JP2014173850A - 熱型赤外線センサー - Google Patents

Abstract

【課題】熱型赤外線センサーにおいて、センサーの感度と応答速度を向上させる。
【解決手段】熱型赤外線センサーは、基板１上に断熱構造体２と温度センサー部３と赤外線吸収部４と配線部５とを備えている。断熱構造体２は、薄膜部６が複数の梁部７によって中空状に支持された構造を有する。温度センサー部３は、温度によって電気特性の変化する複数の半導体素子８を有し、薄膜部６に配置されている。赤外線吸収部４は、薄膜部６に配置されている。配線部５は、複数の半導体素子８同士を接続するための素子接続配線部１２と、半導体素子８と周辺回路部１５を接続するための梁上配線部１３とを有する。素子接続配線部１２と梁上配線部１３は同一配線層で構成されている。素子接続配線部１２と半導体素子１０の間には層間絶縁膜が形成されていない。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱型赤外線センサーに関し、特に、基板上に断熱構造体と温度センサー部と赤外線吸収部と配線部とを備えた熱型赤外線センサーに関するものである。

近年、ボロメータ、サーモパイル、ダイオード等を使用した非冷却型の熱型赤外線アレイセンサー、熱型赤外線ラインセンサー等の開発が盛んに行われている。これらのセンサーは、中赤外から遠赤外の波長帯に感度を有するため、自動車向けの暗視カメラや、セキュリティー機器向けの人体検知センサー、電気電子機器の節電を目的とした人体検知センサー等に幅広く用いられている。

このような熱型赤外線センサーは、主に、赤外線吸収層と断熱構造体と温度センサーの三つの要素から構成されている。断熱構造体上に赤外線吸収層と温度センサーが配置された構成が一般的である。

断熱構造体は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）プロセス等により形成したブリッジ構造体やダイアフラム構造体などが一般的である。この断熱構造体によって微弱な赤外線に対して十分な感度を得ることができる。ブリッジ構造とは、ＭＥＭＳプロセスを用いて形成される構造体で、センサーが形成される薄膜部を複数本の梁で中空状に支持する構造である（例えば特許文献１を参照。）。

また、このような熱型赤外線センサーをレンズと組み合わせて用いることにより、画角や検出範囲を調整し、様々なアプリケーションに適用されている。特にダイオード方式のセンサーは、特性のばらつきが少なく、ダイオードの直列数を増やすことによって感度を高めることができるため、高画素数の赤外線アレイセンサーへも実用化されている。

このような熱型赤外線センサーでは、真空パッケージ技術を用いてセンサー周囲の空気への熱伝導を抑制することや、ブリッジ構造体の梁部の熱コンダクタンスを低減することによって、センサーの高感度化を実現している。

梁部の熱コンダクタンスを低減するためには、梁部の断面積を小さくし、梁部の長さを長くする必要がある。また、梁部を通るセンサーの信号線の熱コンダクタンスを同様に低減する必要がある。また、ブリッジ構造体の薄膜部の膜厚はセンサーの熱容量に寄与するため、膜厚を薄くしてセンサーの熱容量を低減することにより、センサーの応答速度の高速化を図ることができる。

特許文献１には、検出器内の配線を薄膜化し、検出器の熱容量を低減させる目的と、検出器内の配線段差を低減させる目的で、検出器内の配線と梁部の配線を同層の薄膜の配線で形成した構成が開示されている。また、これらの配線はＴｉ等のＳｉと良好なコンタクトが取れる材料とＴｉＮ等の導電材料がＳｉに拡散するのを防止する材料の二層構造とする構成が開示されている。

図１３は、従来の熱型赤外線センサー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Ｚ−Ｚ’位置の断面を示している。

基板１０１は、例えば半導体基板が使われ、シリコン基板やＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板などが使用されている。図１３では一例としてＳＯＩ基板を使用した例を示している。

断熱構造体１０２は温度センサー部１０３が形成される薄膜部１０６を複数の梁部１０７で中空状に支持する構造となっている。この他にも断熱構造体としては梁構造をもたない単純な薄膜状のメンブレン型のものもある。

