JP4865957B2

JP4865957B2 - Method for manufacturing thermal infrared solid-state imaging device

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Publication number: JP4865957B2
Application number: JP2001147906A
Authority: JP
Inventors: 泰昭太田; 泰浩小笹山; 孝典曽根
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2001-05-17
Filing date: 2001-05-17
Publication date: 2012-02-01
Anticipated expiration: 2021-05-17
Also published as: JP2002340684A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱型赤外線固体撮像装置及びその製造方法に関し、特に、信号処理回路部と赤外線の検出部とが同一基板上に形成された熱型赤外線固体撮像装置及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１２は、全体が３００で示される、従来の熱型赤外線固体撮像装置の斜視図である（Ishikawa等, “Performance of 320×240 Uncooled IRFPA with SOI Diode Detectors”, Proc. SPIE 4130, p.153 (2000) ）。図示するように、熱型赤外線固体撮像装置３００は、シリコン基板３０１を含む。シリコン基板３０１上には、熱型赤外線検出器２００が３行×３列に配列された検出部（アレイ検出部）３０２と、熱型赤外線検出器２００から出力される電気信号を処理して外部に出力する信号処理回路部３０３とが設けられている。検出部３０２に含まれるそれぞれの熱型赤外線検出器２００と信号処理回路部３０３とは、配線層３０４により接続されている。
【０００３】
図１３は、図１２の熱型赤外線検出器２００の拡大図である。熱型赤外線検出器２００は、支持脚３０５で中空に保持された赤外線検出部３０６を含む。図中、斜線で示された領域は、エッチングされて凹部（図示せず）となっている。支持脚３０５には金属の配線３０８が設けられ、配線層３０４と赤外線検知膜３０９とを電気的に接続している。
【０００４】
図１４は、図１３のＩ−Ｉ線に沿った断面図である。図１４に示すように、熱型赤外線検出器２００は、シリコン基板２０１（シリコン基板３０１の一部）を含む。
信号処理回路部３０３のシリコン基板２０１には、ＭＯＳ型の半導体素子２０２が設けられている。また、シリコン基板２０１の検出部３０２には、凹部（空洞部）２０３が設けられ、凹部２０３上には、支持脚２０４に支持された赤外線検知部２０５が設けられている。赤外線検知部２０５には、例えばボロメータ材料からなる赤外線検知膜２０６が設けられている。検出部３０２、信号処理回路部３０３には、層間分離層２０７が設けられ、その上に配線層２０８、絶縁層２０９が設けられている。
赤外線検知部２０５上には傘構造部２１０が設けられている。傘構造部２１０は、脚部２１１を含み、脚部２１１上に赤外線吸収膜２１２と保護膜２１３が形成されている。一方、信号処理回路部３０３上には、犠牲層２１４と保護膜２１３が形成されている。検出部３０２に含まれるそれぞれの熱型赤外線検出器２００の間には、エッチング孔２１５が設けられている。
【０００５】
次に、図１５を用いて、図１４に示す熱型赤外線固体撮像装置３００の製造方法について簡単に説明する。
まず、図１５（ａ）に示すように、シリコン基板２０１上の検出部３０２に赤外線検知膜２０６を、また、信号処理回路部３０３に半導体素子２０２を形成した後に、酸化シリコンからなる層間分離層２０７を全面に形成する。層間分離層２０７上には、アルミニウムの配線層２０８が形成される。かかる工程では、検出部３０２と信号処理回路部３０３の双方の配線層２０８が同時に形成される。
【０００６】
次に、図１５（ｂ）に示すように、酸化シリコンからなる絶縁層２０９で配線層２０８を覆った後、層間分離層２０７の所定の領域を開口し、更に、シリコンからなる犠牲層２１４を形成する。
更に、犠牲層２１４の所定の位置を開口して、脚部２１１で支持された傘構造部２１０を形成する。傘構造部２１０には、赤外線吸収膜２１２が形成され、これを覆うように窒化シリコンからなる保護膜２１３が形成される。かかる工程では、検出部３０２と信号処理回路部３０３の双方を覆う保護膜２１３が同時に形成される。続いて、犠牲層２１４等を除去するためのエッチング孔２１５が形成される。
【０００７】
最後に、図１５（ｃ）に示すように、エッチング孔２１５を介して犠牲層２１４を除去し、更に、シリコン基板２０１の一部をエッチングして凹部２０３を形成し、支持脚２０４に支持された赤外線検知部２０５を形成する。以上の製造工程を行うことにより、図１４に示す熱型赤外線固体撮像装置３００が完成する。
【０００８】
熱型赤外線固体撮像装置３００では、傘構造部２１０に入射した赤外線が赤外線吸収膜２１２に吸収され、熱として赤外線検知部２０５に伝えられる。これにより赤外線検知膜２０６の温度が上昇し、赤外線検知膜２０６の電気特性が変化する。この電気特性の変化は電気信号に変換され、赤外線検知膜２０６に接続された配線層２０８を経て信号処理回路部３０３に送られ、傘構造部２０６に入射する赤外線の量が検出される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１４に示す熱型赤外線固体撮像装置３００では、上述のように、支持脚２０４や赤外線検知部２０５に含まれる層間分離層２０７、保護膜２１３が、信号処理回路部３０３に含まれる層間分離層２０７、保護膜２１３と同時に形成されるため、層間分離層２０７、保護膜２１３の膜厚が厚くなる。即ち、層間分離層２０７の膜厚は、信号処理回路部３０３に含まれる半導体素子２０２と配線層２０８との間の絶縁分離が十分になるような膜厚となるが、かかる膜厚は、赤外線検知部２０５に含まれる赤外線検知膜２０６と配線層２０８とを分離するのに必要な膜厚より大きくなっている。また、信号処理回路部３０３の保護に必要な保護膜２１３の膜厚は、傘構造部２１０の表面保護に必要な保護膜２１３の膜厚より大きくなっている。
【００１０】
このため、第１に、支持脚２０４の熱コンダクタンスが大きくなるため、赤外線検知部２０５からシリコン基板２０１に逃げる熱量が多くなり、赤外線の検出感度が低くなっていた。
また、第２に、傘構造部２１３の熱容量が大きくなるため、熱型赤外線検出器２００の熱時定数が長くなり、動きの速い被写体を撮影することができなかった。
また、第３に、融点は約６６０℃であるが４５０℃以上で劣化が見られるアルミニウムで配線層２０８が形成されているため、犠牲層２１４の形成に表面の平坦性に優れた熱ＣＶＤ法を使用できず、下地段差を良好に被覆することができなかった。
そこで本発明は、赤外線の検出感度が高く、熱時定数が短い熱型赤外線固体撮像装置の提供を目的とする。
また、容易な工程からなる熱型赤外線固体撮像装置の製造方法の提供を目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、シリコン基板に形成された凹部上に赤外線検知部が支持脚で支えられた熱型赤外線固体撮像装置の製造方法であって、検出領域と処理領域とを備えたシリコン基板を準備する工程と、該シリコン基板上の該検出領域に赤外線検知膜を、該処理領域に半導体素子を、それぞれ形成する工程と、該シリコン基板上に、該赤外線検知膜と該半導体素子とを覆う絶縁層を形成する工程と、該検出領域上の該絶縁層を覆う犠牲層を形成する工程と、該シリコン基板上に層間分離層と保護膜とを順次積層する工程と、該犠牲層上の該層間分離層と該保護膜とを選択的に除去する除去工程と、該検出領域上の該犠牲層上に、赤外線吸収膜を含む傘構造部を形成する工程と、該犠牲層を選択的に除去して、該絶縁層上に該傘構造部を載置させる工程と、該検出領域の該シリコン基板をエッチングして凹部を形成し、該絶縁層からなる支持脚と、該赤外線検知膜を含む該絶縁層からなり該支持脚で支えられた赤外線検知部とを、該凹部上に形成する工程とを含むことを特徴とする熱型赤外線固体撮像装置の製造方法である。
かかる製造方法を用いることにより、支持脚や赤外線検知部等に含まれる絶縁層（検出領域の絶縁層）を、処理領域の層間分離層より薄くすることができる。このため、支持脚の熱コンダクタンス及び赤外線検知部の熱容量が小さくなる。その結果、赤外線検知部からシリコン基板に逃げる熱量が少なくなり、赤外線の検出感度を高くすることができる。
更に、熱型赤外線検出器の熱時定数が短くなり、動きの速い被写体の撮影が可能となる。
【００１２】
上記除去工程は、上記犠牲層上に形成したエッチング停止層をエッチングストッパとして用いて、上記層間分離層と上記保護膜とを選択的にエッチングする工程でも良い。
犠牲層上の層間分離層と保護膜とを、正確に除去できるからである。
【００１３】
上記傘構造部が、上記エッチング停止層と、該エッチング停止層中に形成された上記赤外線吸収膜とを含み、該傘構造部を該犠牲層上に形成した後に、該傘構造部をエッチングストッパとして用いて上記除去工程を行うものであっても良い。
傘構造部がエッチングストッパを兼ねることにより、製造工程が簡略化されるからである。
【００１４】
また、本発明は、シリコン基板に形成された凹部上に赤外線検知部が支持脚で支えられた熱型赤外線固体撮像装置の製造方法であって、検出領域と処理領域とを備えたシリコン基板を準備する工程と、該シリコン基板上の該検出領域に赤外線検知膜を、該処理領域に半導体素子を、それぞれ形成する工程と、該シリコン基板上に、該赤外線検知膜と該半導体素子とを覆う層間分離層を形成する工程と、該検出領域上の該層間分離層を選択的にエッチングして薄層化する薄層化工程と、該検出領域上の該層間分離層を覆う犠牲層を形成する工程と、該犠牲層上に、赤外線吸収膜を含む傘構造部を形成する傘構造部形成工程と、該犠牲層を選択的に除去して、該層間分離層上に該傘構造部を載置する工程と、該検出領域の該シリコン基板をエッチングして凹部を形成し、該層間分離層からなる支持脚と、該赤外線検知膜を含む該層間分離層からなり該支持脚で支えられた赤外線検知部とを、該凹部上に形成する工程とを含むことを特徴とする熱型赤外線固体撮像装置の製造方法でもある。
かかる製造方法を用いることにより、支持脚や赤外線検知部等に含まれる層間分離層（検出領域の層間分離層）を、処理領域の層間分離層より薄くすることができる。
このため、支持脚の熱コンダクタンス及び赤外線検知部の熱容量が小さくなる。その結果、赤外線検知部からシリコン基板に逃げる熱量が少なくなり、赤外線の検出感度を高くすることができる。
更に、熱型赤外線検出器の熱時定数が短くなり、動きの速い被写体の撮影が可能となる。
【００１５】
上記薄層化工程は、上記赤外線検知膜上の上記層間分離膜中にエッチング停止層を形成し、該エッチング停止層をエッチングストッパとして用いて、該層間分離膜をエッチングする工程でも良い。
層間分離層を、正確な膜厚で薄層化できるからである。
なお、かかるエッチング停止層は、赤外線検知膜の保護膜を兼ねる。
【００１６】
更に、上記傘構造部形成工程後に、少なくとも該処理領域上の該層間分離膜上に保護膜を形成する工程を含むものであっても良い。
【００１７】
また、本発明は、シリコン基板に形成された凹部上に赤外線検知部が支持脚で支えられた熱型赤外線固体撮像装置の製造方法であって、検出領域と処理領域とを備えたシリコン基板を準備する工程と、該シリコン基板上の該検出領域に赤外線検知膜を、該処理領域に半導体素子を、それぞれ形成する工程と、該シリコン基板上に、該赤外線検知膜と該半導体素子とを覆う層間分離層を形成する工程と、少なくとも該検出領域上の該層間分離層を覆う犠牲層を形成する工程と、該検出領域上の該犠牲層上に、エッチング停止層と、該エッチング停止層中に形成された赤外線吸収膜とを含む傘構造部を形成する工程と、該シリコン基板上に保護膜を形成する工程と、該エッチング停止層をエッチングストッパに用いて、該傘構造部上の該保護膜を選択的に除去する工程と、該犠牲層を選択的に除去して、該層間分離層上に該傘構造部を載置する工程と、該検出領域の該シリコン基板をエッチングして凹部を形成し、該層間分離層からなる支持脚と、該赤外線検知膜を含む該層間分離層からなり該支持脚で支えられた赤外線検知部とを、該凹部上に形成する工程とを含むことを特徴とする熱型赤外線固体撮像装置の製造方法でもある。
かかる製造方法を用いることにより、傘構造部の熱容量を小さくすることができる。この結果、熱型赤外線検出器の熱時定数が短くなり、動きの速い被写体の撮影が可能となる。
【００１８】
また、本発明は、シリコン基板に形成された凹部上に赤外線検知部が支持脚で支えられた熱型赤外線固体撮像装置の製造方法であって、検出領域と処理領域とを備えたシリコン基板を準備する工程と、該シリコン基板上の該検出領域に赤外線検知膜を、該処理領域に半導体素子を、それぞれ形成する工程と、該シリコン基板上に、該赤外線検知膜と該半導体素子とを覆う層間分離層を形成する工程と、少なくとも該検出領域上の該層間分離層を覆う犠牲層を形成する工程と、該検出領域上の該犠牲層上に、赤外線吸収膜を含む傘構造部を形成する工程と、該シリコン基板上に保護膜を形成する工程と、該赤外線吸収膜をエッチングストッパに用いて、該傘構造部上の該保護膜を選択的に除去する工程と、該犠牲層を選択的に除去して、該層間分離層上に該傘構造部を載置する工程と、該検出領域の該シリコン基板をエッチングして凹部を形成し、該層間分離層からなる支持脚と、該赤外線検知膜を含む該層間分離層からなり該支持脚で支えられた赤外線検知部とを、該凹部上に形成する工程とを含むことを特徴とする熱型赤外線固体撮像装置の製造方法でもある。
かかる製造方法を用いることにより、傘構造部の熱容量を小さくすることができる。この結果、熱型赤外線検出器の熱時定数が短くなり、動きの速い被写体の撮影が可能となる。
【００１９】
上記シリコン基板は、シリコン基板上に、酸化シリコン層を介してシリコン層が形成されたＳＯＩ基板であることが好ましい。
かかる基板を用いることにより、例えば、該シリコン層に形成したｐｎ接合ダイオードを赤外線検知膜とすることができ、一般的なシリコンプロセスで製造可能となるからである。
【００２０】
少なくとも上記検出領域の上記シリコン層を除去する工程を含むものであっても良い。
検出領域の熱コンダクタンス及び熱容量が小さくなることで、赤外線検知部からシリコン基板に逃げる熱量が少なくなり、赤外線の検出感度を高くできるからであり、また、熱型赤外線検出器の熱時定数が短くなり、動きの速い被写体の撮影が可能となるからである。
【００２１】
少なくとも上記検出領域の上記酸化シリコン層を除去する工程を含むものであっても良い。
検出領域の熱コンダクタンス及び熱容量が小さくなることで、赤外線検知部からシリコン基板に逃げる熱量が少なくなり、赤外線の検出感度を高くできるからであり、また、熱型赤外線検出器の熱時定数が短くなり、動きの速い被写体の撮影が可能となるからである。
【００２２】
上記犠牲層は、シリコン及びポリイミドから選択される一の材料からなることが好ましい。
かかる材料を用いることにより、選択エッチングが容易となるからである。
【００２３】
上記エッチング停止層は、窒化シリコン層からなることが好ましい。
【００２４】
上記赤外線検知膜と上記処理領域とを電気的に接続する接続配線を形成する工程を含むものであっても良い。
【００２５】
上記接続配線が、導電性シリコン及び／又は高融点金属を含み、上記犠牲層を熱化学気相堆積法で形成することが好ましい。
接続配線にかかる材料を用いることにより、接続配線形成後の犠牲層の形成工程に、例えば６００℃程度の高温となる熱化学気相堆積法を適用することができる。この結果、犠牲層の表面の平坦性が向上し、下地段差を良好に被覆することができ、以降の工程が容易となる。
【００２６】
更に、上記処理領域に、導電性シリコン及び／又は高融点金属を含む回路配線を形成する工程を含むものであっても良い。
【００２７】
また、本発明は、検出部と該検出部から送られた信号を処理する信号処理部とが、同一シリコン基板上に設けられた熱型赤外線固体撮像装置であって、
ａ）シリコン基板上に設けられた半導体素子と、層間分離層を介して該半導体素子上に設けられた回路配線とを含む信号処理部と、
ｂ）該シリコン基板に設けられた凹部上に支持脚で支えられた赤外線検知部を含む検出部であって、該支持脚と該赤外線検知部が、所定の膜厚の絶縁膜を含み、該赤外線検知部に設けられた赤外線検知膜と該信号処理部とが、該支持脚を通る接続配線で接続された検出部と、
ｃ）該検出部上に設けられた、赤外線吸収膜を含む赤外線吸収部であって、赤外線を熱に変換して該検出部に伝える赤外線吸収部とを含み、
該絶縁膜の膜厚を、該層間分離層の膜厚より小さくしたことを特徴とする熱型赤外線固体撮像装置でもある。
支持脚や赤外線検知部等に含まれる絶縁層（検出領域の絶縁層）の膜厚を、処理領域の層間分離層の膜厚より小さくすることにより、支持脚の熱コンダクタンス及び赤外線検知部の熱容量が小さくなる。この結果、赤外線検知部からシリコン基板に逃げる熱量が少なくなり、赤外線の検出感度を高くすることができる。
更に、熱型赤外線検出器の熱時定数が短くなり、動きの速い被写体の撮影が可能となる。
【００２８】
また、本発明は、検出部と該検出部から送られた信号を処理する信号処理部とが、同一シリコン基板上に設けられた熱型赤外線固体撮像装置であって、
ａ）シリコン基板上に設けられた半導体素子と、層間分離層を介して該半導体素子上に設けられた回路配線と、該回路配線上に設けられた回路保護膜とを含む信号処理部と、
ｂ）該シリコン基板に設けられた凹部上に支持脚で支えられた赤外線検知部を含む検出部であって、該支持脚と該赤外線検知部が、所定の膜厚の絶縁膜を含み、該赤外線検知部に設けられた赤外線検知膜と該信号処理部とが、該支持脚を通る接続配線で接続された検出部と、
ｃ）該検出部上に設けられた、赤外線吸収膜と該赤外線吸収膜上に設けられた吸収部保護膜とを含む赤外線吸収部であって、赤外線を熱に変換して該検出部に伝える赤外線吸収部とを含み、
該吸収部保護膜の膜厚を、該回路保護膜の膜厚より小さくしたことを特徴とする熱型赤外線固体撮像装置でもある。
吸収部保護膜の膜厚を、回路保護膜の膜厚より小さくすることにより、傘構造部の熱容量を小さくすることができる。この結果、熱型赤外線検出器の熱時定数が短くなり、動きの速い被写体の撮影が可能となる。
【００２９】
上記半導体基板と上記層間分離層との間、又は該層間分離層と上記回路保護膜との間に、エッチング停止層を含むものであっても良い。
【００３０】
上記シリコン基板は、シリコン基板上に、酸化シリコン層を介してシリコン層が形成されたＳＯＩ基板であることが好ましい。
かかる基板を用いることにより、例えば、該シリコン層に形成したｐｎ接合ダイオードを赤外線検知膜とすることができ、一般的なシリコンプロセスで製造可能となるからである。
【００３１】
少なくとも上記検出部の上記シリコン層が除去されたものであっても良い。
検出部の熱コンダクタンス及び熱容量が小さくなることで、赤外線検知部からシリコン基板に逃げる熱量が少なくなり、赤外線の検出感度を高くできるからであり、また、熱型赤外線検出器の熱時定数が短くなり、動きの速い被写体の撮影が可能となるからである。
【００３２】
少なくとも上記検出部の上記酸化シリコン層が除去されたものであっても良い。
検出部の熱コンダクタンス及び熱容量が小さくなることで、赤外線検知部からシリコン基板に逃げる熱量が少なくなり、赤外線の検出感度を高くできるからであり、また、熱型赤外線検出器の熱時定数が短くなり、動きの速い被写体の撮影が可能となるからである。
【００３３】
上記吸収部保護膜は、エッチング停止層でも良い。
【００３４】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、全体が１００で示される本実施の形態にかかる熱型赤外線固体撮像装置の断面図である。熱型赤外線固体撮像装置１００は、図１２、１３に示す熱型赤外線固体撮像装置３００とほぼ同じ外観構造を有し、図１は、図１３のＩ−Ｉに相当する位置での断面図である。
【００３５】
図１に示すように、熱型赤外線固体撮像装置１００は、シリコン基板１を含む。
信号処理回路部３０３のシリコン基板１には、ＭＯＳ型の半導体素子２が設けられている。また、半導体素子２の電極に接続された配線層も形成されている。
シリコン基板１の検出部３０２には、凹部（空洞部）３が設けられ、凹部３上には、支持脚４に支持された赤外線検知部５が設けられている。赤外線検知部５には、例えば、ダイオードなどのｐｎ接合素子、酸化バナジウム（ＶＯｘ）などのボロメータ、ＢＳＴ（ＢａＳｒＴｉＯ_３）などの焦電体等、温度によってその電気特性が変化する材料からなる赤外線検知膜６が設けられている。検出部３０２、信号処理回路部３０３には、例えば酸化シリコンからなる絶縁層２０と、例えばアルミニウムからなる配線層２１が設けられている。配線層２１は、赤外線反射膜を兼ねる。
赤外線検知部５上には傘構造部１０が設けられている。傘構造部１０は、例えば窒化シリコンからなる脚部１１を含む。脚部１１上には、窒化シリコンからなるエッチング停止層２２に覆われた赤外線吸収膜１２が形成されている。
【００３６】
一方、信号処理回路部３０３上には、上述のように絶縁層２０が設けられ、その上にエッチング停止層２２が形成されている。エッチング停止層２２上には、例えば酸化シリコンからなる層間分離層７、アルミニウムからなる配線層８、保護膜１３が形成されている。検出部３０２に含まれるそれぞれの傘構造部１０の間には、エッチング孔１５が設けられている。
【００３７】
次に、図２を用いて、図１に示す熱型赤外線固体撮像装置１００の製造方法について簡単に説明する。
まず、図２（ａ）に示すように、シリコン基板１上の検出部３０２に赤外線検知膜６を、また、信号処理回路部３０３に半導体素子２を形成した後に、酸化シリコンからなる絶縁層２０を全面に形成する。絶縁層２０は、２回に分けて形成し、その間にアルミニウムからなる配線層２１が形成される。配線層２１は、アルミニウム層を全面に蒸着した後、パターニングを行って形成する。
続いて、絶縁層２０の所定の位置に開口を設け、更に、シリコンを全面に堆積しパターニングすることにより、検出部３０２のみに犠牲層１４を形成する。
【００３８】
続いて、赤外線検知部５上の犠牲層１４を開口し、窒化シリコンからなるエッチング停止層２２を形成する。エッチング停止層２２も２回に分けて形成することにより、検出部３０２のエッチング停止層２２中に、赤外線吸収膜１２を形成する。
【００３９】
続いて、酸化シリコンからなる層間分離層７を全面に形成し、その上にアルミニウムからなる配線層８を形成する。更に、例えば酸化シリコンからなる保護膜１３を全面に形成する。
【００４０】
次に、信号処理回路部３０３上にレジストマスク（図示せず）を形成し、図２（ｂ）に示すように、検出部３０２の上の保護膜１３を除去し、更に、層間分離層７をエッチングする。
層間分離層７のエッチングは、例えば弗化水素酸溶液を用いたウエットエッチングにより行う。弗化水素酸溶液では、酸化シリコンからなる層間分離層７はエッチングされるが、窒化シリコンからなるエッチング停止層２２はエッチングされないため、エッチング停止層２２の上面でエッチングを停止させることができる。
【００４１】
次に、図２（ｃ）に示すように、ドライエッチングでエッチング孔１５を形成した後、犠牲層１４をエッチングにより除去し、更に、シリコン基板１の一部をエッチングして凹部３を形成する。犠牲層１４の除去、凹部３の形成には、例えばＸｅＦ_２を用いたドライエッチングが用いられる。
この結果、図２（ｃ）に示すような、傘構造部１０を備えた検出部３０２と、信号処理回路部３０３とが同一シリコン基板１上に形成された熱型赤外線固体撮像装置１００が完成する。
【００４２】
熱型赤外線固体撮像装置１００では、傘構造部１０に入射した赤外線が赤外線吸収膜１２に吸収されて熱になる。かかる熱は、脚部１１を通って赤外線検知部５に伝わり、これにより赤外線検知部５の温度が上昇し、赤外線検知膜６の電気特性が変化する。この電気特性の変化は、電気信号の変化として赤外線検知膜６に接続された配線層２１から配線層８を経て信号処理回路部３０３に送られる。信号処理回路部３０３では、かかる電気信号の変化から、赤外線検知部５に入射した赤外線の量を検出する。
