JP5079211B2 - Infrared detector and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、赤外線検出装置及びその製造方法に関するものである。 The present invention relates to an infrared detection device and a method for manufacturing the same.
赤外線検出装置は、温度計、分析計として利用されたり、人体検出のために利用されたりしてきている。この赤外線検出装置として、赤外線を熱に変換して検出する赤外線検出部を有するものが知られている。このような赤外線検出装置では、半導体基板上に積層された酸化膜上に赤外線検出部が搭載されるため、赤外線検出部から半導体基板への熱伝導を小さくすべく、赤外線検出部の直下の半導体基板に空洞部を設けた、いわゆるメンブレン構造が採用されている。 Infrared detectors have been used as thermometers and analyzers, and have been used for human body detection. As this infrared detection device, one having an infrared detection unit that detects infrared rays by converting them into heat is known. In such an infrared detector, since the infrared detector is mounted on the oxide film laminated on the semiconductor substrate, the semiconductor directly under the infrared detector is used to reduce heat conduction from the infrared detector to the semiconductor substrate. A so-called membrane structure in which a cavity is provided in the substrate is employed.
このようなメンブレン構造において空洞部は一般的に等方性エッチングにより形成されるが、基板及び酸化膜の積層方向と、それに直交する方向(平面方向)とにほぼ同じ速度でエッチングが進むため、断熱効果をあげるべく空洞部を深くすると、平面方向へのエッチングも同様に広がってしまう。そこで、この平面方向へのエッチングの広がりを抑制するために、半導体基板にトレンチを形成してそのトレンチ内にシリコン酸化膜を埋め込んでエッチングストッパを形成し、そのエッチングストッパの内側をエッチングすることで空洞部を形成する技術がある(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、特許文献1に記載の技術では、確かに積層方向に直交する方向における空洞部の大きさは規定されるが、空洞部の深さを制御することは困難である。そして、空洞部の深さが変わってその形状・大きさが変化すると、熱の散逸量がそれに伴い変わるため、多素子化において均一な検出感度を得ることができず、単一素子では同一ロットにおいて素子間で均一な検出感度を得ることができない。 However, with the technique described in Patent Document 1, the size of the cavity in the direction orthogonal to the stacking direction is defined, but it is difficult to control the depth of the cavity. And if the depth of the cavity changes and its shape and size change, the amount of heat dissipated will change accordingly, so uniform detection sensitivity cannot be obtained in multi-elements, and single elements have the same lot. In this case, uniform detection sensitivity cannot be obtained between elements.
そこで、本発明は、多素子化において均一な検出感度を容易に得ることができ、単一素子では同一ロットにおいて素子間で均一な検出感度を容易に得ることができる赤外線検出装置及びその製造方法を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention can easily obtain uniform detection sensitivity in a multi-element configuration, and can easily obtain uniform detection sensitivity between elements in the same lot in a single element, and a method for manufacturing the same. The purpose is to provide.
上記課題を解決するために、本発明に係る赤外線装置は、赤外線検出部を有する赤外線検出装置であって、第1の半導体層と、第1の半導体層上に積層された第1の絶縁体層と、第1の絶縁体層上に積層され、積層方向に沿って貫通する空洞部が形成された第2の半導体層と、空洞部の内壁面に形成された絶縁膜と、第2の半導体層上に積層され、積層方向において空洞部と対向するように赤外線検出部を支持する第2の絶縁体層とを備えることを特徴とする。 In order to solve the above problems, an infrared device according to the present invention is an infrared detection device having an infrared detection unit, and includes a first semiconductor layer and a first insulator stacked on the first semiconductor layer. A second semiconductor layer formed on the first insulator layer and formed with a cavity portion penetrating along the lamination direction; an insulating film formed on the inner wall surface of the cavity portion; And a second insulator layer that is stacked on the semiconductor layer and supports the infrared detection unit so as to face the cavity in the stacking direction.
上記空洞部は、第1の絶縁体層及び絶縁膜によって第1の半導体層及び第2の半導体層から仕切られることになる。この第1の絶縁体層及び絶縁膜は、第1の絶縁体層上に積層された第2の半導体層をエッチングして空洞部を形成する際、エッチングストッパとして機能する。これにより、エッチングで形成された空洞部の形状・大きさは、第1の絶縁体層及び絶縁膜によって確実に規定されるので、空洞部と対向する位置に配置された第2の絶縁体層上の赤外線検出部で、多素子化において均一な検出感度を得ることができ、単一素子では同一ロットにおいて素子間で均一な検出感度を得ることができる。 The cavity is partitioned from the first semiconductor layer and the second semiconductor layer by the first insulator layer and the insulating film. The first insulator layer and the insulating film function as an etching stopper when the cavity is formed by etching the second semiconductor layer laminated on the first insulator layer. As a result, the shape and size of the cavity formed by etching is surely defined by the first insulator layer and the insulating film, so the second insulator layer disposed at a position facing the cavity. With the upper infrared detection unit, uniform detection sensitivity can be obtained in multi-elements, and with a single element, uniform detection sensitivity can be obtained between elements in the same lot.
