JP5625232B2 - 熱型赤外線固体撮像素子 - Google Patents
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Description
本発明は、熱分離構造を有する熱型赤外線固体撮像素子に関し、特に、ダイアフラムを中空に支持する支持部の構造に関する。
熱型の赤外線固体撮像素子は、一般に、物体から放射された赤外線を赤外線吸収膜で吸収して熱に変換し、マイクロブリッジ構造のダイアフラムを構成するボロメータ薄膜等の感熱抵抗体の温度を上昇させてその抵抗を変化させ、感熱抵抗体の抵抗変化から対象物の温度を測定するものである。
具体的に説明すると、この種の熱型赤外線固体撮像素子は、一般、ボロメータ薄膜を備える受光部(ダイアフラム)と、ボロメータ薄膜と回路基板に予め形成された読出回路とを接続する金属配線を備える支持部とで構成され、この支持部により、受光部が回路基板の上に浮いた形で存在している。そして、入射した赤外線が赤外線吸収膜で吸収されて受光部の温度が上昇すると、ボロメータ薄膜の抵抗が変化し、その抵抗変化が読出回路で検出されて、電気信号として出力される。
上述した熱型赤外線固体撮像素子の感度(Ｓ／Ｎ比)を上げるためには、第1に、受光部に入射する赤外線の光量を増やすことが重要であり、そのためには、熱型赤外線固体撮像素子全体の面積に対する受光部の面積の比率(開口率)を大きくする必要がある。また、第2に、入射赤外線によって発生した熱の流出を抑制することも重要であり、そのためには、支持部の熱コンダクタンスを小さくする必要がある。
ここで、支持部の熱コンダクタンスを小さくする方法として、支持部の断面積を小さくする方法と支持部を長くする方法とがあるが、支持部の断面積を小さくすると受光部を支持する強度が低下してしまう。従って、熱流出を抑制するには支持部を長くする方法が有効であるが、従来の熱型赤外線固体撮像素子では、隣り合う画素の受光部の間に形成されているため、支持部を長くした分、開口率は低下してしまう。
この問題に対して、下記特許文献1には、図23に示すように、赤外線受光部が、架橋部、第1の柱部、第2の柱部からなる支持部によって、半導体基板上に空隙を介して支持される構造において、架橋部、第1の柱部、第2の柱部を赤外線受光部の下方に形成して、その一部又は全部が赤外線受光部で覆われる熱型赤外線センサが開示されている。
また、下記特許文献2には、図24に示すように、受光部が支持脚によって基板から離間して支持される構造において、支持脚を画素範囲外まで延ばす熱型赤外線センサが開示されており、支持脚として、隣接画素の支持脚と離間してほぼ並行に伸長し、かつ画素ピッチ以上の長さを有する構成、画素ピッチ以内に配設され、かつ基板面に平行な面内で折り曲げられる構成、一対の支持脚が対応して配設され、該一対の支持脚が対応する受光部から相互に逆方向に伸びる構成が開示されている。
これらの従来の構成では、画素アレイとしたときに、以下に示すような画素間での感度に関する分布異常乃至斑、感度変動乃至揺らぎと云った問題がある。
特許文献1及び2に記載された構造では、赤外線受光部(ダイアフラム)と支持部(第2の柱部)乃至支持脚とが広い面積で接続され、その接続部は受光部にありながら入射赤外線による温度上昇が起こり易くないため、そこが一種のヒートシンクのように働く。そのため、受光部(ダイアフラム)内に図25に示すような温度分布が発生する。この受光部(ダイアフラム)上に感熱抵抗体(温度検出器)をパターン形成するのであるが、製造に使用する目合露光装置(ステッパー)の持つレチクルのX-Y位置合せ誤差及びθ合せ誤差、さらにはウエハのX-Y位置合せ誤差及びθ合せ誤差により、受光部(ダイアフラム)と感熱抵抗体(温度検出器)パターンとの相対的位置ズレが発生する。その相対的位置ズレには前述の多様な要素が絡むため画素間で同一とはならない。従って、前述のように受光部(ダイアフラム)上に温度分布があると、この位置ズレが画素間に感度分布乃至斑を引き起こす。相対的位置ズレはチップ中央よりチップ周囲が大きく、また、ウエハ中心よりウエハ周囲が大きくなる性質を持つので、例えばウエハ外周部のチップは製品としての性能を満足せず、歩留低下を引き起こすと云う問題がある。