温度センサー部１０３は、電気特性が温度によって変化する半導体素子が用いられ、ダイオード、トランジスタ、サーミスタ等が用いられる。図１３では一例として、温度センサー部１０３が複数のＰＮ接合ダイオード１０８によって構成されている例を示す。ＰＮ接合ダイオード１０８は、Ｐ型領域１０９及びＮ型領域１１０からなる。

赤外線吸収部１０４は、赤外線波長領域に吸収を持つ薄膜で形成される。ここでは、薄膜部１０６を構成するＳＯＩ基板のＢＯＸ（Buried Oxide）層１１１が主に赤外線吸収部１０４として機能している。

配線部１０５は、複数のＰＮ接合ダイオード１０８を直列に接続するための素子間配線部１１２と、梁部１０７上に形成された梁上配線部１１３によって構成されている。ＰＮ接合ダイオード１０８と素子間配線部１１２は、コンタクトホール１１４を介して電気的に接続されている。梁上配線部１１３は基板１０１上で、周辺回路部１１５からの配線と接続されており、温度センサー部１０３を周辺回路部１１５へ電気的に接続している。

また、周辺回路部１１５は、複数のＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）素子１１６及び図示しない複数の能動素子、受動素子と、それらを電気的に接続する第１配線層１１７、第２配線層１１８、第３配線層１１９から構成される。

ＭＯＳＦＥＴ素子１１６は、ＳＯＩ基板のＳＯＩ層にソース・ドレイン領域１２０が形成されており、ゲート電極はポリシリコン１２１で形成されている。
各素子間は素子分離層１２２で絶縁分離されている。各配線層間は層間絶縁膜１２３，１２４，１２５，１２６で絶縁分離されている。各素子と、各配線層間はコンタクトホールやスルーホールを介して電気的に接続されている。

最表面は、保護膜１２７であり、素子表面を保護している。外部との電気接点を取る部分は保護膜１２７が除去されてパッド１２８を形成している。断熱構造体１０２の部分は、薄膜部１０６、梁部１０７の厚さを薄くしてセンサー特性を向上させるために、不要な層間絶縁膜１２５，１２６及び保護膜２７が除去されている。

従来の熱型赤外線センサーでは、各ＰＮ接合ダイオードと、各ＰＮ接合ダイオードを直列接続する配線部との導通を取るために、ＰＮ接合ダイオード上に層間絶縁膜が設けられ、該層間絶縁膜に開口を設けて導通を取る方法が用いられている。

したがって、この層間絶縁膜の厚さ分だけ梁部の厚さが厚くなるため、梁部の熱コンダクタンスが大きくなり、センサーの感度が低下するという問題とがあった。また、薄膜部の膜厚が厚くなることにより、センサー部の熱容量が増加し、センサーの応答速度が遅くなるという問題があった。

本発明は、熱型赤外線センサーにおいて、センサーの感度と応答速度を向上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、基板上に断熱構造体と温度センサー部と赤外線吸収部と配線部とを備えた熱型赤外線センサーであって、上記断熱構造体は、薄膜部が複数の梁部によって中空状に支持された構造を有し、上記温度センサー部は、温度によって電気特性の変化する複数の半導体素子を有し、上記薄膜部に配置されており、上記赤外線吸収部は、上記薄膜部に配置されており、上記配線部は、複数の上記半導体素子同士を接続するための素子接続配線部と、上記半導体素子と周辺回路部を接続するための梁上配線部とを有し、上記素子接続配線部と上記梁上配線部は同一配線層で構成されており、上記素子接続配線部と上記半導体素子の間には層間絶縁膜が形成されていないことを特徴とするものである。

