JP5624347B2 - 赤外線センサおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、赤外線センサおよびその製造方法に関するものである。

従来から、マイクロマシニング技術を利用して形成される赤外線センサが各所で研究開発されている（例えば、特許文献１）。

特許文献１には、図２３に示すように、薄膜に形成され感温素子１０５を含んだ受光メンブレン１０２と、該受光メンブレン１０２を断熱的に支持する梁１０１と、該梁１０１を支持するシリコン基板１０９とを備えた赤外線センサが開示されている。ここで、シリコン基板１０９は、受光メンブレン１０２などが配置される一表面側に、矩形に開口された空洞１１１を有している。また、梁１０１は、シリコン基板１０９の上記一表面側において受光メンブレン１０２を支える絶縁性の支持層（Ｓｉ_３Ｎ_４層１０７やＳｉＯ_２層１０６などで構成される）の一部として形成されている。また、受光メンブレン１０２は、最表面側に、ＮｉＣや金黒などからなる赤外線吸収膜１０３が設けられており、赤外線吸収膜１０３の下方に、温度変化を電気的に検出する感温素子１０５が配置されている。また、感温素子１０５は、梁１０１に沿って形成された配線１０４と電気的に接続されている。

図２３に示した構成の赤外線センサは、支持層のうち空洞１１１の周囲に形成された部位の四隅から梁１０１が張り出しており、この梁１０１が、受光メンブレン１０２の中心付近に存在する感温素子１０５近傍に、受光メンブレン１０２の支持部位を有している。

さらに説明すれば、図２３の構成の赤外線センサは、矩形に開口された空洞１１１の対角線上に梁１０１が位置しており、この梁１０１に沿ってスリット１１２が形成されている。言い換えれば、図２３の赤外線センサは、受光メンブレン１０２の平面視形状が矩形であり、４つの梁１０１が当該矩形の対角線に沿って形成され、梁１０１の幅方向の両側にスリット１１２が形成されている。また、特許文献１には、梁１０１を長くして応力集中を緩和させることで、梁１０１の残留応力を低減でき、自己破壊を防止することが可能となることが記載されている。

要するに、特許文献１には、図２３の構成のように、梁１０１の支持部位を受光メンブレン１０２の中央部付近に設けたことにより、感度の低下や面積の増大を招くことなく、内部応力による自己破壊を防止できる旨が記載されている。なお、特許文献１には、感温素子１０５としてサーミスタや焦電素子を用いることが記載されている。

特開平７−１６７７０８号公報

ところで、半導体基板と、この半導体基板の一表面側に形成されサーモパイルを有する薄膜構造部からなる熱型赤外線検出部とを備え、半導体基板の上記一表面側において熱型赤外線検出部の一部の直下に空洞部が形成された赤外線センサにおいて、図２３の受光メンブレン１０２の感温素子１０５をサーモパイルとしたものを熱型赤外線検出部とすることが考えられる。

しかしながら、このような赤外線センサでは、梁１０１にサーモパイルの一部が存在するので、熱型赤外線検出部の内部応力による反りや、外部（例えば、赤外線センサを実装する実装基板など）からの応力や熱応力に起因してサーモパイルに応力がかかるのを避けることはできない。このため、このような赤外線センサでは、赤外線センサ自体の感度のばらつきや、実装基板に実装して用いる場合の特性の劣化、感度のばらつき、感度の変動などが懸念される。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、感度の向上を図れ、且つ、サーモパイルにかかる応力を低減することが可能な赤外線センサおよびその製造方法を提供することにある。

本発明の赤外線センサは、半導体基板と、前記半導体基板の一表面側に形成されてなりサーモパイルを有する熱型赤外線検出部とを備え、前記半導体基板の前記一表面側において前記熱型赤外線検出部の一部の直下に空洞部が形成されてなる赤外線センサであって、前記熱型赤外線検出部は、前記半導体基板の前記一表面側で前記空洞部の周部に形成された支持部と、前記半導体基板の前記一表面側で平面視において前記空洞部を覆う第１の薄膜構造部とを備え、前記第１の薄膜構造部は、前記空洞部の周方向に沿って並設され前記支持部に支持された複数の第２の薄膜構造部と、前記互いに対向する前記第２の薄膜構造部間に配置されたスリットと、互いに対向する前記第２の薄膜構造部同士を連結し前記第２の薄膜構造部にかかる応力を緩和する応力緩和構造部とを有し、前記応力緩和構造部に位置する前記スリットの幅は、前記応力緩和構造部以外の場所に位置する前記スリットの幅よりも広いことを特徴とする。

この赤外線センサにおいて、前記応力緩和構造部は、前記第２の薄膜構造部よりも、ばね定数が小さいことが好ましい。

この赤外線センサにおいて、前記ばね定数は、前記応力緩和構造部と前記応力緩和構造部に連結された前記第２の薄膜構造部との並ぶ方向のばね定数であることが好ましい。

この赤外線センサにおいて、前記空洞部の内周形状が矩形状であり、前記応力緩和構造部は、前記第２の薄膜構造部の延長方向において並んだ前記第２の薄膜構造部同士を連結していることが好ましい。

この赤外線センサにおいて、前記空洞部の内周形状が矩形状であり、前記応力緩和構造部は、前記第２の薄膜構造部の延長方向に直交する方向において並んだ前記第２の薄膜構造部同士を連結していることが好ましい。

この赤外線センサにおいて、前記応力緩和構造部に位置する前記スリットにおける幅広部は、前記第２の薄膜構造部同士を連結する第３の薄膜構造部に孔を設けることで形成されてなることが好ましい。

この赤外線センサにおいて、応力緩和構造部は、コルゲート板状に形成されてなることが好ましい。

この赤外線センサにおいて、前記応力緩和構造部のヤング率が、前記第２の薄膜構造部のヤング率よりも小さいことが好ましい。

本発明の赤外線センサの製造方法においては、前記半導体基板の前記一表面側に前記熱型赤外線検出部を形成した後で、前記応力緩和構造部の前記孔を通して前記半導体基板の一部を前記一表面側から結晶異方性エッチングすることにより前記空洞部を形成することを特徴とする。

本発明の赤外線センサにおいては、感度の向上を図れ、且つ、サーモパイルにかかる応力を低減することが可能となる。

本発明の赤外線センサの製造方法においては、感度の向上を図れ、且つ、サーモパイルにかかる応力を低減することが可能な赤外線センサを提供することができる。

実施形態１の赤外線センサを示し、（ａ）は画素部の平面レイアウト図、（ｂ）は（ａ）の要部拡大図、（ｃ）は（ｂ）のＧ−Ｇ’概略断面図である。 同上の赤外線センサにおける画素部の要部を示し、（ａ）は平面レイアウト図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ’断面に対応する概略断面図である。 同上の赤外線センサにおける画素部の要部の平面レイアウト図である。 同上の赤外線センサにおける画素部の要部の平面レイアウト図である。 同上の赤外線センサにおける画素部の要部を示し、（ａ）は平面レイアウト図、（ｂ）は概略断面図である。 同上の赤外線センサにおける画素部の要部を示し、（ａ）は平面レイアウト図、（ｂ）は概略断面図である。 同上の赤外線センサにおける画素部の要部の概略断面図である。 同上の赤外線センサの平面レイアウト図である。 同上の赤外線センサの等価回路図である。 同上の赤外線センサの製造方法を説明するための主要工程断面図である。 同上の赤外線センサの製造方法を説明するための主要工程断面図である。 同上の赤外線センサの製造方法を説明するための主要工程断面図である。 同上の赤外線センサの製造方法を説明するための主要工程断面図である。 実施形態２の赤外線センサの要部概略断面図である。 実施形態３の赤外線センサを示し、（ａ）は画素部の平面レイアウト図、（ｂ）は（ａ）の要部拡大図、（ｃ）は（ｂ）のＧ−Ｇ’概略断面図である。 同上の赤外線センサの製造方法の説明図である。 同上の赤外線センサの製造方法の説明図である。 実施形態４の赤外線センサの画素部の平面レイアウト図である。 同上の赤外線センサを示し、（ａ）は図１８の要部拡大図、（ｂ）は（ａ）のＧ−Ｇ’概略断面図である。 実施形態５の赤外線センサを示し、（ａ）は画素部の平面レイアウト図、（ｂ）は（ａ）の要部拡大図、（ｃ）は（ｂ）のＧ−Ｇ’概略断面図である。 実施形態６の赤外線センサを示し、（ａ）は画素部の平面レイアウト図、（ｂ）は（ａ）の要部拡大図、（ｃ）は（ｂ）のＧ−Ｇ’概略断面図である。 同上の赤外線センサの製造方法の説明図である。 従来例の赤外線センサを示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ’断面図である。

