JP2013190239A - 熱型赤外線センサー及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】赤外線吸収膜の裏面側から赤外線を受光するタイプの熱型赤外線センサーにおいて、赤外線吸収膜の裏面における赤外線の反射率を低減させる。
【解決手段】熱型赤外線センサーは、空洞部７によって半導体基板５とは分離された赤外線吸収膜９と、赤外線吸収膜９の温度変化を検出する温度センサー１１とを備えている。赤外線吸収膜９は半導体基板５側の面にサブ波長構造９ａからなる赤外線反射防止構造を備えている。空洞部７は半導体基板５に形成された貫通穴によって形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱型赤外線センサー及びその製造方法に関し、特に、基板の裏面側から赤外線を受光する熱型赤外線センサー及びその製造方法に関するものである。

熱型赤外線イメージセンサーなどの熱型赤外線センサーについて、赤外線吸収膜周辺の基板をエッチングで除去するなどしてブリッジ構造を形成し、赤外線吸収膜と基板とを分離し、センサーの感度を上げる技術がある。熱型赤外線センサーとして、断熱支持されている赤外線吸収膜の裏面側（基板側）から赤外線を受光する構成のものが知られている。

例えば特許文献１に、基板から分離されたマイクロブリッジ構造体上に赤外線吸収膜と温度センサーと信号読出し用の配線が形成された熱型赤外線センサーが開示されている。また、この赤外線センサーは基板の裏面側から赤外線を受光する構成になっている。さらに、この赤外線センサーは、基板の裏面側から入射した赤外線の反射を防止する目的で、基板の両面に反射防止膜を備えている。

図１８は、従来の熱型赤外線センサーの一例を示す概略的な平面図及び断面図である。図１８において、断面図は平面図のＸ−Ｘ’位置に対応している。

センサー部１０１は梁部１０２によって半導体基板１０３に対して中空状に支持されている。センサー部１０１下及び梁部１０２下の半導体基板１０３が除去されて空洞部１０４が形成されている。このため、センサー部１０１は半導体基板１０３に対して分離されており、赤外線センサーとしての感度が高められている。センサー部１０１は、赤外線吸収膜１０５と温度センサー１０６を備えている。

この赤外線センサーは、赤外線が半導体基板１０３の裏面側から入射する構成となっている。赤外線吸収膜１０５は空洞部１０４に露出している。この赤外線センサーは、半導体基板１０３側から入射した赤外線が赤外線吸収膜１０５で吸収されることによって生じる温度変化を温度センサー１０６で捉えることによって赤外線を検出する。温度センサー１０６からの信号を外部に取り出すために、センサー部１０１と梁部１０２に配線１０７が形成されている。

また、基板の表面側から赤外線を受光するタイプの熱型赤外線センサーで、サブ波長構造による反射防止構造を形成することにより、赤外線の反射を抑制し、センサーの感度を上げる技術が知られている（例えば非特許文献１を参照。）。

非特許文献２には、２次元的に配列された凹凸が反射防止構造となることが開示されている。
図１９に示されるように、表面に四角錐様の凹凸２０１を配列したサブ波長の周期構造２０２を形成すると、凹凸２０１が形成される部材２０３と、周囲の媒質との中間の有効屈折率をもつ薄膜層が存在することと等価となり、この表面での反射が減少する。

また、非特許文献１には、サブ波長構造は赤外線に対しても反射防止効果が得られることが示されている。また、素子表面に形成するサブ波長構造は錐体形状に限らず、柱状形状でも反射防止効果が得られることが示されている。

サブ波長構造について説明する。光学素子表面にサブ波長構造（利用する光の波長より短い周期の構造）を形成した周期格子は、回折波を発生しないが、その構造によって光波の透過特性や反射特性に強く影響する。

サブ波長構造の周期格子は、光波に対して光学素子の基材と周囲の媒質との平均的な屈折率を持った媒質とほぼ等価になる。以下、このような効果によって生じる平均的な屈折率を有効屈折率と称す。つまり、サブ波長構造がない場合には光学素子と周囲の媒質との界面で屈折率の変化が急峻であるのに対して、サブ波長構造を形成した場合には、光学素子と周囲の媒質との界面での屈折率の変化が緩やかになり、反射防止効果が得られる。このように、サブ波長構造をうまく設計することにより、反射防止構造が形成可能となる。

基板の裏面側から赤外線を受光するタイプの赤外線センサーにおいては、基板から分離された赤外線吸収膜の受光面（基板と対向する面）に反射防止構造や反射防止膜が形成されておらず、赤外線吸収膜の裏面側から入射してくる赤外線の一部は反射してしまい、センサー感度が低下するという問題があった。

例えば、図１８に示した赤外線センサーで、半導体基板１０３の裏面側から赤外線が入射したとき、空洞部１０４と赤外線吸収膜１０５との界面で反射が生じる。しかし、空洞部１０４と赤外線吸収膜１０５との界面に関しては反射防止膜等を形成することが難しく、反射を防止することができない。

例えば、センサー部１０１を半導体基板１０３から熱分離するための空洞部１０４を形成するためにセンサー部１０１下及び梁部１０２下の半導体基板１０３がエッチング除去されるまでは、赤外線吸収膜１０５の裏面は露出していない。したがって、空洞部１０４が形成されるまでは赤外線吸収膜１０５の裏面を加工することができない。

また、空洞部１０４が形成された後に半導体基板１０３の裏面に写真製版技術によってレジストを形成するのは困難である。特に複数のセンサー部１０１が同一半導体基板１０３に形成されている場合には、半導体基板１０３に複数の空洞部１０４が形成されるので、半導体基板１０３の裏面へのレジストの形成はより困難になる。
このように、センサー部１０１の赤外線吸収膜１０５の裏面に選択的に反射防止構造を形成することはほぼ不可能であった。

