JP3580215B2 - 赤外線検知素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、赤外線検知素子に関し、特に赤外線検知素子を複数個２次元上に並べて２次元画像センサとして利用することを目的としており、さらに詳しくは赤外線の入射光を吸収することにより温度変化し、その温度変化によって抵抗値が変化する材料を用いて赤外線の放射強度の信号を読み出す方式の非冷却赤外線検知素子の特性向上に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
赤外線検出器としては、ボロメーター方式などの熱型検出器と量子（フォトン）型検出器がある。量子（フォトン）型検出器は、ダーク電流に起因したノイズを低下させるために液体窒素温度近くまで冷却しなければ、検出感度を高められない。一方、ボロメーター方式の赤外線検出器は素子の冷却が不要であり、コストの低減、機器の簡素化および小型化、携帯用途において大変有利である。
【０００３】
ボロメーター方式の赤外線検出器は、入射した赤外線を受光部が吸収することにより受光部の温度を変化させ、この受光部に配置した材料の温度変化による抵抗値変化から該赤外線の放射強度を電気信号として検出するものである。したがって、抵抗変化の温度依存性（抵抗温度係数；ＴＣＲ）が大きいほど、検出感度が高くなる。ボロメーター方式で非冷却赤外線検出器に用いられている、すなわち室温で赤外線を吸収して温度変化することで抵抗値が変化するボロメーター薄膜としては、従来、半導体材料であるＳｉ，Ｇｅ，Ｖ２Ｏ３薄膜が用いられていた。しかしながら、ＳｉのＴＣＲは、１．５％／ｄｅｇ．程度と小さく、また比較的感度の高いＶＯ２薄膜の場合にも室温におけるＴＣＲは２．０％／ｄｅｇ．程度である。
【０００４】
図５は、ＶＯ２薄膜をボロメーター用薄膜とした赤外線検知素子の一構成例で、特許第２６５５１０１号公報に記載のものである。赤外線検知素子の受光部１０８には、赤外線を反射させる金属反射板１０２を設けたシリコン基板１０１の上に、ＳｉＯ２層の構造体１０４によって熱絶縁の為の空隙１０３が形成され、そのＳｉＯ２層の構造体１０４上の両端部にＴｉ電極１０５が設けられている。さらに、Ｔｉ電極１０５の一部分およびＳｉＯ２層の一部分をまたがって、ボロメーター用薄膜１０６が設けられている。ボロメーター用薄膜１０６は、赤外線を吸収して温度が変わり、その温度変化により抵抗値が変わる性質を有する。Ｔｉ電極１０５は読み出し回路に接続されており、Ｔｉ電極１０５を介してボロメーター用薄膜１０６に電流を流し、抵抗値を読み出すようになっている。また、受光部１０８の最外層には、保護膜１０７がコーティングされている。
【０００５】
非冷却赤外線検知素子を高感度化するには、ボロメーター用薄膜の性能向上が必要であり、室温でのＴＣＲが２．５％／ｄｅｇ．以上、望ましくは３．０％／ｄｅｇ．以上に向上させる必要がある。最近、ＴＣＲの高い材料として、Ｌａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３（０＜ｘ＜１）というペロブスカイト型Ｍｎ酸化物をボロメーター膜として用いた赤外線センサが報告されている。Ｌａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３のＴＣＲは、０℃以下では３．０％／ｄｅｇ．を越え、室温では２．５％／ｄｅｇ．程度である。この技術に関しては、特開平１０−１６３５１０号公報に記載されている。
また、本発明の発明者らは、室温でのＴＣＲ が高いＢｉ１−ｘＡｘＭｎＯ３（０≦ｘ＜１、Ａは希土類もしくはアルカリ土類から選択された１種以上の金属） またはＳｍ１−ｘＡｘＭｎＯ３（元素ＡはＳｍを除く希土類金属、０≦ｘ＜１）またはＮｄ１−ｘＡｘＭｎＯ３（元素ＡはＮｄを除く希土類金属、０≦ｘ＜１）というペロブスカイト型Ｍｎ酸化物を用いた赤外線センサをすでに提案している。これらの室温でのＴＣＲは、３．０％／ｄｅｇ．以上４．０％／ｄｅｇ．以下のものが得られている。この技術に関しては、特開平１０−３０７３２４号公報に記載されている。
このようにペロブスカイト型Ｍｎ酸化物は室温でのＴＣＲが高いため、ボロメーター用薄膜に適用することで、非冷却赤外線検知素子の高感度化をはかることができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
赤外線検知素子において電極層用もしくは、ボロメーター用薄膜と電極層を介して読み出し回路とを連結する配線層用の材料として、Ｔｉ、Ａｌ、もしくはＴｉＮなどの卑金属または化合物などが用いられているが、これらは、酸化性雰囲気で４００℃を越える熱処理によって、酸化しやすい性質がある。一方、ボロメーター用薄膜を形成する工程が、配線層および電極層を形成した工程の後にある方が、配線層および電極層を形成する前にあるよりも、配線層と読み出し回路とを連結する工程が簡単になるという製造工程上のメリットがある。このため、配線層および電極層を形成した後、ボロメーター用薄膜を形成する必要がある。
【０００７】
しかしながら、ペロブスカイト型マンガン酸化物を主成分とする薄膜を形成するには、酸化性雰囲気において基板温度が４００℃以上、組成によっては５００℃を越える熱処理が必要となる。Ｂｉ１−ｘＡｘＭｎＯ３が主成分になっているボロメーター用薄膜は、基板温度が５００℃以下であっても、Ｂｉが蒸発しやすく、Ｂｉ蒸気となって、電極層を腐食し、剥離させることがある。
【０００８】
さらに、基板温度が４５０℃を越えると電極層と配線層、または、電極層とボロメーター用薄膜層との接触抵抗が次第に高くなる傾向が見られた。
前述したような電極と配線材料との密着性が悪かったり、接触抵抗の高抵抗化は、画素ノイズの原因となり、赤外線検出器の感度を低下させることにつながっている。