本発明の熱型赤外線センサーは、センサーの感度と応答速度を向上させることができる。

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に示された熱型赤外線センサーの製造方法の一例を説明するための概略的な断面図である。 図１に示された熱型赤外線センサーの製造方法の一例を説明するための概略的な断面図であって、図２の続きの工程を説明するための図である。 図１に示された熱型赤外線センサーの製造方法の一例を説明するための概略的な断面図であって、図３の続きの工程を説明するための図である。 図１に示された熱型赤外線センサーの製造方法の一例を説明するための概略的な断面図であって、図４の続きの工程を説明するための図である。 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６に示された熱型赤外線センサーの製造方法の一例を説明するための概略的な断面図である。 図６に示された熱型赤外線センサーの製造方法の一例を説明するための概略的な断面図であって、図７の続きの工程を説明するための図である。 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。 ＰＮ接合ダイオードの接合面積を説明するための図である。 ＰＮ接合ダイオードと素子接続配線との接続部分を説明する図である。 図９に示された実施例のＰＮ接合ダイオードの接続部分を説明するための図である。 従来の熱型赤外線センサーを説明するための概略的な平面図及び断面図である。

本発明は、熱型赤外線センサーにおいて、温度によって電気特性の変化する半導体素子（例えばダイオード）とそれらを接続する配線部との間の層間絶縁膜がない構成にした。したがって、本発明の熱型赤外線センサーは、上記半導体素子と上記配線部との間に層間絶縁膜が形成されている場合に比べて、断熱構造体を構成する薄膜部の膜厚及び梁部の膜厚を薄膜化することができる。これにより、本発明の熱型赤外線センサーは、センサーの感度と応答速度を向上させることができる。

本発明の熱型赤外線センサーにおいて、例えば、上記半導体素子は、Ｐ型又はＮ型の第１導電型材料とＮ型又はＰ型の第２導電材料からなるＰＮ接合ダイオードである。上記ＰＮ接合ダイオードは、例えば、上記第１導電型材料のある一部分を除く周囲を上記第２導電型材料が囲んでいる形状を有する。これにより、ＰＮ接合ダイオードの接合面積を大きくすることができ、ＰＮ接合ダイオードの１／ｆノイズを低減できる。
以下に、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

図１は、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’位置の断面を示している。図１の平面図において、層間絶縁膜及び保護膜の図示は省略されている。

熱型赤外線センサーは、基板１上に形成された断熱構造体２と温度センサー部３と赤外線吸収部４と配線部５を備えている。

基板１は、例えば半導体基板であり、シリコン基板やＳＯＩ基板などが使用されている。この実施例では、基板１の一例としてＳＯＩ基板を使用した。基板１は、シリコンからなるベース基板１ａと、シリコン基板上に形成されたＢＯＸ層１ｂと、ＢＯＸ層１ｂ上に形成されたＳＯＩ層（単結晶シリコン層）を備えている。

断熱構造体２は、温度センサー部３が形成される薄膜部６を複数の梁部７で中空状に支持する構造となっている。

温度センサー部３は、電気特性が温度によって変化する複数の半導体素子、例えば複数のＰＮ接合ダイオード８によって構成されている。ＰＮ接合ダイオード８は、基板１のＳＯＩ層１ｃに形成されたＰ型領域（第１導電型材料又は第２導電型材料）９及びＮ型領域（第２導電型材料又は第１導電型材料）１０を備えている。複数のＰＮ接合ダイオード８間は、ＬＯＣＯＳ（local oxidation of silicon）法によってＳＯＩ層が酸化されて形成されたＬＯＣＯＳ層２２で絶縁分離されている。

赤外線吸収部４は、赤外線波長領域に吸収を有する薄膜で形成される。ここでは、基板１（ＳＯＩ基板）のＢＯＸ層１ｂが主に赤外線吸収部４として機能している。

この実施例の熱型赤外線センサーは、赤外線が基板１の裏面側から入射する構造となっているので、薄膜部６の裏面側で主に赤外線を吸収する。これに対し、赤外線が表面から入射する場合は、例えば、薄膜部６の表面側のシリコン酸化膜で赤外線を吸収すればよい。

また、ＢＯＸ層やシリコン酸化膜層を吸収膜として使用する以外にも、金黒、ＴｉＮ（チタンナイトライド）、ＳｉＮ（シリコンナイトライド）など、赤外領域に吸収帯域を有する材料の薄膜を形成して赤外線吸収部としてもよい。

配線部５は、複数のＰＮ接合ダイオード８を直列に接続するための素子間配線部１２と、梁部７上に形成された梁上配線部１３とを有する。ＰＮ接合ダイオード８と素子間配線部１２は、コンタクトホールを介することなく、直接接続されている。梁上配線部１３は、基板１上で、周辺回路部１５からの配線と接続されており、温度センサー部３を周辺回路部１５へ電気的に接続している。