本発明は、赤外線吸収膜の裏面側から赤外線を受光するタイプの熱型赤外線センサーにおいて、赤外線吸収膜の裏面における赤外線の反射率を低減させることを目的とする。

本発明にかかる熱型赤外線センサーは、空洞部によって半導体基板とは分離された赤外線吸収膜と、赤外線吸収膜の温度変化を検出する温度センサーとを備えた熱型赤外線センサーであって、上記赤外線吸収膜は上記半導体基板側の面にサブ波長構造からなる赤外線反射防止構造を備え、上記空洞部は上記半導体基板に形成された貫通穴によって形成されているものである。

本発明にかかる熱型赤外線センサーの製造方法は、空洞部によって半導体基板とは分離された赤外線吸収膜と、赤外線吸収膜の温度変化を検出する温度センサーとを備えた熱型赤外線センサーの製造方法であって、以下の工程（Ａ）から（Ｅ）をその順に含む。
（Ａ）写真製版技術及びエッチング技術によって、熱型赤外線センサーのセンサー部の形成予定位置の上記半導体基板の表面にサブ波長構造形成用の凹部パターンを形成する工程、
（Ｂ）熱酸化処理を施して、上記半導体基板の表面に、上記凹部パターンから形成されたサブ波長構造をもつ酸化シリコン膜からなる上記赤外線吸収膜を形成する工程、
（Ｃ）上記赤外線吸収膜上に上記温度センサーを形成する工程、
（Ｄ）上記温度センサーの電位をとるために、層間絶縁膜、配線及び保護膜を形成する工程、
（Ｅ）写真製版技術及びエッチング技術によって、上記半導体基板の裏面側から上記赤外線吸収膜に到達するまで上記赤外線吸収膜の直下の部分の上記半導体基板を除去して、上記赤外線吸収膜の下に上記空洞部を形成する工程。

本発明の熱型赤外線センサーは、赤外線吸収膜の半導体基板側の面（裏面）にサブ波長構造からなる赤外線反射防止構造を備え、本発明の製造方法は、赤外線吸収膜の半導体基板側の面にサブ波長構造からなる赤外線反射防止構造をもつ熱型赤外線センサーを形成するようにしたので、赤外線吸収膜の裏面側から赤外線を受光するタイプの熱型赤外線センサーにおいて、赤外線吸収膜の裏面における赤外線の反射率を低減させることができ、熱型赤外線センサーの感度を向上させることができる。

熱型赤外線センサーの一実施例を説明するための概略的な平面図及び断面図である。 熱型赤外線センサーの他の実施例を説明するための概略的な断面図である。 製造方法の一実施例を説明するための工程断面図である。 同実施例の工程（１）で形成されるサブ波長構造形成用の凹部パターン、及びこの実施例の工程（２）で形成される赤外線吸収膜となる酸化シリコン膜の一例を示す図である。 同実施例の工程（１）で形成されるサブ波長構造形成用の凹部パターン、及びこの実施例の工程（２）で形成される赤外線吸収膜となる酸化シリコン膜の他の例を示す図である。 同実施例の工程（１）で形成されるサブ波長構造形成用の凹部パターン、及びこの実施例の工程（２）で形成される赤外線吸収膜となる酸化シリコン膜のさらに他の例を示す図である。 同実施例の工程（１）で形成されるサブ波長構造形成用の凹部パターン、及びこの実施例の工程（２）で形成される赤外線吸収膜となる酸化シリコン膜のさらに他の例を示す図である。 熱型赤外線センサーの他の実施例を説明するための概略的な平面図及び断面図である。 熱型赤外線センサーのさらに他の実施例を説明するための概略的な断面図である。 製造方法の他の実施例を説明するための工程断面図である。 熱型赤外線センサーのさらに他の実施例を説明するための概略的な断面図である。 熱型赤外線センサーのさらに他の実施例を説明するための概略的な断面図である。 熱型赤外線センサーのさらに他の実施例を説明するための概略的な平面図及び断面図である。 、熱型赤外線センサーのさらに他の実施例を説明するための概略的な断面図である。 熱型赤外線センサーのさらに他の実施例を説明するための概略的な平面図及び断面図である。 熱型赤外線センサーのさらに他の実施例を説明するための概略的な平面図及び断面図である。 熱型赤外線センサーのさらに他の実施例を説明するための概略的な断面図である。 従来の熱型赤外線センサーの一例を示す概略的な平面図及び断面図である。 ２次元的に配列された凹凸が反射防止構造となることを説明するための概略的な斜視図である。

図１は、熱型赤外線センサーの一実施例を説明するための概略的な平面図及び断面図である。図１において、断面図は平面図のＡ−Ａ’位置に対応している。
センサー部１は梁部３によってシリコン基板（半導体基板）５に対して中空状に支持されている。センサー部１下及び梁部３下の半導体基板５が除去されて空洞部７が形成されている。すなわち、空洞部７は半導体基板５に形成された貫通穴によって形成されている。

センサー部１に赤外線吸収膜９、温度センサー１１、配線１３、層間絶縁膜１５、保護膜１７が形成されている。梁部３に、赤外線吸収膜９、配線１３、層間絶縁膜１５、保護膜１７が形成されている。

