の第1実施例に係る赤外線センサ素子の製造工程の一部を示す断面図である。It is sectional drawing which shows a part of manufacturing process of the infrared sensor element which concerns on 1st Example of this invention. 本発明の第1実施例に係る赤外線センサ素子の製造工程の一部を示す平面図である。It is a top view which shows a part of manufacturing process of the infrared sensor element which concerns on 1st Example of this invention. 本発明の第1実施例の一変形例に係る赤外線センサ素子を示す平面図である。It is a top view which shows the infrared sensor element which concerns on the modification of 1st Example of this invention. 本発明の第1実施例の他の変形例に係る赤外線センサ素子を示す平面図である。It is a top view which shows the infrared sensor element which concerns on the other modification of 1st Example of this invention. 本発明の第2実施例に係る赤外線センサ素子の断面図である。It is sectional drawing of the infrared sensor element which concerns on 2nd Example of this invention. 本発明の第2実施例に係る赤外線センサ素子の製造工程の一部を示す断面図である。It is sectional drawing which shows a part of manufacturing process of the infrared sensor element which concerns on 2nd Example of this invention. 本発明の第2実施例に係る赤外線センサ素子の平面図である。It is a top view of the infrared sensor element which concerns on 2nd Example of this invention. 従来技術による赤外線センサ素子の平面図である。It is a top view of the infrared sensor element by a prior art.

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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

図1乃至図3を参照しつつ、本発明の赤外線センサ素子の構造について詳細に説明する。 The structure of the infrared sensor element of the present invention will be described in detail with reference to FIGS.

図1は赤外線センサ素子の単位素子、すなわち1画素分に相当する赤外線センサ素子の構造を示す断面図である。赤外線センサ素子では、凹部を有するシリコン基板1と、シリコン基板1内に埋め込まれたエッチングストッパ壁13と、シリコン基板1の上に配置された埋め込み酸化膜14によって囲まれた空間を空隙12とする。埋め込み酸化膜14の上には熱検出構造部9が設けられており、熱検出構造部9は梁部8と熱検知部7から構成され、梁部8は埋め込み酸化膜14に配線10及び絶縁膜11が積層されている。エッチングストッパ壁13の上部周辺に設けられた埋め込み酸化膜14の上には絶縁膜11が形成されており、絶縁膜11の上面に設けられた周辺回路配線16と絶縁膜11の下部に位置する埋め込み酸化膜14を電気的に接続するために、絶縁膜11を貫通して埋め込み金属15が形成されている。熱検知部7の上には絶縁膜11が設けられており、絶縁膜11に接して赤外線吸収膜2の支持脚4が配置されている。赤外線吸収膜2は赤外線吸収部3と支持脚4から構成される一枚の吸収膜であり、複数の支持脚4は凹部状とすることで赤外線吸収部3を支持する構造となっている。また、赤外線吸収部3にはガス流入用開口5及びスリット6が形成されている。 FIG. 1 is a sectional view showing the structure of a unit element of an infrared sensor element, that is, an infrared sensor element corresponding to one pixel. In the infrared sensor element, a space surrounded by a silicon substrate 1 having a recess, an etching stopper wall 13 embedded in the silicon substrate 1, and a buried oxide film 14 disposed on the silicon substrate 1 is defined as a gap 12. . A heat detection structure 9 is provided on the buried oxide film 14, and the heat detection structure 9 is composed of a beam portion 8 and a heat detection portion 7. The beam portion 8 is connected to the buried oxide film 14 with wiring 10 and insulation. A film 11 is laminated. An insulating film 11 is formed on the buried oxide film 14 provided around the upper portion of the etching stopper wall 13, and is located below the peripheral circuit wiring 16 provided on the upper surface of the insulating film 11 and the insulating film 11. In order to electrically connect the buried oxide film 14, a buried metal 15 is formed through the insulating film 11. An insulating film 11 is provided on the heat detection unit 7, and the support legs 4 of the infrared absorption film 2 are disposed in contact with the insulating film 11. The infrared absorption film 2 is a single absorption film composed of an infrared absorption portion 3 and a support leg 4, and the plurality of support legs 4 are configured to support the infrared absorption portion 3 by forming a concave shape. The infrared absorbing portion 3 is formed with a gas inflow opening 5 and a slit 6.

図2は赤外線センサ素子を上から見たときの平面図であり、図2中のA−A´線断面図が図1である。赤外線吸収部3には2つのガス流入用開口5と1つのスリット6が設けられている。このガス流入用開口5は支持脚4が配置されている位置よりも赤外線吸収部3の端部方向である外周領域に設けられており、後述する製造工程において埋め込み酸化膜14の下部にエッチングガスを流入する際のガス流入口として用いられる。スリット6は、赤外線吸収部3を支持するために凹部状に形成されている2つの支持脚4の間に挟まれた領域に設けられている。スリット6の形状は、矩形又は円形でもよく、それらのスリットが複数並んだレイアウトにしてもよい。なお、図2におけるスリット6の形状は矩形状(長方形状)のものを例として示している。 FIG. 2 is a plan view of the infrared sensor element as viewed from above, and FIG. 1 is a sectional view taken along line AA ′ in FIG. The infrared absorbing portion 3 is provided with two gas inflow openings 5 and one slit 6. The gas inflow opening 5 is provided in an outer peripheral region that is closer to the end portion of the infrared absorption unit 3 than the position where the support leg 4 is disposed, and an etching gas is formed below the buried oxide film 14 in a manufacturing process described later. It is used as a gas inlet when inflowing. The slit 6 is provided in a region sandwiched between two support legs 4 that are formed in a concave shape to support the infrared absorbing portion 3. The shape of the slit 6 may be rectangular or circular, and may be a layout in which a plurality of such slits are arranged. In addition, the shape of the slit 6 in FIG. 2 shows a rectangular shape (rectangular shape) as an example.

図3(a)は図1中の赤外線吸収膜2、絶縁膜11、埋め込み金属15及び周辺回路配線16を省略し、熱検知部7、梁部8の配線10、及びエッチングストッパ壁13の配置を示す平面図であり、図3(a)中のB−B´線断面図が図1である。 3A omits the infrared absorption film 2, the insulating film 11, the buried metal 15 and the peripheral circuit wiring 16 in FIG. 1, and the arrangement of the thermal detection section 7, the wiring 10 of the beam section 8, and the etching stopper wall 13 is omitted. FIG. 1 is a cross-sectional view taken along line BB ′ in FIG.