また、本発明に係る赤外線検出装置においては、第1の絶縁体層と第2の絶縁体層とは、少なくとも空洞部において略平行となっていることが好ましい。この場合、第1の絶縁体層と第2の絶縁体層とが略平行であるので、第2の絶縁体層を透過した赤外線は、第1の絶縁体層でほぼ同じ角度で反射される。これにより、反射した赤外線が赤外線検出部で均一に検出されるので、赤外線検出装置内での検出感度の均一性が向上する。 In the infrared detection device according to the present invention, it is preferable that the first insulator layer and the second insulator layer are substantially parallel at least in the cavity. In this case, since the first insulator layer and the second insulator layer are substantially parallel, the infrared rays transmitted through the second insulator layer are reflected at substantially the same angle by the first insulator layer. . Thereby, since the reflected infrared rays are uniformly detected by the infrared detection unit, the uniformity of the detection sensitivity within the infrared detection device is improved.
更に、本発明に係る赤外線検出装置における第1の絶縁体層、第2の絶縁体層及び絶縁膜の熱伝導率が、第1の半導体層及び第2の半導体層の熱伝導率よりも小さいことが好適である。この場合、空洞部から第1及び第2の半導体層への熱の散逸量が低減されるので、検出感度が向上する傾向にある。 Furthermore, the thermal conductivity of the first insulator layer, the second insulator layer, and the insulating film in the infrared detection device according to the present invention is smaller than the thermal conductivity of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer. Is preferred. In this case, since the amount of heat dissipation from the cavity to the first and second semiconductor layers is reduced, the detection sensitivity tends to be improved.
また、本発明に係る赤外線検出装置においては、赤外線検出部を複数有し、積層方向において赤外線検出部のそれぞれに対向する空洞部間では、第1の絶縁体層と第2の絶縁体層との距離が互いに略同等となっていることが好ましい。この場合、複数の赤外線検出部のそれぞれに対向した空洞部の第1及び第2の絶縁体層間の距離が同じであるため、赤外線検出部毎の検出感度の均一性が向上する。 Moreover, in the infrared detecting device according to the present invention, the first insulating layer and the second insulating layer are provided between the cavities facing each of the infrared detecting units in the stacking direction. Are preferably substantially equal to each other. In this case, since the distance between the first and second insulator layers in the cavity facing each of the plurality of infrared detection units is the same, the uniformity of detection sensitivity for each infrared detection unit is improved.
また、本発明に係る赤外線検出装置の製造方法は、赤外線検出部を有する赤外線検出装置の製造方法であって、第1の半導体層、第1の半導体層上に積層された第1の絶縁体層、及び、第1の絶縁体層上に積層された第2の半導体層を有する積層体を用意する工程と、第2の半導体層における所定の部分の外周上に絶縁膜を形成する工程と、第2の半導体層上に、第2の絶縁体層を積層する工程と、第2の絶縁体層上に、積層方向において所定の部分と対向するように赤外線検出部を形成する工程と、第2の半導体層から所定の部分をエッチングにより除去して、第1の絶縁体層、第2の絶縁体層及び絶縁膜により仕切られた空洞部を形成する工程とを備えることを特徴とする。 Moreover, the manufacturing method of the infrared rays detection apparatus which concerns on this invention is a manufacturing method of the infrared rays detection apparatus which has an infrared detection part, Comprising: The 1st insulator laminated | stacked on the 1st semiconductor layer and the 1st semiconductor layer And a step of preparing a stacked body having a second semiconductor layer stacked on the first insulator layer, and a step of forming an insulating film on an outer periphery of a predetermined portion in the second semiconductor layer; A step of laminating a second insulator layer on the second semiconductor layer, and a step of forming an infrared detector on the second insulator layer so as to face a predetermined portion in the laminating direction; And a step of removing a predetermined portion from the second semiconductor layer by etching to form a cavity partitioned by the first insulator layer, the second insulator layer, and the insulating film. .
この製造方法では、所定の部分をエッチングによって除去して空洞部を形成する際、積層体が有する第2の半導体層に形成された絶縁膜が、積層方向に直交する方向のエッチングストッパとして機能し、積層体が有する第1の絶縁体層が積層方向のエッチングストッパとして機能する。そのため、空洞部の形状・大きさは、絶縁膜及び第1の絶縁体層によって確実に制御される。その結果、製造される赤外線検出装置が多素子化において均一な検出感度を得ることができ、単一素子では同一ロットにおいて素子間で均一な検出感度を得ることができる。 In this manufacturing method, when a predetermined portion is removed by etching to form a cavity, the insulating film formed in the second semiconductor layer included in the stacked body functions as an etching stopper in a direction orthogonal to the stacking direction. The first insulator layer included in the stacked body functions as an etching stopper in the stacking direction. Therefore, the shape and size of the cavity are reliably controlled by the insulating film and the first insulator layer. As a result, the infrared detection apparatus to be manufactured can obtain uniform detection sensitivity when the number of elements is increased, and with a single element, uniform detection sensitivity can be obtained between elements in the same lot.
また、本発明に係る赤外線検出装置の製造方法では、所定の部分の外周上にトレンチを形成した後、絶縁材料をトレンチ内に充填して絶縁膜を形成したり、所定の部分の外周上にトレンチを形成した後、半導体層を酸化して絶縁膜を形成したりすることが好ましい。この場合、確実に絶縁膜で、空洞部を仕切ることができる。尚、前記絶縁膜は酸化による絶縁膜に限ったものではなく、CVDなどにより形成しても良い。 Further, in the method of manufacturing the infrared detection device according to the present invention, after forming the trench on the outer periphery of the predetermined portion, the insulating material is filled in the trench to form an insulating film, or on the outer periphery of the predetermined portion. After forming the trench, it is preferable to oxidize the semiconductor layer to form an insulating film. In this case, the cavity can be reliably partitioned by the insulating film. The insulating film is not limited to the insulating film formed by oxidation, and may be formed by CVD or the like.
