JP2015135306A - 赤外線センサ及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】赤外線の検出感度を高めるための赤外線吸収膜を備えつつも、製造工程が短縮され製造コストが低減できる赤外線センサを提供する。【解決手段】基板と、基板の一表面側において、基板上に形成された支持脚および赤外線吸収部を含む薄膜構造体を備えた赤外線センサである。ここで、薄膜構造体の直下における基板領域には空間部が設けられており、支持脚は赤外線の吸収による温度変化を検知するサーモパイルを含み、赤外線吸収部には、支持膜、層間絶縁膜および第1の赤外線吸収膜が下層より順に形成されており、支持脚には、支持膜、熱電対素線、層間絶縁膜および熱電対素線に電気的に接続されたバリア膜と低抵抗膜とで構成された積層膜からなる金属配線が下層より順に形成されており、金属配線によってサーモバイルが形成されており、第1の赤外線吸収膜とバリア膜とは、同一材料かつ同一膜厚で形成されている。【選択図】図1

Description

本発明は、赤外線センサ及びその製造方法、特に、マイクロマシニング技術などを利用して形成される熱型の赤外線センサおよびその製造方法に関する。
従来から、赤外線吸収体を用いて入射赤外線を熱に変換し、その熱の変化を電気信号などの変化に変換して赤外線を検出する熱型の赤外線センサが提案されている。
このような原理に基づく熱型赤外線センサでは、検出感度を高めるため、赤外線を吸収する検知部の赤外線吸収率が高いことが求められる。
そこで、従来技術では、赤外線の吸収率を高めるためにチタニウム(Ti)からなる吸収層を赤外線検知部に設ける構造が開示されている(例えば、非特許文献1参照)。
以下、非特許文献1に開示された赤外線センサについて、図面を参照しながら説明する 。図10は、非特許文献1に記載された従来の赤外線センサの断面模式図である。
図10に示すように、従来の赤外線センサにおいては、単結晶シリコンからなる基板1の一表面側で、直下に空間2が設けられた薄膜構造体からなる赤外線吸収部3が、支持脚4を介して、基板1上の支持部14に支持されている。支持脚4は、赤外線の吸収による温度変化を検知するためのサーモパイルを備えている。
赤外線吸収部3は、支持膜5、層間絶縁膜7、第1の保護膜12a、赤外線吸収膜8、第2の保護膜12bの積層膜からなる。また、支持脚4は、支持膜5、熱電対素線6、6、層間絶縁膜7、第1の保護膜12a、第2の保護膜12bからなる。層間絶縁膜7と第1の保護膜12aの間には、熱電対素線6、6に電気的に接続する金属配線9が形成されている。支持部14は、支持膜5、層間絶縁膜7、第1の保護膜12a、第2の保護膜12bの積層膜からなる。
この構造では、赤外線吸収率の高い赤外線吸収膜を赤外線吸収部に形成することにより、センサとしての赤外線検出感度を向上させることができる。
次に、図10に示す赤外線センサの製造方法の概要について、図11、12に示す断面工程図を用いて説明する。
まず、図11(a)に示すように、シリコン基板からなる基板1の一表面側に酸化シリコン(SiO2)膜、窒化シリコン(SiN)膜などの積層膜を形成し、支持膜5を形成する。次に、図11(b)に示すように、支持膜5上の所定の位置にポリシリコン膜をパターニング形成し、イオン注入法などを用いてポリシリコン膜に不純物をドーピングすることで、熱電対素線6を形成する。次に、図11(c)に示すように、基板1上に酸化シリコン(SiO2)膜などの絶縁膜を堆積して層間絶縁膜7を形成する。その後、層間絶縁膜7における熱電対素線6上の所定の位置にコンタクトホール11を形成し、次に、図11(d)に示すように、層間絶縁膜7上の所定の位置にALなどの金属膜をパターニング形成することにより、熱電対素線6に電気的に接続する金属配線9を形成する。次に、図12(e)に示すように、酸化シリコン(SiO2)膜などの絶縁膜を堆積して第1の保護膜12aを形成する。その後、Tiなどの金属膜を所定の位置にパターニング形成することにより、赤外線吸収膜8を形成する。次に、図12(f)に示すように、酸化シリコン(SiO2)膜などの絶縁膜を堆積して第2の保護膜12bを形成する。その後、ドライエッチングなどにより、保護膜12と支持膜5を厚み方向に貫通する開口部13を形成する。次に、開口部13を通じて、エッチング液、例えば、テトラメチルアンモニウム(TMAH)溶液を導入して、基板1に空間部2を形成する。これにより、図10に示す赤外線吸収部3、支持脚4が形成される。
MEMS2011 Micro Mirror Arrays For Improved Sensitivity of Thermopile Infrared Sensors (M. Ohira, et al.)