【００４３】
熱型赤外線固体撮像装置１００では、特に、支持脚４が層間分離層７を含まない構造となっている。このため、支持脚４の熱コンダクタンスが小さく、赤外線検知部５からシリコン基板１に流出する熱量が少なくなり、赤外線の検出感度が高くなる。
【００４４】
また、赤外線検知部５が層間分離層７を含まず、かつ、傘構造部が保護膜１３を含まないので、赤外線検知部５、および傘構造部１０の厚みは、従来構造（図１４参照）よりも薄くなっている。このため、赤外線検知部５および傘構造部１０の熱容量が小さくなり、赤外線検出器の熱時定数が短くなるため、被写体が素早い動きをする場合にも追跡可能となる。
【００４５】
実施の形態２．
図３は、全体が１１０で示される本実施の形態にかかる熱型赤外線固体撮像装置の断面図である。図３、４は、図１３のＩ−Ｉに相当する位置での断面図である。図３、４中、図１と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
【００４６】
図３に示すように、熱型赤外線固体撮像装置１１０は、信号処理回路部３０３にエッチング停止層２２を含まない点を除いて、上述の熱型赤外線固体撮像装置１００と同じ構造である。
【００４７】
図４を用いて図３に示す熱型赤外線固体撮像装置１１０の製造方法について簡単に説明する。
まず、図４（ａ）に示すように、シリコン基板１上の検出部３０２に赤外線検知膜６を、また、信号処理回路部３０３に半導体素子２を形成した後に、酸化シリコンからなる絶縁層２０を全面に形成する。絶縁層２０は、２回に分けて形成し、その間にアルミニウムからなる配線層２１を形成する。
続いて、絶縁層２０の所定の位置に開口を設け、更に、シリコンを全面に堆積しパターニングすることにより、検出部３０２のみに犠牲層１４を形成する。
【００４８】
続いて、酸化シリコンからなる層間分離層７を全面に形成し、その上にアルミニウムからなる配線層８を形成する。更に、例えば酸化シリコンからなる保護膜１３を全面に形成する。
【００４９】
次に、信号処理回路部３０３上にレジストマスク（図示せず）を形成し、図４（ｂ）に示すように、検出部３０２の上の保護膜１３を除去し、更に、層間分離層７をエッチングする。
層間分離層７のエッチングは、例えば弗化水素酸溶液を用いたウエットエッチングにより行う。弗化水素酸溶液では、酸化シリコンからなる層間分離層７はエッチングされるが、シリコンからなる犠牲層１４はエッチングされないため、犠牲層１４の上面でエッチングを停止させることができる。
【００５０】
次に、図４（ｃ）に示すように、実施の形態１と同様の工程で、犠牲層１４上に傘構造部１０を形成する。続いて、エッチング孔１５を形成した後、例えばＸｅＦ_２ガスを用いたドライエッチングにより、犠牲層１４の除去、凹部３の形成を行う。
これにより、図４（ｃ）に示すような熱型赤外線固体撮像装置１１０が完成する。
【００５１】
熱型赤外線固体撮像装置１１０では、熱型赤外線固体撮像装置１００と同様に、支持脚４が層間分離層７を含まない構造となっている。このため、支持脚４の熱コンダクタンスが小さくなり、赤外線の検出感度が高くなる。
【００５２】
また、赤外線検出部５が層間分離層７を含まず、かつ、傘構造部１０が保護膜１３を含まないため、赤外線検知部５および傘構造部１０の熱容量が小さくなり、赤外線検出器の熱時定数が短くなる。この結果、動作の速い被写体の撮影も可能となる。
【００５３】
また、実施の形態１、２に示す熱型赤外線固体撮像装置１００、１１０において、配線層２１を、不純物濃度が１０^１８ｃｍ^−３以上の多結晶又は非晶質シリコン等の半導体材料から形成しても良い。また、モリブデン、タングステン、チタン、コバルト、白金、タンタル等の高融点金属材料やそのシリサイドから形成しても良い。更には、半導体材料と高融点金属材料やそのシリサイドの積層構造から形成しても良い。
配線層２１を、アルミニウムに代えてかかる融点の高い材料から形成することにより、後の工程で形成される犠牲層１４を、形成温度の高い熱化学気相堆積法（熱ＣＶＤ法）などで形成することができる。
【００５４】
図５は、熱ＣＶＤ法を用いて形成した犠牲層１４（図５（ａ））と、スパッタ法等を用いて形成した犠牲層１４（図５（ｂ））とを比較したものである。
図からわかるように、熱ＣＶＤ法を用いることにより、形成した犠牲層１４の表面の平坦性が向上する。このため、後の製造工程がより容易となる。
【００５５】
実施の形態３．
実施の形態３、４は、検出部３０２の支持脚４、赤外線検出部５に含まれる層間分離層７の膜厚を薄くして、熱型赤外線固体撮像装置１２０、１３０における、赤外線の検出感度を向上させ、検出器の熱時定数を短くするものである。
図６は、全体が１２０で示される本実施の形態にかかる熱型赤外線固体撮像装置の断面図であり、図１３のＩ−Ｉに相当する位置での断面図である。図６中、図１と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
【００５６】
本実施の形態にかかる熱型赤外線固体撮像装置１２０では、検出部３０２の配線層２１と信号処理回路部３０３の配線層８とが、同一工程で形成されている。
即ち、熱型赤外線固体撮像装置１２０では、酸化シリコンからなる層間分離層７をシリコン基板１上に形成する。層間分離層７の膜厚は、半導体素子２と層間分離層７上の配線層８とが、電気的に十分に絶縁できる膜厚とする。
続いて、信号処理回路部３０３に形成したレジストマスク（図示せず）を用いて、検出部３０２の層間分離層７をエッチングしてリセス２３を形成する。
【００５７】
次に、層間分離層７上に、例えばアルミニウム層を形成し、これをパターニングして配線層２１と配線層８を同時に形成する。続いて、酸化シリコンからなる絶縁層２４で配線層２１、配線層８を覆う。
【００５８】
次に、実施の形態１と同様に、犠牲層（図示せず）を形成し、その上に例えば酸化シリコンからなる保護膜１３を形成する。検出部３０２の保護膜１３中には赤外線吸収膜１２が形成される。
【００５９】
次に、保護膜１３の一部をエッチングしてエッチング孔１５を形成した後、実施の形態１と同様に、犠牲層（図示せず）をエッチングにより除去し、更に、シリコン基板１の一部をエッチングして凹部３を形成する。犠牲層１４の除去、凹部６の形成には、例えばＸｅＦ_２を用いたドライエッチングが用いられる。
なお、図１のように、信号処理回路部３０３上の犠牲層を形成してもよい。
【００６０】
本実施の形態にかかる熱型赤外線固体撮像装置１２０では、支持脚４、赤外線検知部５に含まれる層間分離層７の膜厚が、信号処理回路部３０３の層間分離層７より薄くなっている。
このため、支持脚４の熱コンダクタンスが小さく、赤外線検知部５からシリコン基板１に流出する熱量が少なくなり、赤外線の検出感度が高くなる。
また、赤外線検知部５の熱容量が小さいため、赤外線検出器の熱時定数が短くなる。
なお、熱型赤外線固体撮像装置１２０では、傘構造部１０に含まれる保護膜１３の膜厚は、従来構造（図１４）と同程度である。
【００６１】
実施の形態４．
図７は、全体が１３０で示される本実施の形態にかかる熱型赤外線固体撮像装置の断面図であり、図１３のＩ−Ｉに相当する位置での断面図である。図７中、図１と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
【００６２】
本実施の形態にかかる熱型赤外線固体撮像装置１３０では、層間分離層７がエッチング停止層２５を含む以外は、上述の熱型赤外線固体撮像装置１２０と同じ構造である。
【００６３】
熱型赤外線固体撮像装置１３０では、エッチング停止層２５を間に挟むように、シリコン基板１上に層間分離層７を形成する。即ち、シリコン基板１上に、所定膜厚の層間分離層７を形成し、かかる層間分離層７に赤外線検知膜６を形成する。続いて、その上にエッチング停止層２５を形成した後、再度、層間分離層７を形成する。エッチング停止層２５は、例えば窒化シリコンからなる。
【００６４】
続いて、実施の形態３と同様に、信号処理回路部３０３に形成したレジストマスク（図示せず）を用いて、検出部３０２の層間分離層７をエッチングしてリセス２３を形成する。
層間分離層７のエッチングには、例えば弗化水素酸の水溶液によるウエットエッチングを用いる。エッチング停止層２５は弗化水素酸によってエッチングされないため、エッチング停止層２５が露出した時点でエッチングが停止し、リセス２３の深さを精度良く制御できる。
【００６５】
次に、実施の形態３と同様の工程を行うことにより、配線層２１と配線層８を同時に形成し、傘構造部１０、凹部３等を形成する。
【００６６】
本実施の形態にかかる熱型赤外線固体撮像装置１３０では、熱型赤外線固体撮像装置１２０と同様に、支持脚４、赤外線検知部５に含まれる層間分離層７の膜厚が、信号処理回路部３０３の層間分離層７より薄くなる。このため、赤外線の検出感度が高くなる。また、赤外線検知部５の熱容量が小さいため、赤外線検出器の熱時定数が短くなる。
【００６７】
特に、エッチング停止層２５を用いることにより、リセス２３の深さを正確に制御でき、アレイ状に形成された複数の赤外線検出部６に含まれる層間分離層７の膜厚を均一にすることができる。
【００６８】
なお、実施の形態３、４に示した熱型赤外線固体撮像装置１２０、１３０において、次に示す実施の形態５、６と同様に、傘構造部１０に含まれる保護膜１３を、別途エッチングして、薄くすることもできる。
これにより、赤外線検出器の熱時定数を更に短くすることができる。
【００６９】
実施の形態５．
実施の形態５、６は、検出部３０２の傘構造部１０に保護膜１３を形成しないことにより、熱型赤外線固体撮像装置１４０、１５０における、検出器の熱時定数を短くするものである。
図８は、全体が１４０で示される本実施の形態にかかる熱型赤外線固体撮像装置の断面図であり、図１３のＩ−Ｉに相当する位置での断面図である。図８中、図１と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
【００７０】
本実施の形態にかかる熱型赤外線固体撮像装置１４０では、検出部３０２の配線層２１と信号処理回路部３０３の配線層８とが、同一工程で形成されている。
即ち、熱型赤外線固体撮像装置１４０では、酸化シリコンからなる層間分離層７をシリコン基板１上に形成する。層間分離層７の膜厚は、半導体素子２と層間分離層７上の配線層８とが、電気的に十分に絶縁できる膜厚とする。
【００７１】
次に、層間分離層７上に、例えばアルミニウム層を形成し、これをパターニングして配線層２１と配線層８を同時に形成する。続いて、酸化シリコンからなる絶縁層２４で配線層２１、配線層８を覆う。
【００７２】
次に、実施の形態１と同様に、犠牲層（図示せず）を形成し、その上に窒化シリコンからなるエッチング停止層２６を形成する。傘構造部１０のエッチング停止層２６中には、実施の形態１と同様に、赤外線吸収膜１２を形成する。
更に、その上に例えば酸化シリコンからなる保護膜１３を形成する。
【００７３】
次に、信号処理回路部３０３上に形成したレジストマスク（図示せず）を用いて、傘構造部１０上の保護膜１３をエッチングする。保護膜１３のエッチングは、例えば、弗化水素酸の水溶液を用いたウエットエッチングにより行なわれる。保護膜１３のエッチングは、エッチング停止層２６が露出した時点で停止する。
【００７４】
次に、実施の形態１と同様に、エッチング孔１５を形成した後、犠牲層（図示せず）をエッチングにより除去し、更に、シリコン基板１の一部をエッチングして凹部３を形成する。犠牲層１４の除去、凹部３の形成には、例えばＸｅＦ_２を用いたドライエッチングが用いられる。
なお、図１のように、信号処理回路部３０３上の犠牲層１４はなくてもよい。
【００７５】
本実施の形態にかかる熱型赤外線固体撮像装置１４０では、傘構造部１０に含まれる保護膜が除去されているため傘構造部１０の熱容量が小さくなり、赤外線検出器の熱時定数が短くなる。
なお、熱型赤外線固体撮像装置１４０では、支持脚４、赤外線検知部５に含まれる層間分離層７の膜厚は、従来構造（図１４）と同程度である。
【００７６】
実施の形態６．
図９は、全体が１５０で示される本実施の形態にかかる熱型赤外線固体撮像装置の断面図であり、図１３のＩ−Ｉに相当する位置での断面図である。図９中、図１と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
【００７７】
熱型赤外線固体撮像装置１５０では、エッチング停止層２６を形成せず、吸収部保護膜中に、エッチングストッパとしても機能する赤外線吸収膜１２を形成する。これ以外の構造は、上述の熱型赤外線固体撮像装置１４０と同じである。
実施の形態５と同様に、信号処理回路部３０３上に形成したレジストマスク（図示せず）を用いて、傘構造部１０上の保護膜１３をエッチングする。保護膜１３のエッチングは、例えば、弗化水素酸の水溶液を用いたウエットエッチングにより行なわれる。この時点では、検出部３０２の全面に赤外線吸収膜が残してあるため、保護膜１３のエッチングは、例えば、窒化タングステンからなる赤外線吸収膜１２が露出した時点で停止する。次に、赤外線吸収膜１２を所定の位置に残して、その上に吸収部保護膜を形成する。
【００７８】
本実施の形態にかかる熱型赤外線固体撮像装置１５０では、傘構造部１０上の保護膜１３が除去されているため傘構造部１０の熱容量が小さくなり、赤外線検出器の熱時定数が短くなる。なお、支持脚４、赤外線検知部５に含まれる層間分離層７の膜厚は、従来構造（図１４）と同程度である。
【００７９】
実施の形態７．
上述の実施の形態１〜６にかかる熱型赤外線固体撮像装置の製造に用いるシリコン基板１としては、図１０（ａ）に示すようなＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板３０を用いることができる。
ＳＯＩ基板３０は、シリコン基板３１と、その上に順次積層された酸化シリコン層（ＢＯＸ層）３２、シリコン層（ＳＯＩ層）３３からなる。例えば、ｐｎ接合ダイオードからなる赤外線検知膜６をシリコン層３３に、半導体素子２をシリコン層３３もしくはシリコン基板３１に形成し、続いて上述の工程が行なわれて、熱型赤外線固体撮像装置が完成する。
【００８０】
赤外線検知膜６もしくは半導体素子２を形成する領域を、他の領域と絶縁するために、図１０（ｂ）に示すように、所定領域のシリコン層３３を残して周囲を酸化してシリコン酸化膜３４としても良い。
【００８１】
また、図１０（ｃ）に示すように、所定領域のシリコン層３３をメサ型に残して周囲をエッチングで除去しても良い。
【００８２】
特に、図１０（ｃ）に示すようなＳＯＩ基板３６を用いることにより、図１０（ｂ）に示すＳＯＩ基板３５を用いる場合に比べて、支持脚４、赤外線検知部５がシリコン酸化膜３４を含まない構造となる。
このため、支持脚４の熱コンダクタンスを小さくでき、赤外線検出感度の高い赤外線検出器を得ることができる。更に、赤外線検知部５の熱容量を小さくできるので、熱時定数の短い赤外線検出器を得ることができる。
【００８３】
実施の形態８．
上述の実施の形態１〜６にかかる熱型赤外線固体撮像装置の製造に用いるシリコン基板１としては、図１１（ｄ）に示すようなＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板４５を用いることができる。
ＳＯＩ基板４５は、シリコン基板４１と、その上に順次積層された酸化シリコン層（ＢＯＸ層（Buried Oxide層））４２、シリコン層（ＳＯＩ層）４３からなる。例えば、ｐｎ接合ダイオードからなる赤外線検知膜６をシリコン層４３に、半導体素子２をシリコン層４３もしくはシリコン基板４１に形成し、続いて上述の工程が行なわれて、熱型赤外線固体撮像装置が完成する。
【００８４】
図１１（ｄ）のＳＯＩ基板４５では、赤外線検知膜６もしくは半導体素子２を形成する領域を他の領域と絶縁するために、所定領域のシリコン層４３を残して周囲のシリコン層４３、酸化シリコン層４２がエッチングにより除去されている。
図１１（ｄ）のＳＯＩ基板４５は、図１１（ａ）のＳＯＩ基板４０を加工して作製される。
【００８５】
作製方法は、図１１（ｂ）に示すように、所定領域のシリコン層４３を残して周囲を酸化してシリコン酸化層４４とした後に、シリコン酸化層４４、酸化シリコン層４２をエッチングしても良い。
【００８６】
また、図１１（ｃ）に示すように、所定領域のシリコン層４３をメサ型に残して周囲をエッチングで除去し、更に、酸化シリコン層４２をエッチングしても良い。
【００８７】
図１１（ｄ）に示すようなＳＯＩ基板４５を用いることにより、支持脚４、赤外線検知部５がシリコン酸化層４４に加えて、酸化シリコン層４２を含まない構造となる。このため、支持脚４の熱コンダクタンスを小さくでき、赤外線検出感度の高い赤外線検出器を得ることができる。更に、赤外線検知部５の熱容量を小さくできるので、熱時定数の短い赤外線検出器を得ることができる。
【００８８】
なお、実施の形態７、８に示したＳＯＩ基板３５、３６、４５は、図１４に示す従来構造の熱型赤外線固体撮像装置３００に適用することもできる。これにより、赤外線の検出感度を向上させ、検出器の熱時定数を短くすることができる。
【００８９】
実施の形態１〜８および、図１４に示す従来構造の熱型赤外線固体撮像装置３００において、配線層２１だけでなく、配線層８を不純物濃度が１０^１８ｃｍ^−３以上の多結晶又は非晶質シリコン等の半導体材料、若しくはモリブデン、タングステン、チタン、コバルト、白金、タンタル等の高融点金属及びそのシリサイド膜、または、半導体材料と高融点金属やそのシリサイド膜の積層構造から形成しても構わない。
これにより、犠牲層１４の形成に、熱ＣＶＤ法等の成膜温度の高い製造方法を用いることができる。
熱ＣＶＤ法を用いることにより、形成した犠牲層１４の表面の平坦性が向上する。このため、後の製造工程がより容易になる。
【００９０】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明にかかる熱型赤外線固体撮像装置では、赤外線の検出感度が高くなる。
【００９１】
また、本発明にかかる熱型赤外線固体撮像装置では、熱時定数が短くなり、動きの素早い被写体の撮影も可能となる。
【００９２】
また、本発明にかかる熱型赤外線固体撮像装置の製造方法では、犠牲層の表面平坦となり、製造工程が簡単となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる熱型赤外線固体撮像装置の断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１にかかる熱型赤外線固体撮像装置の製造工程図である。
【図３】本発明の実施の形態２にかかる熱型赤外線固体撮像装置の断面図である。
【図４】本発明の実施の形態２にかかる熱型赤外線固体撮像装置の製造工程図である。
【図５】犠牲層の形状を比較した図である。
【図６】本発明の実施の形態３にかかる熱型赤外線固体撮像装置の断面図である。
【図７】本発明の実施の形態４にかかる熱型赤外線固体撮像装置の断面図である。
【図８】本発明の実施の形態５にかかる熱型赤外線固体撮像装置の断面図である。
【図９】本発明の実施の形態６にかかる熱型赤外線固体撮像装置の断面図である。
【図１０】本発明の実施の形態７にかかるＳＯＩ基板の断面図である。
【図１１】本発明の実施の形態８にかかるＳＯＩ基板の断面図である。
【図１２】従来の熱型赤外線固体撮像装置の斜視図である。
【図１３】従来の熱型赤外線固体撮像装置に含まれる赤外線検出部の拡大図である。
【図１４】従来の熱型赤外線固体撮像装置の断面図である。
【図１５】従来の熱型赤外線固体撮像装置の製造工程図である。
【符号の説明】
１シリコン基板、２半導体素子、３凹部、４支持脚、５赤外線検知部、６赤外線検知膜、７層間分離層、８配線層、１０傘構造部、１１脚部、１２赤外線吸収膜、１３保護膜、１４犠牲層、１５エッチング孔、２０絶縁層、２１配線層、２２エッチング停止層、１００熱型赤外線固体撮像装置。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a thermal infrared solid-state imaging device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a thermal infrared solid-state imaging device in which a signal processing circuit unit and an infrared detection unit are formed on the same substrate and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
FIG. 12 is a perspective view of a conventional thermal infrared solid-state imaging device, generally designated 300 (Ishikawa et al., “Performance of 320 × 240 Uncooled IRFPA with SOI Diode Detectors”, Proc. SPIE 4130, p.153). (2000)). As illustrated, the thermal infrared solid-state imaging device 300 includes a silicon substrate 301. On the silicon substrate 301, a thermal infrared detector 200 is arranged in 3 rows × 3 columns, and a detection unit (array detection unit) 302, and an electrical signal output from the thermal infrared detector 200 is processed to externally And a signal processing circuit unit 303 for outputting to the signal. Each thermal infrared detector 200 included in the detection unit 302 and the signal processing circuit unit 303 are connected by a wiring layer 304.
[0003]
FIG. 13 is an enlarged view of the thermal infrared detector 200 of FIG. The thermal infrared detector 200 includes an infrared detector 306 that is held hollow by a support leg 305. In the drawing, the hatched area is etched to form a recess (not shown). A metal wire 308 is provided on the support leg 305 to electrically connect the wiring layer 304 and the infrared detection film 309.
[0004]
FIG. 14 is a cross-sectional view taken along the line II of FIG. As shown in FIG. 14, the thermal infrared detector 200 includes a silicon substrate 201 (a part of the silicon substrate 301).