この種の非冷却センサの用途として、最近、安全性向上のため車載等乗物搭載へのニーズが高まってきている。この用途では小型化とそれに伴う低価格化が望まれている。画素小型化によって面内方向の画素寸法は減少するが、高さ方向の寸法は減らないため、受光部のアスペクト比(高さ方向の寸法/面内方向の受光部の寸法)は大きくなっていく。受光部のアスペクト比が大きくなってくると、乗物に搭載したときの振動等による面内方向に掛かる加速度により受光部が傾き易くなり、それは受光面が入射方向に対して傾くことになるため、感度変動乃至揺らぎを引き起こし易くなる。特に、特許文献1及び2に記載された構造では、受光部のアスペクト比が大きく、それでいて支持部と基板とを接続するコンタクト部の間隔が狭い、あるいは、支持脚が直線若しくは階段状で略一定の方向に伸びているため、前述の受光部の傾きに対する抗力がさらに低く、感度変動乃至揺らぎが起こる問題はより深刻である。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、その主たる目的は、ダイアフラムが支持部で支持される熱型赤外線固体撮像素子において、支持部の構造に起因する感度分布や斑、感度変動、揺らぎを抑制することができる熱型赤外線固体撮像素子を提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明は、信号読出のための集積回路が形成され、該集積回路との接続電極を備えた基板と、赤外線を吸収することにより加熱される赤外線吸収部、該赤外線吸収部からの熱によって温度が変化して前記赤外線吸収部の温度変化を検出する温度検出部、及び、該温度検出部と電気的に接続された電極部を備え、前記基板の一側の面上に間隔を空けて配置されるダイアフラムと、前記ダイアフラムを前記基板の前記一側の面から浮かせて支持し、前記基板の前記接続電極に前記ダイアフラムの前記電極部を電気的に接続する配線を構成するように少なくとも一部が導電性材料により形成された一対の支持部と、を少なくとも有する画素が複数配置された熱型赤外線固体撮像素子において、前記一対の支持部は、各々、前記ダイアフラムと同階層に設けられ前記ダイアフラムと一部で繋がる第１支持部と、前記ダイアフラムと前記基板との間の階層に設けられた第２支持部と、を有し、前記第２支持部は、少なくとも１回以上の折返し点を有する梁と、前記梁の一端部に設けられた第１コンタクト部と、前記梁の他端部に設けられた第２コンタクト部と、から成り、前記一対の支持部の前記梁及び前記第２コンタクト部は、前記ダイアフラムを挟んで該ダイアフラムの両外側に配置され、前記第１支持部と前記第２支持部の第１コンタクト部との間で機械的・電気的接続が形成され、且つ、前記第２支持部の第２コンタクト部と前記接続電極との間で機械的・電気的接続が形成されており、前記画素が、ダイアフラム長及びダイアフラム間ギャップのピッチでアレイ状に配置され、各々の画素の前記第２支持部の梁及び前記第２コンタクト部が、他の画素のダイアフラム下に存在するものである。
以上説明したように、本発明の熱型赤外線固体撮像素子によれば、下記記載の効果を奏する。
本発明の第1の効果は、ダイアフラムの温度勾配を抑制し、感度分布異常乃至感度斑の歩留を向上できることである。