本発明の赤外線検出装置によれば、赤外線を検出するのに、多素子化において均一な検出感度を得ることができ、単一素子では同一ロットにおいて素子間で均一な検出感度を得ることができる。また、本発明の赤外線検出装置の製造方法によれば、多素子化においては均一な検出感度を有し、単一素子では同一ロットにおいて素子間で均一な検出感度を有する赤外線検出装置を製造することができる。 According to the infrared detection device of the present invention, it is possible to obtain uniform detection sensitivity in the case of multi-elements for detecting infrared rays, and it is possible to obtain uniform detection sensitivity between elements in the same lot with a single element. . In addition, according to the method for manufacturing an infrared detection device of the present invention, an infrared detection device having uniform detection sensitivity in the case of multi-elements and having uniform detection sensitivity between elements in the same lot in a single element is manufactured. be able to.
以下、図面を参照して本発明に係る赤外線検出装置及びその製造方法の好適な実施形態について詳細に説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of an infrared detection device and a manufacturing method thereof according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(第1の実施形態)
図1は、本発明に係る赤外線検出装置の一実施形態の平面図である。図2は、図1のII-II線に沿っての断面図である。図1及び図2に示した赤外線検出装置10は、赤外線を熱に変換して検出する熱型の赤外線検出装置であって、例えば、放射温度計などに利用される。
(First embodiment)
FIG. 1 is a plan view of an embodiment of an infrared detection device according to the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line II-II in FIG. The
この赤外線検出装置10は、図2に示すように、シリコン基板(第1の半導体層)12を有しており、シリコン基板12上に、ほぼ一定の厚さでSiO2からなる絶縁体層(第1の絶縁体層)14が積層されている。そして、その絶縁体層14上に、更に、シリコン層(第2の半導体層)16が一定の厚さで積層されてSOI(Silicon on Insulator)構造が実現されている。
As shown in FIG. 2, the
SOI構造の一部をなすシリコン層16は、積層方向に沿って貫通した箱状の空洞部18を有し、空洞部18の内壁面18aにはSiO2からなる絶縁膜20が形成されている。この空洞部18は、絶縁膜20で仕切られたシリコン層16をエッチングすることで形成されたものであり、その形状及び大きさは、絶縁膜20及び絶縁体層14によって規定されている。尚、前記箱状とは角型であっても、円柱型であっても良い。
The
この空洞部18を有するシリコン層16上にはSiO2からなる絶縁体層(第2の絶縁体層)22が絶縁体層14と略平行に積層され、メンブレン構造が実現されている。そして、絶縁体層22上には、赤外線を検出する赤外線検出部24が設けられている。赤外線検出部24は、積層方向において空洞部18と対向する位置に配置されており、赤外線を吸収する赤外線吸収膜26と、その赤外線吸収膜26の温度変化を検出する温度検出部としてのサーモパイル28とからなる。なお、温度検出部としては、サーモパイルの他、例えば、ボロメータなどであってもよい。
An insulating layer (second insulating layer) 22 made of SiO 2 is laminated on the
図1に示すように、サーモパイル28は、絶縁体層22上に並列配置されたn型のポリシリコン膜30とp型のポリシリコン膜32との端部がアルミニウム膜34で接続されてなる熱電対を複数直列接続したものである。この熱電対を構成する各ポリシリコン膜30,32は、シリコン層16の上方から空洞部18の上方に渡って配置されると共に、矩形に形成された空洞部18の4辺に垂直な4方向から空洞部18の中央に向かって延びるように配置されている。
As shown in FIG. 1, the
このポリシリコン膜30,32の露出表面及び絶縁体層22は、図2に示すように、例えば、SiO2からなる絶縁体層36によって被覆されている。そして、絶縁体層36上に、ポリシリコン膜30,32の端部を接続するアルミニウム膜34が配置され、アルミニウム膜34は、ポリシリコン膜30,32の端部上に形成された絶縁体層36の開口穴部を介してポリシリコン膜30,32と電気的に接続されている。このアルミニウム膜34の露出表面及び絶縁体層36は、SiNからなるパッシベーション層38で被覆されている。なお、絶縁体層36とパッシベーション層38は、SiO2とSiNのみでなく、SiON、PSG、BPSG、ポリイミドなど、またはそれらの積層膜からなる絶縁体層であってもよい。
The exposed surfaces of the
そして、パッシベーション層38上であって空洞部18の上方に、赤外線を吸収する矩形の赤外線吸収膜26が設けられている。赤外線吸収膜26は、赤外線吸収率の高い黒樹脂が使用されており、黒樹脂にはカーボンフィラーなどの黒色フィラーを混ぜた樹脂(エポキシ系、シリコーン系、アクリル系、ウレタン系、ポリイミド系などまたはそれら複合樹脂)や、黒色レジストなどを利用しても良いし、金黒、TiN、NiCr、PSG、BPSG、SiN、SiON、SiO2、ポリシリコン、アモルファスシリコンなどの無機物、あるいはこれら複合膜であっても良い。
A rectangular