【０００９】
本発明は、このような問題点を解消する為になされたもので、電極層に化学的に安定であり、しかも配線層およびボロメーター用薄膜層との密着力が高い材料を適用することで、配線層および電極層を形成する工程の後に、抵抗温度係数が高いペロブスカイト型Ｍｎ酸化物薄膜を形成するようにし、簡便な製造工程によって高感度の赤外線検知素子を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る赤外線検知素子は、赤外線の吸収によりもたらされた温度変化を抵抗値で検知するボロメーター方式の赤外線検知素子が、Si基板上に空隙部を介して積層されているSiO2層上の一部分に積層されている配線層、配線層の一部分およびSiO2層の一部分にまたがって積層されている少なくともイリジウム層を有する複数層よりなる電極部、および電極層の一部分およびSiO2層の一部分にまたがって積層されているペロブスカイト型マンガン酸化物を主成分とするボロメーター用薄膜を備えるものである。
ここで、ペロブスカイト型マンガン酸化物を Bi 1-x A x MnO 3 （元素 A は希土類金属もしくはアルカリ土類金属のいずれかより１種以上の元素、 0 ≦ x ＜ 1 ）、または Sm 1-x A x MnO 3 （元素 A は Sm を除く希土類金属、 0 ≦ x ＜ 1 ）または Nd 1-x A x MnO 3 （元素 A は Nd を除く希土類金属、 0 ≦ x ＜ 1 ）と規程する。
【００１２】
また、電極部をチタンまたはクロムのうちいずれか１種以上の金属層およびイリジウム層の複数層で構成し、チタンまたはクロムのうちいずれか１種以上の金属層を配線層の一部分およびＳｉＯ２層の一部分にまたがって積層し、その上にイリジウム層を積層する。
【００１３】
さらに、電極部をチタン層またはクロム層のうちいずれか１種以上の金属層、イリジウム層、および酸化イリジウム層もしくはＰｔ層の複数層で構成し、チタンまたはクロムのうちいずれか１種以上の金属層を配線層の一部分およびＳｉＯ２層の一部分にまたがって積層し、その上にイリジウム層を積層し、さらにその上に酸化イリジウム層もしくはＰｔ層を積層する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の赤外線検知素子について具体的な実施の形態を示して詳細に説明する。
【００１５】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１の赤外線検知素子の構成例である。赤外線検知素子の受光部８には、シリコン基板１の上に、ＳｉＯ２構造体１１によって熱絶縁のための空隙部３を形成し、そのＳｉＯ２構造体１１の上部に両端部に電極部５を設けている。さらに、電極部５の一部分およびＳｉＯ２層の一部分をまたがってボロメーター薄膜６が配置している。ボロメーター用薄膜６は、赤外線を吸収して温度が変わり、その温度変化により抵抗値が変わる性質を有している。電極部５は、ＳｉＯ２構造体１１の支持脚を伝って基板１まで配した配線層１４に電気的に接続し、配線１４からバイアス電圧を印加して信号を検出する。さらに、配線層１４は、読み出し回路に接続されている。尚、空隙部３は、予め犠牲層としてＳｉ層を積層し、基板よりボロメーター用薄膜まで順次積層した後、犠牲層をエッチングにより除去して空洞化することで設けている。さらに、受光部８の最外層には、酸化シリコンによる保護膜７をコーティングして、ボロメーター薄膜６を保護している。
【００１６】
このように、本発明の赤外線検知素子は、Ｓｉ基板上に空隙部３を介して積層されているＳｉＯ２層上の一部分に積層されている配線層、配線層の一部分およびＳｉＯ２層の一部分にまたがって積層されている少なくともイリジウム層を有する電極部、および電極部の一部分およびＳｉＯ２層の一部分にまたがって積層されているペロブスカイト型マンガン酸化物を主成分とするボロメーター用薄膜を備えている。
【００１７】
図２は、図１中Ａ部、すなわち電極部５の部分を拡大したものである。図２に示したように、電極部５は、配線層１４に密着している電極層１７およびボロメーター用薄膜と電極層１７に挟まれている電極層１６による２層構造となっている。各層の膜厚は、それぞれ５００Åとした。電極層１６／電極層１７は、それぞれ実施例１および実施例２では、Ｉｒ／ＴｉおよびＩｒ／Ｃｒ、比較例１および比較例２では、Ｐｔ／ＴｉおよびＰｔ／Ｃｒとして、室温におけるアルゴンスパッタにて形成した。
【００１８】
ボロメーター用薄膜であるＢｉ０．５Ｓｒ０．３Ｌａ０．２ＭｎＯ３の成膜は、後述するスパッタ法にて行った。初めに、複合酸化物ターゲットを用い、高純度酸素ガスの圧力を０．５Ｐａ、基板温度を４５０℃に保持して、スパッタリングを行って、金属成分の比がＢｉ：Ｓｒ：Ｌａ：Ｍｎ＝０．５：０．３：０．２である酸化物薄膜を形成した後、ガス圧を５Ｐａとし、室温まで徐冷した。ボロメーター用薄膜に、図１に示した形状になるように、パターニングを施した。
【００１９】
ボロメーター用薄膜をパターニングした段階で、読み出し回路につなぐ配線層の両端部に設けたパッド間がボロメーター用薄膜を介して、電気的に連結されているかどうかを調べるために、パッド間に３．５Ｖの電圧を印加して通電した。この結果、実施例１および実施例２のサンプルでは、正常な通電が確認された。比較例１および比較例２では、いずれもパッド間が高抵抗となっており、通電することができなかった。
【００２０】
実施例１および実施例２のサンプルについては、引き続き、犠牲層を除去して空隙部３を設け、保護膜を形成し特性評価用サンプルとした。基板をホットプレートに張り付け、温度変化による抵抗値変化を測定し、ＴＣＲを求めた。この結果、実施例１および実施例２のサンプルのＴＣＲは、室温（２５℃）において、共に３．３％／Ｋと良好な値が得られた。