図3(a)では、エッチングストッパ壁13によって囲まれた領域内部において、配線10が熱検知部7と接続されて折れ曲がった形状であるクランク状に形成される。配線10のエッチングストッパ壁側の端部には、埋め込み金属形成領域26があり、上層の埋め込み金属15(図1参照)に接続されている。埋め込み金属15は、絶縁膜11に形成される貫通孔内に充填されて、絶縁膜11上に設けられる周辺回路との接続用の周辺回路配線16に接続される。外部回路を周辺回路配線16に接続することで、周辺回路から熱検知部7までは埋め込み金属15及び配線10を経由して電気的に接続される。 In FIG. 3A, the wiring 10 is formed in a crank shape that is bent and connected to the heat detection unit 7 in the region surrounded by the etching stopper wall 13. At the end of the wiring 10 on the etching stopper wall side, there is a buried metal forming region 26, which is connected to the upper buried metal 15 (see FIG. 1). The buried metal 15 is filled in a through-hole formed in the insulating film 11 and connected to a peripheral circuit wiring 16 for connection with a peripheral circuit provided on the insulating film 11. By connecting the external circuit to the peripheral circuit wiring 16, the peripheral circuit and the heat detection unit 7 are electrically connected via the embedded metal 15 and the wiring 10.

また、図3(a)では配線10に接続された熱検知部7が詳細に示されている。熱検知部7はダイオード23及び接続電極24からなり、ダイオード23は高濃度P型領域20、低濃度N型領域21及び高濃度N型領域22からなる。本実施例においては、2つのダイオード23は接続電極24を介して直列に接続されており、2つのダイオード23及び接続電極24によって矩形状の熱検知部7が構成される。また、熱検知部7は上述したような2つのダイオード23及び接続電極24からなる構造に限られず、図3(b)に示すように1つのダイオードで構成してもよく、図3(c)に示すように3つ以上のダイオードから構成してもよい。 Further, FIG. 3A shows the heat detection unit 7 connected to the wiring 10 in detail. The heat detector 7 includes a diode 23 and a connection electrode 24, and the diode 23 includes a high concentration P-type region 20, a low concentration N-type region 21, and a high concentration N-type region 22. In this embodiment, the two diodes 23 are connected in series via the connection electrode 24, and the rectangular heat detection unit 7 is configured by the two diodes 23 and the connection electrode 24. Further, the heat detection unit 7 is not limited to the structure including the two diodes 23 and the connection electrodes 24 as described above, and may be configured by one diode as shown in FIG. As shown in FIG. 3, it may be composed of three or more diodes.

次に、赤外線センサ素子の動作及び各部分の機能について説明する。 Next, the operation of the infrared sensor element and the function of each part will be described.

外部から入射される赤外線は赤外線吸収部3の上面から吸収する。赤外線吸収部3により吸収された赤外線は、赤外線吸収膜2の内部において熱に変換される。その変換された熱は支持脚4に伝わり、第1シリコン酸化膜11を介して、温度を検知する為の熱検知部7に伝わる。熱検知部7で検出した電気信号は、梁部8の配線10及び埋め込み金属15を介して、周辺回路配線16に伝送され、外部回路まで伝送できる。 Infrared rays incident from the outside are absorbed from the upper surface of the infrared absorbing portion 3. Infrared rays absorbed by the infrared absorbing portion 3 are converted into heat inside the infrared absorbing film 2. The converted heat is transmitted to the support leg 4 and is transmitted to the heat detection unit 7 for detecting the temperature via the first silicon oxide film 11. The electrical signal detected by the heat detection unit 7 is transmitted to the peripheral circuit wiring 16 via the wiring 10 and the embedded metal 15 of the beam unit 8 and can be transmitted to an external circuit.

赤外線吸収膜2は、赤外線吸収部3と支持脚4から構成される。赤外線吸収部3は、外部から入射される赤外線をより多く吸収する為に表面積が広くなっており、同一構成の膜から形成されている支持脚4は、その赤外線吸収部3を支える構造となっている。なお、支持脚4は、二本以上形成する方が一本に比べて赤外線吸収部3を安定して支えることが可能となる。赤外線吸収膜2の内部で赤外線から変換された熱を、熱検知部7へ効率よく伝えるためには、支持脚4の長さは短い方が好ましい。また、赤外線吸収膜2は、絶縁膜とかかる絶縁膜上に形成される金属膜とから構成される積層構造である。 The infrared absorbing film 2 includes an infrared absorbing portion 3 and a support leg 4. The infrared absorbing portion 3 has a large surface area in order to absorb more infrared rays incident from the outside, and the support leg 4 formed of a film having the same configuration has a structure that supports the infrared absorbing portion 3. ing. Note that two or more support legs 4 can more stably support the infrared absorbing portion 3 than one. In order to efficiently transmit the heat converted from the infrared rays inside the infrared absorption film 2 to the heat detection unit 7, it is preferable that the length of the support leg 4 is short. The infrared absorbing film 2 has a laminated structure composed of an insulating film and a metal film formed on the insulating film.

熱検知部7は、第1シリコン酸化膜11を介して支持脚4から伝えられる熱を検知しており、ダイオード23及び接続電極24によって構成されている。熱検知部7の性能を上げるには、ダイオードの数を増やせばよく、特に直列に接続するのが好ましい。 The heat detection unit 7 detects heat transmitted from the support leg 4 through the first silicon oxide film 11 and includes a diode 23 and a connection electrode 24. In order to improve the performance of the heat detector 7, it is only necessary to increase the number of diodes, and it is particularly preferable to connect them in series.

梁部8は、熱検知部7で検知した熱の温度を電気信号として外部回路へ伝送する経路であり、埋め込み酸化膜14上に配線10を形成した構成となっている。赤外線センサ素子を高感度化するためには、赤外線吸収部3により変換した熱が、支持脚4、熱検知部7及び梁部8を経由してシリコン基板1に逃げないようにする必要があり、そのためには梁部8の断熱特性を高くすればよい。この断熱特性を高くするために、梁部8の断面積を小さくし、熱検知部7からシリコン基板との接点までの距離を長くすればよく、本願発明の梁部8は、クランク状の細く長い構造に形成している。 The beam portion 8 is a path for transmitting the temperature of heat detected by the heat detection portion 7 to an external circuit as an electric signal, and has a configuration in which the wiring 10 is formed on the buried oxide film 14. In order to increase the sensitivity of the infrared sensor element, it is necessary to prevent the heat converted by the infrared absorption unit 3 from escaping to the silicon substrate 1 via the support leg 4, the heat detection unit 7 and the beam unit 8. For this purpose, the heat insulating property of the beam portion 8 may be increased. In order to enhance this heat insulation characteristic, the cross-sectional area of the beam portion 8 may be reduced, and the distance from the heat detection portion 7 to the contact point with the silicon substrate may be increased. The beam portion 8 of the present invention has a narrow crank shape. It has a long structure.