周辺回路部１５は、例えば、複数のＭＯＳＦＥＴ素子１６を備えている。周辺回路部１５は、図示しない複数の能動素子や受動素子も備えている。また、周辺回路部１５は、それらの素子を電気的に接続するための第１配線層１７、第２配線層１８及び第３配線層１９を備えている。

ＭＯＳＦＥＴ素子１６は、ＳＯＩ基板のＳＯＩ層に形成された一対のソース・ドレイン領域２０と、ポリシリコンからなるゲート電極２１を備えている。

周辺回路部１５において、複数のＭＯＳＦＥＴ素子１６間は、ＳＯＩ層が酸化されて形成されたＬＯＣＯＳ層２２で絶縁分離されている。各配線層間は、層間絶縁膜２４，２５，２６で絶縁分離されている。各素子と、各配線層間はコンタクトホールやスルーホールを介して電気的に接続されている。

最表面は、素子及び配線層を保護するための保護膜２７で形成されている。外部との電気接点を取る部分は、保護膜２７が除去されており、パッド２８を形成している。

断熱構造体２において、薄膜部６の厚み及び梁部７の厚みを薄くしてセンサー特性を向上させるために、層間絶縁膜２５，２６及び保護膜２７が除去されている。また、断熱構造体２の層間絶縁膜２４は、周辺回路部１５の層間絶縁膜２４に比べて、素子間配線部１２及び梁上配線部１３が露出しない程度に薄く形成されている。

断熱構造体２は、梁部７の断面積及び梁上配線部１３の断面積を小さくすることによって熱コンダクタンスを小さくすることができる。熱コンダクタンスを小さくできれば、微小な赤外線エネルギーを吸収したときの薄膜部６の温度変化が大きくなるため、赤外線センサーとしての感度が向上する。

また、上記の理由から、梁上配線部１３は、電気伝導性を有する材料で、かつ熱伝導率の小さい材料が使われる。一般的にはＴｉ（チタン）とＴｉＮなどの二層配線が用いられることが多い。梁上配線部１３は電気伝導性やノイズへの影響を考慮した上で可能な限り薄く、細く形成される。

また、薄膜部６の厚さは、断熱構造体２の熱容量に寄与するので、赤外線吸収部４での赤外線吸収を考慮した上で、極力薄いことが好ましい。熱容量を小さくできれば赤外線を受光したときの薄膜部６の温度変化が早くなるため、熱型赤外線センサーの応答素速度を向上することができる。

この実施例の熱型赤外線センサーでは、ＰＮ接合ダイオード８と素子間配線部１２との間に層間絶縁膜が形成されていない。ＰＮ接合ダイオード８のＰ型領域９とＮ型領域１０は、接続孔を介することなく、素子間配線部１２と直接接続されている。素子間配線部１２は、ＰＮ接合ダイオード８上からＬＯＣＯＳ層２２上にまたがって形成されている。梁上配線部１３はＬＯＣＯＳ層２２上に形成されている。

この実施例の熱型赤外線センサーは、ＰＮ接合ダイオード８と素子間配線部１２との間に層間絶縁膜が形成されている場合に比べて、断熱構造体２を構成する薄膜部６の膜厚及び梁部７の膜厚を薄膜化することができる。これにより、この実施例の熱型赤外線センサーは、センサーの感度と応答速度を向上させることができる。

従来の熱型赤外線センサーでは、図１３に示されるように、ＰＮ接合ダイオード１０８と素子間配線部１１２の間には層間絶縁膜１２３が形成されている。ＰＮ接合ダイオード１０８と素子間配線部１１２は、層間絶縁膜１２３に形成されたコンタクトホール１１４を介して、電気的に接続されている。ＰＮ接合ダイオード１０８と素子間配線部１１２の接続部分において、素子間配線部１１２の表面にコンタクトホール１１４に起因する凹部１１２ａが見られる。