赤外線吸収膜９は酸化シリコン膜によって形成されている。赤外線吸収膜９は空洞部７によってシリコン基板５とは分離されている。赤外線吸収膜９は裏面（シリコン基板５側の面）にサブ波長構造９ａからなる赤外線反射防止構造を備えている。この実施例の熱型赤外線センサーでは、梁部３における赤外線吸収膜９は

温度センサー１１は赤外線吸収膜９上に形成されている。本発明において、温度センサーとしては、例えばＰＮ接合ダイオード、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）、サーミスタ、ボロメータ、サーモパイル、焦電体等の方式が使用できる。この実施例では、温度センサー１１は赤外線吸収膜９上に形成されたポリシリコン膜に形成されたＰＮ接合ダイオードによって形成されている。なお、センサー部１に配置される温度センサー１１は、１個であってもよいし、複数個であってもよい。

センサー部１及び梁部３とは異なる位置でシリコン基板５表面に酸化シリコン膜１９が形成されている。酸化シリコン膜１９は、赤外線吸収膜９と同時に形成されたものであるが、サブ波長構造９ａを備えていない。ただし、酸化シリコン膜１９は、シリコン基板５との接合面に赤外線吸収膜９と同様にサブ波長構造９ａを備えていてもよい。酸化シリコン膜１９上にも層間絶縁膜１５及び保護膜１７が形成されている。

保護膜１７、層間絶縁膜１５、赤外線吸収膜９及び酸化シリコン膜１９に開口部２１が形成されている。開口部２１によってセンサー部１及び梁部３の形成位置が画定されている。梁部３に関しては、少なくとも配線１３とセンサー部１を支持しうるだけの構造部があればよい。また、梁部３における赤外線吸収膜９は、図２に示されるように、サブ波長構造９ａを備えていてもよい。

この実施例の熱型赤外線センサーには、シリコン基板５の裏面側から赤外線が入射される。この実施例の熱型赤外線センサーは、赤外線吸収膜９の裏面にサブ波長構造９ａからなる赤外線反射防止構造を備えているので、赤外線吸収膜９の裏面における赤外線の反射率を低減させることができる。これにより、熱型赤外線センサーの感度を向上させることができる。

また、図１８に示されたように赤外線吸収膜１０５の裏面に反射防止構造が形成されていない場合には、赤外線吸収膜１０５の厚みを厚くして赤外線吸収率を高くする必要があった。その場合、センサー部１０１の厚みが厚くなって熱容量が増加するので、熱型赤外線センサーの応答速度が遅くなるという不具合もあった。

このような不具合に対し、この実施例の熱型赤外線センサーは赤外線吸収膜９の裏面にサブ波長構造９ａを備えているので、赤外線吸収膜９の裏面での赤外線の反射が抑制される。これは、赤外線吸収膜９は、従来技術の赤外線吸収膜１０５に比べて厚みが薄くされても、赤外線吸収膜１０５と同等の赤外線吸収量を得ることができることを意味する。したがって、この実施例の熱型赤外線センサーは、センサー部１の熱容量を従来技術のセンサー部１０１の熱容量に比べて低減させて、熱型赤外線センサーの性能を向上させることが可能である。

図３は、製造方法の一実施例を説明するための工程断面図である。図３の断面図は図１のＡ−Ａ’位置に対応している。図４〜図７は、この実施例の工程（１）で形成されるサブ波長構造形成用の凹部パターン、及びこの実施例の工程（２）で形成される赤外線吸収膜となる酸化シリコン膜の例をそれぞれ示す図である。図４〜図７で、（Ａ）はサブ波長構造形成用の凹部パターンの平面図、（Ｂ）はそのＸ−Ｘ’位置での断面図、（Ｃ）は赤外線吸収膜となる酸化シリコン膜の断面図を示す。

（１）写真製版技術及びエッチング技術により、熱型赤外線センサーのセンサー部１の形成予定位置のシリコン基板５の表面に、後記工程（２）での熱酸化処理を考慮してサブ波長構造形成用の凹部パターン９ｂを形成する。この実施例では、センサー部１の形成予定位置のみに凹部パターン９ｂが形成されているが、センサー部１の形成予定位置以外の位置にも凹部パターン９ｂが形成されていてもよい。例えば、梁部３の形成予定位置や開口部２１の形成予定位置にも凹部パターン９ｂが形成されていてもよい。また、同一シリコン基板５上に複数のセンサー部１が形成される場合には、各センサー部１の形成位置に対応してシリコン基板５に凹部パターン９ｂが形成される。

凹部パターン９ｂの一例を図４〜図７を参照して説明する。
図４（Ａ），（Ｂ）では、正四角錐の凹部パターン９ｂが格子状に配置されている。図５（Ａ），（Ｂ）では、正四角錐台の凹部パターン９ｂが格子状に配置されている。図６（Ａ），（Ｂ）では、底面が正方形の直方体の凹部パターン９ｂが千鳥状に配置されている。図７（Ａ），（Ｂ）では、円錐の凹部パターン９ｂが千鳥状に配置されている。

凹部パターン９ｂのピッチＡは、対象とする赤外線の波長以下にする必要がある。例えば、人体から放出される赤外線を対象とする場合には、その波長は７〜１５μｍ（マイクロメートル）程度なので、凹部のピッチＡは少なくとも７μｍ以下にする必要がある。これらの凹部パターン９ｂの形状は異方性ドライエッチングで形成することができ、エッチングの条件を変えることにより錐形状の凹部や垂直形状の凹部を形成することが可能である。なお、凹部パターン９ｂの形状及び配置は図４〜図７のものに限定されない。例えば、凹部パターン９ｂは円錐台や、底面が四角形以外の角錐や角錐台であってもよい。