その理由は、本発明の支持部は、ダイアフラムと同階層に設けられた第１支持部と、ダイアフラムと基板との間の層に形成された第２支持部とで構成され、面積が大きい機械的・電気的接続は第１支持部と第２支持部の第１コンタクト部との間で形成され、ダイアフラムと第１支持部とは図２６に示すように一部の云わば第１支持部の短い梁で繋がるだけであるため、従来のダイアフラムに発生する温度勾配はこの短い梁近辺に集中させることができ、ダイアフラム内の温度を均一にすることができるからである。そして、ダイアフラム内の温度が均一であるため、ダイアフラムと感熱抵抗体（温度検出器）パターンとの相対的位置ズレが発生しても画素間に感度分布乃至斑が発生せず、歩留を向上させることができる。
また、本発明の第2の効果は、支持部の機械的強度乃至面内方向に掛かる加速度に対する抗力を向上させ、感度変動乃至揺らぎを抑制できることである。
その理由は、各々の第2支持部は、互いに反対側に位置する画素のダイアフラムの下方に引き出されるため、複数の折り返し点で複雑に屈曲させることができ、これにより支持部の機械的強度が増すと共に、スプリングのような耐衝撃、耐振動機能を持たせることができるからである。また、自身のダイアフラムの下方に引き出す構造に比べて第2支持部と基板とのコンタクト部の間隔を広げることができるため、ダイアフラムを安定して支持することができるからである。そして、面内方向に掛かる加速度により受光部が傾き難くなり、受光面を入射方向に対して一定に保持することができるため、感度変動乃至揺らぎを抑制することができる。
本発明の熱型赤外線固体撮像素子の一実施の形態について、図1乃至図22を用いて詳細に説明する。図1及び図3は、本実施形態に係る熱型赤外線固体撮像素子の構造を示す平面図である。また、図2は、図1の熱型赤外線固体撮像素子の構造を示す断面図であり、(a)は、一方の支持部からダイアフラムを経由して他方の支持部に至る経路の1画素の構造を示している。但し、ボロメータ薄膜の分割及びボロメータ薄膜間を接続する金属配線(第3配線)は省略している。また、同図(b)は、図1において水平方向にダイアフラム長プラスダイアフラム間ギャップのピッチで並んだ複数画素の構造を示す図であり、各画素はA-A'線に沿って切った断面を示している。また、図4乃至図22は、本実施形態に係る熱型赤外線固体撮像素子の製造方法を示す工程断面図である。
図1及び図2に示すように、本実施形態の熱型赤外線固体撮像素子は、入射赤外線を吸収するダイアフラム1と、ダイアフラム1を読出回路付Si基板10(読出回路は非表示)から浮かせた状態で支持する一対の支持部とで構成される。
ダイアフラム1内には、温度変化検出機構として3つの部分に分かれたボロメータ薄膜17が形成されており、下層側の第3絶縁膜16と、上層側の第4絶縁膜18及び第5絶縁膜20とに覆われている。このボロメータ薄膜17は、例えば、膜厚が30〜200nm程度の酸化バナジウム(V2O3、VOXなど)や酸化チタン(TiOX)などから成る。分割したボロメータ薄膜17間は第3配線19によって直列に接続されている。なお、ボロメータ薄膜17の分割数は、ボロメータ全体の直列抵抗が所望の値になるように選べば良い。
また、第3配線19は、下層側の第3絶縁膜16及び第4絶縁膜18と、上層側の第5絶縁膜20とに覆われており、直列に接続されたボロメータ薄膜17の端部から、スリット7で狭められた領域を通過して第1コンタクト部5まで引き出され、第1支持部2を形成している。ここで、スリット7を設けているのは、ダイアフラム1と第1支持部2との接続領域を小さくして、ダイアフラム1からの熱流出を抑制するためである。
上記第1コンタクト部5には、第1絶縁膜12上に第1配線13及び第2配線14が形成されており、第2絶縁膜14、第3絶縁膜16及び第4絶縁膜18に設けたコンタクトホールにより第3配線19に接続されている。そして、第2配線14は複雑に屈曲した梁4を通って、読出回路付Si基板10上に設けた接続電極11まで引き出され、第1絶縁膜12に設けたコンタクトホールに形成した第1配線13を介して接続電極11に接続されている。