一方で、この実施例の熱型赤外線センサーでは、図１に示されるように、ＰＮ接合ダイオード８と素子間配線部１２の間の層間絶縁膜がなく、ＰＮ接合ダイオード８と素子間配線部１２は直接接続されている。したがって、ＰＮ接合ダイオード８と素子間配線部１２の接続部分において、素子間配線部１２にコンタクトホールに起因する凹部が見られない。

このように、温度センサー部３と素子間配線部１２の接続部分を顕微鏡等で観察することにより、容易に本発明と従来技術との判別を行うことができる。

図２から図５は、図１に示された熱型赤外線センサーの製造方法の一例を説明するための概略的な断面図である。この製造方法例は、図１のＡ−Ａ’位置に対応している。以下に説明する各工程のかっこ数字は図２から図５の中のかっこ数字に対応している。

（１）ＳＯＩ基板からなる基板１を用いる。基板１は、シリコンからなるベース基板１ａと、ベース基板１ａ上に形成された埋め込み酸化膜層であるＢＯＸ層１ｂと、ＢＯＸ層１ｂ上に形成された活性層であるＳＯＩ層１ｃを備えている。薄膜部６の形成予定領域のＢＯＸ層１ｂは赤外線吸収部４を構成する。表面拡散技術やイオン注入技術を用いて、周辺回路部１５の半導体素子や温度センサー部の半導体素子が形成される領域のＳＯＩ層１ｃの不純物濃度の調整を行う。

（２）周辺回路部１５や温度センサー部分のデバイス絶縁分離のためにＬＯＣＯＳ形成を行う。これにより、ＳＯＩ層１ｃのデバイス領域以外の部分にＬＯＣＯＳ層２２が形成される。

（３）ポリシリコンを堆積し、写真製版技術及びエッチング技術により、ＭＯＳＦＥＴのゲート電極２１を形成する。写真製版技術及びイオン注入を用いて、種々のデバイス部分の不純物濃度調整を行う。これにより、ＭＯＳＦＥＴ素子１６のソース・ドレイン領域２０、ＰＮ接合ダイオード８のＰ型領域９及びＮ型領域１０、並びに図示しない他のデバイス部分が作成される。ここまでは、一般的な半導体プロセス技術を用いたものであり、特にここに記述された技術に限定されるものではない。

（４）リフトオフ法によって配線部５を形成する行程について説明する。レジスト３０を例えばスピンコートで塗布する。配線部５を構成する素子間配線部１２及び梁上配線部１３を形成する部分のみのレジスト３０を写真製版技術によって除去する。

Ｐ型領域９及びＮ型領域１０において、素子間配線部１２との電気的接続を行う部分の表面のシリコン酸化膜（図示は省略）を除去する。これは、例えば、Ａｒイオン等によるスパッタによって行うことができる。また、このシリコン酸化膜の除去は、レジスト３０の形成前に、希フッ酸等のウェット処理で行ってもよい。

全面に素子間配線部１２及び梁上配線部１３となる配線層３１を、Ｔｉ等の金属材料で形成する。配線層３１の膜厚は、例えば０.１〜０.５μｍ（マイクロメートル）程度である。配線層３１の材料は、Ｔｉに限定されないが、導電性を有し、熱伝導率の小さい材料が好ましい。また、配線層３１は、窒素雰囲気中での熱処理により、表面を窒化チタンとして、ＴｉとＴｉＮの二層構造にしてもよい。また、配線層３１は、他の配線材料を用いた場合も同様に二層配線にしてもよい。

（５）レジスト３０を除去する。これにより、素子間配線部１２、梁上配線部１３が残存し、温度センサー部３の配線部５が完成する。このようにリフトオフ法を用いることによって、ＰＮ接合ダイオード８と配線部５の間に層間絶縁膜がない構造を形成することができる。

（６）ＭＯＳＦＥＴ素子１６と第１配線層１７との間の層間絶縁膜２４を形成する。層間絶縁膜２４は、断熱構造体２の形成予定領域にも形成される。配線部５は非常に薄いため、層間絶縁膜２４で覆われる。第１配線層１７と配線部５は絶縁される。