図３に戻って製造工程の説明を続ける。
（２）熱酸化処理を施して、シリコン基板５の表面に酸化シリコン膜１９を形成する。酸化シリコン膜１９とシリコン基板５の界面には、凹部パターン９ｂからサブ波長構造９ａが形成される。この実施例では、センサー部１及び梁部３の酸化シリコン膜１９は赤外線吸収膜９を構成する（図４（Ｃ）、図５（Ｃ）、図６（Ｃ）及び図７（Ｃ）も参照。）。

（３）赤外線吸収膜９上に温度センサー１１を形成する。温度センサー１１としては、例えば、ＰＮ接合ダイオード、ＭＯＳＦＥＴ、サーミスタ、ボロメータ、サーモパイル、焦電体等の方式が使用できる。一例としては、ポリシリコン膜を堆積し、そのポリシリコン膜にイオン注入処理や不純物拡散処理を行なって、ＰＮ接合ダイオードからなる温度センサー１１を形成する。これにより、温度センサー１１を容易に形成できる。

（４）温度センサー１１の電位をとるために、通常の半導体装置製造プロセスに沿って、層間絶縁膜１５の形成、コンタクトホールの形成、配線１３の形成及び保護膜１７を形成する。層間絶縁膜１５及び保護膜１７はＢＰＳＧ（Boro-phospho silicate glass）、ＮＳＧ（None-doped Silicate Glass）、ＰＳＧ（phospho silicate glass）、ＴＥＯＳ（tetra ethyl ortho silicate）等の一般的な半導体装置製造プロセスで使用されるＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）酸化膜でよい。保護膜１７はＣＶＤ窒化膜やＣＶＤ酸化膜とＣＶＤ窒化膜の積層膜であってもよい。

（５）写真製版技術及びエッチング技術によって、保護膜１７及び層間絶縁膜１５に、センサー部１及び梁部３の形成位置を画定するための開口部２１を形成する。開口部２１は例えば異方性ドライエッチング技術によって形成される。開口部２１の底はシリコン基板５に到達している。

（６）図１を参照して説明する。写真製版技術及びエッチング技術によって、センサー部１下、梁部３下及び開口部２１下のシリコン基板５の部分をシリコン基板５の裏面側から赤外線吸収膜９に到達するまで除去する。これにより、空洞部７が形成される。例えば、エッチング技術として、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）エッチングなどの異方性ドライエッチング技術が用いられる。このとき、シリコンと酸化シリコン膜との選択比が大きいエッチングガスが用いられる。

空洞部７の形成にともなって、サブ波長構造９ａが空洞部７に露出する。サブ波長構造９ａは酸化シリコン膜で形成されているため、シリコンと比較してエッチングされる量が少ないので、予め形成しておいた凹凸形状のサブ波長構造９ａが赤外線吸収膜９の表面に現れる。

このように、本発明の製造方法によれば、赤外線吸収膜９のシリコン基板５と対向する面にサブ波長構造９ａからなる赤外線反射防止構造をもつ熱型赤外線センサーを形成することができる。

図８は、熱型赤外線センサーの他の実施例を説明するための概略的な平面図及び断面図である。図８において、断面図は平面図のＢ−Ｂ’位置に対応している。図８において、図８において、図１と同じ機能を果たす部分には同じ符号が付されている。

この実施例では、空洞部７は、シリコン基板５に対する結晶異方性ウェットエッチングによって形成されたものである。図３（５）に図示されたシリコン基板５に対して、写真製版技術及び結晶異方性ウェットエッチング技術により、シリコン基板５の裏面側からシリコン基板５がエッチングされることにより、空洞部７が形成される。

エッチング液として、例えば、ＫＯＨ（水酸化カリウム）水溶液やＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）水溶液のようなアルカリ溶液が用いられる。シリコン基板５の裏面は（１００）面である。空洞部７に露出するシリコン基板５の側面は、シリコン基板５の裏面に対して約５５°の角度をもっている。
このように、空洞部７は結晶異方性ウェットエッチングによって形成されたものであってもよい。

図１、図２又は図８に示された実施例の構成においては、温度センサー１１の方式がダイオードやＭＯＳＦＥＴの場合に、単結晶シリコンを使用することができない。図１、図２又は図８に示された実施例は温度センサー１１としてポリシリコン膜にダイオード等のデバイスが形成された例である。これに対し、単結晶シリコンに形成されたデバイスは、ポリシリコンに形成されたデバイスと比較すると、リーク電流が少ないことや、均一性が良いなどの長所がある。したがって、温度センサーが単結晶シリコンに形成されていれば、赤外線センサーのＳ／Ｎ比（Signal-Noise ratio）の改善や安定性、均一性の向上が得られる。

図９は、熱型赤外線センサーのさらに他の実施例を説明するための概略的な断面図である。図１と同じ機能を果たす部分には同じ符号が付される。

この実施例では、シリコン基板からなる支持基板２３、酸化シリコン膜からなるＢＯＸ層２５、及び単結晶シリコン層をもつＳＯＩ基板２７が用いられている。温度センサー２９はＳＯＩ基板の単結晶シリコン層に形成されている。例えば、温度センサー２９は、ＳＯＩ基板の単結晶シリコン層に形成されたＰＮ接合ダイオードによって形成されている。温度センサー２９の形成位置とは異なる位置のＳＯＩ基板の単結晶シリコン層は、素子分離のために例えばＬＯＣＯＳ（Local Oxidation of Silicon）法によって酸化されて、素子分離酸化膜３１が形成されている。