シリコン基板1は、埋め込み酸化膜14を介して熱検知部7及び梁部8の下部に配置されている。また、シリコン基板1とエッチングストッパ壁13と埋め込み酸化膜14によって囲まれた空間を空隙12とし、空隙12は、シリコン基板1の上面である凹部の形状に応じて広がっており、ガス流入用開口5の直下付近が最も深く、赤外線センサ素子の周囲へ向かうにつれて浅くなり、凹部の内壁となるエッチングストッパ壁13付近では最も浅い形状となる。なお、エッチングストッパ壁13は、赤外線センサ素子の単位素子を取り囲むように、シリコン基板1の外周領域に形成されている。 The silicon substrate 1 is disposed below the heat detection unit 7 and the beam unit 8 via the buried oxide film 14. A space surrounded by the silicon substrate 1, the etching stopper wall 13, and the buried oxide film 14 is defined as a gap 12, and the gap 12 expands according to the shape of the recess that is the upper surface of the silicon substrate 1. 5 is deepest near the infrared sensor element and becomes shallower toward the periphery of the infrared sensor element, and is shallowest in the vicinity of the etching stopper wall 13 serving as the inner wall of the recess. The etching stopper wall 13 is formed in the outer peripheral region of the silicon substrate 1 so as to surround the unit element of the infrared sensor element.

次に、本発明の実施例としての赤外線センサの製造方法について、図4乃至図13を参照しつつ詳細に説明する。なお、本実施例では赤外線センサ素子の単位素子、すなわち1画素分に相当する赤外線センサ素子の構造の製造方法を示す。 Next, a method for manufacturing an infrared sensor as an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. In this embodiment, a method for manufacturing a structure of an infrared sensor element corresponding to a unit element of an infrared sensor element, that is, one pixel is shown.

図4は、エッチングストッパ壁を形成したSOI基板を示している。半導体基板としてシリコン基板1上に埋め込み酸化膜14及びSOI層31を順次積層したSOI基板を準備する。SOI基板は、例えば、張り合わせ法またはSIMOX(Silicon Implanted
Oxide)法等の方法で形成することができる。次に、単位素子構造の外周領域にエッチングストッパ壁13を設けるために、準備したSOI基板上にレジストを塗布し、フォトリソグラフィによってかかるレジストをパターニングする。さらに、パターニングしたレジストをマスクとしてエッチングを行い、赤外線センサ素子の一つの画素を囲うように、SOI基板にエッチングストッパ壁用のトレンチ(開口溝とも称する)を形成する。かかるレジストを除去した後に、例えば、CVD法によってかかる開口溝を酸化シリコンで埋め込む。この時、酸化シリコンは開口溝以外にも堆積するので、開口溝以外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基板内にエッチングストッパ壁13を形成する。なお、トレンチ内部に埋め込まれた酸化シリコンは、酸化シリコンと多結晶シリコン膜等の積層構造としてもよい。
FIG. 4 shows an SOI substrate on which an etching stopper wall is formed. As a semiconductor substrate, an SOI substrate in which a buried oxide film 14 and an SOI layer 31 are sequentially stacked on a silicon substrate 1 is prepared. For example, the SOI substrate may be bonded or SIMOX (Silicon Implanted
Oxide) method or the like. Next, in order to provide the etching stopper wall 13 in the outer peripheral region of the unit element structure, a resist is applied on the prepared SOI substrate, and the resist is patterned by photolithography. Further, etching is performed using the patterned resist as a mask to form a trench for an etching stopper wall (also referred to as an opening groove) on the SOI substrate so as to surround one pixel of the infrared sensor element. After the resist is removed, the opening groove is filled with silicon oxide by, for example, a CVD method. At this time, since silicon oxide is deposited in areas other than the opening grooves, the silicon oxide deposited in areas other than the opening grooves is removed by dry etching or CMP (Chemical Mechanical Polishing), thereby forming the etching stopper wall 13 in the SOI substrate. Note that the silicon oxide embedded in the trench may have a stacked structure of silicon oxide and a polycrystalline silicon film.

続いて、図5では、熱検知部7及び配線10を埋め込み酸化膜14上に形成されている。SOI層31上に、熱検知部7及び配線10として用いるための各々の領域をエッチングし、熱検知部7にはボロン及びリンをイオン注入しダイオードを形成し、配線部10にはチタン又はコバルト等の金属を堆積する。 Subsequently, in FIG. 5, the heat detector 7 and the wiring 10 are formed on the buried oxide film 14. Each region to be used as the heat detection unit 7 and the wiring 10 is etched on the SOI layer 31, boron and phosphorus are ion-implanted in the heat detection unit 7 to form a diode, and titanium or cobalt is formed in the wiring unit 10. Deposit metal such as.

図6は図5に示される工程までを終えた構造の平面図に相当し、図6中のC−C´線断面図が図5である。中央部を矩形状にエッチングされたSOI層31は、かかる矩形状のシリコン部にボロン及びリンをイオン注入することによって、高濃度P型領域20、低濃度N型領域21及び高濃度N型領域22が形成される。これらの高濃度P型領域20、低濃度N型領域21及び高濃度N型領域22からダイオード23が構成される。さらに、熱検知部7の高濃度P型領域20側もしくは高濃度N型領域22側からエッチングストッパ壁13まで接続されるような矩形形状部にチタン又はコバルト等の金属を堆積し熱処理を施すことで、熱検知部7から電気信号を取り出すための配線10を形成する。同様にチタン又はコバルト等の金属を堆積し熱処理を施して、二つのダイオード23を接続するための接続電極24をダイオード23間に形成する。このようにして、ダイオード23及び接続電極24によって、入射する赤外線に応じた熱を検出する熱検知部7が構成される。 6 corresponds to a plan view of the structure after the process shown in FIG. 5 is completed, and a cross-sectional view taken along the line CC 'in FIG. 6 is FIG. The SOI layer 31 whose central portion has been etched into a rectangular shape is formed by ion-implanting boron and phosphorus into the rectangular silicon portion so that the high-concentration P-type region 20, the low-concentration N-type region 21, and the high-concentration N-type region. 22 is formed. The high concentration P-type region 20, the low concentration N-type region 21 and the high concentration N-type region 22 constitute a diode 23. Further, a metal such as titanium or cobalt is deposited on the rectangular shape portion that is connected from the high-concentration P-type region 20 side or the high-concentration N-type region 22 side of the heat detection unit 7 to the etching stopper wall 13 and subjected to heat treatment. Thus, the wiring 10 for taking out an electrical signal from the heat detection unit 7 is formed. Similarly, a metal such as titanium or cobalt is deposited and subjected to heat treatment to form a connection electrode 24 for connecting the two diodes 23 between the diodes 23. Thus, the diode 23 and the connection electrode 24 constitute the heat detection unit 7 that detects heat according to incident infrared rays.

続いて、図7では、熱検知部7及び配線10を覆うように絶縁膜11を堆積する。例えば、シリコン酸化膜をCVD法によって堆積させる。形成される絶縁膜11は、第一シリコン酸化膜/シリコン窒化膜からなる2層の積層構造としてもよく、更に、第一シリコン酸化膜/シリコン窒化膜/第二シリコン酸化膜からなる3層の積層構造としてもよい。2層もしくは3層の積層構造とすることで、後の工程で行う絶縁膜11を薄膜化するエッチングの際に、膜厚を制御することが容易となる。 Subsequently, in FIG. 7, an insulating film 11 is deposited so as to cover the heat detector 7 and the wiring 10. For example, a silicon oxide film is deposited by a CVD method. The insulating film 11 to be formed may have a two-layer structure including a first silicon oxide film / silicon nitride film, and further, a three-layer structure including a first silicon oxide film / silicon nitride film / second silicon oxide film. It is good also as a laminated structure. With a two-layer or three-layer structure, the film thickness can be easily controlled in etching for thinning the insulating film 11 performed in a later step.