しかしながら、上記非特許文献1に開示されたような従来の赤外線センサおよびその製造方法では、赤外線吸収膜を形成するための新たな追加工程が必要となる。そのため、製造工程が長くなり、製造コストが増大するという課題がある。
そこで、本発明は、上記課題に鑑みて、赤外線の検出感度を高めるための赤外線吸収膜を備えつつも、製造工程が短縮され製造コストが低減できる赤外線センサ及びその製造方法を提供することを目的とする。
上記の課題を解決するために、本発明の赤外線センサは、基板と、前記基板の一表面側において、前記基板上に形成された支持脚および赤外線吸収部を含む薄膜構造体を備えた赤外線センサであって、前記薄膜構造体の直下における前記基板領域には空間部が設けられており、前記支持脚は赤外線の吸収による温度変化を検知するサーモパイルを含み、前記赤外線吸収部には、支持膜、層間絶縁膜および第1の赤外線吸収膜が下層より順に形成されており、前記支持脚には、前記支持膜、熱電対素線、前記層間絶縁膜および前記熱電対素線に電気的に接続されたバリア膜と低抵抗膜とで構成された積層膜からなる金属配線が下層より順に形成されており、前記金属配線によって前記サーモパイルが形成されており、前記第1の赤外線吸収膜と前記バリア膜とは、同一材料かつ同一膜厚で形成されている。
また、本発明の赤外線センサにおいて、前記赤外線吸収部において、前記支持膜と前記層間絶縁膜との間に前記熱電対素線と同一材料かつ同一膜厚からなる第2の赤外線吸収膜が介在していることが好ましい。
また、本発明の赤外線センサにおいて、前記赤外線吸収部において、前記層間絶縁膜における前記第1の赤外線吸収膜の直下に凹凸状の段差領域が形成されており、前記第1の赤外線吸収膜が凹凸状の段差形状に形成されていることが好ましい。
また、本発明の赤外線センサにおいて、前記薄膜構造体上に絶縁膜からなる保護膜が形成されていることが好ましい。
また、本発明の赤外線センサにおいて、前記第1の赤外線吸収膜の膜厚が5nm以上かつ100nm以下の範囲であることが好ましい。
また、本発明の赤外線センサにおいて、前記第1の赤外線吸収膜が、チタニウム、タンタル、もしくはその窒化物または酸化物のいずれかを含むことが好ましい。
また、本発明の第1の赤外線センサの製造方法は、基板の一表面上に支持膜を形成する工程(a)と、前記支持膜上の支持脚形成領域に熱電対素線を形成する工程(b)と、前記熱電対素線上を含む前記支持膜上に層間絶縁膜を形成する工程(c)と、前記層間絶縁膜に前記熱電対素線に達するコンタクトホールを形成する工程(d)と、前記コンタクトホール上を含む前記層間絶縁膜上に、導電性のバリア膜および導電性の低抵抗膜をこの順に形成する工程(e)と、前記バリア膜および前記低抵抗膜を連続してパターニングし、前記支持脚形成領域に金属配線からなるサーモパイルを形成すると同時に、赤外線吸収部形成領域に前記バリア膜および前記低抵抗膜を残存させる工程(f)と、前記赤外線吸収部形成領域に残存させた前記低抵抗膜のみを除去し、前記バリア膜からなる赤外線吸収膜を形成する工程(g)と、前記支持脚形成領域および前記赤外線吸収部形成領域の周縁部に形成された前記層間絶縁膜および前記支持膜を除去して前記基板を露出する工程(h)と、前記露出した基板領域を所定の深さまでエッチング除去して、前記支持脚形成領域および前記赤外線吸収部形成領域の直下に空間部を形成し、支持脚および赤外線吸収部を形成する工程(i)と、を備える。
また、本発明の第2の赤外線センサの製造方法は、基板の一表面上に支持膜を形成する工程(a)と、前記支持膜上の支持脚形成領域に熱電対素線を形成する工程(b)と、前記熱電対素線上を含む前記支持膜上に層間絶縁膜を形成する工程(c)と、前記層間絶縁膜に前記熱電対素線に達するコンタクトホールを形成する工程(d)と、前記コンタクトホール上を含む前記層間絶縁膜上に、導電性のバリア膜および導電性の低抵抗膜をこの順に形成する工程(e)と、前記低抵抗膜のみをパターニングし、前記支持脚形成領域に前記低抵抗膜を残存させると同時に、赤外線吸収部形成領域では前記低抵抗膜を除去する工程(f)と、前記工程(f)の後に、前記赤外線吸収部形成領域に前記バリア膜からなる赤外線吸収膜を残存させるように、前記基板上に露出した前記バリア膜を除去する工程(g)と、前記工程(g)の後に、前記支持脚形成領域および前記赤外線吸収部形成領域の周縁部に形成された前記層間絶縁膜および前記支持膜を除去して前記基板を露出する工程(h)と、前記露出した基板領域を所定の深さまでエッチング除去して、前記支持脚形成領域および前記赤外線吸収部形成領域の直下に空間部を形成し、支持脚および赤外線吸収部を形成する工程(i)と、を備える。