（実施形態１）
以下、図１〜図９に基づいて本実施形態の赤外線センサＡを説明する。

赤外線センサＡは、赤外線イメージセンサに利用可能な赤外線アレイセンサであり、熱型赤外線検出部３を有する画素部２が、半導体基板１の一表面側においてアレイ状（ここでは、２次元アレイ状）に配列されている（図８および図９参照）。この赤外線センサＡは、１つの半導体基板１の上記一表面側にｍ×ｎ個（図８および図９に示した例では、８×８個）の画素部２が形成されているが、画素部２の数や配列は特に限定するものではない。また、画素部２は、半導体基板１の上記一表面側に形成された画素選択用のスイッチング素子であるＭＯＳトランジスタ４を有している。ここで、各画素部２においては、熱型赤外線検出部３とＭＯＳトランジスタ４とが並んで配置されている。また、半導体基板１としては、シリコン基板を用いている。

また、本実施形態では、熱型赤外線検出部３の感温部３０が、複数個（ここでは、６個）のサーモパイル３０ａを直列接続することにより構成されている。図９では、熱型赤外線検出部３における感温部３０の等価回路を、当該感温部３０の熱起電力に対応する電圧源Ｖｓで表してある。

また、赤外線センサＡは、図１、図２および図９に示すように、各列の複数の熱型赤外線検出部３の感温部３０の一端が上述のＭＯＳトランジスタ４を介して各列ごとに共通接続された複数の垂直読み出し線７と、各行の熱型赤外線検出部３の感温部３０に対応するＭＯＳトランジスタ４のゲート電極４６が各行ごとに共通接続された複数の水平信号線６とを備えている。また、赤外線センサＡは、各列のＭＯＳトランジスタ４のｐ^＋形ウェル領域４１が各列ごとに共通接続された複数のグラウンド線８と、各グラウンド線８が共通接続された共通グラウンド線９を備えている。さらに、赤外線センサＡは、各列の複数個の熱型赤外線検出部３の感温部３０の他端が各列ごとに共通接続された複数の基準バイアス線５を備えている。しかして、赤外線センサＡは、全ての熱型赤外線検出部３の感温部３０の出力を時系列的に読み出すことができるようになっている。要するに、本実施形態の赤外線センサＡは、半導体基板１の上記一表面側に、熱型赤外線検出部３と当該熱型赤外線検出部３に並設され当該熱型赤外線検出部３の出力を読み出すためのＭＯＳトランジスタ４とを有する複数の画素部２が形成されている。

ここで、ＭＯＳトランジスタ４は、ゲート電極４６が水平信号線６に接続され、ソース電極４８が感温部３０を介して基準バイアス線５に接続され、ドレイン電極４７が垂直読み出し線７に接続されている。ここで、各水平信号線６それぞれは、各別の画素選択用のパッドＶselに電気的に接続され、各基準バイアス線５は、共通基準バイアス線５ａに共通接続され、各垂直読み出し線７それぞれは、各別の出力用のパッドＶoutに電気的に接続されている。また、共通グラウンド線９は、グラウンド用のパッドＧndに電気的に接続され、共通基準バイアス線５ａは、基準バイアス用のパッドＶrefと電気的に接続され、半導体基板１は、基板用のパッドＶddに電気的に接続されている。

しかして、ＭＯＳトランジスタ４が、順次、オン状態になるように各画素選択用のパッドＶselの電位を制御することで各画素部２の出力電圧を順次読み出すことができる。例えば、基準バイアス用のパッドＶrefの電位を１．６５、グラウンド用のパッドＧndの電位を０Ｖ、基板用のパッドＶddの電位を５Ｖとしておき、画素選択用のパッドＶselの電位を５Ｖとすれば、ＭＯＳトランジスタ４がオンとなり、出力用のパッドＶoutから画素部２の出力電圧（１．６５Ｖ＋感温部３０の出力電圧）が読み出される。また、画素選択用のパッドＶselの電位を０Ｖとすれば、ＭＯＳトランジスタ４がオフとなり、出力用のパッドＶoutから画素部２の出力電圧は読み出されない。なお、図８では、図９における画素選択用のパッドＶsel、基準バイアス用のパッドＶref、グラウンド用のパッドＧnd、出力用のパッドＶoutなどを区別せずに、全てパッド８０として図示してある。

以下、熱型赤外線検出部３およびＭＯＳトランジスタ４それぞれの構造について説明する。なお、本実施形態では、上述の半導体基板１として、導電形がｎ形で上記一表面が（１００）面の単結晶シリコン基板を用いている。

各画素部２の熱型赤外線検出部３は、半導体基板１の上記一表面側において熱型赤外線検出部３の形成用領域Ａ１（図２参照）に形成されている。また、各画素部２のＭＯＳトランジスタ４は、半導体基板１の上記一表面側においてＭＯＳトランジスタ４の形成用領域Ａ２（図２参照）に形成されている。

赤外線センサＡは、半導体基板１の上記一表面側において熱型赤外線検出部３の一部の直下に空洞部１１が形成されている。熱型赤外線検出部３は、半導体基板１の上記一表面側で空洞部１１の周部に形成された支持部３ｄと、半導体基板１の上記一表面側で平面視において空洞部１１を覆う第１の薄膜構造部３ａとを備えている。第１の薄膜構造部３ａは、赤外線を吸収する赤外線吸収部３３（図２（ｂ）参照）と、感温部３０とを備えている。また、第１の薄膜構造部３ａは、空洞部１１の周方向に沿って並設され支持部３ｄに支持された複数の第２の薄膜構造部３ａａと、互いに対向する第２の薄膜構造部３ａａどうしを連結し第２の薄膜構造部３ａａにかかる応力を緩和する応力緩和構造部３ｃとを有している。なお、図１の例の熱型赤外線検出部３では、複数の線状のスリット１３を設けることにより、第１の薄膜構造部３ａが６つの第２の薄膜構造部３ａａに分離されている。以下では、第１の赤外線吸収部３３のうち第２の薄膜構造部３ａａそれぞれに対応して分割された各部位を第２の赤外線吸収部３３ａと称する。

熱型赤外線検出部３は、第２の薄膜構造部３ａａごとにサーモパイル３０ａが設けられている。ここで、サーモパイル３０ａは、温接点Ｔ１が、第２の薄膜構造部３ａａに設けられ、冷接点Ｔ２が、支持部３ｄに設けられている。要するに、温接点Ｔ１は、熱型赤外線検出部３において空洞部１１に重なる第１の領域に形成され、冷接点Ｔ２は、熱型赤外線検出部３において空洞部１１に重ならない第２の領域に形成されている。

また、熱型赤外線検出部３の感温部３０は、各サーモパイル３０ａごとに出力を取り出す場合に比べて温度変化に対する出力変化が大きくなる接続関係で、全てのサーモパイル３０ａが電気的に接続されている。図１の例では、感温部３０は、６個のサーモパイル３０ａを直列接続してある。ただし、上述の接続関係は、複数個のサーモパイル３０ａの全てを直列接続する接続関係に限らない。例えば、それぞれ３個のサーモパイル３０ａの直列回路を並列接続すれば、６個のサーモパイル３０ａが並列接続されている場合や、各サーモパイル３０ａごとに出力を取り出す場合に比べて、感度を高めることができる。また、６個のサーモパイル３０ａの全てが直列接続されている場合に比べて、感温部３０の電気抵抗を低くできて熱雑音が低減されるから、Ｓ／Ｎ比が向上する。