次に、埋め込み金属15を形成するためのコンタクトホール25を、絶縁膜11の外周領域に形成する。コンタクトホール25を用いて形成される埋め込み金属15は、配線10の端部と接続させるため、コンタクトホール25は配線10に届くように形成する。コンタクトホール25を形成する詳細な位置は、図6に示すエッチングストッパ壁13に接する配線10の端部である埋め込み金属形成領域26の上部である。 Next, contact holes 25 for forming the buried metal 15 are formed in the outer peripheral region of the insulating film 11. Since the embedded metal 15 formed using the contact hole 25 is connected to the end of the wiring 10, the contact hole 25 is formed so as to reach the wiring 10. A detailed position for forming the contact hole 25 is an upper portion of the buried metal forming region 26 which is an end portion of the wiring 10 in contact with the etching stopper wall 13 shown in FIG.

続いて、図8では、埋め込み金属15及び周辺回路との接続用の周辺回路配線16を形成する。コンタクトホール25内と絶縁膜11の上に、例えば、スパッタ法によってチタン/窒化チタン/タングステンの積層膜を堆積する。その後、コンタクトホール25以外の部分で絶縁膜11の上に堆積したチタン/窒化チタン/タングステンの積層膜をドライエッチングもしくはCMP法によって除去し、チタン/窒化チタン/タングステンの積層膜をコンタクトホール25内に残存させることで、コンタクトホール25内に埋め込み金属15を形成する。次に、絶縁膜11及び埋め込み金属15の上に、例えば、スパッタ法によって周辺回路との接続用の周辺回路配線16となる金属膜を堆積させる。その後、かかる金属膜の上にレジストを塗布し、フォトリソグラフィによってかかるレジストを、埋め込み金属15上に金属膜を残存させる形状にパターニングする。パターニングしたレジストをマスクとしてエッチングを行い、埋め込み金属15上とその周辺に金属膜を残存させることにより、埋め込み金属15と接続した周辺回路配線16を形成する。 Subsequently, in FIG. 8, a peripheral circuit wiring 16 for connection with the embedded metal 15 and the peripheral circuit is formed. A laminated film of titanium / titanium nitride / tungsten is deposited by sputtering, for example, in the contact hole 25 and on the insulating film 11. Thereafter, the titanium / titanium nitride / tungsten laminated film deposited on the insulating film 11 at a portion other than the contact hole 25 is removed by dry etching or CMP, and the titanium / titanium nitride / tungsten laminated film is formed in the contact hole 25. As a result, the buried metal 15 is formed in the contact hole 25. Next, on the insulating film 11 and the buried metal 15, a metal film to be used as the peripheral circuit wiring 16 for connection to the peripheral circuit is deposited by, for example, sputtering. Thereafter, a resist is applied onto the metal film, and the resist is patterned by photolithography into a shape that leaves the metal film on the buried metal 15. Etching is performed using the patterned resist as a mask to leave a metal film on and around the buried metal 15, thereby forming peripheral circuit wiring 16 connected to the buried metal 15.

続いて、図9では、熱検知部7及び配線10の熱容量を低減するために絶縁膜11を薄膜化する。絶縁膜11及び周辺回路配線16上にレジストを塗布し、レジストをマスクとしてエッチングを行い、絶縁膜11の熱検知部7及び配線10の上に対応する領域を所望の厚さまで薄膜化する。ここで、絶縁膜11を、第一シリコン酸化膜/シリコン窒化膜/第二シリコン酸化膜の3層の積層構造とした場合、シリコン窒化膜をエッチングストッパとして機能させることが可能なため、上層に位置する第二シリコン酸化膜のみエッチングすることができ、薄膜化する際の制御が容易となる。さらに、絶縁膜11を積層構造とすることで、薄膜化された絶縁膜11の平坦化が可能となる。 Subsequently, in FIG. 9, the insulating film 11 is thinned in order to reduce the heat capacities of the heat detector 7 and the wiring 10. A resist is applied on the insulating film 11 and the peripheral circuit wiring 16, and etching is performed using the resist as a mask, so that the regions corresponding to the heat detecting portion 7 and the wiring 10 of the insulating film 11 are thinned to a desired thickness. Here, when the insulating film 11 has a three-layer structure of first silicon oxide film / silicon nitride film / second silicon oxide film, the silicon nitride film can function as an etching stopper, so Only the second silicon oxide film positioned can be etched, and control when the film is thinned is facilitated. Further, the insulating film 11 having a laminated structure can flatten the thinned insulating film 11.

続いて、図10では、絶縁膜11を薄膜化した領域である熱検知部7及び配線10部において、梁部8を形成する。梁部8を形成するために、薄膜化した絶縁膜11上にレジストを塗布し、フォトリソグラフィによってかかるレジストをパターニングする。パターニングしたレジストをマスクとしてエッチングし、エッチングによって絶縁膜11、配線10及び埋め込み酸化膜14を貫通する開口を形成する。かかる開口を形成することによって、図3(a)に示されるような細く長い構造であるクランク状の梁部8を形成する。図3(a)は、図10に示される構造からエッチングストッパ壁13の上方にある絶縁膜11、埋め込み金属15、及び周辺回路配線16を除いた構造を上面から示した図である。このようにして、熱検知部7と、配線10からなる梁部8によって熱検出構造部9が構成される。 Subsequently, in FIG. 10, the beam portion 8 is formed in the heat detection portion 7 and the wiring portion 10 which are regions where the insulating film 11 is thinned. In order to form the beam portion 8, a resist is applied on the thin insulating film 11, and the resist is patterned by photolithography. Etching is performed using the patterned resist as a mask, and an opening penetrating the insulating film 11, the wiring 10, and the buried oxide film 14 is formed by etching. By forming such an opening, a crank-shaped beam portion 8 having a thin and long structure as shown in FIG. 3A is formed. FIG. 3A is a diagram showing a structure obtained by removing the insulating film 11, the buried metal 15 and the peripheral circuit wiring 16 above the etching stopper wall 13 from the structure shown in FIG. In this way, the heat detection structure portion 9 is configured by the heat detection portion 7 and the beam portion 8 including the wiring 10.