上記の赤外線センサおよびその製造方法によれば、金属配線を構成するバリア膜を赤外線吸収膜としても用いるため、従来技術と対比して赤外線吸収膜を別途形成する必要が無く、製造工程を短縮し、製造コストを低減することができる。
本発明によれば、赤外線の検出感度を高めるための赤外線吸収膜を備えつつも、製造工程が短縮され製造コストが低減可能な赤外線センサ及びその製造方法を提供することができる。
本発明の第1の実施形態に係る赤外線センサを示す平面図である。 図1に示すA−A線に沿った断面を示す断面図である。 各種の赤外線吸収膜における赤外線吸収スペクトルを示す図である。 (a)〜(d)は、本発明の第1の実施形態に係る赤外線センサの製造方法を示す工程断面図である。 (e)〜(h)は、本発明の第1の実施形態に係る赤外線センサの製造方法を示す工程断面図である。 (a)、(b)は、本発明の第1の実施形態に係る赤外線センサの製造方法の変形例を示す工程断面図である。 本発明の第2の実施形態に係る赤外線センサを示す断面図である。 (a)は、本発明の第3の実施形態に係る赤外線センサを示す断面図である。(b)は、本発明の第3の実施形態に係る赤外線センサの製造方法を示す工程断面図である。 (a)は、本発明の第4の実施形態に係る赤外線センサを示す断面図である。(b)は、本発明の第4の実施形態に係る赤外線センサの製造方法を示す工程断面図である。 従来の赤外線センサを示す断面図である。 (a)〜(d)は、従来の赤外線センサの製造方法を示す工程断面図である。 (e)〜(f)は、従来の赤外線センサの製造方法を示す工程断面図である。
(第1の実施形態)
以下、本発明の第1の実施形態について、図1、図2、図3、図4(a)〜(h)、図5(e)〜(h)および図6(a)、(b)を参照しながら説明する。
図1は、本実施形態における赤外線センサの構成を示す平面図である。また、図2は、図1に示す赤外線センサのA−A線に沿った断面を示す断面図である。
図1、図2に示すように、本実施形態に係る赤外線センサは、基板1と、基板1の一表面側に設けられた空間部2と、空間部2上に設けられた薄膜構造体からなる。薄膜構造体は、赤外線を吸収する赤外線吸収部3と、基板1と赤外線吸収部3に亘って設けられた支持脚4からなる。薄膜構造体は、支持脚4によってその一部が基板1上の支持部14と連続することで空間部2上に保持されている。支持脚4は、後述する熱電対素線6からなるサーモパイルを含んでいる。平面視において、薄膜構造体を囲うように、空間部2を形成するための開口部13が設けられている。
基板1はヒートシンクとして機能し、赤外線吸収部3が赤外線を吸収することにより生じた基板1との温度差を、支持脚4内のサーモパイルにより電気的信号に変換し、赤外線を検知する。空間部2及び開口部13を設けることで、薄膜構造体を基板1から熱的に分離している。これにより、基板1と赤外線吸収部3との間の断熱性を向上させ、検出感度を高めている。
以下、基板1、赤外線吸収部3、支持脚4および支持部14のそれぞれの構造について詳述する。
基板1は、例えばn型で一表面が(100)面の単結晶シリコン(Si)基板を用いることが可能である。
赤外線吸収部3は、図2に示すように、支持膜5と、層間絶縁膜7と、赤外線吸収膜8とを含んで構成されている。
ここで、支持膜5および層間絶縁膜7は、一例として酸化シリコン(SiO2)膜などの絶縁膜で形成されておればよいが、これに限るものではなく、他に窒化シリコン(SiN)膜、酸窒化シリコン(SiON)膜、あるいは炭化シリコン(SiC)膜などを用いることができ、また、それらの積層膜であってもよい。
層間絶縁膜7上には、赤外線吸収膜8が形成されている。赤外線吸収膜8は、例えば、チタン(Ti)と窒化チタン(TiN)の積層膜を用いることができるが、これに限るものではなく、他にチタン(Ti)、タンタル(Ta)などの金属およびその窒化物または酸化物のいずれかを含んでいてもよい。
支持脚4は、図2に示すように、支持膜5と、熱電対素線6と、層間絶縁膜7と、熱電対素線6どうしを電気的に接続する金属配線9とを含んで構成されている。また、支持脚4は、図1に示すように、赤外線吸収部3に隣接すると共に赤外線吸収部3と基板1上の支持部14にまたがって形成されている。