The silicon substrate 201 of the signal processing circuit unit 303 is provided with a MOS type semiconductor element 202. The detection unit 302 of the silicon substrate 201 is provided with a recess (cavity) 203, and the infrared detection unit 205 supported by the support legs 204 is provided on the recess 203. The infrared detection unit 205 is provided with an infrared detection film 206 made of, for example, a bolometer material. In the detection unit 302 and the signal processing circuit unit 303, an interlayer separation layer 207 is provided, and a wiring layer 208 and an insulating layer 209 are provided thereon.
An umbrella structure unit 210 is provided on the infrared detection unit 205. The umbrella structure part 210 includes a leg part 211, and an infrared absorption film 212 and a protective film 213 are formed on the leg part 211. On the other hand, a sacrificial layer 214 and a protective film 213 are formed on the signal processing circuit portion 303. Etching holes 215 are provided between the thermal infrared detectors 200 included in the detection unit 302.
[0005]
Next, a method for manufacturing the thermal infrared solid-state imaging device 300 shown in FIG. 14 will be briefly described with reference to FIG.
First, as shown in FIG. 15A, an infrared detection film 206 is formed on the detection unit 302 on the silicon substrate 201, and a semiconductor element 202 is formed on the signal processing circuit unit 303, and then an interlayer separation layer made of silicon oxide. 207 is formed on the entire surface. An aluminum wiring layer 208 is formed on the interlayer isolation layer 207. In this process, the wiring layers 208 of both the detection unit 302 and the signal processing circuit unit 303 are formed simultaneously.
[0006]
Next, as shown in FIG. 15B, after covering the wiring layer 208 with an insulating layer 209 made of silicon oxide, a predetermined region of the interlayer separation layer 207 is opened, and a sacrificial layer 214 made of silicon is further formed. Form.
Furthermore, a predetermined position of the sacrificial layer 214 is opened, and the umbrella structure 210 supported by the legs 211 is formed. An infrared absorption film 212 is formed on the umbrella structure 210, and a protective film 213 made of silicon nitride is formed so as to cover the infrared absorption film 212. In this step, a protective film 213 that covers both the detection unit 302 and the signal processing circuit unit 303 is formed at the same time. Subsequently, an etching hole 215 for removing the sacrifice layer 214 and the like is formed.
[0007]
Finally, as shown in FIG. 15C, the sacrificial layer 214 is removed through the etching hole 215, and further, a part of the silicon substrate 201 is etched to form a recess 203, which is supported by the support legs 204. Infrared detector 205 is formed. By performing the above manufacturing process, the thermal infrared solid-state imaging device 300 shown in FIG. 14 is completed.
[0008]
In the thermal infrared solid-state imaging device 300, infrared light that has entered the umbrella structure 210 is absorbed by the infrared absorption film 212 and is transmitted to the infrared detection unit 205 as heat. As a result, the temperature of the infrared detection film 206 rises, and the electrical characteristics of the infrared detection film 206 change. This change in electrical characteristics is converted into an electrical signal, which is sent to the signal processing circuit unit 303 through the wiring layer 208 connected to the infrared detection film 206, and the amount of infrared rays incident on the umbrella structure unit 206 is detected.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the thermal infrared solid-state imaging device 300 shown in FIG. 14, as described above, the interlayer separation layer 207 and the protective film 213 included in the support leg 204 and the infrared detection unit 205 are included in the signal processing circuit unit 303. Since the isolation layer 207 and the protective film 213 are formed at the same time, the interlayer isolation layer 207 and the protective film 213 are thickened. That is, the film thickness of the interlayer separation layer 207 is such that the insulation isolation between the semiconductor element 202 and the wiring layer 208 included in the signal processing circuit portion 303 is sufficient. The film thickness is larger than that required to separate the infrared detection film 206 and the wiring layer 208 included in the detection unit 205. The film thickness of the protective film 213 necessary for protecting the signal processing circuit unit 303 is larger than the film thickness of the protective film 213 necessary for protecting the surface of the umbrella structure unit 210.
[0010]
For this reason, first, since the thermal conductance of the support leg 204 is increased, the amount of heat escaping from the infrared detection unit 205 to the silicon substrate 201 is increased, and the infrared detection sensitivity is lowered.
Second, since the thermal capacity of the umbrella structure portion 213 is increased, the thermal time constant of the thermal infrared detector 200 is increased, and a fast-moving subject cannot be photographed.
Third, since the wiring layer 208 is formed of aluminum which has a melting point of about 660 ° C. but deteriorates at 450 ° C. or higher, a thermal CVD method with excellent surface flatness for forming the sacrificial layer 214. Could not be used, and the underlying step could not be satisfactorily covered.
Accordingly, an object of the present invention is to provide a thermal infrared solid-state imaging device having high infrared detection sensitivity and a short thermal time constant.
It is another object of the present invention to provide a method for manufacturing a thermal infrared solid-state imaging device comprising simple steps.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The present invention relates to a method for manufacturing a thermal infrared solid-state imaging device in which an infrared detector is supported by a support leg on a recess formed in a silicon substrate, and a silicon substrate having a detection region and a processing region is prepared. A step of forming an infrared detection film on the detection region on the silicon substrate and a semiconductor element on the processing region; and an insulating layer covering the infrared detection film and the semiconductor element on the silicon substrate. Forming a sacrificial layer covering the insulating layer on the detection region, sequentially laminating an interlayer separation layer and a protective film on the silicon substrate, and the interlayer on the sacrificial layer A removal step of selectively removing the separation layer and the protective film, a step of forming an umbrella structure including an infrared absorption film on the sacrificial layer on the detection region, and a selective removal of the sacrificial layer And placing the umbrella structure on the insulating layer Etching the silicon substrate in the detection region to form a recess, and a supporting leg made of the insulating layer, and an infrared detecting part made of the insulating layer including the infrared detecting film and supported by the supporting leg. A method of manufacturing the thermal-type infrared solid-state imaging device.
By using this manufacturing method, the insulating layer (insulating layer in the detection region) included in the support leg, the infrared detection unit, or the like can be made thinner than the interlayer separation layer in the processing region. For this reason, the thermal conductance of the support leg and the heat capacity of the infrared detector are reduced. As a result, the amount of heat that escapes from the infrared detection unit to the silicon substrate is reduced, and the infrared detection sensitivity can be increased.
Furthermore, the thermal time constant of the thermal infrared detector is shortened, and a fast-moving subject can be photographed.
[0012]
The removing step may be a step of selectively etching the interlayer separation layer and the protective film using an etching stopper layer formed on the sacrificial layer as an etching stopper.
This is because the interlayer separation layer and the protective film on the sacrificial layer can be accurately removed.
[0013]
The umbrella structure portion includes the etching stop layer and the infrared absorbing film formed in the etching stop layer, and after forming the umbrella structure portion on the sacrificial layer, the umbrella structure portion is etched with an etching stopper. May be used to perform the removal step.
This is because the umbrella structure also serves as an etching stopper, thereby simplifying the manufacturing process.
[0014]
The present invention also relates to a method for manufacturing a thermal infrared solid-state imaging device in which an infrared detection unit is supported by a support leg on a recess formed in a silicon substrate, and the silicon substrate having a detection region and a processing region is provided. A preparation step; an infrared detection film on the detection region on the silicon substrate; a semiconductor element on the processing region; and a step of covering the infrared detection film and the semiconductor element on the silicon substrate. Forming an interlayer isolation layer; thinning a layer by selectively etching the interlayer isolation layer on the detection region; and forming a sacrificial layer covering the interlayer isolation layer on the detection region A step of forming an umbrella structure part including an infrared absorption film on the sacrificial layer; and selectively removing the sacrificial layer to form the umbrella structure part on the interlayer separation layer. A step of placing, and etching the silicon substrate in the detection region Forming a recess to form a recess, and forming on the recess a support leg made of the interlayer separation layer and an infrared detection part made of the interlayer separation layer including the infrared detection film and supported by the support leg. And a method for manufacturing a thermal infrared solid-state imaging device.
By using such a manufacturing method, the interlayer separation layer (interlayer separation layer in the detection region) included in the support leg, the infrared detector, or the like can be made thinner than the interlayer separation layer in the processing region.
For this reason, the thermal conductance of the support leg and the heat capacity of the infrared detector are reduced. As a result, the amount of heat that escapes from the infrared detection unit to the silicon substrate is reduced, and the infrared detection sensitivity can be increased.