続いて、図11では、絶縁膜11の上に開口部18を備えた犠牲層17を形成する。絶縁膜11の上層全面に、犠牲層17としてレジストを塗布し、犠牲層17に赤外線吸収膜の支持脚用開口部18を、フォトリソグラフィによって二ヵ所に形成する。犠牲層17は例えば、ポリイミド等であってもよい。支持脚用開口部18は、熱検知部7上層の絶縁膜11に届く領域に開口する。 Subsequently, in FIG. 11, a sacrificial layer 17 having an opening 18 is formed on the insulating film 11. A resist is applied as a sacrificial layer 17 on the entire upper surface of the insulating film 11, and support leg openings 18 for infrared absorbing films are formed in the sacrificial layer 17 at two locations by photolithography. The sacrificial layer 17 may be polyimide or the like, for example. The support leg opening 18 opens to a region reaching the insulating film 11 on the upper layer of the heat detection unit 7.

続いて、図12では、犠牲層17の上に赤外線吸収膜2を形成する。犠牲層17の表面上及び支持脚用開口部18の内部に例えば、CVD法によって絶縁膜を堆積し、さらに、スパッタ法によって堆積した絶縁膜上に金属膜を堆積する。これらの絶縁膜と金属膜からなる堆積層によって赤外線吸収膜2が構成される。例えば、絶縁膜は、酸化シリコン又は窒化シリコンで構成される。また、金属膜は、チタン、クロム若しくはバナジウム、又は、チタン、クロム若しくはバナジウムの窒化物、酸化物若しくは炭化物で構成される。なお、赤外線吸収膜2は、かかる金属膜上に更に絶縁膜を堆積し、絶縁膜/金属膜/絶縁膜の3層構造としてもよい。ここで形成された赤外線吸収膜2は、犠牲膜17の上部に形成された赤外線吸収部3と、支持脚用開口部18の内部に形成された支持脚4とから構成される。 Subsequently, in FIG. 12, the infrared absorption film 2 is formed on the sacrificial layer 17. For example, an insulating film is deposited on the surface of the sacrificial layer 17 and inside the support leg opening 18 by a CVD method, and further a metal film is deposited on the insulating film deposited by a sputtering method. The infrared absorption film 2 is constituted by a deposited layer made of these insulating film and metal film. For example, the insulating film is made of silicon oxide or silicon nitride. The metal film is made of titanium, chromium, or vanadium, or nitride, oxide, or carbide of titanium, chromium, or vanadium. The infrared absorption film 2 may have a three-layer structure of insulating film / metal film / insulating film by further depositing an insulating film on the metal film. The infrared absorption film 2 formed here is composed of an infrared absorption part 3 formed on the upper part of the sacrificial film 17 and a support leg 4 formed inside the support leg opening 18.

続いて、図13では、赤外線吸収部3の画素間を分離するための溝部19、ガス流入用開口5及びスリット6を形成する。赤外線吸収部3の上にレジストを塗布し、フォトリソグラフィによってかかるレジストをパターニングした後に、パターニングしたレジストをマスクとして赤外線吸収部3のエッチングを行う。かかるエッチングによって隣接する画素間で赤外線吸収膜2を分離するための溝部19と、支持脚4の外側(赤外線吸収膜2の外周領域)にガス注入用の開口5を二ヶ所に形成し、同時に、赤外線吸収部3の支持脚4に挟まれた領域に所定の形状のスリット6を形成する。ガス流入用の二つの開口5は、SOI基板のシリコン基板まで貫通する貫通孔となっており、その貫通孔を介してXeF2ガスを流入する。XeF2ガスを流入することでシリコン基板1にエッチングを行い、埋め込み酸化膜14の下層が、図13に示されるような空隙12となる。かかるエッチングでは、シリコン基板1に対して等方的に進む性質を有するので、ガス流入用開口5である貫通孔が画素の中央付近にあれば、中央付近が最も深くなるようにエッチングが進行する。シリコンに対して等方的なエッチングを実現するガスとして、XeF4、XeF6、KrF4、KrF6、ClF3、BrF3、BrF5、IF5などが挙げられる。 Subsequently, in FIG. 13, a groove portion 19, a gas inflow opening 5, and a slit 6 for separating pixels of the infrared absorption portion 3 are formed. After applying a resist on the infrared absorbing portion 3 and patterning the resist by photolithography, the infrared absorbing portion 3 is etched using the patterned resist as a mask. By such etching, a groove portion 19 for separating the infrared absorbing film 2 between adjacent pixels and gas injection openings 5 are formed at two locations on the outside of the support leg 4 (outer peripheral region of the infrared absorbing film 2). A slit 6 having a predetermined shape is formed in a region sandwiched between the support legs 4 of the infrared absorbing portion 3. The two openings 5 for gas inflow are through holes penetrating to the silicon substrate of the SOI substrate, and XeF2 gas flows in through the through holes. The silicon substrate 1 is etched by flowing XeF2 gas, and the lower layer of the buried oxide film 14 becomes a gap 12 as shown in FIG. Since such etching has the property of proceeding isotropically with respect to the silicon substrate 1, if the through-hole that is the gas inflow opening 5 is near the center of the pixel, the etching proceeds so that the center is deepest. . Examples of gases that realize isotropic etching with respect to silicon include XeF4, XeF6, KrF4, KrF6, ClF3, BrF3, BrF5, and IF5.

図14は、図13の赤外線吸収膜3を上面から示した図である。溝部19を形成することで、画素間を分離し、複画素構造であった赤外線センサ素子の赤外線吸収膜2を単画素構造に分ける。また、スリット6は、赤外線吸収部3の支持脚4に挟まれた領域に各支持脚5と平行となるように矩形状に形成されている。 FIG. 14 is a diagram showing the infrared absorption film 3 of FIG. 13 from the top. By forming the groove portion 19, the pixels are separated from each other, and the infrared absorption film 2 of the infrared sensor element having a multi-pixel structure is divided into a single pixel structure. In addition, the slit 6 is formed in a rectangular shape so as to be parallel to each support leg 5 in a region sandwiched between the support legs 4 of the infrared absorbing portion 3.

図15及び図16は、図13の赤外線吸収膜3を上面から示した図であり、スリット6の形状を例示している。スリットは、後の工程である犠牲層除去工程において犠牲層を除去する際に支持脚5に挟まれた領域に生じる応力を緩和するために設けるため、犠牲層除去工程よりも前の工程で形成すること及び支持脚5に挟まれた領域に形成することが必須となる。なお、スリット6の形状は、矩形や円形であってもよく、各形状を複数設けてもよい。例えば、図15では、矩形状のスリットを2列形成した場合を示しており、図16では、分断した矩形状のスリットを2列形成した場合を示している。支持脚5間の応力をより効率よく緩和するためには、スリットは支持脚5間領域内の長辺方向全体にかかる連続的な形状が好ましい。また、支持脚が三以上の複数存在する場合であっても、支持脚が二つの場合と同様に、赤外線吸収部3上で複数の支持脚それぞれに挟まれた領域にスリットを設ければよい。 15 and 16 are diagrams showing the infrared absorption film 3 of FIG. 13 from the top, and illustrate the shape of the slit 6. The slit is formed in a process before the sacrificial layer removing process because it is provided to relieve stress generated in a region sandwiched between the support legs 5 when the sacrificial layer is removed in the sacrificial layer removing process which is a later process. It is essential to form in a region sandwiched between the supporting legs 5. In addition, the shape of the slit 6 may be a rectangle or a circle, and a plurality of each shape may be provided. For example, FIG. 15 shows a case where two rows of rectangular slits are formed, and FIG. 16 shows a case where two rows of divided rectangular slits are formed. In order to relieve the stress between the support legs 5 more efficiently, the slit preferably has a continuous shape extending over the entire long side direction in the region between the support legs 5. Further, even when there are a plurality of support legs of three or more, as in the case of two support legs, a slit may be provided in a region sandwiched between the plurality of support legs on the infrared absorbing portion 3. .