第１配線層１７は、デバイスとの電気的接続を得るために層間絶縁膜２４にコンタクトホールを形成した後にＡｌ等の金属材料を堆積し、写真製版技術及びエッチング技術を用いて配線形状へとパターニングされる。このとき、周辺回路部１５と温度センサー部３の電気的接続を行うためのコンタクトホールも同時に形成され、第１配線層１７と梁上配線部１３は断熱構造体２の形成予定領域とは異なる位置で電気的に接続される。

（７）次に、一般的な半導体プロセスの配線行程によって、層間絶縁膜２５、第２配線層１８、層間絶縁膜２６、第３配線層１９、保護膜２７を形成し、外部との電気接点を得るためのパッド２８を形成する。

（８）温度センサー部３の断熱構造体２の形成を行う。写真製版技術及びエッチング技術により、断熱構造体２の形成予定位置の保護膜２７、層間絶縁膜２６、２５、及び層間絶縁膜２４の一部を、配線部５が露出しない程度に除去する。さらに、写真製版技術及びエッチング技術によって、所定の領域の層間絶縁膜２４、ＬＯＣＯＳ層２２、ＢＯＸ層１ｂを除去して、薄膜部６、梁部７の基礎形状を形成する。これらのエッチングによって、任意の薄膜部６及び梁部７の厚さ及び形状を形成することができる。

（９）最後に、例えばベース基板１ｂの裏面側からの異方性ドライエッチングによって、所定の領域のベース基板１ｂを除去する。これにより、薄膜部６、梁部７を有する断熱構造体２が形成される。

以上の工程によって、ＰＮ接合ダイオード８と配線部５の間の層間絶縁膜がない構成の熱型赤外線センサーを形成することができる。さらに、薄膜部６及び梁部７の膜厚を従来よりも薄くできるため、センサー特性を向上させることができる。

上記の製造プロセスは一例であり、この実施例の製造方法は上記の製造プロセスに限定されない。本発明の熱型赤外線センサーは、ＰＮ接合ダイオードと配線部の間の層間絶縁膜がない構成の熱型赤外線センサーであればよい。

図６は、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６において、断面図は、平面図のＢ−Ｂ’位置の断面を示している。図６の平面図において、層間絶縁膜及び保護膜の図示は省略されている。図６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。

この実施例の熱型赤外線センサーは、図１に示された熱型赤外線センサーと比較して、周辺回路部１５に層間絶縁膜２３をさらに備えている。層間絶縁膜２３は、ＬＯＣＯＳ層２２と層間絶縁膜２４の間に設けられている。層間絶縁膜２３は、ＭＯＳＦＥＴ素子１６のゲート電極２１を覆っている。

層間絶縁膜２３は、薄膜部６及び梁部７には形成されていない。したがって、この実施例は、図１に示された実施例と同様に、薄膜部６及び梁部７の膜厚を従来よりも薄くして、センサー特性を向上させることができる。

図７及び図８は、図６に示された熱型赤外線センサーの製造方法の一例を説明するための概略的な断面図である。この製造方法例は、図６のＢ−Ｂ’位置に対応している。以下に説明する各工程のかっこ数字は図７及び図８の中のかっこ数字に対応している。

（１）図２を参照して説明した上記工程（１）〜（３）と同様にして、基板１に、ＬＯＣＯＳ層２２、ＭＯＳＦＥＴ素子１６のソース・ドレイン領域２０、ＰＮ接合ダイオード８のＰ型領域９及びＮ型領域１０、ＭＯＳＦＥＴ素子１６のゲート電極２１を形成する。この状態から、ＭＯＳＦＥＴ素子１６を保護する目的で層間絶縁膜２３を形成する。写真製版技術及びエッチング技術によって断熱構造体２の形成予定領域の層間絶縁膜２３を除去する。

（２）ウェハ全面に、素子間配線部１２及び梁上配線部１３となる配線層３１を、Ｔｉ等の金属材料で形成する。写真製版技術によって、素子間配線部１２及び梁上配線部１３を形成する部分にレジスト３２を形成する。