センサー部１及び梁部３の形成位置のＢＯＸ層２５は赤外線吸収膜９を構成する。赤外線吸収膜９の裏面（支持基板２３側の面）にサブ波長構造９ａが形成されている。空洞部７は支持基板２３に形成された貫通穴によって形成されている。

図１０は、製造方法の他の実施例を説明するための工程断面図である。図１０の断面図は図９に対応している。

（１）写真製版技術及びエッチング技術により、熱型赤外線センサーのセンサー部１の形成予定位置の支持基板２３の表面に、後記工程（２）での熱酸化処理を考慮してサブ波長構造形成用の凹部パターン９ｂを形成する。この実施例では、センサー部１の形成予定位置のみに凹部パターン９ｂが形成されているが、例えば、梁部３の形成予定位置や開口部２１の形成予定位置などの他の位置にも凹部パターン９ｂが形成されていてもよい。また、同一基板上に複数のセンサー部１が形成される場合には、各センサー部１の形成位置に対応して支持基板２３に凹部パターン９ｂが形成される。

（２）熱酸化処理を施して、支持基板２３の表面にＢＯＸ層２５を形成する。このとき、支持基板２３の裏面も酸化されて酸化シリコン膜３５が形成される。ＢＯＸ層２５と支持基板２３の界面には、凹部パターン９ｂからサブ波長構造９ａが形成される。この実施例では、センサー部１及び梁部３のＢＯＸ層２５は赤外線吸収膜９を構成する。ＢＯＸ層２５の表面に研磨処理を施して、凹部パターン９ｂに起因してＢＯＸ層２５の表面に形成された凹凸を除去する。これにより、ＢＯＸ層２５の表面が平坦化される。

（３）ＢＯＸ層２５上に単結晶シリコン層３３を貼り付ける。単結晶シリコン層３３に研磨処理を施して、単結晶シリコン層３３を所望の厚みに研磨する。支持基板２３の裏面の酸化シリコン膜３５を除去する。これにより、支持基板２３、ＢＯＸ層２５及び単結晶シリコン層３３からなるＳＯＩ基板２７が形成される。

（４）温度センサー２９の形成位置を画定するために、例えばＬＯＣＯＳ法によって単結晶シリコン層３３に素子分離酸化膜３１を形成する。センサー部１の形成予定位置の単結晶シリコン層３３にイオン注入処理や不純物拡散処理を行なって温度センサー２９を形成する。ここでは、例えばＰＮ接合ダイオードからなる温度センサー２９を形成する。また、さらにゲート酸化膜及びゲート電極を形成する工程を加えて、ＭＯＳＦＥＴからなる温度センサーを形成してもよい。その後、温度センサー２９の電位をとるために、通常の半導体装置製造プロセスに沿って、層間絶縁膜１５の形成、コンタクトホールの形成、配線１３の形成及び保護膜１７を形成する。

（５）図３を参照して説明した上記工程（５）と同様にして、開口部２１を形成する。
（６）図９を参照して説明する。図３を参照して説明した上記工程（６）と同様にして、異方性ドライエッチング技術によって、センサー部１下、梁部３下及び開口部２１下の支持基板２３の部分を支持基板２３の裏面側から赤外線吸収膜９に到達するまで除去する。これにより、空洞部７が形成される。なお、図８を参照して説明した結晶異方性ウェットエッチングによる空洞部７の形成工程をこの実施例に適用することもできる。

このように、この実施例によれば、赤外線吸収膜９の裏面にサブ波長構造９ａからなる赤外線反射防止構造をもち、かつ温度センサー２９が単結晶シリコン層に形成された、図９に示された熱型赤外線センサーを形成することができる。

図１１は、熱型赤外線センサーのさらに他の実施例を説明するための概略的な断面図である。この実施例におけるセンサー部１及び梁部３の構造は図１に示したものと同じである。

この実施例は、シリコン基板５にＣＭＯＳ（Complementary MOS）回路部３７をさらに備えている。ＣＭＯＳ回路部３７はＰチャネルＭＯＳＦＥＴ３９とＮチャネルＭＯＳＦＥＴ４１を備えている。例えばシリコン基板５がＰ型シリコン基板の場合、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ３９はシリコン基板５に形成されたＮ型ウエル４３に形成され、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ４１はシリコン基板５又はシリコン基板５に形成されたＰ型ウエル（図示は省略）に形成される。ＭＯＳＦＥＴ３９，４１の形成位置は例えばＬＯＣＯＳ酸化膜からなる素子分離用の酸化シリコン膜１９によって画定されている。

ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ３９は、Ｎ型ウエル４３に形成された、ソース及びドレインを構成する２つのＰ型不純物拡散層４５，４５と、Ｐ型不純物拡散層４５，４５の間のＮ型ウエル４３上にゲート酸化膜（図示は省略）を介して形成されたポリシリコンゲート電極４７を備えている。

ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ４１は、シリコン基板５に形成された、ソース及びドレインを構成する２つのＮ型不純物拡散層４９，４９と、Ｎ型不純物拡散層４９，４９の間のシリコン基板５上にゲート酸化膜（図示は省略）を介して形成されたポリシリコンゲート電極５１を備えている。

不純物拡散層４５，４９及びゲート電極４７，５１の電位をとるための配線１３が形成されている。層間絶縁膜１５上及び配線１３上に形成された保護膜１７は第２層間絶縁膜を構成する。保護膜１７上に第２層目の配線５３が形成されている。配線５３は、保護膜１７に形成されたビアホールを介して、ＭＯＳＦＥＴ３９，４１に接続された配線１３に接続されている。センサー部１及び梁部３には配線５３は形成されていない。