ここで、熱型赤外線検出部３では、第２の薄膜構造部３ａａごとに、支持部３ｄと第２の赤外線吸収部３３ａとを連結する２つの平面視短冊状のブリッジ部３ｂｂ，３ｂｂが空洞部１１の周方向に離間して形成されている。これにより、２つのブリッジ部３ｂｂ，３ｂｂと第２の赤外線吸収部３３ａとを空間的に分離し空洞部１１に連通する平面視コ字状のスリット１４が形成されている。熱型赤外線検出部３のうち、平面視において薄膜構造部３ａを囲む部位である支持部３ｄは、矩形枠状の形状となっている。なお、ブリッジ部３ｂｂは、上述の各スリット１３，１４により、第２の赤外線吸収部３３ａおよび支持部３ｄそれぞれとの連結部位以外の部分が、第２の赤外線吸収部３３ａおよび支持部３ｄと空間的に分離されている。ここで、第２の薄膜構造部３ａａは、支持部３ｄからの延長方向の寸法を９３μｍ、この延長方向に直交する幅方向の寸法を７５μｍとし、各ブリッジ部３ｂｂの幅寸法を２３μｍ、各スリット１３，１４の幅を５μｍに設定してあるが、これらの値は一例であって特に限定するものではない。

第１の薄膜構造部３ａは、半導体基板１の上記一表面側に形成されたシリコン酸化膜１ｂと、当該シリコン酸化膜１ｂ上に形成されたシリコン窒化膜３２と、当該シリコン窒化膜３２上に形成された感温部３０と、シリコン窒化膜３２の表面側で感温部３０を覆うように形成された層間絶縁膜５０と、層間絶縁膜５０上に形成されたパッシベーション膜６０との積層構造部をパターニングすることにより形成されている。なお、層間絶縁膜５０は、ＢＰＳＧ膜により構成し、パッシベーション膜６０は、ＰＳＧ膜と当該ＰＳＧ膜上に形成されたＮＳＧ膜との積層膜により構成してあるが、これらの層構造や材料は特に限定するものではない。

上述の熱型赤外線検出部３では、シリコン窒化膜３２のうち第１の薄膜構造部３ａのブリッジ部３ｂｂ，３ｂｂ以外の部位が第１の赤外線吸収部３３を構成している。また、支持部３ｄは、シリコン酸化膜１ｂとシリコン窒化膜３２と層間絶縁膜５０とパッシベーション膜６０とで構成されている。

また、赤外線センサＡは、層間絶縁膜５０とパッシベーション膜６０との積層膜が、半導体基板１の上記一表面側において、熱型赤外線検出部３の形成用領域Ａ１とＭＯＳトランジスタ４の形成用領域Ａ２とに跨って形成されており、この積層膜のうち、熱型赤外線検出部３の形成用領域Ａ１に形成された部分が赤外線吸収膜７０（図２（ｂ）参照）を兼ねている。ここで、赤外線吸収膜７０の屈折率をｎ_２、検出対象の赤外線の中心波長をλとするとき、赤外線吸収膜７０の厚さｔ２をλ／４ｎ_２に設定するようにしているので、検出対象の波長（例えば、８〜１２μｍ）の赤外線の吸収効率を高めることができ、高感度化を図れる。例えば、ｎ_２＝１．４、λ＝１０μｍの場合には、ｔ２≒１．８μｍとすればよい。なお、本実施形態では、層間絶縁膜５０の膜厚を０．８μｍ、パッシベーション膜６０の膜厚を１μｍ（ＰＳＧ膜の膜厚を０．５μｍ、ＮＳＧ膜の膜厚を０．５μｍ）としてある。また、赤外線吸収膜７０は、上述の構成に限らず、例えば、シリコン窒化膜により構成してもよい。

サーモパイル３０ａは、シリコン窒化膜３２上で第２の薄膜構造部３ａａと支持部３ｄとに跨って形成されたｎ形ポリシリコン層３４とｐ形ポリシリコン層３５との一端部同士を第２の赤外線吸収部３３ａの赤外線入射面側で金属材料（例えば、Ａｌ−Ｓｉなど）からなる接続部３６により電気的に接続した複数個（図１に示した例では、９個）の熱電対を有している。また、サーモパイル３０ａは、半導体基板１の上記一表面側で互いに隣り合う熱電対のｎ形ポリシリコン層３４の他端部とｐ形ポリシリコン層３５の他端部とが金属材料（例えば、Ａｌ−Ｓｉなど）からなる接続部３７により接合され電気的に接続されている。ここで、サーモパイル３０ａは、ｎ形ポリシリコン層３４の上記一端部とｐ形ポリシリコン層３５の上記一端部と接続部３６とで温接点Ｔ１を構成している。また、ｎ形ポリシリコン層３４の上記他端部とｐ形ポリシリコン層３５の上記他端部と接続部３７とで冷接点Ｔ２を構成している。

ここにおいて、本実施形態の赤外線センサＡでは、上述の空洞部１１の形状が四角錘状であり、平面視における中央部の方が周部に比べて深さ寸法が大きくなっている。これに対して、第１の薄膜構造部３ａの中央部に温接点Ｔ１が集まるように各熱型赤外線検出部３におけるサーモパイル３０ａの平面レイアウトを設計してある。すなわち、図１の上下方向における真ん中の２つの第２の薄膜構造部３ａａでは、図１および図３に示すように、３つの第２の薄膜構造部３ａａの並設方向に沿って接続部３６を並べて配置してあるのに対し、当該上下方向における上側の２つの第２の薄膜構造部３ａａでは、図１および図４に示すように、３つの第２の薄膜構造部３ａａの並設方向において真ん中の第２の薄膜構造部３ａａに近い側に接続部３６を集中して配置してあり、当該上下方向における下側の２つの第２の薄膜構造部３ａａでは、図１に示すように、３つの第２の薄膜構造部３ａａの並設方向において真ん中の第２の薄膜構造部３ａａに近い側に接続部３６を集中して配置してある。しかして、本実施形態の赤外線センサＡでは、図１の上下方向における上側、下側の第２の薄膜構造部３ａａの複数の接続部３６の配置が、真ん中の第２の薄膜構造部３ａａの複数の接続部３６の配置と同じである場合に比べて、温接点Ｔ１の温度変化を大きくできるので、感度を向上できる。

また、第２の薄膜構造部３ａａは、シリコン窒化膜３２の赤外線入射面側においてサーモパイル３０ａを形成していない領域に、赤外線を吸収するｎ形ポリシリコン層からなる赤外線吸収層３９（図１、図２参照）が形成されている。この赤外線吸収層３９は、第２の薄膜構造部３ａａの反りを抑制する機能も有している。

ところで、本実施形態では、熱型赤外線検出部３の空洞部１１の内周形状が矩形状であり、応力緩和構造部３ｃは、第２の薄膜構造部３ａａの延長方向において並んだ第２の薄膜構造部３ａａ，３ａａ同士を連結している。ここで、応力緩和構造部３ｃは、第２の薄膜構造部３ａａよりも、ばね定数が小さい。この応力緩和構造部３ｃは、第２の薄膜構造部３ａａ，３ａａ同士を連結する第３の薄膜構造部３ａｃに、多数の孔３ｇを設けることで形成してある。この孔３ｇは、第３の薄膜構造部３ａｃの厚み方向に貫通しており、空洞部１１と連通している。しかして、応力緩和構造部３は、応力緩和構造部３ｃと当該応力緩和構造部３ｃに連結された第２の薄膜構造部３ａａ，３ａａとの並ぶ方向のばね定数が、この方向における第２の薄膜構造部３ａａ，３ａａのばね定数よりも小さくなっている。また、本実施形態では、第３の薄膜構造部３ａｃに４つの孔３ｇが形成されているが、これらの孔３ｇそれぞれを、隣り合うスリット１３と連続して形成してある。

