JP3859479B2

JP3859479B2 - ボロメータ型赤外線検出器

Info

Publication number: JP3859479B2
Application number: JP2001319125A
Authority: JP
Inventors: 昭味沢
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2001-10-17
Filing date: 2001-10-17
Publication date: 2006-12-20
Anticipated expiration: 2021-10-17
Also published as: US6953931B2; US20030071215A1; JP2003121255A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱分離構造を有するボロメータ型赤外線検出器に関し、特に、温度ドリフトとノイズを抑制することができる高性能化のボロメータ型赤外線検出器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
赤外線検出器は、半導体等のバンド構造を利用した量子型と、熱による材料物性値（抵抗、誘電率等）の変化を利用した熱型に大きく分けられる。前者は高感度ではあるが動作原理上冷却を必要としている。それに対し後者は、特に冷却を必要としていないため非冷却型とも呼ばれ、製作コストや維持コストの面で量子型に比べ有利な点が多く、赤外線検出器の主流となりつつある。
【０００３】
熱型赤外線検出器には、ボロメータ型、焦電型及び熱電対型があり、いずれも検出器の感度を高くするため一般には熱分離構造、いわゆるダイアフラム構造を有している。このなかでもボロメータ型の赤外線検出器は比較的特性に優れ、特にボロメータ材料として酸化バナジウム（ＶＯ_２）を用いたものは、ＳＰＩＥ（１９９６年、２７４６巻、２３頁）にも述べられているように、二次元に配列され赤外画像検出素子として用いられている。ここでは、その一画素を例にとって、ボロメータ型赤外線検出器の典型的な構造を説明する。図３は、従来のボロメータ型赤外線検出器の構造を示す平面図であり、図４は、Ｂ−Ｂ′線における断面図である。
【０００４】
図３及び図４に示すように、ボロメータ型赤外線検出器は一般に、熱電変換部分１とそれを支える梁２とからなり、熱電変換部１は梁２によって支えられているダイアフラム構造となっている。このダイアフラム構造は、支持膜３、熱電材料としてのボロメータ薄膜４、ボロメータ薄膜４の抵抗変化を検出するための電極６、及び保護膜５よりなり、これらはキャビティ８により基板９から熱的に分離されている。
【０００５】
ダイアフラム構造は、基板９上に犠牲層を堆積し、さらに支持膜３、ボロメータ薄膜４を堆積、パターニング、電極６を形成、保護膜５を堆積し、各層を所望の形状にドライエッチング等でパターニングして熱電変換部１の周りに犠牲層を露出させ、最後に熱電変換部１の周りからエッチングにより犠牲層を除去することにより形成される。犠牲層が除去された部分であるキャビティ８は完全に空隙になっており、熱電変換部１を梁２で吊っている構造となっている。特に図には示されていないが、梁２の先端は基板９に接地している。ボロメータ薄膜４の相対する２辺は電極６と接触しており、これらの電極６は梁２を経由して信号処理回路に接続され、赤外線を吸収することでダイアフラムの温度が上昇し、それによって生じたボロメータ薄膜４の抵抗変化を電気信号として取り出している。
【０００６】