Furthermore, the thermal time constant of the thermal infrared detector is shortened, and a fast-moving subject can be photographed.
[0015]
The thinning step may be a step of forming an etching stop layer in the interlayer separation film on the infrared detection film and etching the interlayer separation film using the etching stop layer as an etching stopper.
This is because the interlayer separation layer can be thinned with an accurate film thickness.
Such an etching stopper layer also serves as a protective film for the infrared detection film.
[0016]
Furthermore, after the said umbrella structure part formation process, the process of forming a protective film on the said interlayer isolation film on this process area | region may be included.
[0017]
The present invention also relates to a method for manufacturing a thermal infrared solid-state imaging device in which an infrared detection unit is supported by a support leg on a recess formed in a silicon substrate, and the silicon substrate having a detection region and a processing region is provided. A preparation step; an infrared detection film on the detection region on the silicon substrate; a semiconductor element on the processing region; and a step of covering the infrared detection film and the semiconductor element on the silicon substrate. Forming an interlayer isolation layer, forming a sacrificial layer covering at least the interlayer isolation layer on the detection region, an etching stop layer on the sacrificial layer on the detection region, and in the etching stop layer A step of forming an umbrella structure including an infrared absorption film formed on the substrate, a step of forming a protective film on the silicon substrate, and using the etching stopper layer as an etching stopper, Protective film A step of selectively removing, a step of selectively removing the sacrificial layer, placing the umbrella structure on the interlayer separation layer, and etching the silicon substrate in the detection region to form a recess. And forming a support leg made of the interlayer separation layer and an infrared detection part made of the interlayer separation layer containing the infrared detection film and supported by the support leg on the recess. It is also a manufacturing method of a thermal infrared solid-state imaging device.
By using this manufacturing method, the heat capacity of the umbrella structure can be reduced. As a result, the thermal time constant of the thermal infrared detector is shortened, and a fast moving subject can be photographed.
[0018]
The present invention also relates to a method for manufacturing a thermal infrared solid-state imaging device in which an infrared detection unit is supported by a support leg on a recess formed in a silicon substrate, and the silicon substrate having a detection region and a processing region is provided. A preparation step; an infrared detection film on the detection region on the silicon substrate; a semiconductor element on the processing region; and a step of covering the infrared detection film and the semiconductor element on the silicon substrate. Forming an interlayer isolation layer; forming a sacrificial layer covering at least the interlayer isolation layer on the detection region; and forming an umbrella structure including an infrared absorption film on the sacrificial layer on the detection region A step of forming a protective film on the silicon substrate, a step of selectively removing the protective film on the umbrella structure using the infrared absorption film as an etching stopper, and a step of forming the sacrificial layer Selectively remove the interlayer Placing the umbrella structure on the delamination; etching the silicon substrate in the detection region to form a recess; supporting legs comprising the interlayer separation layer; and the interlayer separation including the infrared detection film It is also a method for manufacturing a thermal infrared solid-state imaging device, comprising a step of forming, on the concave portion, an infrared detecting portion made of a layer and supported by the supporting leg.
By using this manufacturing method, the heat capacity of the umbrella structure can be reduced. As a result, the thermal time constant of the thermal infrared detector is shortened, and a fast moving subject can be photographed.
[0019]
The silicon substrate is preferably an SOI substrate in which a silicon layer is formed on a silicon substrate via a silicon oxide layer.
By using such a substrate, for example, a pn junction diode formed in the silicon layer can be used as an infrared detection film and can be manufactured by a general silicon process.
[0020]
It may include a step of removing at least the silicon layer in the detection region.
This is because the thermal conductance and heat capacity of the detection area are reduced, so the amount of heat that escapes from the infrared detector to the silicon substrate is reduced, and the infrared detection sensitivity can be increased, and the thermal time constant of the thermal infrared detector is short. This is because a fast-moving subject can be shot.
[0021]
It may include a step of removing at least the silicon oxide layer in the detection region.
This is because the thermal conductance and heat capacity of the detection area are reduced, so the amount of heat that escapes from the infrared detector to the silicon substrate is reduced, and the infrared detection sensitivity can be increased, and the thermal time constant of the thermal infrared detector is short. This is because a fast-moving subject can be shot.
[0022]
The sacrificial layer is preferably made of one material selected from silicon and polyimide.
This is because selective etching is facilitated by using such a material.
[0023]
The etching stop layer is preferably made of a silicon nitride layer.
[0024]
The method may include a step of forming a connection wiring that electrically connects the infrared detection film and the processing region.
[0025]
It is preferable that the connection wiring includes conductive silicon and / or a refractory metal, and the sacrificial layer is formed by a thermal chemical vapor deposition method.
By using the material for the connection wiring, a thermal chemical vapor deposition method at a high temperature of, for example, about 600 ° C. can be applied to the formation process of the sacrificial layer after the connection wiring is formed. As a result, the flatness of the surface of the sacrificial layer is improved, the underlying step can be satisfactorily covered, and the subsequent steps are facilitated.
[0026]
Furthermore, a step of forming circuit wiring containing conductive silicon and / or a refractory metal in the processing region may be included.
[0027]
Further, the present invention is a thermal infrared solid-state imaging device in which a detection unit and a signal processing unit for processing a signal sent from the detection unit are provided on the same silicon substrate,
a) a signal processing unit including a semiconductor element provided on a silicon substrate, and circuit wiring provided on the semiconductor element via an interlayer isolation layer;
b) a detection unit including an infrared detection unit supported by a support leg on a recess provided in the silicon substrate, the support leg and the infrared detection unit including an insulating film having a predetermined thickness; An infrared detection film provided in the infrared detection unit and the signal processing unit, a detection unit connected by a connection wiring passing through the support leg;
c) an infrared absorption part including an infrared absorption film provided on the detection part, including an infrared absorption part that converts infrared rays into heat and transmits the heat to the detection part;
The thermal infrared solid-state imaging device is characterized in that the thickness of the insulating film is smaller than the thickness of the interlayer separation layer.
By making the film thickness of the insulating layer (insulating layer in the detection region) included in the support leg, infrared detection unit, etc. smaller than the film thickness of the interlayer separation layer in the processing region, the thermal conductance of the support leg and the heat capacity of the infrared detection unit Becomes smaller. As a result, the amount of heat that escapes from the infrared detector to the silicon substrate is reduced, and the infrared detection sensitivity can be increased.
Furthermore, the thermal time constant of the thermal infrared detector is shortened, and a fast-moving subject can be photographed.
[0028]
Further, the present invention is a thermal infrared solid-state imaging device in which a detection unit and a signal processing unit for processing a signal sent from the detection unit are provided on the same silicon substrate,
a) a signal processing unit including a semiconductor element provided on a silicon substrate, a circuit wiring provided on the semiconductor element via an interlayer isolation layer, and a circuit protection film provided on the circuit wiring;
b) a detection unit including an infrared detection unit supported by a support leg on a recess provided in the silicon substrate, the support leg and the infrared detection unit including an insulating film having a predetermined thickness; An infrared detection film provided in the infrared detection unit and the signal processing unit, a detection unit connected by a connection wiring passing through the support leg;
c) An infrared absorption unit including an infrared absorption film provided on the detection unit and an absorption unit protective film provided on the infrared absorption film, which converts infrared rays into heat and transmits the heat to the detection unit. Including an infrared absorber,
It is also a thermal infrared solid-state imaging device characterized in that the film thickness of the absorber protective film is smaller than the film thickness of the circuit protective film.
By making the film thickness of the absorption part protective film smaller than the film thickness of the circuit protective film, the heat capacity of the umbrella structure part can be reduced. As a result, the thermal time constant of the thermal infrared detector is shortened, and a fast moving subject can be photographed.
[0029]
An etching stop layer may be included between the semiconductor substrate and the interlayer isolation layer or between the interlayer isolation layer and the circuit protective film.
[0030]