ここで、図23に示すような特許文献1記載の熱型赤外線固体撮像素子では、各々の支持部と基板との接続部(図1における第2コンタクト部6)は共に受光部(図1におけるダイアフラム1)の下方に設けられるため、接続部同士の間隔を大きくすることができず、その結果、2つの支持部で受光部を安定して支持することができないという問題があった。
また、図24に示すような特許文献2記載の熱型赤外線固体撮像素子では、2つの支持部が同じ方向に直線状に引き出されているため、接続部同士の間隔を大きくすることができないと共に支持部の強度を高めることができず、その結果、2つの支持部で受光部を安定して支持することができないという問題があった。
そこで、本実施形態の熱型赤外線撮像素子では、第1の特徴として、ダイアフラム1を支持する一対の支持部を、ダイアフラム1と同階層に形成した第1支持部2と、ダイアフラム1と読出回路付Si基板10との間の層に形成した第2支持部3とで構成する。また、第2の特徴として、2つの第2支持部3を、ダイアフラム1を中心にして両外側(好ましくはダイアフラム1の中心に対して点対称)に引き出す。また、第3の特徴として、各々の第2支持部3を、隣接する画素のダイアフラム1の下方で複数回屈曲させて経路長を長くする。また、第4の特徴として、ダイアフラム1と第１支持部2との間にスリット7を設ける。
これにより、各々の第2支持部3が接続電極11と接する第2コンタクト部6の間隔を、少なくともダイアフラム1の幅よりも大きくすることができるため、ダイアフラム1を安定して支持することができる。また、各々の第2支持部3は、隣接する画素のダイアフラム1の下方で複数回屈曲して引き出されているため、第2支持部3の経路長を長くして感度を向上させることができると共に、第2支持部3の機械的強度を高めてダイアフラム1を更に安定して支持することができる。また、スリット７により、ダイアフラム1と第１支持部2とは極小さい領域で接続されるため、ダイアフラム1からの熱流出を抑制して、感度の向上及び感度斑歩留の抑制を図ることができる。
なお、図1及び図2の構造は例示であり、上記4つの特徴を有する限りにおいて、第1支持部2や第2支持部3の形状、構造等は任意である。例えば、図1では、第2コンタクト７部6をダイアフラム1に近い位置に配置したが、ダイアフラム1から離れた位置に配置してもよく、第2コンタクト７部6の間隔を広げることによって、ダイアフラム1をより安定して支持することができる。また、図1では、第2支持部3を5回折り返す構成としたが、折り返し回数や折り返し位置も任意である。また、図1では、第2支持部3の梁4の幅を一定にしたが、ダイアフラム1側から第2コンタクト6側に向かって徐々に幅を狭く(又は広く)したり、部分的に幅を狭く(又は広く)してもよい。
また、スリット7の幅や長さ、形状も図の構成に限定されない。例えば、図1では、各々の第1支持部2に対して1カ所(図の左右の辺)からL字状に切り込みを形成したが、2カ所(図の左右の辺及び上下の辺）から切り込みを形成してもよい。なお、スリット7の幅を広くすると開口率が小さくなり、切り込みを短くすると第1支持部2への熱流出が大きくなるため、製造上可能な限りスリット7の幅を狭くし、機械的強度を維持できる限り切り込みを長く(ダイアフラム1と第1支持部2との接続面積を小さく)することが好ましい。
また、図1及び図2では、第2支持部3を隣の素子のダイアフラム1の下方のみに引き出したが、例えば、図3に示すように、各々の第2支持部3を2つ以上（図では2つ）隣の素子のダイアフラム1の下方まで引き出してもよい。その場合、第2コンタクト部6は、2つ隣の素子のダイアフラム1の下方に配置してもよいし、第2コンタクト部6を1つ隣の素子のダイアフラム1の下方に配置し、第2支持部3を2つ隣の素子のダイアフラム1の下方に一旦引き出した後、1つ隣の素子のダイアフラム1の下方まで戻して読出回路付Si基板10に接続してもよい。