また、ＴｉやＹＢＣＯ（イットリウムバリウム銅酸化物）などの比抵抗の低いボロメータ材料を用いた場合は、電極とボロメータ材料が一体化できる利点はあるものの、素子としての抵抗値を所望の値に制御するために、図５に示すようにダイアフラム上でメアンダー構造を採用する必要がある。この例はＳＰＩＥ（１９９３年、２０２０巻、２頁）に述べられている。メアンダー構造の幅は狭く、折り返し回数も多くなっているが、低抵抗の材料を用いているため、形状が与える電気的な影響（たとえば折り返し部分での電流密度の不均一性など）はあまり問題にはならないと思われる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前述したボロメータ型赤外線検出器は、赤外線を吸収することでダイアフラムの温度が上昇し、それによって生じたボロメータの抵抗変化を電気信号として読み出しているが、実際に動作時にはバイアスを印加することでボロメータに電流が流れ、ジュール熱による自己発熱によりダイアフラム温度は上昇する。このジュール熱による温度上昇は動作時の温度ドリフトの原因となり、ボロメータの抵抗変化による電気信号に大きく影響を与えるため、極力抑えることが必要である。そのためにボロメータ抵抗は高い方が望ましく、１００ｋΩ程度にするのが適当である。
【０００８】
抵抗温度係数（ＴＣＲ）が−２％／Ｋ程度の比較的高い値が得られる材料であり、通常ボロメータ型赤外線検出器に用いられているＶＯ_２は、厚さ約１０００Å（１００ｎｍ）でシート抵抗は１０〜２０ｋΩである。温度ドリフトの影響を軽減するためにボロメータ抵抗として１００ｋΩを得るには、ボロメータ形状を改善し、現状の１／５から１／１０程度まで薄膜化するか細線化する方法が考えられる。これにより温度ドリフトは改善される。
【０００９】
一方、ボロメータ型赤外線検出器のノイズは１／ｆノイズが支配的と言われており、１／ｆノイズの大きさＳｖは次式で表される。
【００１０】
【数１】

【００１１】
ここでＶは電圧である。その１／ｆノイズの係数であるＫ値はボロメータ材料の体積あるいはキャリア数に依存すると言われている。即ち体積が大きい方が、あるいは比抵抗が小さい方が（キャリア数が多い方が）Ｋ値が小さくなり性能的には優れたものとなる。しかしながら、上述した方法で抵抗を高くし温度ドリフトを改善しても体積効果によりノイズ特性が大幅に劣化し、最終的に性能の優れたものは得られない。また材料自体を改良し、高比抵抗化を図ったとしてもキャリア数の効果によりノイズ特性の劣化は免れない。
【００１２】
従って、ボロメータの体積をほとんど変化させずに抵抗だけを高くする方法が求められる。これを実現する方法としては、従来の技術で図５により示したメアンダー構造が考えられる。図６には通常のＶＯ_２を用いてボロメータ薄膜４をメアンダー構造にし、電極６で配線した状態を示した。図５と比較してボロメータの比抵抗が高いため、メアンダー構造の幅は広く折り返し回数は少なくなっている。
【００１３】
この構造では、図３と比較してボロメータの全体の体積はほとんど変わらず、抵抗のみが１００ｋΩ程度になるように調整しているものの、折り返し（曲がり）の部分では特に電流密度が不均一になり、動作に寄与する有効体積は減少している。従ってＫ値に関してもボロメータの体積から想定される値に対して２〜３倍劣化する問題が生じている。また、曲がりの内側部分に電流が集中して高温になり、動作に悪影響を与えることも懸念される。
【００１４】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、その主たる目的は、自己発熱による温度ドリフトを抑制し、かつ、ノイズによる特性劣化の無い構造のボロメータ型赤外線検出素子を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明のボロメータ型赤外線検出器は、支持膜と、前記支持膜上に設けられたボロメータ薄膜と、前記ボロメータ薄膜上に設けられた保護膜とからなる熱電変換部が、基板から梁によって浮かせて支持されたダイアフラム構造を有するボロメータ型赤外線検出器において、前記ボロメータ薄膜が短冊状に分割され、前記基板の面方向に並設された複数の素子で構成され、前記短冊状の複数の素子が、それぞれの短冊の長手方向の端部に設けた電極により直列に接続されているものである。
【００１９】
すなわち、本発明では、ボロメータ薄膜を図１に示すように短冊状に加工して配列し、それらを電極により直列に接続した構造としている。従って、ボロメータ薄膜の成膜条件や膜厚は従来と全く同様としたままボロメータ抵抗の高抵抗化を図ることができ、動作時のジュール熱による温度上昇を抑え、温度ドリフトの影響を抑制することが可能となる。更に、本発明の構造では、ボロメータの体積は、動作に寄与する電流が流れる有効体積を考慮しても従来構造とほぼ同等であるため、ボロメータ抵抗が高くなってもＫ値が増加することはなく、１／ｆノイズを低く抑えることができる。