The silicon substrate is preferably an SOI substrate in which a silicon layer is formed on a silicon substrate via a silicon oxide layer.
By using such a substrate, for example, a pn junction diode formed in the silicon layer can be used as an infrared detection film and can be manufactured by a general silicon process.
[0031]
At least the silicon layer of the detection unit may be removed.
This is because the thermal conductance and heat capacity of the detector are reduced, so the amount of heat that escapes from the infrared detector to the silicon substrate is reduced, and the infrared detection sensitivity can be increased, and the thermal time constant of the thermal infrared detector is short. This is because a fast-moving subject can be shot.
[0032]
At least the silicon oxide layer of the detection unit may be removed.
This is because the thermal conductance and heat capacity of the detector are reduced, so the amount of heat that escapes from the infrared detector to the silicon substrate is reduced, and the infrared detection sensitivity can be increased, and the thermal time constant of the thermal infrared detector is short. This is because a fast-moving subject can be shot.
[0033]
The absorption part protective film may be an etching stopper layer.
[0034]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a cross-sectional view of a thermal infrared solid-state imaging device according to the present embodiment, indicated as a whole by 100. The thermal infrared solid-state imaging device 100 has almost the same external structure as the thermal infrared solid-state imaging device 300 shown in FIGS. 12 and 13, and FIG. 1 is a cross-sectional view at a position corresponding to II in FIG. is there.
[0035]
As shown in FIG. 1, the thermal infrared solid-state imaging device 100 includes a silicon substrate 1.
A MOS type semiconductor element 2 is provided on the silicon substrate 1 of the signal processing circuit unit 303. A wiring layer connected to the electrode of the semiconductor element 2 is also formed.
The detection part 302 of the silicon substrate 1 is provided with a recess (hollow part) 3, and the infrared detection part 5 supported by the support leg 4 is provided on the recess 3. The infrared detector 5 includes, for example, a pn junction element such as a diode, a bolometer such as vanadium oxide (VOx), and BST (BaSrTiO). ₃ An infrared detection film 6 made of a material whose electrical characteristics change with temperature, such as a pyroelectric material such as). The detection unit 302 and the signal processing circuit unit 303 are provided with an insulating layer 20 made of, for example, silicon oxide and a wiring layer 21 made of, for example, aluminum. The wiring layer 21 also serves as an infrared reflecting film.
An umbrella structure 10 is provided on the infrared detection unit 5. The umbrella structure portion 10 includes leg portions 11 made of, for example, silicon nitride. An infrared absorption film 12 covered with an etching stop layer 22 made of silicon nitride is formed on the leg 11.
[0036]
On the other hand, the insulating layer 20 is provided on the signal processing circuit unit 303 as described above, and the etching stop layer 22 is formed thereon. On the etching stop layer 22, for example, an interlayer separation layer 7 made of silicon oxide, a wiring layer 8 made of aluminum, and a protective film 13 are formed. Etching holes 15 are provided between the respective umbrella structures 10 included in the detection unit 302.
[0037]
Next, a method for manufacturing the thermal infrared solid-state imaging device 100 shown in FIG. 1 will be briefly described with reference to FIG.
First, as shown in FIG. 2A, after the infrared detection film 6 is formed on the detection unit 302 on the silicon substrate 1 and the semiconductor element 2 is formed on the signal processing circuit unit 303, the insulating layer 20 made of silicon oxide is formed. Is formed on the entire surface. The insulating layer 20 is formed in two steps, and a wiring layer 21 made of aluminum is formed therebetween. The wiring layer 21 is formed by depositing an aluminum layer over the entire surface and then performing patterning.
Subsequently, an opening is provided at a predetermined position of the insulating layer 20, and further, the sacrificial layer 14 is formed only on the detection portion 302 by depositing and patterning silicon on the entire surface.
[0038]
Subsequently, the sacrificial layer 14 on the infrared detector 5 is opened, and an etching stop layer 22 made of silicon nitride is formed. The infrared-absorbing film 12 is formed in the etching stopper layer 22 of the detection unit 302 by forming the etching stopper layer 22 in two steps.
[0039]
Subsequently, an interlayer separation layer 7 made of silicon oxide is formed on the entire surface, and a wiring layer 8 made of aluminum is formed thereon. Further, a protective film 13 made of, for example, silicon oxide is formed on the entire surface.
[0040]
Next, a resist mask (not shown) is formed on the signal processing circuit unit 303, and as shown in FIG. 2B, the protective film 13 on the detection unit 302 is removed, and the interlayer separation layer 7 is further removed. Etch.
Etching of the interlayer separation layer 7 is performed, for example, by wet etching using a hydrofluoric acid solution. In the hydrofluoric acid solution, the interlayer separation layer 7 made of silicon oxide is etched, but the etching stop layer 22 made of silicon nitride is not etched. Therefore, the etching can be stopped on the upper surface of the etching stop layer 22.
[0041]
Next, as shown in FIG. 2C, after forming the etching hole 15 by dry etching, the sacrificial layer 14 is removed by etching, and a part of the silicon substrate 1 is etched to form the recess 3. . For removing the sacrificial layer 14 and forming the recess 3, for example, XeF ₂ Dry etching using is used.
As a result, as shown in FIG. 2C, the thermal infrared solid-state imaging device 100 in which the detection unit 302 including the umbrella structure unit 10 and the signal processing circuit unit 303 are formed on the same silicon substrate 1 is completed. To do.
[0042]
In the thermal infrared solid-state imaging device 100, the infrared rays that have entered the umbrella structure 10 are absorbed by the infrared absorption film 12 and become heat. Such heat is transmitted to the infrared detection unit 5 through the leg portion 11, thereby increasing the temperature of the infrared detection unit 5 and changing the electrical characteristics of the infrared detection film 6. This change in electrical characteristics is sent as an electrical signal change from the wiring layer 21 connected to the infrared detection film 6 to the signal processing circuit unit 303 via the wiring layer 8. The signal processing circuit unit 303 detects the amount of infrared light incident on the infrared detection unit 5 from the change in the electrical signal.
[0043]
In the thermal infrared solid-state imaging device 100, in particular, the support leg 4 has a structure not including the interlayer separation layer 7. For this reason, the thermal conductance of the support leg 4 is small, the amount of heat flowing out from the infrared detector 5 to the silicon substrate 1 is reduced, and the infrared detection sensitivity is increased.
[0044]
Moreover, since the infrared detection part 5 does not contain the interlayer separation layer 7, and the umbrella structure part does not contain the protective film 13, the thickness of the infrared detection part 5 and the umbrella structure part 10 is a conventional structure (refer FIG. 14). It is thinner than. For this reason, the heat capacities of the infrared detector 5 and the umbrella structure 10 are reduced, and the thermal time constant of the infrared detector is shortened. Therefore, even when the subject moves quickly, it is possible to track.
[0045]
Embodiment 2. FIG.
FIG. 3 is a cross-sectional view of the thermal infrared solid-state imaging device according to the present embodiment denoted as a whole by 110. 3 and 4 are cross-sectional views at positions corresponding to II in FIG. 3 and 4, the same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same or corresponding parts.
[0046]
As shown in FIG. 3, the thermal infrared solid-state imaging device 110 has the same structure as the thermal infrared solid-state imaging device 100 described above except that the signal processing circuit unit 303 does not include the etching stop layer 22.
[0047]
A method of manufacturing the thermal infrared solid-state imaging device 110 shown in FIG. 3 will be briefly described with reference to FIG.
First, as shown in FIG. 4A, after the infrared detection film 6 is formed on the detection unit 302 on the silicon substrate 1 and the semiconductor element 2 is formed on the signal processing circuit unit 303, the insulating layer 20 made of silicon oxide is formed. Is formed on the entire surface. The insulating layer 20 is formed in two steps, and a wiring layer 21 made of aluminum is formed therebetween.
Subsequently, an opening is provided at a predetermined position of the insulating layer 20, and further, the sacrificial layer 14 is formed only on the detection portion 302 by depositing and patterning silicon on the entire surface.
[0048]
Subsequently, an interlayer separation layer 7 made of silicon oxide is formed on the entire surface, and a wiring layer 8 made of aluminum is formed thereon. Further, a protective film 13 made of, for example, silicon oxide is formed on the entire surface.
[0049]
Next, a resist mask (not shown) is formed on the signal processing circuit unit 303, and as shown in FIG. 4B, the protective film 13 on the detection unit 302 is removed, and the interlayer separation layer 7 is further removed. Etch.
Etching of the interlayer separation layer 7 is performed, for example, by wet etching using a hydrofluoric acid solution. In the hydrofluoric acid solution, the interlayer separation layer 7 made of silicon oxide is etched, but the sacrificial layer 14 made of silicon is not etched. Therefore, the etching can be stopped on the upper surface of the sacrificial layer 14.
[0050]
Next, as shown in FIG. 4C, the umbrella structure 10 is formed on the sacrificial layer 14 in the same process as in the first embodiment. Subsequently, after forming the etching hole 15, for example, XeF ₂ The sacrificial layer 14 is removed and the recess 3 is formed by dry etching using a gas.
Thereby, the thermal infrared solid-state imaging device 110 as shown in FIG. 4C is completed.
[0051]