ここで、支持脚4における支持膜5は、前述した赤外線吸収部3を構成する支持膜5と工程のばらつき範囲内で実質的に同一材料、同一膜厚で構成される。以下、「同一」は工程のばらつき範囲内を含んでいる。
支持脚4における支持膜5上には、例えばポリシリコンなどからなる熱電対素線6が形成されており、本実施形態ではn型ポリシリコン6a及びp型ポリシリコン6bからなるサーモパイルとして形成されている。なお、熱電対素線6を構成する材料はこれに限るものではなく、ポリシリコン、ポリゲルマニウム、ポリシリコンゲルマニウムなど、ゼーベック効果を有する材料であれば使用することができる。
熱電対素線6上には、層間絶縁膜7が形成されている。ここで、支持脚4における層間絶縁膜7は、前述した赤外線吸収部3を構成する層間絶縁膜7と同一材料、同一膜厚で構成される。
層間絶縁膜7上には、金属配線9が形成されている。金属配線9は、層間絶縁膜7内に設けられたコンタクトホールを介して、n型ポリシリコン6aとp型ポリシリコン層6bとを電気的に接続し、サーモパイルを形成する。
ここで、金属配線9は、バリア膜10aと低抵抗膜10bとの積層膜からなる。バリア膜10aは、前述した赤外線吸収部3における赤外線吸収膜8と同一材料、同一膜厚で構成される。また、低抵抗膜10bは、例えばAlを含む金属膜からなる。
支持部14は、図2に示すように、基板1の一表面側に、支持膜5と、層間絶縁膜7とを含んで構成されている。
支持部14における基板1上には支持膜5が形成されている。ここで、支持部14における支持膜5は、前述した赤外線吸収部3を構成する支持膜5と同一材料、同一膜厚で構成される。
支持部14における支持膜5上には、層間絶縁膜7が形成されている。ここで、支持部14における層間絶縁膜7は、前述した赤外線吸収部3を構成する層間絶縁膜7と同一材料、同一膜厚で構成される。
次に、赤外線吸収膜8の特性について説明する。
図3に、単結晶シリコン基板上に形成された単層膜もしくは積層膜の赤外線吸収膜8の赤外線吸収スペクトルを示す。図3では、赤外線センサによく用いられる赤外線吸収膜8として、酸化シリコン膜(厚みを200nmとする)、窒化シリコン膜(厚みを200nmとする)、およびTi/TiN(厚みを5nm/10nmとする)の結果を示している。
赤外線吸収膜中での光の吸収は、界面での反射を考慮しない場合、膜厚が厚いほどその吸収率が高くなる。図3からわかるように、Ti/TiN膜は合計膜厚が15nmという薄膜であっても、膜厚が200nmという厚膜の酸化シリコン膜や窒化シリコン膜と対比して、全波長域に亘って安定して高い吸収率を示している。従って、Ti/TiN膜などの金属膜を吸収膜として用いることにより、赤外線の吸収率を高めることができる。また、Tiなどの金属を酸化させることにより、赤外線の吸収率をさらに高めることができる。
一方、Ti/TiN膜などの金属膜からなる赤外線吸収膜8をバリア膜として併用する場合、そのバリア性と赤外線吸収効率の観点から、バリア膜の膜厚は5nmから100nmの範囲にすることが好ましい。
次に、本実施形態の赤外線センサの製造方法について、図4(a)〜(h)を参照しながら説明する。
まず、図4(a)に示すように、例えば基板1の一表面上の全面に、熱酸化法などを用いて、例えば膜厚300nmの酸化シリコン膜からなる支持膜5を形成する。
次に、図4(b)に示すように、LPCVD法などを用いて、支持膜5上に例えば膜厚300nmのノンドープポリシリコン膜を形成する。その後、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を利用して、ノンドープポリシリコン膜のうち熱電対素線6となる部分が残るようにパターニングする。その後、熱電対素線6となるノンドープポリシリコン膜のうち、p型ポリシリコン層6bとなる部分に例えばホウ素などのp型不純物のイオン注入を行い、続いて、n型ポリシリコン層6aとなる部分に例えばリンなどのn型不純物のイオン注入を行う。その後、ドライブインアニールを行うことにより、熱電対素線6となるp型ポリシリコン層6bとn型ポリシリコン層6aを形成する。