【００２０】
上記構造を用いることにより、ノイズ特性を劣化させることなくボロメータ抵抗を１桁程度高くすることができ、温度ドリフトを抑えたボロメータ型赤外線検出器を得ることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態に係るボロメータ型赤外線検出器の構造、製造方法、動作、特性について、図１及び図２を用いて具体的に説明する。図１は、本発明の一実施の形態に係るボロメータ型赤外線検出器の構造を示す平面図であり、図２は、図１のＡ−Ａ′線における断面図である。なお、本実施形態では、ボロメータ材料としてＶＯ_２を用いた場合について示す。
【００２２】
図１に示すように、本実施形態のボロメータ型赤外線検出器は、熱電変換部１であるダイアフラムを２本の梁２で支えている形状である。特に図には示されていないが、梁２の先端は基板９に接地されている。ボロメータ薄膜４はダイアフラム内で３本の短冊状に配列され、それらは電極６により電気的に直列に接続されている。ボロメータ薄膜４の熱による抵抗変化は、梁２中にある電極６を経由して外部に取り出すことができる。また、図２に示すように、熱電変換部１及び梁２はキャビティ８により中空に浮いており、基板９から熱的に分離されている。
【００２３】
なお、本実施形態では、熱電変換部１の大きさを３０μｍ□、中に含まれる短冊状の各ボロメータ薄膜４の幅を９μｍ、間隔を０．５μｍとし、梁２は幅２μｍ、梁２の中の電極６は幅１μｍとした。また熱電変換部１と梁２間の貫通孔７の幅（スリット幅）を１μｍとした。
【００２４】
次に、本実施形態のボロメータ型赤外線検出器の製造方法について述べる。まず、基板９上に犠牲層（特に図示されていない）としてポリイミドを２〜３μｍ程度塗布し、電気的配線に係わる加工をした後に焼き締めを行う。次に、支持膜３を３００ｎｍ程度、ボロメータ薄膜４を１００ｎｍ程度堆積し、ボロメータ薄膜４のみ、３本の短冊状にドライエッチングで加工する。各短冊の大きさは幅９μｍ、長さ２８μｍで間隔０．５μｍである。次に、電極６を各短冊状のボロメータが電気的に直列に接続され、それらの抵抗変化が梁２を介して外部に読み出されるように加工した後、全面に保護膜５を３００ｎｍ程度堆積する。ここでは支持膜３、保護膜５としてシリコン窒化膜、電極６としてはチタンを用いている。次に、熱電変換部１、梁２の部分を残して周囲の保護膜５、支持膜３を犠牲層に到達するまでドライエッチングにより除去し、貫通孔（スリット）７を形成する。最後に犠牲層であるポリイミドを貫通孔７を通してアッシングにより除去し、キャビティ８を形成し素子は完成する。
【００２５】
上記方法で形成したボロメータ型赤外線検出器の動作及び特性について簡単に説明する。赤外線がダイアフラム構造の上面より入射すると、シリコン窒化膜である支持膜３、保護膜５で吸収され、熱電変換部１の温度が上昇し、ボロメータ薄膜４の抵抗は変化する。ここではボロメータ薄膜４として一般的なシート抵抗１２ｋΩ、抵抗温度係数−２％／ＫのＶＯ_２を用いている。この温度上昇により変化した抵抗を電極６を介して外部へ読み出すことにより、入射赤外線の量を検出する。実際には抵抗変化を読み出すために、電極６の両端にバイアス電圧を印加しており、そこに流れる電流量によって変化を読み取っている。
【００２６】
その際、バイアス電圧印加によるジュール熱（Ｗ＝Ｖ^２／Ｒ）により自己発熱を起こし、一般にこれが多い場合にはダイアフラムの温度が時間的に変動し温度ドリフトの原因となり、入射赤外線による温度上昇に影響をあたえる。しかしながら本実施形態の構造の場合、シート抵抗１２ｋΩのＶＯ_２を３本短冊状にならべ、それらを直列に接続することでボロメータ抵抗を１０８ｋΩにしている。従って、従来に比べてジュール熱による自己発熱を１桁下げることができ、安定した動作が可能となる。
【００２７】