保護膜１７上及び配線５３上に最終保護膜５５が形成されている。最終保護膜５５はＣＶＤ窒化膜やＣＶＤ酸化膜とＣＶＤ窒化膜の積層膜によって形成されている。センサー部１及び梁部３には最終保護膜５５は形成されていない。

ＭＯＳＦＥＴ３９，４１の形成領域を画定するためにＬＯＣＯＳ法によって素子分離用の酸化シリコン膜１９を形成する時に、センサー部１及び梁部３の赤外線吸収膜９及びサブ波長構造９ａを形成することができる。このとき、ＬＯＣＯＳ酸化の処理時間や膜厚はＣＭＯＳ回路部３７の製造プロセスによって決まるので、大幅な変更は難しい。よって、ＬＯＣＯＳ酸化の条件で、センサー部１及び梁部３のサブ波長構造９ａが問題なく形成できるように、シリコン基板５に形成する凹凸構造のサイズやピッチを考慮しなければならない。特に、赤外線吸収膜９の表面（サブ波長構造９ａ形成面とは反対側の面）の凹凸が大きい場合は、その後に形成される温度センサー１１を形成するためのポリシリコンの堆積時に不具合が生じる可能性がある。つまり、ＬＯＣＯＳ工程の酸化時間で赤外線吸収膜９の表面がある程度平坦となるように凹凸構造のサイズとピッチを小さくしておくことが好ましい。

ＬＯＣＯＳ酸化で酸化シリコン膜１９及び赤外線吸収膜９を形成した後は、ＭＯＳＦＥＴ３９，４１のゲート酸化膜（図示は省略）を形成し、さらにポリシリコンを堆積する。センサー部１の温度センサー１１を形成するためのポリシリコンと、ＭＯＳＦＥＴ３９，４１のポリシリコンゲート電極４７，５１を形成するためのポリシリコンは同じ工程で形成することができる。この後、ポリシリコンゲート電極４７，５１には、イオン注入処理や不純物拡散処理が行なわれるが、温度センサー１１の形成もこれらの工程を兼用して形成することも可能である。

また、センサー部１は応答速度を向上させるために熱容量を低減させることが好ましい。そこで、この実施例では、センサー部１の形成位置では、最終保護膜５５を除去し、ＣＭＯＳ回路部３７よりも薄膜化して、熱容量を低減させる構成なっている。ＣＭＯＳ回路部３７では層間絶縁膜として機能する保護膜１７がセンサー部１の保護膜として機能する。

このように、熱酸化によりサブ波長構造の基礎を形成する工程は、ＣＭＯＳプロセスのＬＯＣＯＳ工程と兼用することが可能であるため、特別にＣＭＯＳプロセスへの影響を考慮する必要がなく、シリコン基板に凹凸形状（サブ波長構造を形成するための凹部パターン）を形成する工程のみを追加することで比較的容易にサブ波長構造９ａを形成することができる。

図１２は、熱型赤外線センサーのさらに他の実施例を説明するための概略的な断面図である。この実施例におけるセンサー部１及び梁部３の構造は図９に示されたものと同じである。

この実施例は、ＳＯＩ基板２７にＣＭＯＳ回路部３７をさらに備えている。ＣＭＯＳ回路部３７はＰチャネルＭＯＳＦＥＴ３９とＮチャネルＭＯＳＦＥＴ４１を備えている。ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ３９はＳＯＩ基板２７の単結晶シリコン層に形成されたＮ型単結晶シリコン層５７に形成され、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ４１はＳＯＩ基板２７の単結晶シリコン層に形成されたＰ型単結晶シリコン層５９に形成されている。ＭＯＳＦＥＴ３９，４１の形成位置は、ＳＯＩ基板２７の単結晶シリコン層に形成された、例えばＬＯＣＯＳ酸化膜からなる素子分離用の酸化シリコン膜３１によって画定されている。

ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ３９は、Ｎ型単結晶シリコン層５７に形成された、ソース及びドレインを構成する２つのＰ型不純物拡散層４５，４５と、Ｐ型不純物拡散層４５，４５の間のＮ型単結晶シリコン層５７上にゲート酸化膜（図示は省略）を介して形成されたポリシリコンゲート電極４７を備えている。

ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ４１は、Ｐ型単結晶シリコン層５９に形成された、ソース及びドレインを構成する２つのＮ型不純物拡散層４９，４９と、Ｎ型不純物拡散層４９，４９の間のＰ型単結晶シリコン層５９上にゲート酸化膜（図示は省略）を介して形成されたポリシリコンゲート電極５１を備えている。

配線１３、層間絶縁膜１５、保護膜１７、第２層目の配線５３及び最終保護膜５５の構成は図１１に示したものと同様である。この実施例でもセンサー部１及び梁部３には最終保護膜５５は形成されていない。

この実施例のように、ＳＯＩ基板２７を使用する場合は、ＳＯＩ基板２７の形成時にサブ波長構造９ａを形成しているため、ＣＭＯＳ回路３７の形成時に特に注意する点はない。図１１に示したようにシリコン基板５を使用する場合は、ＬＯＣＯＳ酸化膜厚とセンサー部１の赤外線吸収膜９のサブ波長構造９ａの形状等を考慮する必要があったが、ＳＯＩ基板２７を使用する場合はこの心配もない。ＳＯＩ基板２７を使用すると、センサー部１とＣＭＯＳ回路部３７のモノシリック化が非常に容易となる。

また、温度センサー２９を形成する際のイオン注入処理や不純物拡散処理と、ＭＯＳＦＥＴ３９，４１のソースやドレイン、ポリシリコンゲート電極を形成するときのイオン注入処理や不純物拡散処理を共用してもよい。