（３）配線層３１のエッチングを行って、配線部５を構成する素子間配線部１２及び梁上配線部１３を形成する。レジスト３２を除去する。

（４）第１配線層１７との配線部５との間の層間絶縁膜２４を形成する。層間絶縁膜２４上の所定の領域に第１配線層１７を形成する。

（５）図６を参照して説明する。一般的な半導体プロセスの配線行程によって、層間絶縁膜２５、第２配線層１８、層間絶縁膜２６、第３配線層１９、保護膜２７、パッド２８を形成する。図５を参照して説明した上記工程（８）及び上記工程（９）と同様にして、薄膜部６、梁部７を有する断熱構造体２を形成する。

以上の工程によって、図６に示された熱型赤外線センサーが得られる。このプロセスでは、周辺回路部１５の第１配線層１７とＭＯＳＦＥＴ素子１６との間の層間膜が層間絶縁膜２３，２４の２層になる。断熱構造体２に関しては、ＰＮ接合ダイオード８と配線部５の間に層間絶縁膜がない構造となっている。このプロセスは、リフトオフ法を使用しないため、より通常のＣＭＯＳ（相補型金属酸化膜半導体）プロセスとの親和性がよいプロセスである。

図９は、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９において、断面図は、平面図のＣ−Ｃ’位置の断面を示している。図９の平面図において、層間絶縁膜及び保護膜の図示は省略されている。図９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。

この実施例の熱型赤外線センサーは、図１に示された熱型赤外線センサーと比較して、ＰＮ接合ダイオード８におけるＰ型領域９及びＮ型領域１０の平面形状が異なっている。ＰＮ接合ダイオード８において、Ｎ型領域１０のある一部分を除く周囲をＰ型領域９が囲んでいる。具体的には、Ｐ型領域９が、矩形のＮ型領域１０のある一辺を除いて、他の三辺の周囲を取り囲んでいる。

なお、図９に示されたＰＮ接合ダイオード８の形状は一例である。本発明の熱型赤外線センサーのＰＮ接合ダイオードにおいて、Ｐ型領域がＮ型領域のある一部分を除いて、周囲を取り囲んでいればよい。また、ＰＮ接合ダイオードにおいて、Ｎ型領域がＰ型領域のある一部分を除いて、周囲を取り囲んでいてもよい。また、ＰＮ接合ダイオード、Ｐ型領域、Ｎ型領域の各平面形状は、矩形やＣ字型に限定されず、どのような形状であってもよい。

温度センサー部３として、電気特性が温度によって変化する半導体デバイスを使用する場合、半導体デバイスの１／ｆノイズがセンサーのＳ／Ｎ特性に影響を与える。１／ｆノイズはシリコン半導体素子のシリコンとシリコン酸化膜の界面で発生するとされている。例えば、ＰＮ接合ダイオードでは、ＰＮ接合の面積拡大が、１／ｆノイズの低下につながることが知られている。この実施例は、本発明の配線構造を用いてセンサー特性を向上し、かつ、ＰＮ接合ダイオード８の１／ｆノイズを低減できる。

図１０は、ＰＮ接合ダイオードの接合面積を説明するための図である。
図１０（Ａ）の場合、ＰＮ接合の面積は、Ｐ型領域９とＮ型領域１０が接している寸法ｂと接合深さｄの積となる。
図１０（Ｂ）の場合、Ｐ型領域９はＮ型領域１０の４辺を取り囲む形状となっており、ＰＮ接合面積は４×寸法ｃ×深さｄとなる。

ＰＮ接合ダイオード８の外形サイズが等しいとすると、図１０（Ｂ）の形状の方が図１０（Ａ）の形状に比べてＰＮ接合面積を大きくすることができる。したがって、図１０（Ｂ）のようなＰＮ接合ダイオード８を用いることが１／ｆノイズの低減には有効である。

図１１は、ＰＮ接合ダイオードと素子接続配線との接続部分を説明する図である。
例えば、図１３に示された従来技術に、図１０（Ｂ）に示されたＰＮ接合ダイオードの形状を適用した場合、図１１（Ａ）に示されるように、素子間配線部１１２によって複数のＰＮ接合ダイオード１０８が直列に接続される。ＰＮ接合ダイオード１０８と素子間配線部１１２との間には層間絶縁膜１２３が形成されている。ＰＮ接合ダイオード１０８と素子間配線部１１２は、層間絶縁膜１２３に設けられたコンタクトホール１１４を介して電気的に接続される。