In the thermal infrared solid-state imaging device 110, as in the thermal infrared solid-state imaging device 100, the support leg 4 does not include the interlayer separation layer 7. For this reason, the thermal conductance of the support leg 4 is reduced, and the infrared detection sensitivity is increased.
[0052]
Further, since the infrared detector 5 does not include the interlayer separation layer 7 and the umbrella structure 10 does not include the protective film 13, the heat capacities of the infrared detector 5 and the umbrella structure 10 are reduced, and the heat of the infrared detector is reduced. The time constant is shortened. As a result, a fast-moving subject can be taken.
[0053]
In the thermal infrared solid-state imaging devices 100 and 110 shown in the first and second embodiments, the wiring layer 21 has an impurity concentration of 10 ¹⁸ cm ^-3 You may form from semiconductor materials, such as the above polycrystalline or amorphous silicon. Alternatively, it may be formed from a refractory metal material such as molybdenum, tungsten, titanium, cobalt, platinum, or tantalum or a silicide thereof. Further, a stacked structure of a semiconductor material and a refractory metal material or a silicide thereof may be used.
By forming the wiring layer 21 from a material having a high melting point instead of aluminum, the sacrificial layer 14 formed in a later step is formed by a thermal chemical vapor deposition method (thermal CVD method) having a high formation temperature. can do.
[0054]
FIG. 5 shows a comparison between the sacrificial layer 14 (FIG. 5A) formed using the thermal CVD method and the sacrificial layer 14 (FIG. 5B) formed using the sputtering method or the like.
As can be seen from the figure, the flatness of the surface of the formed sacrificial layer 14 is improved by using the thermal CVD method. For this reason, a later manufacturing process becomes easier.
[0055]
Embodiment 3 FIG.
In the third and fourth embodiments, the support leg 4 of the detection unit 302 and the interlayer separation layer 7 included in the infrared detection unit 5 are made thin to detect the infrared detection sensitivity in the thermal infrared solid-state imaging devices 120 and 130. The thermal time constant of the detector is shortened.
FIG. 6 is a cross-sectional view of the thermal infrared solid-state imaging device according to the present embodiment, indicated as a whole by 120, and is a cross-sectional view at a position corresponding to II in FIG. In FIG. 6, the same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same or corresponding parts.
[0056]
In the thermal infrared solid-state imaging device 120 according to the present embodiment, the wiring layer 21 of the detection unit 302 and the wiring layer 8 of the signal processing circuit unit 303 are formed in the same process.
That is, in the thermal infrared solid-state imaging device 120, the interlayer separation layer 7 made of silicon oxide is formed on the silicon substrate 1. The film thickness of the interlayer isolation layer 7 is set such that the semiconductor element 2 and the wiring layer 8 on the interlayer isolation layer 7 can be sufficiently electrically insulated.
Subsequently, using the resist mask (not shown) formed in the signal processing circuit unit 303, the interlayer separation layer 7 of the detection unit 302 is etched to form the recess 23.
[0057]
Next, for example, an aluminum layer is formed on the interlayer separation layer 7 and patterned to form the wiring layer 21 and the wiring layer 8 at the same time. Subsequently, the wiring layer 21 and the wiring layer 8 are covered with an insulating layer 24 made of silicon oxide.
[0058]
Next, as in the first embodiment, a sacrificial layer (not shown) is formed, and a protective film 13 made of, for example, silicon oxide is formed thereon. The infrared absorption film 12 is formed in the protective film 13 of the detection unit 302.
[0059]
Next, after part of the protective film 13 is etched to form the etching hole 15, the sacrificial layer (not shown) is removed by etching as in the first embodiment, and a part of the silicon substrate 1 is further removed. The recess 3 is formed by etching. For example, XeF is used for removing the sacrificial layer 14 and forming the recess 6. ₂ Dry etching using is used.
Note that a sacrificial layer on the signal processing circuit portion 303 may be formed as shown in FIG.
[0060]
In the thermal infrared solid-state imaging device 120 according to the present embodiment, the film thickness of the interlayer separation layer 7 included in the support leg 4 and the infrared detection unit 5 is thinner than the interlayer separation layer 7 of the signal processing circuit unit 303. .
For this reason, the thermal conductance of the support leg 4 is small, the amount of heat flowing out from the infrared detector 5 to the silicon substrate 1 is reduced, and the infrared detection sensitivity is increased.
Moreover, since the thermal capacity of the infrared detector 5 is small, the thermal time constant of the infrared detector is shortened.
In the thermal infrared solid-state imaging device 120, the film thickness of the protective film 13 included in the umbrella structure 10 is approximately the same as that of the conventional structure (FIG. 14).
[0061]
Embodiment 4 FIG.
FIG. 7 is a cross-sectional view of the thermal infrared solid-state imaging device according to the present embodiment, indicated as a whole by 130, and is a cross-sectional view at a position corresponding to II in FIG. In FIG. 7, the same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same or corresponding parts.
[0062]
The thermal infrared solid-state imaging device 130 according to the present embodiment has the same structure as the thermal infrared solid-state imaging device 120 described above except that the interlayer separation layer 7 includes the etching stop layer 25.
[0063]
In the thermal infrared solid-state imaging device 130, the interlayer separation layer 7 is formed on the silicon substrate 1 so as to sandwich the etching stop layer 25 therebetween. That is, an interlayer separation layer 7 having a predetermined thickness is formed on the silicon substrate 1, and an infrared detection film 6 is formed on the interlayer separation layer 7. Subsequently, after an etching stop layer 25 is formed thereon, an interlayer separation layer 7 is formed again. The etching stop layer 25 is made of, for example, silicon nitride.
[0064]
Subsequently, as in the third embodiment, using the resist mask (not shown) formed in the signal processing circuit unit 303, the interlayer separation layer 7 of the detection unit 302 is etched to form the recess.
For the etching of the interlayer separation layer 7, for example, wet etching with an aqueous solution of hydrofluoric acid is used. Since the etching stop layer 25 is not etched by hydrofluoric acid, the etching stops when the etching stop layer 25 is exposed, and the depth of the recess 23 can be accurately controlled.
[0065]
Next, by performing the same process as in the third embodiment, the wiring layer 21 and the wiring layer 8 are formed at the same time, and the umbrella structure portion 10, the recess 3 and the like are formed.
[0066]
In the thermal infrared solid-state imaging device 130 according to the present embodiment, as in the thermal infrared solid-state imaging device 120, the film thickness of the interlayer separation layer 7 included in the support leg 4 and the infrared detection unit 5 is the signal processing circuit unit. It becomes thinner than the interlayer separation layer 7 of 303. For this reason, the detection sensitivity of infrared rays becomes high. Moreover, since the thermal capacity of the infrared detector 5 is small, the thermal time constant of the infrared detector is shortened.
[0067]
In particular, by using the etching stop layer 25, the depth of the recess 23 can be accurately controlled, and the thickness of the interlayer separation layer 7 included in the plurality of infrared detection units 6 formed in an array can be made uniform. it can.
[0068]
In the thermal infrared solid-state imaging devices 120 and 130 shown in the third and fourth embodiments, the protective film 13 included in the umbrella structure 10 is separately etched, as in the fifth and sixth embodiments. Can also be made thinner.
Thereby, the thermal time constant of the infrared detector can be further shortened.
[0069]
Embodiment 5 FIG.
In the fifth and sixth embodiments, the thermal time constant of the detector in the thermal infrared solid-state imaging devices 140 and 150 is shortened by not forming the protective film 13 on the umbrella structure 10 of the detection unit 302.
FIG. 8 is a cross-sectional view of the thermal infrared solid-state imaging device according to the present embodiment, indicated as a whole by 140, and is a cross-sectional view at a position corresponding to II in FIG. 8, the same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same or corresponding parts.
[0070]
In the thermal infrared solid-state imaging device 140 according to the present embodiment, the wiring layer 21 of the detection unit 302 and the wiring layer 8 of the signal processing circuit unit 303 are formed in the same process.
That is, in the thermal infrared solid-state imaging device 140, the interlayer separation layer 7 made of silicon oxide is formed on the silicon substrate 1. The film thickness of the interlayer isolation layer 7 is set such that the semiconductor element 2 and the wiring layer 8 on the interlayer isolation layer 7 can be sufficiently electrically insulated.
[0071]
Next, for example, an aluminum layer is formed on the interlayer separation layer 7 and patterned to form the wiring layer 21 and the wiring layer 8 at the same time. Subsequently, the wiring layer 21 and the wiring layer 8 are covered with an insulating layer 24 made of silicon oxide.
[0072]
Next, as in Embodiment 1, a sacrificial layer (not shown) is formed, and an etching stop layer 26 made of silicon nitride is formed thereon. In the etching stopper layer 26 of the umbrella structure 10, the infrared absorption film 12 is formed as in the first embodiment.
Further, a protective film 13 made of, for example, silicon oxide is formed thereon.
[0073]
Next, the protective film 13 on the umbrella structure unit 10 is etched using a resist mask (not shown) formed on the signal processing circuit unit 303. Etching of the protective film 13 is performed, for example, by wet etching using an aqueous solution of hydrofluoric acid. The etching of the protective film 13 is stopped when the etching stop layer 26 is exposed.
[0074]