図１１に示した実施例及び図１２に示した実施例では、空洞部７は異方性ドライエッチングによって形成されているが、空洞部７は結晶異方性ウェットエッチングで形成されたものであってもよい。

図１３は、熱型赤外線センサーのさらに他の実施例を説明するための概略的な平面図及び断面図である。図１３において、断面図は平面図のＣ−Ｃ’位置に対応している。図１３において、図１と同じ機能を果たす部分には同じ符号が付されている。

この実施例の赤外線センサーは、図１に示された赤外線センサーと比較して、梁部３及び開口部２１を備えていない。すなわち、シリコン基板５の表面側から開口部２１を形成する工程（図３を参照して説明した上記（５）を参照。）が行なわれずに形成されたものである。これにより、センサー部１は薄膜（ダイアフラム）形状になっている。

図１４は、熱型赤外線センサーのさらに他の実施例を説明するための概略的な断面図である。図１４において、図９と同じ機能を果たす部分には同じ符号が付されている。

この実施例の赤外線センサーは、図９に示された赤外線センサーと比較して、梁部３及び開口部２１を備えていない。すなわち、ＳＯＩ基板２７の表面側から開口部２１を形成する工程（図１０を参照して説明した上記（５）を参照。）が行なわれずに形成されたものである。これにより、センサー部１は薄膜形状になっている。

図１３又は図１４に示された実施例のように、センサー部１は、薄膜形状に形成されることによってシリコン基板５又は支持基板２３とは分離されている構造であってもよい。
また、図１３に示した実施例及び図１３に示した実施例では、空洞部７は異方性ドライエッチングによって形成されているが、空洞部７は結晶異方性ウェットエッチングで形成されたものであってもよい。

図１５は、熱型赤外線センサーのさらに他の実施例を説明するための概略的な平面図及び断面図である。図１５において、断面図は平面図のＤ−Ｄ’位置に対応している。図１と同じ機能を果たす部分には同じ符号が付されている。図１５の平面図では層間絶縁膜１５及び保護膜１７の図示が省略されている。

この実施例は、温度センサーとしてサーモパイルを備えている。サーモパイルは、材料の両端に温度差が与えられることにより起電力が生じるゼーベック効果を利用したものである。この実施例において、サーモパイルは、Ｎ型不純物が導入されたＮ型ポリシリコン１１ａ、Ｐ型不純物が導入されたＰ型ポリシリコン１１ｂ、冷接点を構成する金属配線１３ａ，１３ｂ、温接点を構成する金属配線１３ｃを備えている。

ポリシリコン１１ａ，１１ｂは、センサー部１及び梁部３の赤外線吸収膜９上並びに酸化シリコン膜１９上に形成されている。ポリシリコン１１ａ，１１ｂはセンサー部１から梁部３を介して酸化シリコン膜１９上にわたって配置されている。ポリシリコン１１ａ，１１ｂの温接点側の端部はセンサー部１に配置されている。ポリシリコン１１ａ，１１ｂの冷接点側の端部は酸化シリコン膜１９上に配置されている。

この実施例では、梁部３の赤外線吸収膜９にサブ波長構造９ａからなる赤外線反射防止構造が形成されている。ただし、梁部３の赤外線吸収膜９にサブ波長構造９ａは形成されていなくてもよい。

金属配線１３ａ，１３ｂ，１３ｃは層間絶縁膜１５上に形成されている。金属配線１３ａ，１３ｂは酸化シリコン膜１９の上方に配置されている。金属配線１３ｃはセンサー部１に配置されている。金属配線１３ａは酸化シリコン膜１９の上方でＮ型ポリシリコン１１ａの冷接点側の端部と電気的に接続されている。金属配線１３ｂはＰ型ポリシリコン１１ｂの冷接点側の端部と酸化シリコン膜１９の上方で電気的に接続されている。金属配線１３ｃはセンサー部１上でＮ型ポリシリコン１１ａの温接点側の端部とＰ型ポリシリコン１１ｂの温接点側の端部を電気的に接続している。

このように、温度センサーはサーモパイルであってもよい。温度センサーとして、正負のゼーベック係数を有する異種の材料が直列に接続されてなるサーモパイルを用いることにより、より高い感度を得ることができる。

また、梁部３上にサーモパイルを形成するための複数本のＮ型ポリシリコンと複数本のＰ型ポリシリコンが形成されていてもよい。この場合、各ポリシリコンはセンサー部１から梁部３を介して赤外線吸収膜９上にわたって配置される。さらに、金属配線１３ａ，１３ｂ，１３ｃによって、Ｎ型ポリシリコンとＰ型ポリシリコンが交互に直列に接続される。これにより、サーモパイルの感度が増す。

図１６は、熱型赤外線センサーのさらに他の実施例を説明するための概略的な平面図及び断面図である。図１６において、断面図は平面図のＥ−Ｅ’位置に対応している。図１３又は図１５と同じ機能を果たす部分には同じ符号が付されている。図１６の平面図では層間絶縁膜１５及び保護膜１７の図示が省略されている。

この実施例は、図１３に示された実施例と同様に、梁部を持たないダイアフラム構造のセンサー部１に温度センサーとしてサーモパイルを適用したものである。複数のＮ型ポリシリコン１１ａと複数のＰ型ポリシリコン１１ｂが空洞部７とシリコン基板５上を跨るように配置されている。Ｎ型ポリシリコン１１ａとＰ型ポリシリコン１１ｂは、交互に配置され、金属配線１３ｃによって直列に接続されている。
この実施例は、温度センサーとしてサーモパイルを備えているので、より高い感度を得ることができる。