上記構成では、サーモパイル28を構成するポリシリコン膜30,32の接続部のうち、空洞部18の上方に位置すると共に赤外線吸収膜26の直下に位置する接続部が温接点として機能し、シリコン層16の上方に位置する接続部が冷接点として機能する。そして、赤外線吸収膜26の温度変化によって温接点と冷接点との間で発生する熱起電力は、一対の取り出し電極40,42(図1参照)によって取り出される。なお、取り出し電極40,42が形成されている領域では、パッシベーション層38は開口している。
In the above configuration, of the connection portions of the
この赤外線検出装置10は、例えば、次のようにして製造される。すなわち、図3(a)に示すように、先ず、シリコン基板12上に絶縁体層14及びシリコン層16が順に積層されてなる積層体としてのSOI基板44を用意する。次いで、シリコン層16の所定の部分(空洞部18となるべき部分)46の外周上、すなわち、シリコン層16の所定の部分46とその他の部分との境界上に、シリコン層16の上面から絶縁体層14まで延びるトレンチ(すなわち、溝)48を形成する。続いて、図3(b)に示すように、そのトレンチ48内にCVD(Chemical Vapor Deposition)法や熱酸化により絶縁材料としてのSiO2を充填することで絶縁膜20を形成した後に、シリコン層16上に絶縁体層22を積層する。
The
そして、図4に示すように、絶縁体層22上であって所定の部分46に対向する位置にサーモパイル28を形成する。この際、ポリシリコン膜30,32の露出部分を被覆する絶縁体層36、及び、アルミニウム膜34の露出部分を被覆するパッシベーション層38もサーモパイル28の形成に合わせて形成する。次いで、パッシベーション層38、絶縁膜20及び絶縁体層14を積層方向に沿って貫通するエッチングホール50を形成した後に、パッシベーション層38上であって所定の部分46の上方に赤外線吸収膜26を形成する。これによって、絶縁体層22上であって所定の部分46に対向する赤外線吸収部24を得る。なお、エッチングホール50の形成は赤外線吸収膜26を形成した後に行っても構わない。また、赤外線吸収膜26を形成する際には、エッチングホール50に対応する位置に貫通穴52を形成しておく。
Then, as shown in FIG. 4, the
その後、赤外線吸収膜26の貫通穴52及びエッチングホール50を通してXeF2ガスが入ることにより、シリコン層16のうち所定の部分46がドライエッチングによって除去される。これにより、空洞部18を形成しメンブレン構造とする。この際、絶縁膜20及び絶縁体層14がエッチングストッパとして機能するので、空洞部18の形状・大きさが確実に規定される。また、ドライエッチングを利用しているため、エッチングによる赤外線吸収膜26への損傷がウェットエッチングに比べて抑制されている。
Thereafter, XeF 2 gas enters through the through
なお、空洞部18をドライエッチングするためのエッチングガスとしては、シリコンをドライエッチングできれば特に限定されない。例えば、XeF2のほか、XeF4、XeF6、KrF2、KrF4、KrF6、ClF3、BrF3、BrF5、IF5、SF6、CF4も利用できる。また、上記工程では、赤外線吸収膜26を形成した後にシリコン層16の所定の部分46をエッチングしているが、先にエッチングして空洞部18を形成してから赤外線吸収膜26を形成することも可能である。
An etching gas for dry etching the
図5(a)は、上述した工程で空洞部18が形成された状態のSOI基板44の平面図である。図5(b)は、(a)の一部拡大図である。また、図6は、図5(b)のVI-VI線に沿っての断面図である。なお、図6では、取り出し電極や、各画素からの配線などは省略している。
FIG. 5A is a plan view of the
図5及び図6に示すように、1つのSOI基板44上には、複数の赤外線検出部24が形成されており、各赤外線検出部24の直下には、空洞部18が形成されている。すなわち、この状態のSOI基板44は、複数の赤外線検出装置10が一体化したものであるので、各赤外線検出部24間の仮想的なダイシングライン(図5及び図6中の一点鎖線)Lに沿ってSOI基板44を切断することで、個々の赤外線検出装置10を得ることができる。
As shown in FIGS. 5 and 6, a plurality of
このようにして製造される図1及び図2に示した赤外線検出装置10では、赤外線吸収膜26が赤外線を吸収して生じる赤外線吸収膜26の温度変化をサーモパイル28で熱起電力として検出することで赤外線を検出する。
In the infrared detecting
赤外線検出装置10は、赤外線吸収膜26の熱の散逸を抑制し検出感度を向上する観点から、赤外線吸収膜26直下に空洞部18を有するが、熱の散逸量は、空洞部18の形状・大きさによって異なる。そのため、赤外線検出装置10で、単一素子の同一ロットにおける素子間での検出感度の均一化を可能にするためには、空洞部18の形状・大きさを制御することが重要である。
The
上記製造方法では、空洞部18をドライエッチングで形成する際、絶縁体層14が深さ方向(積層方向)のエッチングストッパとして機能すると共に、絶縁膜20が平面方向(積層方向に直交する方向)のエッチングストッパとして機能するので、空洞部18の形状・大きさを制御できる結果、赤外線検出装置10では、単一素子の同一ロットにおける素子間で確実に均一な検出感度を得ることができる。
In the above manufacturing method, when the
また、箱状の空洞部18が、シリコン(熱伝導率:約125W/m/K)より熱伝導率の低いSiO2(熱伝導率:約1.3W/m/K)で取り囲まれることで、空洞部18はシリコン基板12及びシリコン層16から仕切られていることから熱の散逸が抑制され断熱効果が高くなる。その結果、赤外線吸収部24の検出感度が向上する。そして、空洞部18が絶縁体層14、絶縁膜20及び絶縁体層22で仕切られていることで前述のように断熱効果が高まるため、空洞部18の深さを浅くすることが可能である。その結果、空洞部18の形成工程に係る時間が短くなって製造効率が向上する傾向にある。
Further, the box-shaped
更に、空洞部18が同じ材質(SiO2)で取り囲まれているので、赤外線検出時での熱膨張による撓みが減少し、空洞部18の形状が変形しにくくなっているので単一素子の同一ロット内での検出感度ばらつきが減少する傾向にある。
Furthermore, since the
また、前述したように絶縁体層14及びシリコン層16の厚さはそれぞれほぼ一定であるので、シリコン層16上の絶縁体層22と絶縁体層14とが略平行になると共に、空洞部18の底部をなす絶縁体層14もフラットになっている。これによって、絶縁体層22を透過した赤外線が絶縁体層14で反射される際、赤外線はほぼ同じ角度で反射される。そのため、反射された赤外線がほぼ一様に赤外線吸収膜26を照射し吸収されるので、ポリシリコン膜30,32の配置による誤差が少なく単一素子では同一ロットにおいて素子間で均一な検出感度を得やすい。