また、第３の薄膜構造部３ａｃの孔３ｇは、矩形状に開口されているが、第３の薄膜構造部３ａｃにおける孔３ｇの周部での応力集中を緩和するために、孔３ｇの内周面に面取り部３ｈを設けてある。しかして、面取り部３ｈが形成されていない場合に比べて、第３の薄膜構造部３ａｃにおける孔３ｇの周部での応力集中を緩和でき、製造時に発生する残留応力を低減できるとともに製造時の破損を低減でき、製造歩留まりの向上を図れる。また、使用中の外部の温度変化や衝撃に起因して発生する応力による破損を防止することが可能となる。

第３の薄膜構造部３ａｃは、第１の薄膜構造部３ａと同様に、半導体基板１の上記一表面側に形成されたシリコン酸化膜１ｂと、当該シリコン酸化膜１ｂ上に形成されたシリコン窒化膜３２と、当該シリコン窒化膜３２上に形成された層間絶縁膜５０と、層間絶縁膜５０上に形成されたパッシベーション膜６０との積層構造部をパターニングすることにより形成されている。

また、赤外線センサＡは、各熱型赤外線検出部３に、支持部３ｄと一方のブリッジ部３ｂｂと第２の赤外線吸収部３３ａと他方のブリッジ部３ｂｂと支持部３ｄとに跨るように引き回されたｎ形ポリシリコン層からなる故障診断用の配線（以下、故障診断用配線と称する）１３９を設けて、全ての故障診断用配線１３９を直列接続してある。しかして、ｍ×ｎ個の故障診断用配線１３９の直列回路へ通電することで、ブリッジ部３ｂｂの折れなどの破損の有無を検出することができる。

上述の赤外線吸収層３９および故障診断用配線１３９は、ｎ形ポリシリコン層３４と同じｎ形不純物（例えば、リンなど）を同じ不純物濃度（例えば、１０^１８〜１０^２０ｃｍ^−３）で含んでおり、ｎ形ポリシリコン層３４と同時に形成されている。また、ｐ形ポリシリコン層３５のｐ形不純物として例えばボロンを採用すればよく、不純物濃度を例えば１０^１８〜１０^２０ｃｍ^−３程度の範囲で適宜設定すればよい。本実施形態では、ｎ形ポリシリコン層３４およびｐ形ポリシリコン層３５それぞれの不純物濃度が１０^１８〜１０^２０ｃｍ^−３であり、熱電対の抵抗値を低減でき、Ｓ／Ｎ比の向上を図れる。なお、赤外線吸収層３９および故障診断用配線１３９は、ｎ形ポリシリコン層３４と同じｎ形不純物を同じ不純物濃度でドーピングしてあるが、これに限らず、例えば、ｐ形ポリシリコン層３５と同じ不純物を同じ不純物濃度でドーピングしてもよい。

ところで、本実施形態では、ｎ形ポリシリコン層３４、ｐ形ポリシリコン層３５、赤外線吸収層３９、および故障診断用配線１３９の屈折率をｎ_１、検出対象の赤外線の中心波長をλとするとき、ｎ形ポリシリコン層３４、ｐ形ポリシリコン層３５、赤外線吸収層３９、および故障診断用配線１３９それぞれの厚さｔ１をλ／４ｎ_１に設定するようにしている。しかして、検出対象の波長（例えば、８〜１２μｍ）の赤外線の吸収効率を高めることができ、高感度化を図れる。例えば、ｎ_１＝３．６、λ＝１０μｍの場合には、ｔ１≒０．６９μｍとすればよい。

また、本実施形態では、ｎ形ポリシリコン層３４、ｐ形ポリシリコン層３５、赤外線吸収層３９、および故障診断用配線１３９それぞれの不純物濃度が１０^１８〜１０^２０ｃｍ^−３であるので、赤外線の吸収率を高くしつつ赤外線の反射を抑制することができて、感温部３０の出力のＳ／Ｎ比を高めることができる。また、赤外線吸収層３９および故障診断用配線１３９をｎ形ポリシリコン層３４と同一工程で形成できるから、低コスト化を図れる。

ここで、感温部３０の接続部３６と接続部３７とは、半導体基板１の上記一表面側において、層間絶縁膜５０によって絶縁分離されている（図５および図６参照）。すなわち、温接点Ｔ１側の接続部３６は、層間絶縁膜５０に形成したコンタクトホール５０ａ_１，５０ａ_２を通して、両ポリシリコン層３４，３５の上記各一端部と電気的に接続されている。また、冷接点Ｔ２側の接続部３７は、層間絶縁膜５０に形成されたコンタクトホール５０ａ_３，５０ａ_４を通して、両ポリシリコン層３４，３５の上記各他端部と電気的に接続されている。

また、本実施形態では、応力緩和構造部３ｃのヤング率が、第２の薄膜構造部３ａａのヤング率よりも小さくなっている。ここで、第３の薄膜構造部３ａｃおよび第２の薄膜構造部３ａａそれぞれが複数の薄膜の積層構造を有している場合、半導体基板１側からｉ番目（ｉ＝１，・・・，ｎ）の薄膜の材料のヤング率をＥ_ｉとすると、応力緩和構造部３ｃ、第２の薄膜構造部３ａａそれぞれのヤング率Ｅは、下記（１）式で各別に計算することができる。ここにおいて、第３の薄膜構造部３ａｃに孔３ｇを形成することで形成された応力緩和構造部３ｃに関するヤング率の計算にあたっては、シリコン酸化膜１ｂ、シリコン窒化膜３２、層間絶縁膜５０、パッシベーション膜６０それぞれを薄膜とし、第２の薄膜構造部３ａａでは、シリコン酸化膜１ｂ、シリコン窒化膜３２、層間絶縁膜５０、パッシベーション膜６０それぞれを薄膜とする。また、第２の薄膜構造部３ａａに関するヤング率の計算にあたっては、シリコン酸化膜１ｂ、シリコン窒化膜３２、ポリシリコン層（ｎ形ポリシリコン層３４とｐ形ポリシリコン層３５と赤外線吸収層３９と故障診断用配線１３９とをまとめて１層のポリシリコン層とみなす）、層間絶縁膜５０、パッシベーション膜６０それぞれを薄膜とする。

また、ＭＯＳトランジスタ４は、上述のように、半導体基板１の上記一表面側においてＭＯＳトランジスタ４の形成用領域Ａ２に形成されている。

ＭＯＳトランジスタ４は、図２および図７に示すように、半導体基板１の上記一表面側にｐ^＋形ウェル領域４１が形成され、ｐ^＋形ウェル領域４１内に、ｎ^＋形ドレイン領域４３とｎ^＋形ソース領域４４とが離間して形成されている。さらに、ｐ^＋形ウェル領域４１内には、ｎ^＋形ドレイン領域４３とｎ^＋形ソース領域４４とを囲むｐ^＋＋形チャネルストッパ領域４２が形成されている。

ｐ^＋形ウェル領域４１においてｎ^＋形ドレイン領域４３とｎ^＋形ソース領域４４との間に位置する部位の上には、シリコン酸化膜（熱酸化膜）からなるゲート絶縁膜４５を介してｎ形ポリシリコン層からなるゲート電極４６が形成されている。

また、ｎ^＋形ドレイン領域４３上には、金属材料（例えば、Ａｌ−Ｓｉなど）からなるドレイン電極４７が形成され、ｎ^＋形ソース領域４４上には、金属材料（例えば、Ａｌ−Ｓｉなど）からなるソース電極４８が形成されている。

ゲート電極４６、ドレイン電極４７およびソース電極４８は、上述の層間絶縁膜５０によって絶縁分離されている。ここで、ドレイン電極４７は、層間絶縁膜５０に形成したコンタクトホール５０ｄを通してｎ^＋形ドレイン領域４３と電気的に接続され、ソース電極４８は、層間絶縁膜５０に形成したコンタクトホール５０ｅを通してｎ^＋形ソース領域４４と電気的に接続されている。