温度センサーとしてサーモパイルを備えた構成は他の実施例にも適用できる。
また、一般的には、サーモパイルの材料として、Ｐ型ポリシリコンとＮ型ポリシリコンの組み合わせや、ポリシリコンとアルミニウムの組み合わせが用いられるが、本発明の熱型赤外線センサーの温度センサーとしてのサーモパイルはこれらの材料の組み合わせに限定されない。

以上、本発明の実施例を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内で種々の変更が可能である。
例えば、上記実施例では、単体の赤外線センサーの形状に関して説明したが、赤外線センサーを一次元アレイ状に形成した赤外線ラインセンサーや、二次元アレイ状に形成した赤外線二次元アレイセンサー、赤外線イメージセンサーにも本発明を適用可能である。

例えば図１７に示されたように、半導体基板５に複数のセンサー部１が配置されていてもよい。

また、上記実施例は温度センサーとしてＰＮ接合ダイオード又はサーモパイルを備えているが、本発明の熱型赤外線センサーにおける温度センサーはこれらに限定されない。本発明の熱型赤外線センサーにおける温度センサーは、例えばＭＯＳＦＥＴ、ボロメータ、サーモパイル、焦電体など、赤外線吸収膜の温度変化を検出できるものであればどのようなものであってもよい。

１ センサー部
３ 梁部
５ シリコン基板（半導体基板）
７ 空洞部
９ 赤外線吸収膜
９ａ サブ波長構造
９ｂ サブ波長構造形成用の凹部パターン
１１ 温度センサー
１３ 配線
１５ 層間絶縁膜
１７ 保護膜
２１ 開口部
２３ 支持基板
２５ ＢＯＸ層
２７ ＳＯＩ基板
２９ 温度センサー
３３ ＳＯＩ基板の単結晶シリコン層
３７ ＣＭＯＳ回路部

特開平１０−２８８５５０号公報

第２６回「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム論文集，ｐｐ．６２２−６２６，２００９ Journal of Optical Society of America, A, Vol.12 ,no.2 pp.333-339, 1995

Claims (8)

1. 空洞部によって半導体基板とは分離された赤外線吸収膜と、赤外線吸収膜の温度変化を検出する温度センサーとを備えた熱型赤外線センサーにおいて、
   前記赤外線吸収膜は前記半導体基板側の面にサブ波長構造からなる赤外線反射防止構造を備え、
   前記空洞部は前記半導体基板に形成された貫通穴によって形成されていることを特徴とする熱型赤外線センサー。
2. 前記半導体基板は支持基板、ＢＯＸ層、単結晶シリコン層がその順に積層されたＳＯＩ基板の前記支持基板であり、
   前記赤外線吸収膜は前記ＢＯＸ層によって形成されており、
   前記温度センサーは前記単結晶シリコン層に形成されており、
   前記空洞部は前記支持基板に形成された貫通穴によって形成されている請求項１に記載の熱型赤外線センサー。
3. 前記温度センサーはＰＮ接合ダイオードで形成されている請求項１又は２に記載の熱型赤外線センサー。
4. 前記温度センサーは、Ｐ型ポリシリコンとＮ型ポリシリコンとで構成されるサーモパイルで形成されている請求項１に記載の熱型赤外線センサー。
5. 前記半導体基板上に複数組の前記赤外線吸収膜及び前記温度センサーの組を備えている請求項１から４のいずれか一項に記載の熱型赤外線センサー。
6. 前記半導体基板上にＣＭＯＳ回路をさらに備えている請求項１から５のいずれか一項に記載の熱型赤外線センサー。
7. 空洞部によって半導体基板とは分離された赤外線吸収膜と、赤外線吸収膜の温度変化を検出する温度センサーとを備えた熱型赤外線センサーの製造方法において、以下の工程（Ａ）から（Ｅ）をその順に含む熱型赤外線センサーの製造方法。
   （Ａ）写真製版技術及びエッチング技術によって、熱型赤外線センサーのセンサー部の形成予定位置の前記半導体基板の表面にサブ波長構造形成用の凹部パターンを形成する工程、
   （Ｂ）熱酸化処理を施して、前記半導体基板の表面に、前記凹部パターンから形成されたサブ波長構造をもつ酸化シリコン膜からなる前記赤外線吸収膜を形成する工程、
   （Ｃ）前記赤外線吸収膜上に前記温度センサーを形成する工程、
   （Ｄ）前記温度センサーの電位をとるために、層間絶縁膜、配線及び保護膜を形成する工程、
   （Ｅ）写真製版技術及びエッチング技術によって、前記半導体基板の裏面側から前記赤外線吸収膜に到達するまで前記赤外線吸収膜の直下の部分の前記半導体基板を除去して、前記赤外線吸収膜の下に前記空洞部を形成する工程。
8. 前記半導体基板はＳＯＩ基板の支持基板であり、
   前記工程（Ｂ）における熱酸化処理は、前記支持基板表面に前記ＳＯＩ基板のＢＯＸ層を形成する処理でもあり、
   前記工程（Ｂ）と前記工程（Ｃ）との間に、前記ＢＯＸ層の表面を研磨処理によって平坦化し、さらに前記ＢＯＸ層上に単結晶シリコン層を貼り付けて前記ＳＯＩ基板の単結晶シリコン層に形成する工程（Ｂ’）を含み、
   前記工程（Ｃ）は前記工程（Ｂ’）で形成された単結晶シリコン層に前記温度センサーを形成する請求項７に記載の熱型赤外線センサーの製造方法。

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