Further, as described above, since the thicknesses of the
また、上記製造方法で示したように、1つのSOI基板44から複数の赤外線検出装置10を製造した場合、各赤外線検出装置10が有する空洞部18の形状・大きさが揃う。特に、SOI基板44では絶縁体層14及びシリコン層16の厚さはそれぞれほぼ一定であるので、空洞部18の深さdは、図6に示すように空洞部18間でほぼ均一になる。これにより、検出感度が揃った赤外線検出装置10を製造することができ、製造歩留まりが向上する。
Further, as shown in the above manufacturing method, when a plurality of
次に、図7及び図8を利用して、赤外線検出装置10の変形形態について説明する。図7は、赤外線検出装置54の平面図であり、図8は、図7のVIII-VIII線に沿っての断面図である。
Next, a modification of the
図7及び図8に示すように、赤外線検出装置54の構成は、絶縁膜20の内側に更にSiO2からなる絶縁膜56が形成され、空洞部18が第1の空洞部18A及び第2の空洞部18Bに仕切られている点で、赤外線検出装置10の構成と相違する。
As shown in FIGS. 7 and 8, the infrared detecting
この赤外線検出装置54は、次のようにして製造される。すなわち、シリコン層16にトレンチ48を形成する際に、第1の空洞部18Aの外周に相当する部分にもトレンチ48を形成し、その後の工程は、赤外線検出装置10の製造方法と同様にすることで赤外線検出装置54を製造することができる。
The
この赤外線検出装置54では、絶縁膜56が支持体として機能するため、赤外線検出装置10の機械的強度が向上する。そして、絶縁膜56が設けられていることで、第1及び第2の空洞部18A,18Bの形状が変化しにくいため、長期的に検出感度が安定する傾向にある。なお、第1及び第2の空洞部18A,18Bの深さdがほぼ一定であることの効果や、第1及び第2の空洞部18A,18Bがシリコンよりも低い熱伝導率を有するSiO2で取り囲まれていることの効果は赤外線検出装置10の場合と同様である。
In the
(第2の実施形態)
図9を利用して、第2の実施形態の赤外線検出装置について説明する。第1の実施形態の赤外線検出装置10と同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
(Second Embodiment)
The infrared detection device of the second embodiment will be described using FIG. The same elements as those of the
図9は、第2の実施形態の赤外線検出装置58の平面図である。また、図10は、図9のX-X線に沿っての断面図である。なお、図9及び図10では、取り出し電極や、各画素からの配線などは省略している。
FIG. 9 is a plan view of the infrared detecting
赤外線検出装置58は、16個の赤外線検出部24が、4×4のアレイ状に配置されたアレイ型の赤外線検出装置58であり、図1の赤外線検出装置10を1つの画素60として、その画素60をアレイ状に配置したものに相当する。赤外線検出装置58では、各画素60が有する取り出し電極40,42(図1参照)のうちの一方、例えば、取り出し電極42は、赤外線検出装置58に設けられた共通電極(不図示)に接続されており、2次元的に赤外線検出をすることができるため、赤外線イメージセンサなどに利用される。
The
上記赤外線検出装置58では、図10に示すように、各赤外線検出部24の直下にそれぞれ空洞部18が形成されていることから、赤外線検出装置10と同様の理由により、各赤外線検出部24の検出感度を、アレイの各素子間において均一にでき、同一ロット内での各アレイ素子の検出感度も均一にできる。そして、各空洞部18の深さdは互いにほぼ同一であるので、各赤外線検出部24の検出感度の均一性が高くなっており、精度よく赤外線を検出できる。
In the
この赤外線検出装置58は、例えば、次のようにして製造される。すなわち、第1の実施形態の場合と同様に、用意したSOI基板44において、シリコン層16の各空洞部18となる所定の部分46の外周に絶縁膜20を形成した後、シリコン層16上に絶縁体層22を積層する。そして、各所定の部分46に対向する位置の絶縁体層22上に赤外線検出部24をそれぞれ形成した後、その直下のシリコン層16(すなわち、所定の部分46)をドライエッチングによって除去して各空洞部18を形成する。その後、例えば、4×4で配列された16個の赤外線検出部24を1組として各組の間をダイシングすることで、個々の赤外線検出装置58を得る。
The infrared detecting
この赤外線検出装置58の製造方法では、空洞部18を形成する際、絶縁膜20で平面方向のエッチング領域が確実に規定されているので、赤外線検出部24を高密度に配置可能であることから、2次元アレイ型赤外線検出装置58を小型化することが可能である。また、SOI基板44を利用していることから、第1の実施形態の場合と同様に、各赤外線検出部24に対応する空洞部18間の深さdがほぼ同じになり、画素60毎に検出感度が揃った赤外線検出装置58を容易に製造できる。
In the manufacturing method of the infrared detecting
図11は、赤外線検出装置58の変形形態を示す平面図である。図12は、図11のXII-XII線に沿っての断面図である。なお、図12は、断面の一部を拡大した図であり、図11,12において、取り出し電極及び配線の記載は省略している。
FIG. 11 is a plan view showing a modification of the infrared detecting
図11に示した赤外線検出装置62では、各赤外線検出部24の隣接する位置に、それぞれ信号処理回路としてのFET(Field-Effect Transistor)64を有する点で、赤外線検出装置58と相違する。図12に示すように、FET64は、空洞部18の外側のシリコン層16に形成されており、FET64が有するソース66、ゲート68、ドレイン70はパッシベーション層38で被覆されている。
The
この赤外線検出装置62は、図9に示した赤外線検出装置58の製造工程において、絶縁膜20の形成後であって絶縁体層22、サーモパイル28及び絶縁体層36等を形成する際に、空洞部18となるべき所定の部分46の外側にFET64を作製することで製造される。この製造方法でも、空洞部18の大きさのうち、特に平面方向の大きさが絶縁膜20で確実に規定される。その結果、赤外線検出部24に隣接するようにFET64を形成しても、FET64の領域のシリコン層16はエッチング除去されないので、FET64を有する赤外線検出装置62を確実に製造できる。そして、FET64を赤外線検出装置62内に有するので、信号処理などを迅速に行うことができる。