【００２１】
一方、比較例のサンプルについては、電極部の部分についてオージェ電子分光分析装置を用いて深さ方向の元素分布を調べた。この結果、Ｔｉ層、Ｃｒ層に酸素が多く含まれ、酸化していることがわかった。材料としてＩｒおよびＰｔは、化学的に安定な貴金属であり、融点も高いため耐熱性を有していることが知られているが、薄膜デバイスの製造においては、上述したような両者の違いが顕著に現れることがわかり、このような違いを生じた原因は、Ｐｔ薄膜層が酸素を透過していることによると推定される。また、光学顕微鏡観察で、電極層１７がＴｉよりもＣｒの方が酸化が著しいと見られ、剥離もしくは、膨れている部分が見られた。
【００２２】
さらに、本発明者らは、電極層１６がＩｒであって、電極層１７が、Ｔａ、Ｗｏ、Ｎｉである場合についても、実施例１および実施例２と同様な実験を行い、正常な通電を確認し、良好なＴＣＲ値が得られることを確認している。尚、本発明の電極層１７は、実施例に記載した材料に限定されない。また、電極層１７の材料を変えたものについて、ボロメーター用薄膜をパターニングしたものについて引っ掻き試験を行ったところ、電極層１７がＴｉおよびＣｒでは、配線層と電極層との界面から剥離することがなく、密着性が良いことがわかった。
【００２３】
実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態２の赤外線検知素子の構成例である。図３より明らかなように、実施の形態１と同様にＳｉ基板上に空隙部３を介して積層されているＳｉＯ２層上の一部分に積層されている配線層、配線層の一部分およびＳｉＯ２層の一部分にまたがって積層されている少なくともイリジウム層を有する複数層よりなる電極部、および電極部の一部分およびＳｉＯ２層の一部分にまたがって積層されているペロブスカイト型マンガン酸化物を主成分とするボロメーター用薄膜を備えている。
【００２４】
実施の形態２における電極層は、実施の形態１の図２に示したと同様な２層構造となっており、電極層１６／電極層１７は、Ｉｒ／Ｔｉとした。また、実施の形態２における実施例３および実施例４のボロメーター用薄膜はＳｍ０．６Ｌａ０．４ＭｎＯ３ およびＮｄ０．８Ｌａ０．２ＭｎＯ３を主成分とし、高純度酸素ガスを用い、５２０℃の基板温度でスパッタリングにより形成した。さらにボロメーター用薄膜層は、パターニングを行い図３に示す形状とした。
【００２５】
次に、読み出し回路につなぐ配線層の両端部に設けたパッド間に３．５Ｖの電圧を印加して通電試験を行った。この結果、実施例３および実施例４のサンプルにおいて、正常な通電が確認されたため、引き続き、犠牲層を除去して空隙部３を設け、保護膜を形成した。抵抗−温度特性を測定した結果、実施例３および実施例４のサンプルのＴＣＲは、室温（２５℃）において、共に３．０％／Ｋと良好な値が得られた。
【００２６】
実施の形態３．
本発明の実施の形態３の赤外線検知素子の構成は、実施の形態１の図１に示したものと同様である。実施の形態３における電極部は、図４に示したような３層構造となっている。実施の形態３の実施例５および実施例６では、電極層１８／電極層１９／電極層２０をそれぞれ、ＩｒＯ／Ｉｒ／ＴｉおよびＰｔ／Ｉｒ／Ｔｉとした。また、実施の形態３のボロメーター用薄膜は実施の形態１と同じＢｉ０．５Ｓｒ０．３Ｌａ０．２ＭｎＯ３を主成分とし、実施の形態１と同様に形成し、パターニングを行った。
【００２７】
次に、実施例５および実施例６のサンプルについて、実施の形態１および実施の形態２と同様にパッド間に３．５Ｖの電圧を印加して通電試験を行ない、正常な通電が確認されたため、引き続き、犠牲層を除去して空隙部３を設け、保護膜を形成した。抵抗−温度特性を測定した結果、実施例５および実施例６のサンプルのＴＣＲは、室温（２５℃）において、共に３．３％／Ｋと良好な値が得られた。
【００２８】
さらに、本発明者らは、実施例５および実施例６の電極層２０をＣｒに変えた実験を行ったが、実施例５および実施例６と同様に、正常な通電が確認され、室温（２５℃）おけるＴＣＲが３％／Ｋを越える良好な結果が得られた。電極層１８が、ＩｒＯの場合、電極層１８を設けていない実施の形態１と比較して、スパッタ時の酸素分圧が低い条件でも安定して、ペロブスカイト型マンガン酸化物が得られるという効果が見いだされた。また、ボロメーター用薄膜をパターニングしたものについて引っ掻き試験を行ったところ、電極層１８がＰｔの場合、電極層１８を設けていない実施の形態１と比較して、ボロメーター用薄膜層と電極層との界面の密着性が向上しているという効果が見いだされた。さらに、電極層１８がＰｔの場合、電極層１８を設けていない実施の形態１と比較して、ペロブスカイト型マンガン酸化物の結晶の配向性が高まっていることがＸ線回折により確認され、そのことが、上述したような界面での密着性が向上したことに関与していると考えられる。電極層１８の膜厚は、１００Åから２００Å以下で上述したような効果が見いだされた。
【００２９】
尚、本発明の電極層１７は、実施例に記載した材料に限定されない。また、電極層１７の材料を変えたものについて、ボロメーター用薄膜をパターニングしたものについて引っ掻き試験を行ったところ、電極層１７がＴｉおよびＣｒでは、配線層と電極層との界面から剥離することがなく、密着性が良いことがわかった。
【００３０】
さらに、本発明者らは、実施例６の電極層１８をＡｕに変えた実験を行ったが、実施例６と同様に、正常な通電が確認され、室温（２５℃）おけるＴＣＲが３％／Ｋに近いという良好な結果を得た。また、ボロメーター用薄膜をパターニングしたものの引っ掻き試験を行ったところ、ボロメーター用薄膜層自体の強度が向上していること、ペロブスカイト型マンガン酸化物の結晶の配向性が高まっていることなどを確認した。電極層の部分についてオージェ電子分光分析装置を用いて深さ方向の元素分布を調べたところ、Ａｕはボロメーター用薄膜層に拡散し、電極層は、実施の形態１もしくは２と同じ２層構造になっていることがわかった。