次に、図4(c)に示すように、熱電対素線6となるp型ポリシリコン層6bとn型ポリシリコン層6aを形成した基板1の表面側の全面に、CVD法などにより例えば膜厚600nmの酸化シリコン膜を堆積して層間絶縁膜7を形成する。その後、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を利用して、層間絶縁膜7におけるp型ポリシリコン層6b上とn型ポリシリコン層6a上を開口し、コンタクトホール11を形成する。
次に、図4(d)に示すように、コンタクトホール11を形成した層間絶縁膜7上の全面に、PVD法などにより例えば膜厚5nmのチタン(Ti)膜と例えば膜厚10nmの窒化チタン(TiN)膜を堆積し、バリア膜10aを形成する。その後、バリア膜10a上に、PVD法などにより例えば膜厚1000nmのAl膜を堆積し、低抵抗膜10bを形成する。なお、バリア膜はチタン(Ti)膜および窒化チタン(TiN)膜としたが、これに限るものではなく、チタン(Ti)膜、タンタル(Ta)膜、もしくはその窒化物または酸化物で形成されていてもよい。また、膜厚もこれに限るものではないが、5nm〜100nmの範囲とすることが望ましい。
次に、図5(e)に示すように、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を利用して、金属配線9及び赤外線吸収膜8に対応する部分に、バリア膜10aと低抵抗膜10bが残存するようにパターニングする。エッチングには、塩素などを含む反応性ガスを用いたドライエッチングを用いることができる。これにより、金属配線9を形成することができる。
次に、図5(f)に示すように、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を利用して、赤外線吸収膜8に対応する部分のバリア膜10aを残して、低抵抗膜10bのみを選択的に除去することで、赤外線吸収膜8を形成する。選択的エッチングには、例えば、燐酸、硝酸、酢酸の加熱混合溶液を用いることができる。また、アッシング工程により、赤外線吸収膜8を意図的に酸化する工程を用いてもよい。
次に、図5(g)に示すように、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を利用して、層間絶縁膜7及び支持膜5の所定領域をエッチングし、後に空間部2を形成するための基板1に到達する開口部13を形成する。エッチングには、CF4などを含む反応性ガスを用いたドライエッチングを用いることができる。
次に、図5(h)に示すように、開口部13を通じてエッチング液を導入して、基板1を異方性エッチングすることにより、基板1内に空間部2を形成する。エッチング液には、例えばTMAH溶液などのアルカリ系溶液を用いることができる。
アルカリ系溶液のエッチングレートは、シリコンの結晶面によって異なり、{100}面に比べて、{111}面のエッチングレートが低い。そのため、エッチングされた凹部では、エッチングレートの遅い{111}面が現れると、エッチングが停止し、結果として、空間部2がV字型に形成される。
以上の製造方法により、本実施形態に示す赤外線センサを作製することができる。
次に、本実施形態の赤外線センサの製造方法の変形例について、図6(a)、(b)を参照しながら説明する。
本実施形態の赤外線センサの製造方法の変形例は、上記した本実施形態の赤外線センサの製造方法に示した(d)までは全く同一の製造工程であるため、繰り返しの説明は省略する。
図5(d)の工程まで終了した後、図6(a)に示すように、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を利用して、金属配線9に対応する部分に、低抵抗膜10bが残存するように他の領域の低抵抗膜のみを選択的に除去するパターニングを行う。選択的エッチングには、例えば、燐酸、硝酸、酢酸の加熱混合溶液を用いることができる。この時点では、バリア膜10aは全面に残存している。
次に、図6(b)に示すように、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を利用して、金属配線9および赤外線吸収膜8に対応する部分に、バリア膜10aが残存するようにパターニングする。この際、例えば、赤外線吸収膜8に対応する部分のみをレジストマスクで覆い(図示せず)、金属配線9に対応する部分は低抵抗膜をハードマスクとして用いてエッチングしてもよい。エッチングには、例えばHFなどを用いることができる。このようにして、金属配線9と赤外線吸収膜8を形成する。