The infrared detecting
(第3の実施形態)
図13を利用して、第3の実施形態の赤外線検出装置の製造方法について説明する。第1の実施形態と同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
(Third embodiment)
A method of manufacturing the infrared detection device of the third embodiment will be described with reference to FIG. The same elements as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
図13は、第3の実施形態の赤外線検出装置の製造方法の工程図である。この方法では、図13(a)に示すように、第1の実施形態の場合と同様にして、SOI基板44を用意した後、所定の部分46の外周(境界)上にトレンチ48を形成する。次いで、シリコン層16を酸化して、シリコン層16の表面にSiO2からなる絶縁膜20を形成する。その後、図13(b)に示すように、トレンチ48内に充填材としてのポリシリコン72を埋め込んだ後に、図13(c)に示すように、シリコン層16上に絶縁体層(第2の絶縁体層)74を形成して平坦化する。この絶縁体層74としては、平坦化を容易にするためにリフロ性のあるPSG(Phosphosilicate Glass)が好適である。なお、トレンチ48に充填する充填材としては、ポリシリコン72に限らず、高温プロセスに対する耐熱性があれば特に限定されないが、例えば、タングステンやモリブデン、シリサイド系などが更に例示される。
FIG. 13 is a process diagram of the manufacturing method of the infrared detecting device of the third embodiment. In this method, as shown in FIG. 13A, as in the case of the first embodiment, after the
次いで、第1の実施形態と同様にして、所定の部分46に対向する絶縁体層74上に赤外線検出部24を形成した後、エッチングホール50を通してXeF2ガスが入ることによりシリコン層16の所定の部分46をドライエッチングで除去する。これにより、赤外線検出部24の下側のシリコン層16に空洞部18が形成される。その後、赤外線検出部24間のダイシングラインLに沿って個々の赤外線検出装置に分離することで、図14に示す赤外線検出装置76を得る。
Next, in the same manner as in the first embodiment, after the
このようにして製造された図14に示す赤外線検出装置76では、トレンチ48を形成した後、シリコン層16を酸化しているので、トレンチ48の平面方向の幅w(図13参照)が長くても、空洞部18となるべき所定の部分46がシリコン酸化膜で被覆される。その結果、空洞部18の内壁面には、SiO2が確実に形成されるので、第1の実施形態と同様に断熱効果があがって検出感度も向上する傾向にある。また、赤外線検出装置76では、ポリシリコン72とそのポリシリコン72を挟むSiO2膜からなる仕切壁78によって空洞部18が取り囲まれているので熱膨張などによる撓みなどが更に抑制される。これにより、空洞部18の形状が安定するので、長期的に安定した検出感度を得ることができる傾向にある。
In the infrared detecting
図15は、赤外線検出装置76の変形形態を示した断面図である。図15に示した赤外線検出装置80は、仕切壁78の内側に更に、ポリシリコン72とそのポリシリコン72を挟む絶縁膜20からなる仕切壁82を有する点で、赤外線検出装置76と相違する。この場合は、図7に示した赤外線検出装置54と同様に、仕切壁82が支持体として機能するため、赤外線検出装置80の機械的強度が向上する。また、空洞部18の形状が変化しにくい結果、長期的に安定した検出感度を実現できる傾向にある。
FIG. 15 is a cross-sectional view showing a modified form of the infrared detecting
以上、本発明に好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。例えば、第1の半導体層としてシリコン基板12を利用しているが、絶縁体層14と基板との間に設けられた半導体層であってもよい。また、第2の絶縁体層としての絶縁体層22は1層構造としているが、複数層積層されていてもよい。
As mentioned above, although preferred embodiment was described for this invention, it cannot be overemphasized that this invention is not limited to the said embodiment. For example, although the
また、第1及び第2の半導体層の材質としてはシリコンを例示し、第1及び第2の絶縁体層及び絶縁膜の材質としてはSiO2を例示して説明したが、必ずしもシリコンやSiO2に限らない。ただし、第1及び第2の絶縁体層及び絶縁膜の熱伝導率が、第1及び第2の半導体層よりも小さいことが検出感度を向上させる点から好ましい。 In addition, silicon is exemplified as the material of the first and second semiconductor layers, and SiO 2 is exemplified as the material of the first and second insulator layers and the insulating film. However, silicon and SiO 2 are not necessarily described. Not limited to. However, the thermal conductivity of the first and second insulator layers and the insulating film is preferably smaller than that of the first and second semiconductor layers from the viewpoint of improving detection sensitivity.