このように、本発明においては、ボロメーター用薄膜層はペロブスカイト型マンガン酸化物を主成分としているが、少量の添加物もしくは不純物が含まれていても、相乗的に本発明の効果を得ることができる。
【００３１】
【発明の効果】
以上のように、赤外線の吸収によりもたらされた温度変化を抵抗値で検知するボロメーター方式の本発明における赤外線検知素子は、Si基板上に空隙部を介して積層されているSiO2層上の一部分に積層されている配線層、配線層の一部分およびSiO2層の一部分にまたがって積層されている電極部、電極層の一部分およびSiO2層の一部分にまたがって積層されているボロメーター用薄膜とにより構成されており、さらに電極部が複数層よりなり且つ少なくともイリジウム層を有しているため、ペロブスカイト型マンガン酸化物を主成分とする薄膜を形成する際の酸化性雰囲気中の熱処理時において電極部およびその接触部分が腐食、変質、または剥離することがないため、TCRの高いペロブスカイト型マンガン酸化物によるボロメーター用薄膜を備えた高感度の赤外線検知素子を得ることができる。
特に、電極部が複数層よりなり且つイリジウム層を有しているため、ボロメーター用薄膜であるペロブスカイト型マンガン酸化物として Bi 1-x A x MnO 3 （元素 A は希土類金属もしくはアルカリ土類金属のいずれかより１種以上の元素、 0 ≦ x ＜ 1 ）、または Sm 1-x A x MnO 3 （元素 A は Sm を除く希土類金属、 0 ≦ x ＜ 1 ）または Nd 1-x A x MnO 3 （元素 A は Nd を除く希土類金属、 0 ≦ x ＜ 1 ）を採用することができ、室温以下での TCR が 3%/K を越えるボロメーター用薄膜を備えた赤外線検知素子を得ることができる。
【００３３】
本発明によれば、電極部をチタンまたはクロムのうちいずれか１種以上の金属層およびイリジウム層の複数層で構成し、チタンまたはクロムのうちいずれか１種以上の金属層を配線層の一部分およびＳｉＯ２層の一部分にまたがって積層し、その上にイリジウム層を積層するため、電極部と配線層との密着性が高く、ペロブスカイト型マンガン酸化物を主成分とする薄膜を形成する際の酸化性雰囲気中の熱処理時において電極層およびその接触部分が腐食、変質、または剥離することがないため、ＴＣＲの高いペロブスカイト型マンガン酸化物によるボロメーター用薄膜を備えた高感度の赤外線検知素子を得ることができる。
【００３４】
また本発明によれば、電極部をチタン層またはクロム層のうちいずれか１種以上の金属層、イリジウム層、および酸化イリジウム層もしくはＰｔ層の複数層で構成し、チタンまたはクロムのうちいずれか１種以上の金属層を配線層の一部分およびＳｉＯ２層の一部分にまたがって積層し、その上にイリジウム層を積層し、さらにその上に酸化イリジウム層もしくはＰｔ層を積層するため、電極部と配線層との密着性が高く、さらに電極部とボロメーター薄膜層との密着性が高く、ペロブスカイト型マンガン酸化物を主成分とする薄膜を形成する際の酸化性雰囲気中の熱処理時において電極部およびその接触部分が腐食、変質、または剥離することがないため、ＴＣＲの高いペロブスカイト型マンガン酸化物によるボロメーター用薄膜を備えた高感度の赤外線検知素子を得ることができる。
【００３５】
以上説明したように、本発明によれば、電極部に、化学的に安定で、しかも配線層およびボロメーター用薄膜層との密着力が高い材料を適用しているため、赤外線検知素子の製造上配線層および電極部を形成する工程の後に、抵抗温度係数が高いペロブスカイト型Ｍｎ酸化物薄膜を形成することが可能であるため、簡便な製造工程によって高感度の赤外線検知素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による実施の形態１の赤外線検知素子における受光部の構造を示す断面説明図である。
【図２】本発明による実施の形態１の赤外線検知素子における電極層部の構造を示す断面説明図である。
【図３】本発明による実施の形態２の赤外線検知素子における受光部の構造を示す断面説明図である。
【図４】本発明による実施の形態３の赤外線検知素子における電極層部の構造を示す断面説明図である。
【図５】従来のＶＯ２薄膜をボロメーター用薄膜とした赤外線検知素子における受光部の構造を示す断面説明図である。
【符号の説明】
１ Ｓｉ基板、 ３ 空隙部、 ５ 電極部、
６ ボロメーター用薄膜、 ７ 保護膜、 ８ 受光部、
１１ ＳｉＯ２層、 １４ 配線、
１６ 電極層（イリジウム層）、１７ 電極層（チタン層もしくはクロム層）、
１８ 電極層（ＩｒＯ層もしくはＰｔ層）、 １９ 電極層（イリジウム層）、
２０ 電極層（チタン層もしくはクロム層）。
【発明の属する技術分野】
本発明は、赤外線検知素子に関し、特に赤外線検知素子を複数個２次元上に並べて２次元画像センサとして利用することを目的としており、さらに詳しくは赤外線の入射光を吸収することにより温度変化し、その温度変化によって抵抗値が変化する材料を用いて赤外線の放射強度の信号を読み出す方式の非冷却赤外線検知素子の特性向上に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
赤外線検出器としては、ボロメーター方式などの熱型検出器と量子（フォトン）型検出器がある。量子（フォトン）型検出器は、ダーク電流に起因したノイズを低下させるために液体窒素温度近くまで冷却しなければ、検出感度を高められない。一方、ボロメーター方式の赤外線検出器は素子の冷却が不要であり、コストの低減、機器の簡素化および小型化、携帯用途において大変有利である。