最後に、ガス流入用開口5、スリット6及び溝部19を介して酸素プラズマ処理を行い、犠牲層17を除去する。かかる除去によって、赤外線吸収膜2は、赤外線吸収部3が支持脚4によって支えられる中空構造となり、図1に示されるような赤外線センサ素子が完成する。 Finally, oxygen plasma treatment is performed through the gas inflow opening 5, the slit 6 and the groove portion 19 to remove the sacrificial layer 17. By such removal, the infrared absorption film 2 becomes a hollow structure in which the infrared absorption portion 3 is supported by the support legs 4, and the infrared sensor element as shown in FIG. 1 is completed.

従来のようにスリットを設けず犠牲層除去工程を行うと、支持脚5間に応力が集中しクラックとなり、そのクラックを起点として亀裂が広がっていく。それに比べ本願発明は、スリットを設けて犠牲膜除去工程を行うことで、支持脚5間に集中する応力がスリットによって緩和されるため、スリットから亀裂が生じることはない。つまり、本願発明にかかる赤外線センサ素子では、赤外線吸収膜2の支持脚4間にスリット6を設けることで、犠牲層17を除去する際に発生しうる赤外線吸収膜2のクラックを抑制することができる。その結果、信頼性の高い赤外線センサ素子を得ることができる。さらに、クラックの抑制が可能となった赤外線吸収膜2では、赤外線吸収部3の膜厚の薄膜化が可能となり、赤外線吸収膜2を含めた熱検知部7の熱容量を小さくすることができる。その結果、高速な反応速度を維持でき、高感度の赤外線センサ素子を得ることができる。 When the sacrificial layer removing step is performed without providing a slit as in the prior art, stress is concentrated between the support legs 5 to form a crack, and the crack spreads starting from the crack. On the other hand, in the present invention, since the sacrificial film removing step is performed by providing the slit, the stress concentrated between the support legs 5 is relieved by the slit, so that no crack is generated from the slit. That is, in the infrared sensor element according to the present invention, the slit 6 is provided between the support legs 4 of the infrared absorption film 2 to suppress cracks in the infrared absorption film 2 that may occur when the sacrificial layer 17 is removed. it can. As a result, a highly reliable infrared sensor element can be obtained. Furthermore, in the infrared absorbing film 2 in which cracks can be suppressed, the infrared absorbing portion 3 can be made thinner, and the heat capacity of the heat detecting portion 7 including the infrared absorbing film 2 can be reduced. As a result, a high reaction speed can be maintained, and a highly sensitive infrared sensor element can be obtained.

図17を参照しつつ、本実施例における赤外線センサ素子の構造について詳細に説明する。 The structure of the infrared sensor element in the present embodiment will be described in detail with reference to FIG.

図17は本発明の実施例2による赤外線センサ素子を示す断面図である。各図において同一番号の構成要素は同じ物であることを示す。本実施例の構造の特徴は、支持脚4間に空隙12まで貫通する開口27を形成している点である。開口27は、実施例1(図1)で赤外線吸収膜2に設けられていたスリット6とガス流入用開口5の役割を兼ねた開口である。実施例1においては、ガス流入用開口を支持脚4の外側(赤外線吸収膜2の外周領域)に、スリットを赤外線吸収部3の支持脚4に挟まれた領域にと、それぞれ異なる位置に形成していた。しかし、支持脚4間のスリットをシリコン基板1まで到達する貫通孔にすることによって、赤外線吸収膜2に設けたスリットをXeF2ガスの流入用開口部として用いることが可能となる。 FIG. 17 is a cross-sectional view showing an infrared sensor element according to Embodiment 2 of the present invention. In each figure, components having the same number indicate the same thing. A feature of the structure of this embodiment is that an opening 27 penetrating to the gap 12 is formed between the support legs 4. The opening 27 is an opening that also serves as the slit 6 and the gas inflow opening 5 provided in the infrared absorption film 2 in Example 1 (FIG. 1). In the first embodiment, the gas inflow opening is formed on the outside of the support leg 4 (outer peripheral region of the infrared absorption film 2), and the slit is formed in a different position on the region sandwiched between the support legs 4 of the infrared absorption unit 3. Was. However, by forming the slit between the support legs 4 as a through hole reaching the silicon substrate 1, the slit provided in the infrared absorption film 2 can be used as the XeF2 gas inflow opening.

次に、本実施例における赤外線センサの製造方法について、図18乃至図19を参照しつつ詳細に説明する。なお、本実施例では赤外線センサ素子の単位素子、すなわち1画素分に相当する赤外線センサ素子の構造の製造方法を示す。また、図4から図12までに対応するSOI基板の準備から赤外線吸収膜2を形成する工程までは同一の工程であるため省略する。 Next, the manufacturing method of the infrared sensor in a present Example is demonstrated in detail, referring FIG. 18 thru | or FIG. In this embodiment, a method for manufacturing a structure of an infrared sensor element corresponding to a unit element of an infrared sensor element, that is, one pixel is shown. Further, the steps from the preparation of the SOI substrate corresponding to FIGS. 4 to 12 to the step of forming the infrared absorption film 2 are the same steps, and therefore will be omitted.