赤外線センサＡの各画素部２では、ＭＯＳトランジスタ４のソース電極４８と感温部３０の一端とが電気的に接続され、感温部３０の他端が基準バイアス線５に電気的に接続されている。また、各画素部２では、ＭＯＳトランジスタ４のドレイン電極４７が垂直読み出し線７と電気的に接続され、ゲート電極４６が当該ゲート電極４６と連続一体に形成されたｎ形ポリシリコン配線からなる水平信号線６と電気的に接続されている。また、各画素部２では、ＭＯＳトランジスタ４のｐ^＋＋形チャネルストッパ領域４２上に、金属材料（例えば、Ａｌ−Ｓｉなど）からなるグラウンド用の電極（以下、グラウンド用電極と称する）４９が形成されている。このグラウンド用電極４９は、当該ｐ^＋＋形チャネルストッパ領域４２をｎ^＋形ドレイン領域４３およびｎ^＋形ソース領域４４よりも低電位にバイアスして素子分離するための共通グラウンド線８と電気的に接続されている。なお、グラウンド用電極４９は、層間絶縁膜５０に形成したコンタクトホール５０ｆを通してｐ^＋＋形チャネルストッパ領域４２と電気的に接続されている。

以下、赤外線センサＡの製造方法について図１０〜図１３を参照しながら簡説明する。

まず、シリコン基板からなる半導体基板１の上記一表面側に第１の所定膜厚（例えば、０．３μｍ）の第１のシリコン酸化膜３１と第２の所定膜厚（例えば、０．１μｍ）のシリコン窒化膜３２との積層膜からなる絶縁層を形成する絶縁層形成工程を行う。その後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して当該絶縁層のうち熱型赤外線検出部３の形成用領域Ａ１に対応する部分の一部を残してＭＯＳトランジスタ４の形成用領域Ａ２に対応する部分をエッチング除去する絶縁層パターニング工程を行うことによって、図１０（ａ）に示す構造を得る。ここにおいて、シリコン酸化膜３１は、半導体基板１を所定温度（例えば、１１００℃）で熱酸化することにより形成し、シリコン窒化膜３２は、ＬＰＣＶＤ法により形成している。

上述の絶縁層パターニング工程の後、半導体基板１の上記一表面側にｐ^＋形ウェル領域４１を形成するウェル領域形成工程を行い、続いて、半導体基板１の上記一表面側におけるｐ^＋形ウェル領域４１内にｐ^＋＋形チャネルストッパ領域４２を形成するチャネルストッパ領域形成工程を行うことによって、図１０（ｂ）に示す構造を得る。ここで、ウェル領域形成工程では、まず、半導体基板１の上記一表面側の露出部位を所定温度で熱酸化することにより第２のシリコン酸化膜（熱酸化膜）５１を選択的に形成する。その後、ｐ^＋形ウェル領域４１を形成するためのマスクを利用したフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用してシリコン酸化膜５１をパターニングする。続いて、ｐ形不純物（例えば、ボロンなど）のイオン注入を行ってから、ドライブインを行うことにより、ｐ^＋形ウェル領域４１を形成する。また、チャネルストッパ領域形成工程では、半導体基板１の上記一表面側を所定温度で熱酸化することにより第３のシリコン酸化膜（熱酸化膜）５２を選択的に形成する。その後、ｐ^＋＋形チャネルストッパ領域４２を形成するためのマスクを利用したフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して第３のシリコン酸化膜５２をパターニングする。続いて、ｐ形不純物（例えば、ボロンなど）のイオン注入を行ってから、ドライブインを行うことにより、ｐ^＋＋形チャネルストッパ領域４２を形成する。なお、第１のシリコン酸化膜３１と第２のシリコン酸化膜５１と第３のシリコン酸化膜５２とで、半導体基板１の上記一表面側のシリコン酸化膜１ｂを構成している。

上述のチャネルストッパ領域形成工程の後、ｎ^＋形ドレイン領域４３およびｎ^＋形ソース領域４４を形成するソース・ドレイン形成工程を行う。このソース・ドレイン形成工程では、ｐ^＋形ウェル領域４１におけるｎ^＋形ドレイン領域４３およびｎ^＋形ソース領域４４それぞれの形成予定領域にｎ形不純物（例えば、リンなど）のイオン注入を行ってから、ドライブを行うことによって、ｎ^＋形ドレイン領域４３およびｎ^＋形ソース領域４４を形成する。

ソース・ドレイン形成工程の後、半導体基板１の上記一表面側に熱酸化により所定膜厚（例えば、６００Å）のシリコン酸化膜（熱酸化膜）からなるゲート絶縁膜４５を形成するゲート絶縁膜形成工程を行う。続いて、半導体基板１の上記一表面側の全面にゲート電極４６、水平信号線６（図１参照）、ｎ形ポリシリコン層３４、ｐ形ポリシリコン層３５、赤外線吸収層３９および故障診断用配線１３９の基礎となる所定膜厚（例えば、０．６９μｍ）のノンドープポリシリコン層をＬＰＣＶＤ法により形成するポリシリコン層形成工程を行う。その後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して上記ノンドープポリシリコン層のうちゲート電極４６、水平信号線６、ｎ形ポリシリコン層３４、ｐ形ポリシリコン層３５、赤外線吸収層３９および故障診断用配線１３９それぞれに対応する部分が残るようにパターニングするポリシリコン層パターニング工程を行う。続いて、上記ノンドープポリシリコン層のうちｐ形ポリシリコン層３５に対応する部分にｐ形不純物（例えば、ボロンなど）のイオン注入を行ってからドライブを行うことによりｐ形ポリシリコン層３５を形成するｐ形ポリシリコン層形成工程を行う。その後、上記ノンドープポリシリコン層のうちｎ形ポリシリコン層３４、赤外線吸収層３９、故障診断用配線１３９、ゲート電極４６および水平信号線６に対応する部分にｎ形不純物（例えば、リンなど）のイオン注入を行ってからドライブを行うことによりｎ形ポリシリコン層３４、赤外線吸収層３９、故障診断用配線１３９、ゲート電極４６および水平信号線６を形成するｎ形ポリシリコン層形成工程を行うことによって、図１１（ａ）に示す構造を得る。なお、ｐ形ポリシリコン層形成工程とｎ形ポリシリコン層形成工程との順序は逆でもよい。

上述のｐ形ポリシリコン層形成工程およびｎ形ポリシリコン層形成工程が終了した後、半導体基板１の上記一表面側に層間絶縁膜５０を形成する層間絶縁膜形成工程を行う。続いて、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して層間絶縁膜５０に各コンタクトホール５０ａ_１，５０ａ_２，５０ａ_３，５０ａ_４，５０ｄ，５０ｅ，５０ｆ（図５〜図７参照）を形成するコンタクトホール形成工程を行うことによって、図１１（ｂ）に示す構造を得る。層間絶縁膜形成工程では、半導体基板１の上記一表面側に所定膜厚（例えば、０．８μｍ）のＢＰＳＧ膜をＣＶＤ法により堆積させてから、所定温度（例えば、８００℃）でリフローすることにより平坦化された層間絶縁膜５０を形成する。

上述のコンタクトホール形成工程の後、半導体基板１の上記一表面側の全面に接続部３６，３７、ドレイン電極４７、ソース電極４８、基準バイアス線５、垂直読み出し線７、グラウンド線８、共通グラウンド線９および各パッドＶout，Ｖsel，Ｖref，Ｖdd，Ｇndなど（図９参照）の基礎となる所定膜厚（例えば、２μｍ）の金属膜（例えば、Ａｌ−Ｓｉ膜）をスパッタ法などにより形成する金属膜形成工程を行う。続いて、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して金属膜をパターニングすることで接続部３６，３７、ドレイン電極４７、ソース電極４８、基準バイアス線５、垂直読み出し線７、グラウンド線８、共通グラウンド線９および各パッドＶout，Ｖsel，Ｖref，Ｖdd，Ｇndなどを形成する金属膜パターニング工程を行うことによって、図１２（ａ）に示す構造を得る。なお、金属膜パターニング工程におけるエッチングはＲＩＥにより行っている。