また、図1乃至図3では、支持部を、ダイアフラム1と同階層の第1支持部2と、ダイアフラム1と読出回路付Si基板10の間の階層の第2支持部3で構成したが、第2支持部3と読出回路付Si基板10の間にn(n≧1の整数)階層の他の支持部を設けてもよい。その場合は、第2支持部3の第2コンタクト部6と1つ下の階層の支持部の第1コンタクト部とを接続し、その支持部の第2コンタクト部と更に1つ下の階層の支持部の第1コンタクト部とを接続するといった具合に順次接続すればよい。
また、本実施形態の熱型赤外線固体撮像素子は、支持部の構造に特徴を有するものであり、ダイアフラム1、第1支持部2及び第2支持部3を構成する各材料や膜厚等は任意である。例えば、第1絶縁膜12、第2絶縁膜14、第3絶縁膜16、第4絶縁膜18及び第5絶縁膜20は、Si酸化膜(SiO、SiO2)、Si窒化膜(SiN、Si3N4)、あるいはSi酸化窒化膜(SiON)などで構成することができる。また、第1配線13、第2配線14及び第3配線19は、アルミ(Al)、銅(Cu)、金(Au)、チタン(Ti)、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、あるいはチタン・アルミ・バナジウム(TiAlV)などの合金、もしくは高濃度に不純物添加したSiなどの半導体で構成することができる。
以下、本発明の一実施形態に係る熱型赤外線固体撮像素子の製造方法について、図4〜図22を用いて詳細に説明する。なお、図4〜図22は、熱型赤外線固体撮像素子の製造方法における主要工程を示している。
まず、通常のSi集積回路製造工程により、信号読出回路(図示せず)、金属反射膜(図示せず)、及び、信号読出回路の端子電極である接続電極11を複数具備した読出回路付Si基板10を形成する。図4〜図22には図示していないが、読出回路付Si基板10表面や金属反射膜及び接続電極11を覆うように、全体に絶縁保護膜を形成しても良い。
次に、図4において、第2支持部3と接続電極11とを接続する第2コンタクト部6を除いて、読出回路付Si基板10上に、第2支持部3と読出回路付Si基板10との間に空隙を形成するための第1犠牲層21を形成する。この第1犠牲層21は、例えば、感光性ポリイミドを塗布し、露光・現像によってパターニングした後、熱処理を施して形成する。第1犠牲層21の厚さは例えば0.5〜3μm程度である。
次に、図5において、第1犠牲層21を覆うように第1絶縁膜12をプラズマCVD法等で形成する。この第1絶縁膜12は、膜厚50〜200nm程度のSi酸化膜(SiO、SiO2)、Si窒化膜(SiN、Si3N4)、あるいはSi酸化窒化膜(SiON)などから成る。
次に、図6において、公知のフォトリソグラフィ技術を用いて形成したレジストパターンをマスクとして、接続電極11上の第1絶縁膜12に、接続電極11と第1配線13とを接続するためのコンタクトを開口する。
次に、図7において、第1配線13を構成する金属薄膜をスパッタ法等で形成する。この第1配線13は、膜厚が50〜200nm程度のアルミニウム、銅、金、チタン、タングステン、モリブデン、あるいはチタン・アルミニウム・バナジウムなどから成る。なお、この第1配線13(裏打ち金属膜)は、第1コンタクト部5のコンタクトホール形成時の突き抜けや第2コンタクト部6の段差部における段切れなどの問題を解決するために設けている。第2配線14を構成する金属薄膜が突き抜けや段切れなどの心配が無い厚さの場合は、第1配線13は設けなくても良い。
次に、図8において、公知のフォトリソグラフィ技術を用いて形成したレジストパターンをマスクとして、第2コンタクト部6のコンタクトホール内、及び、第1コンタクト部5に対応する位置に金属薄膜が残るように、第1配線13のパターニングを行なう。