【０００３】
ボロメーター方式の赤外線検出器は、入射した赤外線を受光部が吸収することにより受光部の温度を変化させ、この受光部に配置した材料の温度変化による抵抗値変化から該赤外線の放射強度を電気信号として検出するものである。したがって、抵抗変化の温度依存性（抵抗温度係数；ＴＣＲ）が大きいほど、検出感度が高くなる。ボロメーター方式で非冷却赤外線検出器に用いられている、すなわち室温で赤外線を吸収して温度変化することで抵抗値が変化するボロメーター薄膜としては、従来、半導体材料であるＳｉ，Ｇｅ，Ｖ２Ｏ３薄膜が用いられていた。しかしながら、ＳｉのＴＣＲは、１．５％／ｄｅｇ．程度と小さく、また比較的感度の高いＶＯ２薄膜の場合にも室温におけるＴＣＲは２．０％／ｄｅｇ．程度である。
【０００４】
図５は、ＶＯ２薄膜をボロメーター用薄膜とした赤外線検知素子の一構成例で、特許第２６５５１０１号公報に記載のものである。赤外線検知素子の受光部１０８には、赤外線を反射させる金属反射板１０２を設けたシリコン基板１０１の上に、ＳｉＯ２層の構造体１０４によって熱絶縁の為の空隙１０３が形成され、そのＳｉＯ２層の構造体１０４上の両端部にＴｉ電極１０５が設けられている。さらに、Ｔｉ電極１０５の一部分およびＳｉＯ２層の一部分をまたがって、ボロメーター用薄膜１０６が設けられている。ボロメーター用薄膜１０６は、赤外線を吸収して温度が変わり、その温度変化により抵抗値が変わる性質を有する。Ｔｉ電極１０５は読み出し回路に接続されており、Ｔｉ電極１０５を介してボロメーター用薄膜１０６に電流を流し、抵抗値を読み出すようになっている。また、受光部１０８の最外層には、保護膜１０７がコーティングされている。
【０００５】
非冷却赤外線検知素子を高感度化するには、ボロメーター用薄膜の性能向上が必要であり、室温でのＴＣＲが２．５％／ｄｅｇ．以上、望ましくは３．０％／ｄｅｇ．以上に向上させる必要がある。最近、ＴＣＲの高い材料として、Ｌａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３（０＜ｘ＜１）というペロブスカイト型Ｍｎ酸化物をボロメーター膜として用いた赤外線センサが報告されている。Ｌａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３のＴＣＲは、０℃以下では３．０％／ｄｅｇ．を越え、室温では２．５％／ｄｅｇ．程度である。この技術に関しては、特開平１０−１６３５１０号公報に記載されている。
また、本発明の発明者らは、室温でのＴＣＲ が高いＢｉ１−ｘＡｘＭｎＯ３（０≦ｘ＜１、Ａは希土類もしくはアルカリ土類から選択された１種以上の金属） またはＳｍ１−ｘＡｘＭｎＯ３（元素ＡはＳｍを除く希土類金属、０≦ｘ＜１）またはＮｄ１−ｘＡｘＭｎＯ３（元素ＡはＮｄを除く希土類金属、０≦ｘ＜１）というペロブスカイト型Ｍｎ酸化物を用いた赤外線センサをすでに提案している。これらの室温でのＴＣＲは、３．０％／ｄｅｇ．以上４．０％／ｄｅｇ．以下のものが得られている。この技術に関しては、特開平１０−３０７３２４号公報に記載されている。
このようにペロブスカイト型Ｍｎ酸化物は室温でのＴＣＲが高いため、ボロメーター用薄膜に適用することで、非冷却赤外線検知素子の高感度化をはかることができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
赤外線検知素子において電極層用もしくは、ボロメーター用薄膜と電極層を介して読み出し回路とを連結する配線層用の材料として、Ｔｉ、Ａｌ、もしくはＴｉＮなどの卑金属または化合物などが用いられているが、これらは、酸化性雰囲気で４００℃を越える熱処理によって、酸化しやすい性質がある。一方、ボロメーター用薄膜を形成する工程が、配線層および電極層を形成した工程の後にある方が、配線層および電極層を形成する前にあるよりも、配線層と読み出し回路とを連結する工程が簡単になるという製造工程上のメリットがある。このため、配線層および電極層を形成した後、ボロメーター用薄膜を形成する必要がある。
【０００７】
しかしながら、ペロブスカイト型マンガン酸化物を主成分とする薄膜を形成するには、酸化性雰囲気において基板温度が４００℃以上、組成によっては５００℃を越える熱処理が必要となる。Ｂｉ１−ｘＡｘＭｎＯ３が主成分になっているボロメーター用薄膜は、基板温度が５００℃以下であっても、Ｂｉが蒸発しやすく、Ｂｉ蒸気となって、電極層を腐食し、剥離させることがある。
【０００８】
さらに、基板温度が４５０℃を越えると電極層と配線層、または、電極層とボロメーター用薄膜層との接触抵抗が次第に高くなる傾向が見られた。
前述したような電極と配線材料との密着性が悪かったり、接触抵抗の高抵抗化は、画素ノイズの原因となり、赤外線検出器の感度を低下させることにつながっている。
【０００９】
本発明は、このような問題点を解消する為になされたもので、電極層に化学的に安定であり、しかも配線層およびボロメーター用薄膜層との密着力が高い材料を適用することで、配線層および電極層を形成する工程の後に、抵抗温度係数が高いペロブスカイト型Ｍｎ酸化物薄膜を形成するようにし、簡便な製造工程によって高感度の赤外線検知素子を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る赤外線検知素子は、赤外線の吸収によりもたらされた温度変化を抵抗値で検知するボロメーター方式の赤外線検知素子が、Si基板上に空隙部を介して積層されているSiO2層上の一部分に積層されている配線層、配線層の一部分およびSiO2層の一部分にまたがって積層されている少なくともイリジウム層を有する複数層よりなる電極部、および電極層の一部分およびSiO2層の一部分にまたがって積層されているペロブスカイト型マンガン酸化物を主成分とするボロメーター用薄膜を備えるものである。