上述の金属膜パターニング工程の後、半導体基板１の上記一表面側（つまり、層間絶縁膜５０の表面側）に所定膜厚（例えば、０．５μｍ）のＰＳＧ膜と所定膜厚（例えば、０．５μｍ）のＮＳＧ膜との積層膜からなるパッシベーション膜６０をＣＶＤ法により形成するパッシベーション膜形成工程を行うことによって、図１２（ｂ）に示す構造を得る。なお、パッシベーション膜６０は、ＰＳＧ膜とＮＳＧ膜との積層膜に限らず、例えば、シリコン窒化膜でもよい。

上述のパッシベーション膜形成工程の後、シリコン酸化膜３１、シリコン窒化膜３２、層間絶縁膜５０、パッシベーション膜６０などを備え、感温部３０などが埋設された積層構造部をパターニングすることにより、第２の薄膜構造部３ａａおよび応力緩和構造部３ｃを形成する積層構造部パターニング工程を行うことによって、図１３（ａ）に示す構造を得る。なお、積層構造部パターニング工程において、各スリット１３，１４および孔３ｇを形成している。

上述の積層構造部パターニング工程の後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して各パッドＶout，Ｖsel，Ｖref，Ｖdd，Ｇndを露出させる開口部（図示せず）を形成する開口部形成工程を行う。次に、各スリット１３，１４および各孔３ｇをエッチング液導入孔としてエッチング液を導入し半導体基板１を異方性エッチング（結晶異方性エッチング）することにより半導体基板１に空洞部１１を形成する空洞部形成工程を行うことで、図１３（ｂ）に示す構造の赤外線センサＡを得る。ここで、開口部形成工程におけるエッチングはＲＩＥにより行っている。また、空洞部形成工程では、エッチング液として所定温度（例えば、８５℃）に加熱したＴＭＡＨ溶液を用いているが、エッチング液はＴＭＡＨ溶液に限らず、他のアルカリ系溶液（例えば、ＫＯＨ溶液など）を用いてもよい。なお、空洞部形成工程が終了するまでの全工程はウェハレベルで行うので、空洞部形成工程が終了した後、個々の赤外線センサＡに分離する分離工程を行えばよい。また、上述の説明から分かるように、ＭＯＳトランジスタ４の製造方法に関してみれば、周知の一般的なＭＯＳトランジスタの製造方法を採用しており、熱酸化による熱酸化膜の形成、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術による熱酸化膜のパターニング、不純物のイオン注入、ドライブイン（不純物の拡散）の基本工程を繰り返すことにより、ｐ^＋形ウェル領域４１、ｐ^＋＋形チャネルストッパ領域４２、ｎ^＋形ドレイン領域４３とｎ^＋形ソース領域４４を形成している。

以上説明したように、本実施形態の赤外線センサＡでは、熱型赤外線検出部３が、半導体基板１の上記一表面側で空洞部１１の周部に形成された支持部３ｄと、半導体基板１の上記一表面側で平面視において空洞部１１を覆う第１の薄膜構造部３ａとを備え、第１の薄膜構造部３ａが、空洞部１１の周方向に沿って並設され支持部３ｄに支持された複数の第２の薄膜構造部３ａａと、互いに対向する第２の薄膜構造部３ａａ，３ａａ同士を連結し第２の薄膜構造部３ａａにかかる応力を緩和する応力緩和構造部３ｃとを有し、各第２の薄膜構造部３ａａごとに第２の薄膜構造部３ａａと支持部３ｄとに跨ってサーモパイル３０ａが設けられるとともに、各サーモパイル３０ａごとに出力を取り出す場合に比べて温度変化に対する出力変化が大きくなる接続関係で全てのサーモパイル３０ａが電気的に接続されている。しかして、本実施形態の赤外線センサＡでは、各サーモパイル３０ａごとに出力を取り出す場合に比べて温度変化に対する出力変化が大きくなる接続関係で全てのサーモパイル３０ａが電気的に接続されていることにより、感度の向上を図れる。また、本実施形態の赤外線センサＡでは、第１の薄膜構造部３ａが、空洞部１１の周方向に沿って並設され支持部３ｄに支持された複数の第２の薄膜構造部３ａａと、互いに対向する第２の薄膜構造部３ａａ，３ａａ同士を連結し第２の薄膜構造部３ａａにかかる応力を緩和する応力緩和構造部３ｃとを有し、各第２の薄膜構造部３ａａごとに第２の薄膜構造部３ａａと支持部３ｄとに跨ってサーモパイル３０ａが設けられていることにより、サーモパイル３０ａにかかる応力を低減することが可能となり、製品ごとの感度のばらつきや、実装基板などへの実装による外部応力を応力緩和構造部３ｃにおいて吸収することができ、外部応力に起因した特性の劣化、変動などを抑制することが可能となる。要するに、本実施形態の赤外線センサＡでは、各第２の薄膜構造部３ａａの反りを低減でき、構造安定性の向上を図れ、感度が安定する。

また、上述した赤外線センサＡの製造方法では、半導体基板１の上記一表面側に熱型赤外線検出部３を形成した後で、スリット１３，１４および応力緩和構造部３ｃの孔３ｇを通して半導体基板１の一部を上記一表面側から結晶異方性エッチングすることにより空洞部１１を形成するので、感度の向上を図れ、且つ、サーモパイル３０ａにかかる応力を低減することが可能な赤外線センサＡを提供することができる。

また、本実施形態の赤外線センサＡにおいては、応力緩和構造部３ｃのばね定数が、第２の薄膜構造部３ａａのばね定数よりも小さいので、第２の薄膜構造部３ａａに比べて応力緩和構造部３ｃの方が変形しやすく、応力緩和構造部３ｃにおいて効果的に応力を緩和することが可能となる。ここにおいて、本実施形態の赤外線センサＡでは、応力緩和構造部３ｃと当該応力緩和構造部３ｃに連結された第２の薄膜構造部３ａａとの並ぶ方向のばね定数に関して、応力緩和構造部３ｃのばね定数が、第２の薄膜構造部３ａａのばね定数よりも小さいので、応力緩和構造部３ｃが当該応力緩和構造部３ｃと第２の薄膜構造部３ａａとの並ぶ方向（つまり、平面方向）に容易に変形することができ、効果的に応力を緩和することが可能となる。

また、本実施形態の赤外線センサＡは、上述の空洞部１１を四角錘状に形成するので、半導体基板１が、上記一表面が（１００）面のシリコン基板を用いて形成される場合に、空洞部１１をアルカリ系溶液による結晶異方性エッチングによって容易に形成することができる。

また、本実施形態の赤外線センサＡでは、シリコン窒化膜３２の赤外線入射面側に、ｎ形ポリシリコン層３４およびｐ形ポリシリコン層３５の他に、赤外線吸収層３９および故障診断用配線１３９が形成されているので、ｎ形ポリシリコン層３４およびｐ形ポリシリコン層３５の形成時にシリコン窒化膜３２がエッチングされて薄くなるのを抑制する（ここでは、上述のポリシリコン層パターニング工程でｎ形ポリシリコン層３４およびｐ形ポリシリコン層３５の基礎となるノンドープポリシリコン層をエッチングする際のオーバーエッチング時にシリコン窒化膜３２がエッチングされて薄くなるのを抑制する）ことができるとともに第１の薄膜構造部３ａの応力バランスの均一性を高めることができ、赤外線吸収部３３の薄膜化を図りながらも第２の薄膜構造部３ａａの反りを防止することが可能となり、感度の向上を図れる。ここで、ｎ形ポリシリコン層３４、ｐ形ポリシリコン層３５、赤外線吸収層３９、故障診断用配線１３９は、上述の空洞部形成工程において用いるエッチング液（例えば、ＴＭＡＨ溶液など）によりエッチングされるのを防止するため、スリット１３，１４の内側面に露出しないように平面視形状を設計する必要がある。