Next, as in the first embodiment, after forming the etching hole 15, the sacrificial layer (not shown) is removed by etching, and a part of the silicon substrate 1 is etched to form the recess 3. For removing the sacrificial layer 14 and forming the recess 3, for example, XeF ₂ Dry etching using is used.
As shown in FIG. 1, the sacrificial layer 14 on the signal processing circuit unit 303 may not be provided.
[0075]
In the thermal infrared solid-state imaging device 140 according to the present embodiment, since the protective film included in the umbrella structure 10 is removed, the thermal capacity of the umbrella structure 10 is reduced, and the thermal time constant of the infrared detector is shortened. .
In the thermal infrared solid-state imaging device 140, the thickness of the interlayer separation layer 7 included in the support leg 4 and the infrared detector 5 is approximately the same as that of the conventional structure (FIG. 14).
[0076]
Embodiment 6 FIG.
FIG. 9 is a cross-sectional view of the thermal infrared solid-state imaging device according to the present embodiment, indicated as a whole by 150, and is a cross-sectional view at a position corresponding to II in FIG. 9, the same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same or corresponding parts.
[0077]
In the thermal infrared solid-state imaging device 150, the etching stopper layer 26 is not formed, and the infrared absorbing film 12 that also functions as an etching stopper is formed in the absorbing portion protective film. Other structures are the same as those of the thermal infrared solid-state imaging device 140 described above.
As in the fifth embodiment, the protective film 13 on the umbrella structure portion 10 is etched using a resist mask (not shown) formed on the signal processing circuit portion 303. Etching of the protective film 13 is performed, for example, by wet etching using an aqueous solution of hydrofluoric acid. At this time, since the infrared absorption film remains on the entire surface of the detection unit 302, the etching of the protective film 13 is stopped when the infrared absorption film 12 made of, for example, tungsten nitride is exposed. Next, the infrared ray absorbing film 12 is left at a predetermined position, and an absorbing portion protective film is formed thereon.
[0078]
In the thermal infrared solid-state imaging device 150 according to the present embodiment, since the protective film 13 on the umbrella structure 10 is removed, the heat capacity of the umbrella structure 10 is reduced, and the thermal time constant of the infrared detector is shortened. . In addition, the film thickness of the interlayer separation layer 7 included in the support leg 4 and the infrared detector 5 is approximately the same as that of the conventional structure (FIG. 14).
[0079]
Embodiment 7 FIG.
An SOI (Silicon On Insulator) substrate 30 as shown in FIG. 10A can be used as the silicon substrate 1 used for manufacturing the thermal infrared solid-state imaging device according to the first to sixth embodiments.
The SOI substrate 30 includes a silicon substrate 31, a silicon oxide layer (BOX layer) 32, and a silicon layer (SOI layer) 33 sequentially stacked on the silicon substrate 31. For example, the infrared detection film 6 made of a pn junction diode is formed on the silicon layer 33 and the semiconductor element 2 is formed on the silicon layer 33 or the silicon substrate 31, and then the above-described steps are performed to complete the thermal infrared solid-state imaging device. To do.
[0080]
In order to insulate the region where the infrared detection film 6 or the semiconductor element 2 is formed from other regions, as shown in FIG. 10B, the silicon oxide film is formed by oxidizing the surroundings while leaving the silicon layer 33 in a predetermined region. 34 may be used.
[0081]
Further, as shown in FIG. 10C, the periphery may be removed by etching while leaving the silicon layer 33 in a predetermined region in a mesa shape.
[0082]
In particular, when the SOI substrate 36 as shown in FIG. 10C is used, the support leg 4 and the infrared detecting unit 5 can form the silicon oxide film 34 as compared with the case where the SOI substrate 35 shown in FIG. The structure does not include.
For this reason, the thermal conductance of the support leg 4 can be reduced, and an infrared detector with high infrared detection sensitivity can be obtained. Furthermore, since the heat capacity of the infrared detector 5 can be reduced, an infrared detector with a short thermal time constant can be obtained.
[0083]
Embodiment 8 FIG.
As the silicon substrate 1 used for manufacturing the thermal infrared solid-state imaging device according to the first to sixth embodiments, an SOI (Silicon On Insulator) substrate 45 as shown in FIG. 11D can be used.
The SOI substrate 45 includes a silicon substrate 41, a silicon oxide layer (BOX layer (Buried Oxide layer)) 42, and a silicon layer (SOI layer) 43 sequentially stacked thereon. For example, the infrared detection film 6 made of a pn junction diode is formed on the silicon layer 43 and the semiconductor element 2 is formed on the silicon layer 43 or the silicon substrate 41. Subsequently, the above-described steps are performed to complete the thermal infrared solid-state imaging device. To do.
[0084]
In the SOI substrate 45 of FIG. 11D, in order to insulate the region where the infrared detecting film 6 or the semiconductor element 2 is formed from other regions, the silicon layer 43 and the silicon oxide around the silicon layer 43 are left leaving a predetermined region. Layer 42 has been removed by etching.
The SOI substrate 45 in FIG. 11D is manufactured by processing the SOI substrate 40 in FIG.
[0085]
As shown in FIG. 11B, the silicon oxide layer 44 and the silicon oxide layer 42 are etched after the surroundings are oxidized to leave the silicon layer 43 in a predetermined region to form the silicon oxide layer 44 as shown in FIG. good.
[0086]
Further, as shown in FIG. 11C, the silicon layer 43 in a predetermined region may be left in a mesa shape, and the periphery may be removed by etching, and the silicon oxide layer 42 may be further etched.
[0087]
By using the SOI substrate 45 as shown in FIG. 11D, the support leg 4 and the infrared detector 5 do not include the silicon oxide layer 42 in addition to the silicon oxide layer 44. For this reason, the thermal conductance of the support leg 4 can be reduced, and an infrared detector with high infrared detection sensitivity can be obtained. Furthermore, since the heat capacity of the infrared detector 5 can be reduced, an infrared detector with a short thermal time constant can be obtained.
[0088]
Note that the SOI substrates 35, 36, and 45 shown in the seventh and eighth embodiments can be applied to the thermal infrared solid-state imaging device 300 having a conventional structure shown in FIG. 14. Thereby, the infrared detection sensitivity can be improved and the thermal time constant of the detector can be shortened.
[0089]
In the thermal infrared solid-state imaging device 300 having the conventional structure shown in Embodiments 1 to 8 and FIG. 14, not only the wiring layer 21 but also the wiring layer 8 has an impurity concentration of 10 ¹⁸ cm ^-3 A semiconductor material such as polycrystalline or amorphous silicon, a refractory metal such as molybdenum, tungsten, titanium, cobalt, platinum, or tantalum and its silicide film, or a stack of a semiconductor material and a refractory metal or its silicide film You may form from a structure.
Thereby, the manufacturing method with high film-forming temperature, such as thermal CVD method, can be used for formation of the sacrificial layer 14.
By using the thermal CVD method, the flatness of the surface of the formed sacrificial layer 14 is improved. For this reason, a later manufacturing process becomes easier.
[0090]
【Effect of the invention】
As is apparent from the above description, the thermal infrared solid-state imaging device according to the present invention has high infrared detection sensitivity.
[0091]
Moreover, in the thermal infrared solid-state imaging device according to the present invention, the thermal time constant is shortened, and a fast-moving subject can be photographed.
[0092]
Moreover, in the manufacturing method of the thermal infrared solid-state imaging device according to the present invention, the surface of the sacrificial layer becomes flat, and the manufacturing process is simplified.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a thermal infrared solid-state imaging device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a manufacturing process diagram of the thermal infrared solid-state imaging device according to the first embodiment of the present invention;
FIG. 3 is a cross-sectional view of a thermal infrared solid-state imaging device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a manufacturing process diagram of the thermal infrared solid-state imaging device according to the second embodiment of the present invention;
FIG. 5 is a diagram comparing the shapes of sacrificial layers.
FIG. 6 is a cross-sectional view of a thermal infrared solid-state imaging device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a cross-sectional view of a thermal infrared solid-state imaging device according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a cross-sectional view of a thermal infrared solid-state imaging device according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a sectional view of a thermal infrared solid-state imaging device according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a cross-sectional view of an SOI substrate according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a cross-sectional view of an SOI substrate according to an eighth embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a perspective view of a conventional thermal infrared solid-state imaging device.
FIG. 13 is an enlarged view of an infrared detecting unit included in a conventional thermal infrared solid-state imaging device.
FIG. 14 is a cross-sectional view of a conventional thermal infrared solid-state imaging device.
FIG. 15 is a manufacturing process diagram of a conventional thermal infrared solid-state imaging device.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Silicon substrate, 2 Semiconductor element, 3 Concave part, 4 Support leg, 5 Infrared detection part, 6 Infrared detection film, 7 Interlayer separation layer, 8 Wiring layer, 10 Umbrella structure part, 11 Leg part, 12 Infrared absorption film, 13 Protection Film, 14 Sacrificial layer, 15 Etching hole, 20 Insulating layer, 21 Wiring layer, 22 Etching stop layer, 100 Thermal infrared solid-state imaging device.