例えば、図１に示された実施例に、図１０（Ｂ）に示されたＰＮ接合ダイオードの形状を適用した場合、ＰＮ接合ダイオード８上及びＬＯＣＯＳ層２２上に素子間配線部１２が形成される。図１に示された実施例では、素子間配線部１２と、ＰＮ接合ダイオード８のＰ型領域９及びＮ型領域１０との間に層間絶縁膜がない。したがって、このようなレイアウトでは、ＰＮ接合ダイオード８が電気的にショートしてしまい、温度センサーとしての機能を得ることができない。そこで、本発明の配線構造の場合、ＰＮ接合ダイオード８上を素子間配線部１２が通過する部分にはＰＮ接合がない構造にする必要がある。

図１２は、図９に示された実施例のＰＮ接合ダイオードの接続部分を説明するための図である。
図１２では、ＰＮ接合ダイオード８の形状は、Ｎ型領域１０のある一辺を除いた周囲三方向をＰ型領域９で囲った形状となっている。ＰＮ接合ダイオード８上を素子間配線部１２が通過する部分にはＰＮ接合がない。

ＰＮ接合ダイオード８をこのようなレイアウトとすることで、ＰＮ接合ダイオード８の接合面積を最大化して１／ｆノイズを低減するとともに、本発明の配線構造を適用し、センサー性能を向上することが可能である。

ここでは一例として、図１２のようなＰＮ接合ダイオードの形状について説明したが、本発明の熱型赤外線センサーにおいて、ＰＮ接合ダイオードの形状は、Ｎ型領域のある一部分を除いた周囲をＰ型領域が囲っているレイアウトであれば上記の形状に限定されない。また、Ｎ型領域がＰ型領域を囲むレイアウトであってもよい。

以上、本発明の実施例を説明したが、上記実施例での数値、材料、配置、個数等は一例であり、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、周辺回路部１５はＭＯＳＦＥＴ素子１６などの素子を備えている。ただし、本発明の熱型赤外線センサーにおいて、周辺回路部は外部接続用のパッドのみを有する構成であってもよい。

また、上記実施例では、温度によって電気特性の変化する半導体素子として、複数のＰＮ接合ダイオード８が配置されている。ただし、本発明の熱型赤外線センサーにおいて、半導体素子は、ＰＮ接合ダイオードに限定されず、他の半導体素子であってもよい。

１ 基板
２ 断熱構造体
３ 温度センサー部
４ 赤外線吸収部
５ 配線部
６ 薄膜部
７ 梁部
８ ＰＮ接合ダイオード（半導体素子）
９ Ｐ型領域（第１導電型材料又は第２導電型材料）
１０ Ｎ型領域（第２導電型材料又は第１導電型材料）
１２ 素子接続配線部
１３ 梁上配線部
１５ 周辺回路部

特許３６８１１１３号公報

Claims (3)

1. 基板上に断熱構造体と温度センサー部と赤外線吸収部と配線部とを備えた熱型赤外線センサーにおいて、
   前記断熱構造体は、薄膜部が複数の梁部によって中空状に支持された構造を有し、
   前記温度センサー部は、温度によって電気特性の変化する複数の半導体素子を有し、前記薄膜部に配置されており、
   前記赤外線吸収部は、前記薄膜部に配置されており、
   前記配線部は、複数の前記半導体素子同士を接続するための素子接続配線部と、前記半導体素子と周辺回路部を接続するための梁上配線部とを有し、
   前記素子接続配線部と前記梁上配線部は同一配線層で構成されており、
   前記素子接続配線部と前記半導体素子の間には層間絶縁膜が形成されていないことを特徴とする熱型赤外線センサー。
2. 前記半導体素子は、Ｐ型又はＮ型の第１導電型材料とＮ型又はＰ型の第２導電材料からなるＰＮ接合ダイオードである請求項１に記載の熱型赤外線センサー。
3. 前記ＰＮ接合ダイオードは、前記第１導電型材料のある一部分を除く周囲を前記第２導電型材料が囲んでいる形状を有する請求項２に記載の熱型赤外線センサー。

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