また、赤外線検出装置の製造方法では、SOI基板を利用しているが、第1の半導体層上に、第1の絶縁体層及び第2の半導体層が順に積層された積層体で有れば、SOI基板に限定されない。更に、第1の絶縁体層と第2の絶縁体層とは第1の半導体層上で略平行としているが、それらは少なくとも空洞部18上で略平行になっていればよい。
Moreover, in the manufacturing method of the infrared detection device, an SOI substrate is used. However, if the first insulating layer and the second semiconductor layer are sequentially stacked on the first semiconductor layer, It is not limited to the SOI substrate. Furthermore, although the first insulator layer and the second insulator layer are substantially parallel on the first semiconductor layer, they need only be approximately parallel on at least the
更にまた、第1〜第3の実施形態では、トレンチ48の深さ(すなわち、絶縁膜20の深さ)は、シリコン層16の上面から絶縁体層14までとしているが、例えば、絶縁体層14近傍まで延びていればよく、また、絶縁体層14を貫通してシリコン基板12まで延びていても良い。
Furthermore, in the first to third embodiments, the depth of the trench 48 (that is, the depth of the insulating film 20) is from the upper surface of the
また、所定の部分46を除去するエッチングとして、ドライエッチングを利用しているが、ウェットエッチングを利用することも可能であるが、赤外線吸収膜への損傷を低減する観点から、ドライエッチングを利用することが好ましい。
In addition, dry etching is used as etching for removing the
10,54,58,62,76,80…赤外線検出装置、12…シリコン基板(第1の半導体層)、14…絶縁体層(第1の絶縁体層)、16…シリコン層(第2の半導体層)、18…空洞部、20…絶縁膜、22…絶縁体層(第2の絶縁体層)、24…赤外線検出部、44…SOI基板(積層体)、46…所定の部分、48…トレンチ、74…絶縁体層(第2の絶縁体層)。 10, 54, 58, 62, 76, 80 ... infrared detecting device, 12 ... silicon substrate (first semiconductor layer), 14 ... insulator layer (first insulator layer), 16 ... silicon layer (second layer) Semiconductor layer), 18 ... cavity, 20 ... insulating film, 22 ... insulator layer (second insulator layer), 24 ... infrared detector, 44 ... SOI substrate (laminated body), 46 ... predetermined portion, 48 ... trench, 74 ... insulator layer (second insulator layer).
Claims (10)
第1の半導体層、前記第1の半導体層上に積層された第1の絶縁体層、及び、前記第1の絶縁体層上に積層された第2の半導体層を有する積層体を用意する工程と、
前記第2の半導体層において、エッチングにより空洞部となるべき所定の部分の境界にトレンチを形成した後、前記トレンチの側面に対応する前記所定の部分の外周上に絶縁膜を形成する工程と、
前記所定の部分を含む前記第2の半導体層の表面上に、第2の絶縁体層を積層する工程と、
前記第2の絶縁体層上に、積層方向において前記所定の部分と対向するように前記赤外線検出部を形成する工程と、
前記赤外線検出部を形成した後に、前記第2の半導体層から前記所定の部分をエッチングにより除去して、前記第1の絶縁体層、前記第2の絶縁体層及び前記絶縁膜により仕切られた前記空洞部を形成する工程と、
を備え、
前記第1の絶縁体層、前記第2の絶縁体層及び前記絶縁膜が同じ材料から構成されており、
前記第1の絶縁体層、前記第2の絶縁体層及び前記絶縁膜の熱伝導率が、前記第1の半導体層及び前記第2の半導体層の熱伝導率よりも小さい、
ことを特徴とする赤外線検出装置の製造方法。 A method of manufacturing an infrared detection device having an infrared detection unit,
A stack including a first semiconductor layer, a first insulator layer stacked on the first semiconductor layer, and a second semiconductor layer stacked on the first insulator layer is prepared. Process,
Forming a trench on an outer periphery of the predetermined portion corresponding to a side surface of the trench after forming a trench at a boundary of the predetermined portion to be a cavity by etching in the second semiconductor layer;
Laminating a second insulator layer on the surface of the second semiconductor layer including the predetermined portion;
Forming the infrared detector on the second insulator layer so as to face the predetermined portion in the stacking direction;
After forming the infrared detecting portion, the predetermined portion is removed from the second semiconductor layer by etching, and is partitioned by the first insulator layer, the second insulator layer, and the insulating film. Forming the cavity;
With
The first insulator layer, the second insulator layer, and the insulating film are made of the same material;
Thermal conductivity of the first insulator layer, the second insulator layer, and the insulating film is smaller than the thermal conductivity of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer,
A method of manufacturing an infrared detecting device.