また、本実施形態の赤外線センサＡでは、ｎ形ポリシリコン層３４とｐ形ポリシリコン層３５と赤外線吸収層３９と故障診断用配線１３９とが同一の厚さに設定されているので、第２の薄膜構造部３ａａの応力バランスの均一性が向上し、第２の薄膜構造部３ａａの反りを抑制することができる。

また、本実施形態の赤外線センサＡは、各画素部２ごとに感温部３０の出力を読み出すためのＭＯＳトランジスタ４を有しているので、出力用のパッドＶoutの数を少なくでき、小型化および低コスト化を図れる。

（実施形態２）
本実施形態の赤外線センサＡの基本構成は実施形態１と略同じであって、図１４に示すように、半導体基板１における空洞部１１が、半導体基板１の厚み方向に貫設されている点のみが相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

ところで、実施形態１では、空洞部１１を形成する空洞部形成工程において、半導体基板１の上記一表面側からスリット１３，１４および孔３ｇを通してエッチング液を導入して半導体基板１を結晶異方性エッチングすることで空洞部１１を形成している。

これに対して、本実施形態の赤外線センサＡの製造にあたっては、空洞部１１を形成する空洞部形成工程において、半導体基板１の上記一表面とは反対の他表面側から、半導体基板１における空洞部１１の形成予定領域を、例えば誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）型のドライエッチング装置を用いた異方性エッチング技術を利用して形成すればよい。

しかして、本実施形態の赤外線センサＡによれば、第１の薄膜構造部３ａの第２の薄膜構造部３ａａから半導体基板１への熱伝達をより抑制することができ、より一層の高感度化を図れる。

（実施形態３）
図１５に示す本実施形態の赤外線センサＡの基本構成は実施形態１と略同じであり、応力緩和構造部３ｃの配置および形状などが相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

ところで、実施形態１の赤外線センサＡにおいては、応力緩和構造部３ｃが、第２の薄膜構造部３ａａの延長方向に交差する斜め方向において隣接する第２の薄膜構造部３ａａ，３ａａ同士、第２の薄膜構造部３ａａの延長方向において隣接する第２の薄膜構造部３ａａ，３ａａ同士、第２の薄膜構造部３ａａの延長方向に直交する方向において隣接する第２の薄膜構造部３ａａ，３ａａ同士を連結している。

これに対して、本実施形態の赤外線センサＡでは、応力緩和構造部３ｃが、第２の薄膜構造部３ａａの延長方向に直交する方向において並んだ第２の薄膜構造部３ａａ，３ａａ同士を連結している。

ここで、本実施形態の赤外線センサＡでは、平面視で上記延長方向において隣接する第２の薄膜構造部３３ａ，３３ａ同士が、上記延長方向に直交する方向の全長に亘って応力緩和構造部３ｃにより連結されている。また、応力緩和構造部３ｃは、多数の孔３ｇが仮想的な二次元正方格子の各格子点に対応する部位に形成されている。ここにおいて、二次元正方格子は、基本単位となる正方形の一方の対角線が上記延長方向に一致し、他方の対角線が上記延長方向に直交する方向に一致するように規定している。

本実施形態の赤外線センサＡの製造方法は、実施形態１で説明した製造方法と略同じであり、一部相違するだけなので相違点について説明する。

本実施形態の赤外線センサＡの製造方法では、応力緩和構造部３ｃに、シリコン窒化膜３２が残らないように、実施形態１で説明した絶縁層パターニング工程において、シリコン窒化膜３２のうち応力緩和構造部３ｃに対応する部位をエッチング除去する。また、応力緩和構造部３ｃに、ポリシリコン層が残らないように、ポリシリコン層パターニング工程において、ポリシリコン層のうち応力緩和構造部３ｃに対応する部位をエッチング除去する。しかして、本実施形態の赤外線センサでは、実施形態１に比べて、応力緩和構造部３ｃのばね定数を小さくすることができる。

また、実施形態１で説明した赤外線センサＡの製造方法では、積層構造部パターニング工程により各スリット１３，１４および孔３ｇが形成されることで、図１７（ａ）に示す構造が得られ、その後、空洞部形成工程により空洞部１１を形成することで、図１７（ｄ）に示す構造が得られる。この空洞部１１を形成する際の結晶異方性エッチングは、図１７（ｂ）→図１７（ｃ）→図１７（ｄ）のように進行する。すなわち、まず、半導体基板１の上記一表面のうちスリット１３，１４および孔３ｇにより露出した部位が結晶異方性エッチングされ（図１７（ｂ））、その後、結晶異方性エッチングが進行することにより第２の薄膜構造部３ａａの直下の一部がなくなり（図１７（ｃ））、さらに結晶異方性エッチングが進行することにより第２の薄膜構造部３ａａが半導体基板１から完全に分離されて空洞部１１が形成される。

本実施形態における応力緩和構造部３ｃの孔３ｇは、半導体基板１の結晶異方性エッチングの開始後に隣り合う孔３ｇ同士、隣り合う孔３ｇとスリット１３とが、半導体基板１の上記一表面における空洞部１１の形成予定領域の一部に形成された凹部の内部空間を介して連通するように配置してある。

しかして、本実施形態の赤外線センサＡの製造時には、積層構造部パターニング工程を行うことにより図１６（ａ）に示す構造を得た後で、空洞部形成工程において結晶異方性エッチングを行うことにより、図１６（ｂ）の斜線部→図１６（ｃ）の斜線部→図１６（ｄ）の斜線部のようにエッチングが進行する。ここにおいて、図１６（ｃ）および図１７（ｃ）に示すように半導体基板１のうち第２の薄膜構造部３ａａ直下の部位がエッチング除去されることにより、第２の薄膜構造部３ａａの残留応力が開放され、半導体基板１の上記一表面側の角部付近（図１６（ｃ）、図１７（ｃ）において矢印で指した付近）に応力が集中して第２の薄膜構造部３ａａが破壊される可能性があるが、応力緩和構造部３ｃにより応力を吸収することができ、第２の薄膜構造部３ａａの応力を緩和することができるから、製造時の歩留まりを向上できる。

本実施形態の赤外線センサＡによれば、応力緩和構造部３ｃが、第２の薄膜構造部３ａａの延長方向において隣接する第２の薄膜構造部３ａａ，３ａａ同士を連結しているので、第２の薄膜構造部３ａａ，３ａａの一端側が支持部３ｄに直接支持される一方で、他端側が応力緩和構造部３ｃと別の第２の薄膜構造部３ａａとを介して支持部３ｄに支持され、結果的に、各第２の薄膜構造部３ａａが支持部３ｄに両持ち支持されるから、第２の薄膜構造部３ａａの反りを低減でき、感度が安定するとともに、製造歩留まりが向上する。なお、２つの薄膜構造部３３ａ，３３ａ同士を連結する応力緩和構造部３ｃは、複数に分割して設けてもよい。

（実施形態４）
図１８および図１９に示す本実施形態の赤外線センサＡの基本構成は実施形態３と略同じであり、応力緩和構造部３ｃの配置および形状が相違する。なお、実施形態３と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態における応力緩和構造部３ｃは、第２の薄膜構造部３ａａの延長方向に並んだ第２の薄膜構造部３ａａ，３３ａ同士だけでなく、第２の薄膜構造部３ａａの延長方向に直交する方向（第２の薄膜構造部３ａａの幅方向、つまり、図１８の上下方向）において隣接する第２の薄膜構造部３ａａ，３ａａ同士も連結している。なお、応力緩和構造部３ｃは、第２の薄膜構造部３ａａのうちブリッジ部３ｂｂから遠い部位に設けることが好ましい。

本実施形態の赤外線センサＡによれば、応力緩和構造部３ｃが、第２の薄膜構造部３ａａの延長方向に直交する方向において隣接する第２の薄膜構造部３ａａ，３ａａ同士を連結しているので、各第２の薄膜構造部３ａａのねじり剛性が大きくなって、各第２の薄膜構造部３ａａのねじり変形を低減でき、感度が安定するとともに、製造歩留まりが向上する。