次に、図9において、第2配線14を構成する金属薄膜をスパッタ法等で形成する。この第2配線14は、膜厚が10〜200nm程度のアルミニウム、銅、金、チタン、タングステン、モリブデン、あるいはチタン・アルミニウム・バナジウムなどから成る。この第2配線14は、第2支持部3における信号伝達経路となる。
次に、図10において、公知のフォトリソグラフィ技術を用いて形成したレジストパターンをマスクとして、第1コンタクト部5から第2コンタクト部6に至る経路上に第2配線14が残るように、第2配線14のパターニングを行なう。なお、第2コンタクト部6のコンタクトホール内には第1配線13が形成されているため、第2配線14の段切れを未然に防止することができる。
次に、図11において、第2配線14を覆うように第2絶縁膜15をプラズマCVD法等で形成する。この第2絶縁膜15も、膜厚50〜200nm程度のSi酸化膜(SiO、SiO2)、Si窒化膜(SiN、Si3N4)、あるいはSi酸化窒化膜(SiON)などから成る。
次に、図12において、公知のフォトリソグラフィ技術を用いて形成したレジストパターンをマスクとして、第2支持部3を形作るようにダイアフラム1の下方の第1絶縁膜12及び第2絶縁膜15を除去する。この第2支持部3のパターニングには、同時に第1犠牲層21のポリイミドを部分的に露出させる効果もある。
次に、図13において、第1コンタクト部5を除いて、ダイアフラム1と読出回路付Si基板10との間に空隙を形成するための第2犠牲層22を形成する。この第2犠牲層22は、例えば、感光性ポリイミドを塗布し、露光・現像によってパターニングした後、熱処理を施して形成する。第2犠牲層22の厚さは0.5〜3μm程度である。なお、第1犠牲層21と第2犠牲層22とは同じ材料で形成してもよいし、異なる材料で形成してもよい。
次に、図14において、第1コンタクト部5及び第2犠牲層22を覆うように、第3絶縁膜16をプラズマCVD法等で形成する。この第3絶縁膜16は、膜厚50〜200nm程度のSi酸化膜(SiO、SiO2)、Si窒化膜(SiN、Si3N4)、あるいはSi酸化窒化膜(SiON)などから成る。
次に、図15において、ボロメータ薄膜17を構成する材料膜をスパッタ法等で形成し、ダイアフラム1に対応する位置に材料膜が残るように、ボロメータ薄膜17のパターニングを行なう。このボロメータ薄膜17は、膜厚が50〜200nm程度の酸化バナジウム(V2O3、VOXなど)や酸化チタン(TiOX)などから成る。
次に、図16において、ボロメータ薄膜17を覆うように、第4絶縁膜18をプラズマCVD法等で形成する。この第4絶縁膜18は、膜厚50〜200nm程度のSi酸化膜(SiO、SiO2)、Si窒化膜(SiN、Si3N4)、あるいはSi酸化窒化膜(SiON)などから成る。
次に、図17において、公知のフォトリソグラフィ技術を用いて形成したレジストパターンをマスクとして、第4絶縁膜18に、ボロメータ薄膜17とその上層に形成する第3配線19とのコンタクト、及び、第1コンタクト部5の第2配線14とその上層に形成する第3配線19とのコンタクトを形成するコンタクトホールを開口する。なお、第1コンタクト部5には第1配線13が形成されているため、コンタクトホール形成時の突き抜けを未然に防止することができる。また、ボロメータ薄膜17上にコンタクトホールを開口する工程と第1コンタクト部5にコンタクトホールを開口する工程とを別工程に分けても良い。
次に、図18において、第3配線19を構成する金属薄膜をスパッタ法等で形成する。この第3配線19は、膜厚が10〜200nm程度のアルミニウム、銅、金、チタン、タングステン、モリブデン、あるいはチタン・アルミニウム・バナジウムなどから成る。もし、第3配線19を構成する金属薄膜が薄く、第1コンタクト部5におけるコンタクトホールで段切れを起こす恐れがある場合は、第1配線13と同じ要領で第3配線19を構成する金属薄膜形成前に裏打ち金属パターンを形成しておけば良い。