Claims

A method of manufacturing a thermal infrared solid-state imaging device in which an infrared detection unit is supported by a support leg on a recess formed in a silicon substrate,
Preparing a silicon substrate (1) having a detection region (302) and a processing region (303);
Forming an infrared detection film (6) in the detection region on the silicon substrate and a semiconductor element (2) in the processing region;
A step of forming an insulating layer (20) covering the infrared detection film and the semiconductor element on the silicon substrate, the first wiring layer electrically connecting the infrared detection film and the semiconductor element; Forming the insulating layer so as to sandwich (21) therebetween;
Forming a sacrificial layer (14) covering the insulating layer on the detection region;
Forming an interlayer isolation layer (7) on the insulating layer and the sacrificial layer, and forming a second wiring layer (8) in the processing region on the interlayer isolation layer;
Forming a protective film (13) on the interlayer isolation layer so as to cover the second wiring layer;
A removal step of selectively removing the interlayer separation layer and the protective film from the detection region;
Forming an umbrella structure (10) including an infrared absorption film (12) on the sacrificial layer on the detection region;
Selectively removing the sacrificial layer and placing the umbrella structure on the insulating layer;
The silicon substrate in the detection region was etched to form a recess (3), and the support leg (4) having the insulating layer and the insulating layer including the infrared detection film were supported by the support leg. A method of manufacturing a thermal infrared solid-state imaging device, comprising: forming an infrared detecting portion (5) on the concave portion.

The removal step is a step of selectively etching the interlayer separation layer and the protective film using the etching stopper layer (22) formed on the sacrificial layer as an etching stopper. 2. The production method according to 1.

The umbrella structure portion includes the etching stop layer and the infrared absorbing film formed in the etching stop layer, and after forming the umbrella structure portion on the sacrificial layer, the umbrella structure portion is etched with an etching stopper. The manufacturing method according to claim 2, wherein the removing step is performed.

A method of manufacturing a thermal infrared solid-state imaging device in which an infrared detection unit is supported by a support leg on a recess formed in a silicon substrate,
Preparing a silicon substrate (1) having a detection region (302) and a processing region (303);
Forming an infrared detection film (6) in the detection region on the silicon substrate and a semiconductor element (2) in the processing region;
Forming an interlayer separation layer (7) covering the infrared detection film and the semiconductor element on the silicon substrate;
A thinning step of selectively etching the interlayer separation layer on the detection region to thin the interlayer separation layer of the detection region;
Forming a wiring layer (21, 8) for electrically connecting the infrared detection film and the semiconductor element on the interlayer separation layer;
Forming an insulating layer (24) on the interlayer separation layer so as to cover the wiring layer;
Forming a sacrificial layer (14) covering the insulating layer on the detection region;
An umbrella structure portion forming step of forming an umbrella structure portion (10) including an infrared absorbing film (12) on the sacrificial layer;
Selectively removing the sacrificial layer and placing the umbrella structure on the interlayer separation layer;
The silicon substrate in the detection region is etched to form a recess (3), and the support leg (4) having the thinned interlayer separation layer and the interlayer separation layer including the infrared detection film are provided. A method of manufacturing a thermal-type infrared solid-state imaging device, comprising: forming an infrared detector (5) supported by the support leg on the recess.

The thinning step is a step of forming an etching stop layer (25) in the interlayer separation layer on the infrared detection film and etching the interlayer separation layer using the etching stop layer as an etching stopper. The manufacturing method of Claim 4 characterized by the above-mentioned.

The method according to claim 4 or 5, further comprising a step of forming a protective film (13) on at least the interlayer separation layer on the processing region after the step of forming the umbrella structure.

A method of manufacturing a thermal infrared solid-state imaging device in which an infrared detection unit is supported by a support leg on a recess formed in a silicon substrate,
Preparing a silicon substrate (1) having a detection region (302) and a processing region (303);
Forming an infrared detection film (6) in the detection region on the silicon substrate and a semiconductor element (2) in the processing region;
Forming an interlayer separation layer (7) covering the infrared detection film and the semiconductor element on the silicon substrate;
Forming a wiring layer (21, 8) for electrically connecting the infrared detection film and the semiconductor element on the interlayer separation layer;
Forming an insulating layer (24) on the interlayer separation layer so as to cover the wiring layer;
Forming a sacrificial layer (14) on the insulating layer;
Forming an etching stop layer (26) on the sacrificial layer and an umbrella structure (10) including an infrared absorption film (12) in the etching stop layer;
Forming a protective film (13) on the etching stop layer and the umbrella structure;
Selectively removing the protective film on the umbrella structure using the etching stopper layer as an etching stopper;
Selectively removing the sacrificial layer in the detection region and placing the umbrella structure on the interlayer separation layer;
The silicon substrate in the detection region is etched to form a recess (3). The support leg (4) having the interlayer isolation layer and the interlayer isolation layer including the infrared detection film are supported by the support leg. And a step of forming the infrared detecting section (5) formed on the concave portion.

A method of manufacturing a thermal infrared solid-state imaging device in which an infrared detection unit is supported by a support leg on a recess formed in a silicon substrate,
Preparing a silicon substrate (1) having a detection region (302) and a processing region (303);
Forming an infrared detection film (6) in the detection region on the silicon substrate and a semiconductor element (2) in the processing region;
Forming an interlayer separation layer (7) covering the infrared detection film and the semiconductor element on the silicon substrate;
Forming a wiring layer (21, 8) for electrically connecting the infrared detection film and the semiconductor element on the interlayer separation layer;
Forming an insulating layer (24) on the interlayer separation layer so as to cover the wiring layer;
Forming a sacrificial layer (14) on the insulating layer;
Forming an umbrella structure (10) including an infrared absorption film (12) on the sacrificial layer on the detection region;
Forming a protective film (13) on the umbrella structure and the sacrificial layer;
A step of selectively removing the protective film on the umbrella structure using the infrared absorbing film as an etching stopper;
Selectively removing the sacrificial layer in the detection region and placing the umbrella structure on the interlayer separation layer;
The silicon substrate in the detection region is etched to form a recess (3). The support leg (4) having the interlayer isolation layer and the interlayer isolation layer including the infrared detection film are supported by the support leg. And a step of forming the infrared detecting section (5) formed on the concave portion.

The manufacturing method according to claim 1, wherein the silicon substrate is an SOI substrate in which a silicon layer is formed on a silicon substrate via a silicon oxide layer.

The manufacturing method according to claim 1, wherein the sacrificial layer is made of one material selected from silicon and polyimide.

9. The manufacturing method according to claim 2, wherein the etching stop layer is made of a silicon nitride layer.

The manufacturing method according to claim 1, wherein the wiring layer includes conductive silicon and / or a refractory metal, and the sacrificial layer is formed by a thermal chemical vapor deposition method.

Furthermore, the manufacturing method in any one of Claims 1-8 including the process of forming the circuit wiring containing a conductive silicon and / or a refractory metal in the said process area | region.