以降の工程は、本実施形態の製造方法に示した図5(g)、(h)と全く同様の方法を用いて、本実施形態に示す赤外線センサを作製することができる。
さらに、本変形例の特有の効果として、上記した本実施形態の製造方法では、赤外線吸収膜8を形成するためのパターニングを、低抵抗膜10b及びバリア膜10aのエッチング工程とバリア膜10a選択除去工程との連続した2回で実施する必要があることに対して、本変形例では、バリア膜10aのエッチング工程1回のみのパターニングで、赤外線吸収膜8を形成することができる。そのため、上記した本実施形態の製造方法に比べて、赤外線吸収膜8のパターニング時の寸法ばらつきやパターニング工程間での重ね合わせずれによるばらつきを小さくすることができる。
言い換えれば、赤外線吸収膜8の寸法ばらつきマージンを縮小することができ、赤外線吸収部3における赤外線吸収膜8の占める領域を大きくすることができ、結果として、赤外線の検出感度を高めることができる。
以上に示した本実施形態の赤外線センサおよびその製造方法を用いれば、金属配線を構成するバリア膜を赤外線吸収膜として併用することができる。そのため、赤外線吸収膜を別途、膜形成する必要が無く、製造工程を短縮することができる。そのため、赤外線吸収膜を有しつつも、製造コストを抑制した赤外線センサを実現することができる。
次に、本実施形態の赤外線センサの変形例について、図7を参照しながら説明する。
図7に示す本実施形態の赤外線センサの変形例は、図1、図2に示す本実施形態の赤外線センサの赤外線吸収部3、支持脚4および支持部14の上層に保護膜12を有するものである。
保護膜12は、一例として酸化シリコン(SiO2)膜などの絶縁膜で形成されておればよいが、これに限るものではなく、他に窒化シリコン(SiN)膜、酸窒化シリコン(SiON)膜、あるいは炭化シリコン(SiC)膜などを用いることができ、また、それらの積層膜であってもよい。
ここで、支持脚4における低抵抗膜10bの上層の保護膜12と、赤外線吸収部3における赤外線吸収膜8の上層の保護膜12と、支持部14における層間絶縁膜7の上層の保護膜12とは、同時形成された同一材料で形成されている。
次に、本実施形態の赤外線センサの変形例を作製するための製造方法について説明する。
特に図示はしないが、上記した本実施形態の赤外線センサの製造方法において、図5(f)と図5(g)との間に、層間絶縁膜7上、金属配線9上および赤外線吸収膜8上を覆う、例えば膜厚500nmの窒化シリコン膜からなる保護膜12を形成した後、図5(g)において、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を利用して、保護膜12、層間絶縁膜7及び支持膜5の所定領域をエッチングし、後に空間部2を形成するための基板1に到達する開口部13を形成すればよい。エッチングには、CF4などを含む反応性ガスを用いたドライエッチングを用いることができる。
以降は、本実施形態の赤外線センサの製造方法における図5(h)と同様の製造方法を用いることで、図7に示す本実施形態の赤外線センサの変形例の構造を作製することができる。
このような構成とすることで、従来、金属配線よりも上層に赤外線吸収膜を配置していた構造の場合に必要とされていた、赤外線吸収膜と金属配線との間の第1の保護膜および赤外線吸収膜の上の第2の保護膜が、赤外線吸収膜の上の第2の保護膜のみの形成で済むため、保護膜の単層化および膜厚低減を図ることができ、結果的に製造工程を短縮することができる。
(第2の実施形態)
以下、本発明の第2の実施形態について、図8を参照しながら説明する。
図8(a)に示す本実施形態の赤外線センサは、図1、図2に示す第1の実施形態の赤外線センサの赤外線吸収部3における赤外線吸収膜8(以降、本実施形態において、第1の赤外線吸収膜と称する)の下方に第2の赤外線吸収膜6cを備えたものである。
第2の赤外線吸収膜6cは、例えばポリシリコンからなり、支持脚4における熱電対素線6を構成する膜と同時形成された同一材料および同一膜厚を有する膜である。
次に、本実施形態の赤外線センサを作製するための製造方法について説明する。
本実施形態の赤外線センサの製造方法は、第1の実施形態における赤外線センサの製造方法における図5(b)の工程のみが異なっている。