ここで、ペロブスカイト型マンガン酸化物を Bi 1-x A x MnO 3 （元素 A は希土類金属もしくはアルカリ土類金属のいずれかより１種以上の元素、 0 ≦ x ＜ 1 ）、または Sm 1-x A x MnO 3 （元素 A は Sm を除く希土類金属、 0 ≦ x ＜ 1 ）または Nd 1-x A x MnO 3 （元素 A は Nd を除く希土類金属、 0 ≦ x ＜ 1 ）と規程する。
【００１２】
また、電極部をチタンまたはクロムのうちいずれか１種以上の金属層およびイリジウム層の複数層で構成し、チタンまたはクロムのうちいずれか１種以上の金属層を配線層の一部分およびＳｉＯ２層の一部分にまたがって積層し、その上にイリジウム層を積層する。
【００１３】
さらに、電極部をチタン層またはクロム層のうちいずれか１種以上の金属層、イリジウム層、および酸化イリジウム層もしくはＰｔ層の複数層で構成し、チタンまたはクロムのうちいずれか１種以上の金属層を配線層の一部分およびＳｉＯ２層の一部分にまたがって積層し、その上にイリジウム層を積層し、さらにその上に酸化イリジウム層もしくはＰｔ層を積層する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の赤外線検知素子について具体的な実施の形態を示して詳細に説明する。
【００１５】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１の赤外線検知素子の構成例である。赤外線検知素子の受光部８には、シリコン基板１の上に、ＳｉＯ２構造体１１によって熱絶縁のための空隙部３を形成し、そのＳｉＯ２構造体１１の上部に両端部に電極部５を設けている。さらに、電極部５の一部分およびＳｉＯ２層の一部分をまたがってボロメーター薄膜６が配置している。ボロメーター用薄膜６は、赤外線を吸収して温度が変わり、その温度変化により抵抗値が変わる性質を有している。電極部５は、ＳｉＯ２構造体１１の支持脚を伝って基板１まで配した配線層１４に電気的に接続し、配線１４からバイアス電圧を印加して信号を検出する。さらに、配線層１４は、読み出し回路に接続されている。尚、空隙部３は、予め犠牲層としてＳｉ層を積層し、基板よりボロメーター用薄膜まで順次積層した後、犠牲層をエッチングにより除去して空洞化することで設けている。さらに、受光部８の最外層には、酸化シリコンによる保護膜７をコーティングして、ボロメーター薄膜６を保護している。
【００１６】
このように、本発明の赤外線検知素子は、Ｓｉ基板上に空隙部３を介して積層されているＳｉＯ２層上の一部分に積層されている配線層、配線層の一部分およびＳｉＯ２層の一部分にまたがって積層されている少なくともイリジウム層を有する電極部、および電極部の一部分およびＳｉＯ２層の一部分にまたがって積層されているペロブスカイト型マンガン酸化物を主成分とするボロメーター用薄膜を備えている。
【００１７】
図２は、図１中Ａ部、すなわち電極部５の部分を拡大したものである。図２に示したように、電極部５は、配線層１４に密着している電極層１７およびボロメーター用薄膜と電極層１７に挟まれている電極層１６による２層構造となっている。各層の膜厚は、それぞれ５００Åとした。電極層１６／電極層１７は、それぞれ実施例１および実施例２では、Ｉｒ／ＴｉおよびＩｒ／Ｃｒ、比較例１および比較例２では、Ｐｔ／ＴｉおよびＰｔ／Ｃｒとして、室温におけるアルゴンスパッタにて形成した。
【００１８】
ボロメーター用薄膜であるＢｉ０．５Ｓｒ０．３Ｌａ０．２ＭｎＯ３の成膜は、後述するスパッタ法にて行った。初めに、複合酸化物ターゲットを用い、高純度酸素ガスの圧力を０．５Ｐａ、基板温度を４５０℃に保持して、スパッタリングを行って、金属成分の比がＢｉ：Ｓｒ：Ｌａ：Ｍｎ＝０．５：０．３：０．２である酸化物薄膜を形成した後、ガス圧を５Ｐａとし、室温まで徐冷した。ボロメーター用薄膜に、図１に示した形状になるように、パターニングを施した。
【００１９】
ボロメーター用薄膜をパターニングした段階で、読み出し回路につなぐ配線層の両端部に設けたパッド間がボロメーター用薄膜を介して、電気的に連結されているかどうかを調べるために、パッド間に３．５Ｖの電圧を印加して通電した。この結果、実施例１および実施例２のサンプルでは、正常な通電が確認された。比較例１および比較例２では、いずれもパッド間が高抵抗となっており、通電することができなかった。
【００２０】
実施例１および実施例２のサンプルについては、引き続き、犠牲層を除去して空隙部３を設け、保護膜を形成し特性評価用サンプルとした。基板をホットプレートに張り付け、温度変化による抵抗値変化を測定し、ＴＣＲを求めた。この結果、実施例１および実施例２のサンプルのＴＣＲは、室温（２５℃）において、共に３．３％／Ｋと良好な値が得られた。
【００２１】
一方、比較例のサンプルについては、電極部の部分についてオージェ電子分光分析装置を用いて深さ方向の元素分布を調べた。この結果、Ｔｉ層、Ｃｒ層に酸素が多く含まれ、酸化していることがわかった。材料としてＩｒおよびＰｔは、化学的に安定な貴金属であり、融点も高いため耐熱性を有していることが知られているが、薄膜デバイスの製造においては、上述したような両者の違いが顕著に現れることがわかり、このような違いを生じた原因は、Ｐｔ薄膜層が酸素を透過していることによると推定される。また、光学顕微鏡観察で、電極層１７がＴｉよりもＣｒの方が酸化が著しいと見られ、剥離もしくは、膨れている部分が見られた。
【００２２】