また、ボロメータ型赤外線検出器の感度は、主にボロメータ薄膜４の抵抗温度係数と梁２の熱コンダクタンスで決まるが、素子全体の性能を考えるとノイズも重要な要素となる。前述したように、ボロメータ型赤外線検出器のノイズは１／ｆノイズが支配的であり、ボロメータ材料の体積あるいはキャリア数の逆数に比例するＫ値は小さい方が性能的には優れている。本実施形態の構造では、３本の短冊状のボロメータ薄膜を形成することで、従来と同等の比抵抗、同等の膜厚のボロメータ薄膜で、１０８ｋΩとボロメータ全体の高抵抗化を図りながらも、従来と同等の体積を得ることができ、Ｋ値に関しても従来と遜色のない３×１０^−１３程度の低い値を得ることができる。このようにノイズを増加させずに高抵抗化が可能となる構造を提供している。
【００２８】
そして、上記構造のボロメータ型赤外線検出器を信号読み出し回路基板上に２次元に配列することで、２次元のアレイセンサも比較的容易に実現できる。
【００２９】
なお、本実施形態では、ボロメータ薄膜４を３本並置した構造を示したが、本発明は上記構造に限定されるものではなく、ボロメータ型赤外線検出器に求められる性能に応じてその本数及び幅は適宜変更することができる。例えば、本実施形態ではボロメータ抵抗として約１００ｋΩの例を示したが、シート抵抗が１０〜２０ｋΩで比較的Ｋ値の小さい膜を用い、短冊の本数や幅を調整することで、ノイズを低いレベルに保ちながら、更に高いボロメータ抵抗を得ることも可能となる。
【００３０】
また、図１では略同一形状のボロメータ薄膜４を並置した例を示しているが、各々のボロメータ薄膜４を異なる形状としてもよく、例えば、図７に示すように、両端側で狭く、中央部で広い構造とすることもできる。このようにボロメータ薄膜４の幅を変えることにより、体積を変えることなく直列抵抗を調整することができる。
【００３１】
また、本実施形態では、支持膜３や保護膜５としてシリコン窒化膜、ボロメータ薄膜４として酸化バナジウムを用いた例を示したが、材料はこれらに限定されるものではなく、例えば、支持膜３や保護膜５としてシリコン酸化膜、ボロメータ薄膜４としてアモルファスシリコン等を用いてもよく、このような材料を用いても本発明の効果を得ることができる。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の構造によれば、ボロメータ薄膜を複数の短冊状に分割し、かつ、それらを低抵抗の電極により直列に接続しているため、ノイズを低いレベルに保ちながらボロメータ抵抗を高くすることが可能となり、低抵抗のボロメータの比べて自己発熱等による特性劣化を抑えた高性能なボロメータ型赤外線検出器を得ることができる。
【００３３】
また、本発明の構造では、各々のボロメータ薄膜は屈曲部のない直線的な形状で形成されているため、高抵抗化を図るためにボロメータ薄膜を屈曲させた従来のメアンダー構造に比べ、電流集中による悪影響を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るボロメータ型赤外線検出器の１画素の構造を示す平面図である。
【図２】図１に示す本発明の一実施形態に係るボロメータ型赤外線検出器のＡ−Ａ′断面図である。
【図３】従来のボロメータ型赤外線検出器の１画素の平面図である。
【図４】図３に示す従来のボロメータ型赤外線検出器のＢ−Ｂ′断面図である。
【図５】従来の低抵抗ボロメータ材料を用いたメアンダー構造のボロメータ型赤外線検出器の平面図である。
【図６】従来のＶＯ_２を用いたメアンダー構造のボロメータ型赤外線検出器の平面図である。
【図７】本発明の一実施形態に係るボロメータ型赤外線検出器の他の構造を示す平面図である。
【符号の説明】
１熱電変換部
２梁
３支持膜
４ボロメータ薄膜
４ａ低抵抗ボロメータ薄膜
５保護膜
６電極
７貫通孔
８キャビティ
９基板

Claims

支持膜と、前記支持膜上に設けられたボロメータ薄膜と、前記ボロメータ薄膜上に設けられた保護膜とからなる熱電変換部が、基板から梁によって浮かせて支持されたダイアフラム構造を有するボロメータ型赤外線検出器において、
前記ボロメータ薄膜が短冊状に分割され、前記基板の面方向に並設された複数の素子で構成され、前記短冊状の複数の素子が、それぞれの短冊の長手方向の端部に設けた電極により直列に接続されていることを特徴とするボロメータ型赤外線検出器。