図18は、図12の後の工程であり、赤外線吸収部3の画素間を分離するための溝部19、開口27を形成している。赤外線吸収部3の上にレジストを塗布し、フォトリソグラフィによってかかるレジストをパターニングした後に、パターニングしたレジストをマスクとして赤外線吸収部3のエッチングを行う。かかるエッチングによって隣接する画素間で赤外線吸収膜2が分離するための溝部19と、赤外線吸収部3の支持脚4に挟まれた領域に開口27を形成する。開口27は、SOI基板のシリコン基板まで貫通する貫通孔となっており、その貫通孔を介してXeF2ガスを流入する。XeF2ガスを流入することでシリコン基板1にエッチングを行い、埋め込み酸化膜14の下層が、図17に示されるような空隙12となる。かかるエッチングでは、シリコン基板1に対して等方的に進む性質を有するので、開口27である貫通孔が画素の中央付近にあれば、中央付近が最も深くなるようにエッチングが進行する。シリコンに対して等方的なエッチングを実現するガスとして、XeF4、XeF6、KrF4、KrF6、ClF3、BrF3、BrF5、IF5などが挙げられる。 FIG. 18 is a step subsequent to FIG. 12, in which a groove 19 and an opening 27 are formed for separating pixels of the infrared absorption unit 3. After applying a resist on the infrared absorbing portion 3 and patterning the resist by photolithography, the infrared absorbing portion 3 is etched using the patterned resist as a mask. By this etching, an opening 27 is formed in a region sandwiched between the groove portion 19 for separating the infrared absorption film 2 between adjacent pixels and the support leg 4 of the infrared absorption portion 3. The opening 27 is a through hole penetrating to the silicon substrate of the SOI substrate, and XeF 2 gas flows in through the through hole. The silicon substrate 1 is etched by flowing XeF2 gas, and the lower layer of the buried oxide film 14 becomes a void 12 as shown in FIG. Since such etching has the property of proceeding isotropically with respect to the silicon substrate 1, if the through hole, which is the opening 27, is near the center of the pixel, the etching proceeds so that the center is deepest. Examples of gases that realize isotropic etching with respect to silicon include XeF4, XeF6, KrF4, KrF6, ClF3, BrF3, BrF5, and IF5.

なお、開口27の形状は、矩形や円形であってもよく、各形状を複数設けてもよい。また、支持脚が三以上の複数存在する場合であっても、支持脚が二つの場合と同様に、赤外線吸収部3上で複数の支持脚それぞれに挟まれた領域に開口27を設ければよい。 The shape of the opening 27 may be a rectangle or a circle, and a plurality of each shape may be provided. Further, even when there are a plurality of support legs of three or more, as in the case of two support legs, if the openings 27 are provided in the regions sandwiched between the plurality of support legs on the infrared absorbing portion 3, respectively. Good.

ここで、図19を用いて、開口27を形成した際の上面図について説明する。図19は、図17中の赤外線吸収膜2、絶縁膜11、埋め込み金属15及び周辺回路配線16を省略し、熱検知部7、梁部8の配線10、及びエッチングストッパ壁13の配置を示す平面図であり、図19中のD−D´線断面図が図19に対応する。開口27をシリコン基板1まで達する貫通孔を設けるにあたり、図17に示されるとおり熱検知部7も貫通させる必要がある。その際は、熱検知部7のダイオード23及び接続電極24の配置を、真ん中に貫通孔を設けることができるようにすればよい。例えば、図19のように、ダイオードを2列に配置すると、赤外線吸収部3の中央部分に貫通孔である開口27を設けることができる。 Here, a top view when the opening 27 is formed will be described with reference to FIG. FIG. 19 omits the infrared absorption film 2, the insulating film 11, the buried metal 15, and the peripheral circuit wiring 16 in FIG. 17, and shows the arrangement of the heat detection unit 7, the wiring 10 of the beam unit 8, and the etching stopper wall 13. FIG. 19 is a plan view, and a sectional view taken along line DD ′ in FIG. 19 corresponds to FIG. In providing a through hole that reaches the opening 27 to the silicon substrate 1, it is also necessary to penetrate the heat detection unit 7 as shown in FIG. In that case, what is necessary is just to enable it to provide a through-hole in the middle of arrangement | positioning of the diode 23 of the heat detection part 7, and the connection electrode 24. For example, when the diodes are arranged in two rows as shown in FIG.

最後に、開口27、溝部19を介して酸素プラズマ処理を行い、犠牲層17を除去する。かかる除去によって、赤外線吸収膜2は、赤外線吸収部3が支持脚4によって支えられる中空構造となり、図17に示されるような赤外線センサ素子が完成する。 Finally, oxygen plasma treatment is performed through the opening 27 and the groove 19 to remove the sacrificial layer 17. By such removal, the infrared absorption film 2 becomes a hollow structure in which the infrared absorption portion 3 is supported by the support legs 4, and an infrared sensor element as shown in FIG. 17 is completed.

以上の説明から明らかなように、本願発明にかかる赤外線センサ素子では、赤外線吸収膜2の支持脚4間に開口27を設けることで、犠牲層17を除去する際に発生しうる赤外線吸収膜2のクラックを抑制することができる。その結果、信頼性の高い赤外線センサ素子を得ることができる。さらに、クラックの抑制が可能となった赤外線吸収膜2では、赤外線吸収部3の膜厚の薄膜化が可能となり、赤外線吸収膜2を含めた熱検知部7の熱容量を小さく保つことができる。その結果、高速な反応速度を維持でき、高感度の赤外線センサ素子を得ることができる。 As is apparent from the above description, in the infrared sensor element according to the present invention, the infrared absorbing film 2 that can be generated when the sacrificial layer 17 is removed by providing the opening 27 between the support legs 4 of the infrared absorbing film 2. Cracks can be suppressed. As a result, a highly reliable infrared sensor element can be obtained. Furthermore, in the infrared absorption film 2 in which cracks can be suppressed, the film thickness of the infrared absorption section 3 can be reduced, and the heat capacity of the heat detection section 7 including the infrared absorption film 2 can be kept small. As a result, a high reaction speed can be maintained, and a highly sensitive infrared sensor element can be obtained.

また、開口27は、実施例1のガス流入用開口5とスリット6の役割を兼ねているため、実施例1と比較して赤外線吸収膜の除去面積が減少することになる。このため、赤外線吸収膜の実質的な表面積を拡大することができ、赤外線を効率よく吸収することが可能となる。すなわち、赤外線吸収膜の面積の拡大及び赤外線吸収膜の膜厚の薄膜化により、信頼性が高く、より高感度な赤外線センサ素子を得ることができる。 In addition, since the opening 27 also serves as the gas inflow opening 5 and the slit 6 of the first embodiment, the infrared absorption film removal area is reduced as compared with the first embodiment. For this reason, the substantial surface area of the infrared ray absorbing film can be enlarged, and infrared rays can be efficiently absorbed. That is, by increasing the area of the infrared absorption film and reducing the film thickness of the infrared absorption film, an infrared sensor element with higher reliability and higher sensitivity can be obtained.

さらに、ガス流入用開口部が画素の中央付近に近づくことで、等方エッチングを行うとエッチングストッパ壁近傍ではエッチングが浅くなり、深いエッチングストッパ壁を形成しなくてもよくなることから、エッチングストッパ壁を形成する際のトレンチを浅くすることが可能となる。すなわち、高アスペクト比のエッチングや深いトレンチの埋め込みを回避することが可能となり、トレンチ形成に要するエッチング時間の短縮を実現することができる。 Furthermore, since the gas inflow opening approaches the vicinity of the center of the pixel, if isotropic etching is performed, etching becomes shallow in the vicinity of the etching stopper wall, and it is not necessary to form a deep etching stopper wall. It becomes possible to make the trench shallow when forming. That is, high aspect ratio etching and deep trench embedding can be avoided, and the etching time required for trench formation can be reduced.