図8(b)に示すように、熱電対素線6となるp型ポリシリコン層6bとn型ポリシリコン層6aを形成する際に、後に上方に第1の赤外線吸収膜8を形成する領域にも、例えばn型ポリシリコン層6a形成時に、同時に第2の赤外線吸収膜6cをn型ポリシリコン層として形成すればよい。勿論、p型ポリシリコン層6b形成時に、同時に第2の赤外線吸収膜6cをp型ポリシリコン層として形成しても良い。
以降は、本実施形態の赤外線センサの製造方法における図4(c)〜図5(h)と同様の製造方法を用いることで、図8(a)に示す本実施形態の赤外線センサの構造を作製することができる。
以上に示した本実施形態の赤外線センサおよびその製造方法を用いれば、金属配線を構成するバリア膜を第1の赤外線吸収膜として併用することができる。そのため、第1の赤外線吸収膜を別途、膜形成する必要が無く、製造工程を短縮することができる。そのため、第1の赤外線吸収膜を有しつつも、製造コストを抑制した赤外線センサを実現することができる。
さらに、本実施形態特有の効果として、第1の実施形態の製造方法と対比して、何らの製造工程の追加なしに、第2の赤外線吸収膜6cを設けることができるため、第1の実施形態に比べて、製造コストの増加無く、さらに赤外線の吸収率を高めることができ、結果として、赤外線の検出感度をより高めることができる。
(第3の実施形態)
以下、本発明の第3の実施形態について、図9を参照しながら説明する。
図9(a)に示す本実施形態の赤外線センサは、図1、図2に示す第1の実施形態の赤外線センサの赤外線吸収部3において、層間絶縁膜7における赤外線吸収膜8の下地となる領域に凹部を形成し、その上に赤外線吸収膜8を形成したものである。このため、赤外線吸収膜8は凹凸状を有する段差形状となる。勿論、第1の実施形態と同様、赤外線吸収部3における赤外線吸収膜8は、バリア膜10aと同時形成された同一材料、同一膜厚の膜で構成される。
次に、本実施形態の赤外線センサを作製するための製造方法について説明する。
本実施形態の赤外線センサの製造方法は、第1の実施形態における赤外線センサの製造方法における図4(c)の工程のみが異なっている。
図9(b)に示すように、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を利用して、層間絶縁膜7におけるp型ポリシリコン層6b上とn型ポリシリコン層6a上を開口し、コンタクトホール11を形成する際に、層間絶縁膜7における赤外線吸収部3にも同時にコンタクトホール11を形成すればよい。この際、赤外線吸収部3に形成するコンタクトホール11は凹凸状の段差形状とすることが目的であるため、必ずしも支持膜5を露出させる必要はない。
以降は、本実施形態の赤外線センサの製造方法における図4(d)〜(h)と同様の製造方法を用いることで、図9(b)に示す本実施形態の赤外線センサを作製することができる。
以上に示した本実施形態の赤外線センサおよびその製造方法を用いれば、金属配線を構成するバリア膜を赤外線吸収膜として併用することができる。そのため、赤外線吸収膜を別途、膜形成する必要が無く、製造工程を短縮することができる。そのため、赤外線吸収膜を有しつつも、製造コストを抑制した赤外線センサを実現することができる。
さらに、本実施形態特有の効果として、第1の実施形態の製造方法と対比して、何らの製造工程の増加なしに、凹凸状の段差形状を有する赤外線吸収膜を形成することができるため、第1の実施形態に比べて、製造コストの増加無く、赤外線吸収膜8の表面積を増やすことができ、また斜めに入射した赤外線に対しても、赤外線吸収膜8を有効に活用することができる。したがって、より赤外線の吸収率を高めることができ、結果として、赤外線の検出感度をより高めることができる。
なお、本発明の第1から第3の実施形態に開示された構成は互いに組み合わせることが可能であり、また、第1の実施形態で開示した赤外線吸収膜の構成材料および膜厚は第2および第3の実施形態でも成立する。
以上説明したように、本発明の赤外線センサ及びその製造方法は、赤外線の検出感度を高めるための赤外線吸収膜を備えつつも、製造工程が短縮され製造コストが低減できるものであり、特に、低コストで検出感度の高い赤外線センサ及びその製造方法において有用である。
1 基板
2 空間部
3 赤外線吸収部
4 支持脚
5 支持膜
6 熱電対素線
6a n型ポリシリコン層
6b p型ポリシリコン層
6c 第2の赤外線吸収膜
7 層間絶縁膜
8 赤外線吸収膜
9 金属配線
10a バリア膜
10b 低抵抗膜
11 コンタクトホール
12 保護膜
12a 第1の保護膜