さらに、本発明者らは、電極層１６がＩｒであって、電極層１７が、Ｔａ、Ｗｏ、Ｎｉである場合についても、実施例１および実施例２と同様な実験を行い、正常な通電を確認し、良好なＴＣＲ値が得られることを確認している。尚、本発明の電極層１７は、実施例に記載した材料に限定されない。また、電極層１７の材料を変えたものについて、ボロメーター用薄膜をパターニングしたものについて引っ掻き試験を行ったところ、電極層１７がＴｉおよびＣｒでは、配線層と電極層との界面から剥離することがなく、密着性が良いことがわかった。
【００２３】
実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態２の赤外線検知素子の構成例である。図３より明らかなように、実施の形態１と同様にＳｉ基板上に空隙部３を介して積層されているＳｉＯ２層上の一部分に積層されている配線層、配線層の一部分およびＳｉＯ２層の一部分にまたがって積層されている少なくともイリジウム層を有する複数層よりなる電極部、および電極部の一部分およびＳｉＯ２層の一部分にまたがって積層されているペロブスカイト型マンガン酸化物を主成分とするボロメーター用薄膜を備えている。
【００２４】
実施の形態２における電極層は、実施の形態１の図２に示したと同様な２層構造となっており、電極層１６／電極層１７は、Ｉｒ／Ｔｉとした。また、実施の形態２における実施例３および実施例４のボロメーター用薄膜はＳｍ０．６Ｌａ０．４ＭｎＯ３ およびＮｄ０．８Ｌａ０．２ＭｎＯ３を主成分とし、高純度酸素ガスを用い、５２０℃の基板温度でスパッタリングにより形成した。さらにボロメーター用薄膜層は、パターニングを行い図３に示す形状とした。
【００２５】
次に、読み出し回路につなぐ配線層の両端部に設けたパッド間に３．５Ｖの電圧を印加して通電試験を行った。この結果、実施例３および実施例４のサンプルにおいて、正常な通電が確認されたため、引き続き、犠牲層を除去して空隙部３を設け、保護膜を形成した。抵抗−温度特性を測定した結果、実施例３および実施例４のサンプルのＴＣＲは、室温（２５℃）において、共に３．０％／Ｋと良好な値が得られた。
【００２６】
実施の形態３．
本発明の実施の形態３の赤外線検知素子の構成は、実施の形態１の図１に示したものと同様である。実施の形態３における電極部は、図４に示したような３層構造となっている。実施の形態３の実施例５および実施例６では、電極層１８／電極層１９／電極層２０をそれぞれ、ＩｒＯ／Ｉｒ／ＴｉおよびＰｔ／Ｉｒ／Ｔｉとした。また、実施の形態３のボロメーター用薄膜は実施の形態１と同じＢｉ０．５Ｓｒ０．３Ｌａ０．２ＭｎＯ３を主成分とし、実施の形態１と同様に形成し、パターニングを行った。
【００２７】
次に、実施例５および実施例６のサンプルについて、実施の形態１および実施の形態２と同様にパッド間に３．５Ｖの電圧を印加して通電試験を行ない、正常な通電が確認されたため、引き続き、犠牲層を除去して空隙部３を設け、保護膜を形成した。抵抗−温度特性を測定した結果、実施例５および実施例６のサンプルのＴＣＲは、室温（２５℃）において、共に３．３％／Ｋと良好な値が得られた。
【００２８】
さらに、本発明者らは、実施例５および実施例６の電極層２０をＣｒに変えた実験を行ったが、実施例５および実施例６と同様に、正常な通電が確認され、室温（２５℃）おけるＴＣＲが３％／Ｋを越える良好な結果が得られた。電極層１８が、ＩｒＯの場合、電極層１８を設けていない実施の形態１と比較して、スパッタ時の酸素分圧が低い条件でも安定して、ペロブスカイト型マンガン酸化物が得られるという効果が見いだされた。また、ボロメーター用薄膜をパターニングしたものについて引っ掻き試験を行ったところ、電極層１８がＰｔの場合、電極層１８を設けていない実施の形態１と比較して、ボロメーター用薄膜層と電極層との界面の密着性が向上しているという効果が見いだされた。さらに、電極層１８がＰｔの場合、電極層１８を設けていない実施の形態１と比較して、ペロブスカイト型マンガン酸化物の結晶の配向性が高まっていることがＸ線回折により確認され、そのことが、上述したような界面での密着性が向上したことに関与していると考えられる。電極層１８の膜厚は、１００Åから２００Å以下で上述したような効果が見いだされた。
【００２９】
尚、本発明の電極層１７は、実施例に記載した材料に限定されない。また、電極層１７の材料を変えたものについて、ボロメーター用薄膜をパターニングしたものについて引っ掻き試験を行ったところ、電極層１７がＴｉおよびＣｒでは、配線層と電極層との界面から剥離することがなく、密着性が良いことがわかった。
【００３０】
さらに、本発明者らは、実施例６の電極層１８をＡｕに変えた実験を行ったが、実施例６と同様に、正常な通電が確認され、室温（２５℃）おけるＴＣＲが３％／Ｋに近いという良好な結果を得た。また、ボロメーター用薄膜をパターニングしたものの引っ掻き試験を行ったところ、ボロメーター用薄膜層自体の強度が向上していること、ペロブスカイト型マンガン酸化物の結晶の配向性が高まっていることなどを確認した。電極層の部分についてオージェ電子分光分析装置を用いて深さ方向の元素分布を調べたところ、Ａｕはボロメーター用薄膜層に拡散し、電極層は、実施の形態１もしくは２と同じ２層構造になっていることがわかった。
このように、本発明においては、ボロメーター用薄膜層はペロブスカイト型マンガン酸化物を主成分としているが、少量の添加物もしくは不純物が含まれていても、相乗的に本発明の効果を得ることができる。
【００３１】
【発明の効果】
以上のように、赤外線の吸収によりもたらされた温度変化を抵抗値で検知するボロメーター方式の本発明における赤外線検知素子は、Si基板上に空隙部を介して積層されているSiO2層上の一部分に積層されている配線層、配線層の一部分およびSiO2層の一部分にまたがって積層されている電極部、電極層の一部分およびSiO2層の一部分にまたがって積層されているボロメーター用薄膜とにより構成されており、さらに電極部が複数層よりなり且つ少なくともイリジウム層を有しているため、ペロブスカイト型マンガン酸化物を主成分とする薄膜を形成する際の酸化性雰囲気中の熱処理時において電極部およびその接触部分が腐食、変質、または剥離することがないため、TCRの高いペロブスカイト型マンガン酸化物によるボロメーター用薄膜を備えた高感度の赤外線検知素子を得ることができる。