1 シリコン基板、2 赤外線吸収膜、3 赤外線吸収部、4 支持脚、
5 ガス流入用開口、6 スリット、7 熱検知部、8 梁部、9 熱検出構造部、
10 配線、11 絶縁膜、12 空隙、13 エッチングストッパ壁、
14 埋め込み酸化膜、15 埋め込み金属、16 周辺回路配線、17 犠牲層、
18 支持脚用開口、19 溝部、20 高濃度P型領域、21 低濃度N型領域、
22 高濃度N型領域、23 ダイオード、24 接続電極、25 コンタクトホール、27 開口、31 SOI層
1 Silicon substrate, 2 Infrared absorbing film, 3 Infrared absorbing part, 4 Support legs,
5 Gas inflow opening, 6 Slit, 7 Heat detection part, 8 Beam part, 9 Heat detection structure part,
10 wiring, 11 insulating film, 12 gap, 13 etching stopper wall,
14 buried oxide film, 15 buried metal, 16 peripheral circuit wiring, 17 sacrificial layer,
18 support leg openings, 19 grooves, 20 high-concentration P-type region, 21 low-concentration N-type region,
22 high-concentration N-type region, 23 diode, 24 connection electrode, 25 contact hole, 27 opening, 31 SOI layer

Claims (9)

凹部を有する半導体基板と、
前記半導体基板の外縁近傍にて該半導体基板と接続され、外縁近傍から前記凹部の上方に延在して配置された梁部と、
前記梁部に接続されて前記凹部の上部に保持された熱検知部と、
前記凹部、前記梁部及び前記熱検知部を覆い、かつ、少なくとも二以上の支持脚を介して前記熱検知部に接続される赤外線吸収部と、を備え、
前記赤外線吸収部の前記支持脚間領域にスリットが形成されていることを特徴とする赤外線センサ素子。
A semiconductor substrate having a recess;
A beam portion connected to the semiconductor substrate in the vicinity of the outer edge of the semiconductor substrate and arranged to extend above the recess from the vicinity of the outer edge;
A heat detector connected to the beam and held on top of the recess;
An infrared absorber that covers the recess, the beam and the heat detector, and is connected to the heat detector via at least two support legs;
An infrared sensor element, wherein a slit is formed in the region between the support legs of the infrared absorbing portion.
前記支持脚の外周領域に開口が形成されている前記赤外線吸収部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。 The infrared sensor element according to claim 1, further comprising the infrared absorbing portion having an opening formed in an outer peripheral region of the support leg. 前記スリットの形状が矩形状で、且つ、一つである前記赤外線吸収部を有することを特徴とする請求項1または2記載の赤外線センサ素子。 3. The infrared sensor element according to claim 1, wherein the slit has a rectangular shape and has one infrared absorbing portion. 4. 前記スリットが二以上で、前記各スリットの形状が矩形又は円形である前記赤外線吸収部を有することを特徴とする請求項1または2記載の赤外線センサ素子。 The infrared sensor element according to claim 1, wherein the infrared absorbing element has two or more slits, and each of the slits has a rectangular or circular shape. 前記支持脚を三以上有し、前記赤外線吸収部の前記支持脚間それぞれには前記スリットが設けられたことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1つに記載の赤外線センサ素子。 5. The infrared sensor element according to claim 1, wherein the infrared sensor element has three or more support legs, and the slits are provided between the support legs of the infrared absorbing portion. 半導体基板上に熱検知部及び前記熱検知部と電気的に接続される配線を有する梁部を形成する熱検出構造形成工程と、
前記熱検知部及び前記梁部を覆う絶縁層を形成する絶縁層形成工程と、
前記絶縁層上に犠牲層を形成する犠牲層形成工程と、
前記犠牲層上に少なくとも二以上の支持脚と、前記支持脚間領域にスリット及び前記支持脚の外周領域に開口を設けた赤外線吸収部と、を備えた赤外線吸収膜を形成する赤外線吸収膜形成工程と、
前記開口の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、
前記空隙形成工程後、前記貫通孔を介して前記犠牲層を除去する犠牲層除去工程と、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。
A heat detection structure forming step of forming a beam part having a heat detection part and a wiring electrically connected to the heat detection part on a semiconductor substrate;
An insulating layer forming step of forming an insulating layer covering the heat detecting portion and the beam portion;
A sacrificial layer forming step of forming a sacrificial layer on the insulating layer;
Infrared absorbing film formation for forming an infrared absorbing film comprising at least two or more supporting legs on the sacrificial layer, and an infrared absorbing part having a slit in the region between the supporting legs and an opening in the outer peripheral region of the supporting leg. Process,
A through hole forming step of forming a through hole reaching the semiconductor substrate below the opening;
A gap forming step of forming a gap in the semiconductor substrate by performing etching through the through hole;
And a sacrificial layer removing step of removing the sacrificial layer through the through hole after the gap forming step.
前記絶縁層形成工程は、少なくとも酸化シリコン膜を含む複数の絶縁膜層を形成することを特徴とする請求項6記載の赤外線センサ素子の製造方法。 The method for manufacturing an infrared sensor element according to claim 6, wherein the insulating layer forming step forms a plurality of insulating film layers including at least a silicon oxide film. 半導体基板上に熱検知部及び前記熱検知部と電気的に接続される配線を有する梁部を形成する熱検出構造形成工程と、
前記熱検知部及び前記梁部を覆う絶縁層を形成する絶縁層形成工程と、
前記絶縁層上に犠牲層を形成する犠牲層形成工程と、
前記犠牲層上に少なくとも2つの支持脚と、前記支持脚間領域に開口を設けた赤外線吸収部と、を備えた赤外線吸収膜を形成する赤外線吸収膜形成工程と、
前記開口の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、
前記空隙形成工程後、前記貫通孔を介して前記犠牲層を除去する犠牲層除去工程と、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。
A heat detection structure forming step of forming a beam part having a heat detection part and a wiring electrically connected to the heat detection part on a semiconductor substrate;
An insulating layer forming step of forming an insulating layer covering the heat detecting portion and the beam portion;
A sacrificial layer forming step of forming a sacrificial layer on the insulating layer;
An infrared absorption film forming step of forming an infrared absorption film comprising: at least two support legs on the sacrificial layer; and an infrared absorption part having an opening in the region between the support legs;
A through hole forming step of forming a through hole reaching the semiconductor substrate below the opening;
A gap forming step of forming a gap in the semiconductor substrate by performing etching through the through hole;
And a sacrificial layer removing step of removing the sacrificial layer through the through hole after the gap forming step.
前記絶縁層形成工程は、少なくとも酸化シリコン膜を含む複数の絶縁膜層を形成することを特徴とする請求項8記載の赤外線センサ素子の製造方法。
9. The method of manufacturing an infrared sensor element according to claim 8, wherein the insulating layer forming step forms a plurality of insulating film layers including at least a silicon oxide film.
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