12b 第2の保護膜
13 開口部
14 支持部

Claims (8)

  1. 基板と、前記基板の一表面側において、前記基板上に形成された支持脚および赤外線吸収部を含む薄膜構造体を備えた赤外線センサであって、
    前記薄膜構造体の直下における前記基板領域には空間部が設けられており、
    前記赤外線吸収部には、支持膜、層間絶縁膜および第1の赤外線吸収膜が下層より順に形成されており、
    前記支持脚には、前記支持膜、熱電対素線、前記層間絶縁膜および前記熱電対素線に電気的に接続されたバリア膜と低抵抗膜とで構成された積層膜からなる金属配線が下層より順に形成されており、
    前記第1の赤外線吸収膜と前記バリア膜とは、同一材料かつ同一膜厚で形成されている赤外線センサ。
  2. 前記赤外線吸収部において、前記支持膜と前記層間絶縁膜との間に前記熱電対素線と同一材料かつ同一膜厚からなる第2の赤外線吸収膜が介在している請求項1に記載の赤外線センサ。
  3. 前記赤外線吸収部において、前記層間絶縁膜における前記第1の赤外線吸収膜の直下に凹凸状の段差領域が形成されており、前記第1の赤外線吸収膜が凹凸状の段差形状に形成されている請求項1又は2に記載の赤外線センサ。
  4. 前記薄膜構造体上に絶縁膜からなる保護膜が形成されている請求項1〜3のうちのいずれか1項に記載の赤外線センサ。
  5. 前記第1の赤外線吸収膜の膜厚が5nm以上かつ100nm以下の範囲である請求項1〜4のうちのいずれか1項に記載の赤外線センサ。
  6. 前記第1の赤外線吸収膜が、チタニウム、タンタル、もしくはその窒化物または酸化物のいずれかを含む請求項1〜5のうちのいずれか1項に記載の赤外線センサ。
  7. 基板の一表面上に支持膜を形成する工程(a)と、
    前記支持膜上の支持脚形成領域に熱電対素線を形成する工程(b)と、
    前記熱電対素線上を含む前記支持膜上に層間絶縁膜を形成する工程(c)と、
    前記層間絶縁膜に前記熱電対素線に達するコンタクトホールを形成する工程(d)と、
    前記コンタクトホール上を含む前記層間絶縁膜上に、導電性のバリア膜および導電性の低抵抗膜をこの順に形成する工程(e)と、
    前記バリア膜および前記低抵抗膜を連続してパターニングし、前記支持脚形成領域に金属配線を形成すると同時に、赤外線吸収部形成領域に前記バリア膜および前記低抵抗膜を残存させる工程(f)と、
    前記赤外線吸収部形成領域に残存させた前記低抵抗膜のみを除去し、前記バリア膜からなる赤外線吸収膜を形成する工程(g)と、
    前記支持脚形成領域および前記赤外線吸収部形成領域の周縁部に形成された前記層間絶縁膜および前記支持膜を除去して前記基板を露出する工程(h)と、
    前記露出した基板領域を所定の深さまでエッチング除去して、前記支持脚形成領域および前記赤外線吸収部形成領域の直下に空間部を形成し、支持脚および赤外線吸収部を形成する工程(i)と、を備える赤外線センサの製造方法。
  8. 基板の一表面上に支持膜を形成する工程(a)と、
    前記支持膜上の支持脚形成領域に熱電対素線を形成する工程(b)と、
    前記熱電対素線上を含む前記支持膜上に層間絶縁膜を形成する工程(c)と、
    前記層間絶縁膜に前記熱電対素線に達するコンタクトホールを形成する工程(d)と、
    前記コンタクトホール上を含む前記層間絶縁膜上に、導電性のバリア膜および導電性の低抵抗膜をこの順に形成する工程(e)と、
    前記低抵抗膜のみをパターニングし、前記支持脚形成領域に前記低抵抗膜を残存させると同時に、赤外線吸収部形成領域では前記低抵抗膜を除去する工程(f)と、
    前記工程(f)の後に、前記赤外線吸収部形成領域に前記バリア膜からなる赤外線吸収膜を残存させるように、前記基板上に露出した前記バリア膜を除去する工程(g)と、
    前記工程(g)の後に、前記支持脚形成領域および前記赤外線吸収部形成領域の周縁部に形成された前記層間絶縁膜および前記支持膜を除去して前記基板を露出する工程(h)と、
    前記露出した基板領域を所定の深さまでエッチング除去して、前記支持脚形成領域および前記赤外線吸収部形成領域の直下に空間部を形成し、支持脚および赤外線吸収部を形成する工程(i)とを備える赤外線センサの製造方法。
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