ここにおいて、本実施形態の赤外線センサＡでは、実施形態３と同様、半導体基板１の上記一表面が（１００）面であり、この半導体基板１の結晶方位に基づいて方向を規定すれば、半導体基板１の孔３ｇにより露出する領域の外接する＜１１０＞方向の接線によりできる矩形（図１９（ａ）中に破線で示してある）が、隣り合う孔３ｇにより露出する領域の外接する＜１１０＞方向の接線によりできる矩形（図１９（ａ）中に破線で示してある）と重なるように多数の孔３ｇを配置してある。しかして、空洞部形成工程での半導体基板１の結晶異方性エッチングの開始後に速やかに隣り合う孔３ｇ同士が半導体基板１の上記一表面側にエッチング領域を通して連通し、応力緩和構造部３ｃの応力緩和機能が直ちに発揮できるようになる。

なお、応力緩和構造部３ｃは、第２の薄膜構造部３ａａの延長方向に直交する方向において隣接する第２の薄膜構造部３ａａ，３ａａ同士のみを連結するように設けてもよい。また、実施形態２，３における孔３ｇの配置は、本実施形態の孔３ｇの配置と同様である。

（実施形態５）
図２０に示す本実施形態の赤外線センサＡの基本構成は実施形態４と略同じであり、応力緩和構造部３ｃの積層構造が相違する。なお、実施形態４と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態の赤外線センサＡにおける応力緩和構造部３ｃは、シリコン酸化膜１ｂ上のシリコン窒化膜３２上に、ｎ形ポリシリコン層からなる補強層３９ｂが形成されており、シリコン窒化膜３２の表面側で補強層３９ｂを覆うように層間絶縁膜５０が形成され、層間絶縁膜５０上にパッシベーション膜６０が形成されている。

ここで、補強層３９ｂは、応力緩和構造部３ｃにおける第３の薄膜構造部３ａｃの機械的強度を高めるために設けたものである。なお、本実施形態のように半導体基板１がシリコン基板であり、補強層３９ｂがｎ形ポリシリコン層により形成される場合には、空洞部１１の形成時に補強層３９ｂがエッチングされるのを防止するために、平面視において補強層３９ｂの側縁が露出しないように、補強層３９ｂを配置する必要がある。

補強層３９ｂは、サーモパイル３０ａのｎ形ポリシリコン層３４と同じｎ形不純物（例えば、リンなど）を同じ不純物濃度（例えば、１０^１８〜１０^２０ｃｍ^−３）で含んでおり、ｎ形ポリシリコン層３４と同時に形成されている。また、補強層３９ｂは、赤外線吸収層３９と連続一体に形成されている。

しかして、本実施形態の赤外線センサＡでは、応力緩和構造部３ｃが補強層３９ｂにより補強されているので、使用中の外部の温度変化や衝撃に起因して発生する応力による破損を防止でき、また、製造時の破損を低減でき、製造歩留まりの向上を図れる。

（実施形態６）
図２１に示す本実施形態の赤外線センサＡの基本構成は実施形態４と略同じであり、応力緩和構造部３ｃの形状が相違する。なお、実施形態４と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態の赤外線センサＡにおける応力緩和構造部３ｃは、コルゲート板状（波形板状）に形成されている。しかして、本実施形態では、孔３ｇを設けることなく応力緩和構造部３ｃのばね定数を低減でき、応力緩和構造部３ｃのばね定数をより小さくすることが可能となるとともに、応力緩和構造部３ｃの破損する可能性を低減できる。

コルゲート板状の応力緩和構造部３ｃの形成にあたっては、実施形態１にて説明した絶縁層形成工程の前に、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して図２２（ａ）に示すように半導体基板１の上記一表面側において応力緩和構造部３ｃの形成予定領域に複数の凹溝１ｄを形成し、その後、シリコン酸化膜１ｂ、シリコン窒化膜３２を順次形成すればよい。そして、最終的に空洞部形成工程においてスリット１３１，１４を通して空洞部１１を形成することにより応力緩和構造部３ｃを半導体基板１から分離すればよい。ここで、凹溝１ｄを形成する際のエッチングは、反応性イオンエッチングなどのドライエッチングでもよいし、ウェットエッチングでもよい。

なお、他の実施形態において応力緩和構造部３ｃをコルゲート板状に形成してもよい。

ところで、上記各実施形態の赤外線センサＡは、各画素部２にＭＯＳトランジスタ４を設けてあるが、ＭＯＳトランジスタ４は必ずしも設ける必要はない。

また、赤外線センサＡは、必ずしも画素部２をアレイ状に備えた赤外線アレイセンサである必要はなく、少なくとも１つの熱型赤外線検出部３を備えたものであればよい。

Ａ 赤外線センサ
１ 半導体基板
３ 熱型赤外線検出部
３ａ 第１の薄膜構造部
３ａａ 第２の薄膜構造部
３ａｃ 第３の薄膜構造部
３ｃ 応力緩和構造部
３ｄ 支持部
３ｇ 孔
１１ 空洞部
３０ａ サーモパイル

Claims (10)

1. 半導体基板と、前記半導体基板の一表面側に形成されてなりサーモパイルを有する熱型赤外線検出部とを備え、前記半導体基板の前記一表面側において前記熱型赤外線検出部の一部の直下に空洞部が形成されてなる赤外線センサであって、
   前記熱型赤外線検出部は、前記半導体基板の前記一表面側で前記空洞部の周部に形成された支持部と、前記半導体基板の前記一表面側で平面視において前記空洞部を覆う第１の薄膜構造部とを備え、
   前記第１の薄膜構造部は、前記空洞部の周方向に沿って並設され前記支持部に支持された複数の第２の薄膜構造部と、互いに対向する前記第２の薄膜構造部間に配置されたスリットと、前記互いに対向する前記第２の薄膜構造部同士を連結し前記第２の薄膜構造部にかかる応力を緩和する応力緩和構造部とを有し、
   前記応力緩和構造部に位置する前記スリットの幅は、前記応力緩和構造部以外の場所に位置する前記スリットの幅よりも広いことを特徴とする赤外線センサ。
2. 前記応力緩和構造部は、前記第２の薄膜構造部よりも、ばね定数が小さいことを特徴とする請求項１記載の赤外線センサ。
3. 前記ばね定数は、前記応力緩和構造部と前記応力緩和構造部に連結された前記第２の薄膜構造部との並ぶ方向のばね定数であることを特徴とする請求項２記載の赤外線センサ。
4. 前記空洞部の内周形状が矩形状であり、前記応力緩和構造部は、前記第２の薄膜構造部の延長方向において並んだ前記第２の薄膜構造部同士を連結していることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の赤外線センサ。
5. 前記空洞部の内周形状が矩形状であり、前記応力緩和構造部は、前記第２の薄膜構造部の延長方向に直交する方向において並んだ前記第２の薄膜構造部同士を連結していることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の赤外線センサ。
6. 前記応力緩和構造部に位置する前記スリットにおける幅広部は、前記第２の薄膜構造部同士を連結する第３の薄膜構造部に孔を設けることで形成されてなることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の赤外線センサ。
7. 前記応力緩和構造部は、コルゲート板状に形成されてなることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の赤外線センサ。
8. 前記応力緩和構造部のヤング率が、前記第２の薄膜構造部のヤング率よりも小さいことを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の赤外線センサ。
9. 請求項６記載の赤外線センサの製造方法であって、前記半導体基板の前記一表面側に前記熱型赤外線検出部を形成した後で、前記応力緩和構造部の前記孔を通して前記半導体基板の一部を前記一表面側から結晶異方性エッチングすることにより前記空洞部を形成することを特徴とする赤外線センサの製造方法。
10. 前記各第２の薄膜構造部ごとに前記第２の薄膜構造部と前記支持部とに跨って前記サーモパイルが設けられるとともに、前記各サーモパイルごとに出力を取り出す場合に比べて温度変化に対する出力変化が大きくなる接続関係で全ての前記サーモパイルが電気的に接続されてなることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の赤外線センサ。

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