前記所定の部分をエッチングするためのエッチングホールであって前記所定の部分から前記第2の絶縁体層側の表面まで延びる複数のエッチングホールを形成する工程と、
前記複数のエッチングホールを形成した後に、赤外線を吸収する赤外線吸収膜を形成する工程と、
を有し、
前記複数のエッチングホールを形成する工程では、前記複数のエッチングホールを、前記複数のエッチングホールのうちの一部が前記赤外線吸収膜の下側に位置するように形成すると共に、前記複数のエッチングホールのうちの他の部分が前記赤外線吸収膜の外側に位置するように形成し、
前記赤外線検出部を形成する工程では、前記赤外線吸収膜を形成した後に、前記赤外線吸収膜の下側に位置する前記エッチングホールに繋がる貫通穴を形成し、
前記空洞部を形成する工程では、前記赤外線吸収膜の外側に位置する前記エッチングホールと共に、前記貫通穴に繋がった前記エッチングホールと前記貫通穴を利用して前記所定の部分をエッチングすることを特徴とする請求項1〜3の何れか一項に記載の赤外線検出装置の製造方法。 The step of forming the infrared detection unit includes:
Forming a plurality of etching holes for etching the predetermined portion, extending from the predetermined portion to the surface on the second insulator layer side; and
Forming an infrared absorption film that absorbs infrared rays after forming the plurality of etching holes;
Have
In the step of forming the plurality of etching holes, the plurality of etching holes are formed such that a part of the plurality of etching holes is located below the infrared absorption film, and the plurality of etching holes is formed. The other part of is formed so as to be located outside the infrared absorption film ,
In the step of forming the infrared detection part, after forming the infrared absorption film, a through hole connected to the etching hole located on the lower side of the infrared absorption film is formed,
In the step of forming the hollow portion, the predetermined portion is etched using the etching hole connected to the through hole and the through hole together with the etching hole located outside the infrared absorption film. The manufacturing method of the infrared rays detection apparatus as described in any one of Claims 1-3.
第1の半導体層と、
前記第1の半導体層上に積層された第1の絶縁体層と、
前記第1の絶縁体層上に積層され、積層方向に沿って貫通する空洞部が形成された第2の半導体層と、
前記空洞部の内壁面に形成された絶縁膜と、
前記第2の半導体層上に積層され、積層方向において前記空洞部と対向するように前記赤外線検出部を支持する第2の絶縁体層と
を備え、
前記赤外線検出部は、赤外線を吸収する赤外線吸収膜を有し、
前記赤外線検出部及び前記第2の絶縁体層には、前記空洞部から前記赤外線検出部の表面側まで延びるエッチングホールとしての複数の穴が形成されており、
前記複数の穴の一部は前記赤外線吸収膜を貫通しており、前記複数の穴の他の部分は、前記赤外線吸収膜の外側に位置し、
前記第1の絶縁体層、前記第2の絶縁体層及び前記絶縁膜が同じ材料から構成されており、
前記第1の絶縁体層、前記第2の絶縁体層及び前記絶縁膜の熱伝導率が、前記第1の半導体層及び前記第2の半導体層の熱伝導率よりも小さい、
ことを特徴とする赤外線検出装置。 An infrared detector having an infrared detector,
A first semiconductor layer;
A first insulator layer stacked on the first semiconductor layer;
A second semiconductor layer formed on the first insulator layer and having a cavity formed therethrough along the stacking direction;
An insulating film formed on the inner wall surface of the cavity,
A second insulator layer that is stacked on the second semiconductor layer and supports the infrared detection unit so as to face the cavity in the stacking direction;
The infrared detection unit has an infrared absorption film that absorbs infrared rays,
In the infrared detection part and the second insulator layer, a plurality of holes as etching holes extending from the cavity part to the surface side of the infrared detection part are formed,
A part of the plurality of holes penetrates the infrared absorption film, and the other part of the plurality of holes is located outside the infrared absorption film,
The first insulator layer, the second insulator layer, and the insulating film are made of the same material;
Thermal conductivity of the first insulator layer, the second insulator layer, and the insulating film is smaller than the thermal conductivity of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer,
An infrared detector characterized by that.
前記積層方向において前記赤外線検出部のそれぞれに対向する前記空洞部間では、前記第1の絶縁体層と前記第2の絶縁体層との距離が互いに略同等となっていることを特徴とする請求項7〜9の何れか一項に記載の赤外線検出装置。 Having a plurality of the infrared detectors;
A distance between the first insulator layer and the second insulator layer is substantially equal between the cavities facing each of the infrared detectors in the stacking direction. The infrared detection device according to any one of claims 7 to 9 .
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