特に、電極部が複数層よりなり且つイリジウム層を有しているため、ボロメーター用薄膜であるペロブスカイト型マンガン酸化物として Bi 1-x A x MnO 3 （元素 A は希土類金属もしくはアルカリ土類金属のいずれかより１種以上の元素、 0 ≦ x ＜ 1 ）、または Sm 1-x A x MnO 3 （元素 A は Sm を除く希土類金属、 0 ≦ x ＜ 1 ）または Nd 1-x A x MnO 3 （元素 A は Nd を除く希土類金属、 0 ≦ x ＜ 1 ）を採用することができ、室温以下での TCR が 3%/K を越えるボロメーター用薄膜を備えた赤外線検知素子を得ることができる。
【００３３】
本発明によれば、電極部をチタンまたはクロムのうちいずれか１種以上の金属層およびイリジウム層の複数層で構成し、チタンまたはクロムのうちいずれか１種以上の金属層を配線層の一部分およびＳｉＯ２層の一部分にまたがって積層し、その上にイリジウム層を積層するため、電極部と配線層との密着性が高く、ペロブスカイト型マンガン酸化物を主成分とする薄膜を形成する際の酸化性雰囲気中の熱処理時において電極層およびその接触部分が腐食、変質、または剥離することがないため、ＴＣＲの高いペロブスカイト型マンガン酸化物によるボロメーター用薄膜を備えた高感度の赤外線検知素子を得ることができる。
【００３４】
また本発明によれば、電極部をチタン層またはクロム層のうちいずれか１種以上の金属層、イリジウム層、および酸化イリジウム層もしくはＰｔ層の複数層で構成し、チタンまたはクロムのうちいずれか１種以上の金属層を配線層の一部分およびＳｉＯ２層の一部分にまたがって積層し、その上にイリジウム層を積層し、さらにその上に酸化イリジウム層もしくはＰｔ層を積層するため、電極部と配線層との密着性が高く、さらに電極部とボロメーター薄膜層との密着性が高く、ペロブスカイト型マンガン酸化物を主成分とする薄膜を形成する際の酸化性雰囲気中の熱処理時において電極部およびその接触部分が腐食、変質、または剥離することがないため、ＴＣＲの高いペロブスカイト型マンガン酸化物によるボロメーター用薄膜を備えた高感度の赤外線検知素子を得ることができる。
【００３５】
以上説明したように、本発明によれば、電極部に、化学的に安定で、しかも配線層およびボロメーター用薄膜層との密着力が高い材料を適用しているため、赤外線検知素子の製造上配線層および電極部を形成する工程の後に、抵抗温度係数が高いペロブスカイト型Ｍｎ酸化物薄膜を形成することが可能であるため、簡便な製造工程によって高感度の赤外線検知素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による実施の形態１の赤外線検知素子における受光部の構造を示す断面説明図である。
【図２】本発明による実施の形態１の赤外線検知素子における電極層部の構造を示す断面説明図である。
【図３】本発明による実施の形態２の赤外線検知素子における受光部の構造を示す断面説明図である。
【図４】本発明による実施の形態３の赤外線検知素子における電極層部の構造を示す断面説明図である。
【図５】従来のＶＯ２薄膜をボロメーター用薄膜とした赤外線検知素子における受光部の構造を示す断面説明図である。
【符号の説明】
１ Ｓｉ基板、 ３ 空隙部、 ５ 電極部、
６ ボロメーター用薄膜、 ７ 保護膜、 ８ 受光部、
１１ ＳｉＯ２層、 １４ 配線、
１６ 電極層（イリジウム層）、１７ 電極層（チタン層もしくはクロム層）、
１８ 電極層（ＩｒＯ層もしくはＰｔ層）、 １９ 電極層（イリジウム層）、
２０ 電極層（チタン層もしくはクロム層）。
Claims (3)
- 赤外線の吸収による温度変化を抵抗値で検知するボロメーター方式の赤外線検知素子において、Si基板上に空隙部を介して積層されているSiO2層、該SiO2層上の一部分に積層されている配線層、該配線層の一部分および前記SiO2層の一部分にまたがって積層されている少なくともイリジウム層を有する複数層よりなる電極部、および該電極部の一部分および前記SiO2層の一部分にまたがって積層されている、 Bi 1-x A x MnO 3 （元素 A は希土類金属もしくはアルカリ土類金属のいずれかより１種以上の元素、 0 ≦ x ＜ 1 ）、または Sm 1-x A x MnO 3 （元素 A は Sm を除く希土類金属、 0 ≦ x ＜ 1 ）または Nd 1-x A x MnO 3 （元素 A は Nd を除く希土類金属、 0 ≦ x ＜ 1 ）であるペロブスカイト型マンガン酸化物を主成分とするボロメーター用薄膜を備え、該ボロメーター用薄膜に前記電極部からバイアス電流を流して信号を読み出すことを特徴とする赤外線検知素子。
- 電極部がチタンまたはクロムのうちいずれか１種以上の金属層およびイリジウム層よりなり、前記金属層が配線層の一部分およびSiO2層の一部分にまたがって積層されており、その上に前記イリジウム層が積層されていることを特徴とする請求項１に記載の赤外線検知素子。
- 電極部がチタン層またはクロム層のうちいずれか１種以上の金属層、イリジウム層、および酸化イリジウム層もしくはPt層よりなり、前記金属層が配線層の一部分およびSiO2層の一部分にまたがって積層され、その上に前記イリジウム層が積層され、さらにその上に前記酸化イリジウム層もしくはPt層が積層されていることを特徴とする請求項１に記載の赤外線検知素子。
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