次に、図19において、公知のフォトリソグラフィ技術を用いて形成したレジストパターンをマスクとして、ボロメータ薄膜17の端部から第1支持部2に至る経路に第3配線19が残るように、第3配線19のパターニングを行なう。これにより、ボロメータ薄膜17は第3配線19、第2配線14及び第1配線13を介して、接続電極11に接続される。なお、本図は、図1のスリット7を横切る経路の断面構造であるため、ボロメータ薄膜17の外側において第3配線19が途切れているが、第3配線19はスリット7を避けてボロメータ薄膜17から第1コンタクト部5まで連続して形成されている。
次に、図20において、さらにそれらの上を覆うようにプラズマCVD法等で第5絶縁膜20を形成する。この第5絶縁膜20は、膜厚50〜500nm程度のSi酸化膜(SiO、SiO2)、Si窒化膜(SiN、Si3N4)、あるいはSi酸化窒化膜(SiON)などから成る。
次に、図21において、ダイアフラム1及び第1支持部2の形状になるように第5絶縁膜20、第4絶縁膜18及び第3絶縁膜16をまとめてパターニングする。その際、ダイアフラム1と第1支持部2の間に領域にスリット7も形成する。このダイアフラム1及び第1支持部2のパターニングには、同時に第2犠牲層22のポリイミドを部分的に露出させる効果もある。
次に、図22において、第1犠牲層21及び第2犠牲層22を、O2ガスプラズマを用いたアッシングにより除去することによって本実施形態の熱型赤外線固体撮像素子が完成する。
上記製造工程は一例であり、本実施形態の熱型赤外線固体撮像素子が製造可能であれば、使用する材料や形成／除去方法、工程順などは適宜変更することができる。例えば、上記では、第1犠牲層21及び第2犠牲層22をポリイミドで構成したが、ポリシリコンやアルミニウムで構成することができる。ポリシリコンを犠牲層に用いる場合の犠牲層除去は、例えば、ヒドラジンやテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド(TMAH)を用いたウェットエッチング、XeF2プラズマを用いたドライエッチング等により行なう。アルミニウムを犠牲層に用いる場合の犠牲層除去は、例えば、塩酸やホットリン酸を用いたウェットエッチングにより行なう。その際、ダイアフラム1や第1支持部2、第2支持部3を構成する絶縁膜にSi窒化膜を用いた場合には、ホットリン酸をあまり高温(〜160℃)にするとSi窒化膜もエッチングされるので注意が必要である。
また、ダイアフラム1や第1支持部2、第2支持部3を構成する材料にSi酸化膜を用いる場合には、第1犠牲層21及び第2犠牲層22をSi窒化膜で構成することも可能であり、さらに、その逆も可能である。Si窒化膜が犠牲層の場合の犠牲層除去は、例えば、ホットリン酸を用いたウェットエッチングで行ない、Si酸化膜が犠牲層の場合の犠牲層除去は、例えば、弗酸を用いたウェットエッチングで行なう。
また、上記実施形態では、温度変化検出機構としてボロメータ薄膜を備えたボロメータ型赤外線固体撮像素子について述べたが、本発明はこれに限定されず、例えば温度変化検出機構としてpn接合ダイオード型検出器を備えたものなどに対しても同様に適用することができる。
本発明の効果を確認するために、有効画素数640×480、画素ピッチを17μm、第1コンタクト部2のサイズを4μm□とした図1の構造のボロメータ型赤外線固体撮像素子を製作した。梁4の長さを12.05+1.4+11.1+1.4+11.1+1.4+11.1+1.4+11.1+1.4+7.55=71μm、幅を0.9μm、厚みを300nm、梁4中の第2配線14の幅を0.5μm、厚みを50nmとした。ダイアフラム10及び第1支持部2、第2支持部3を構成する絶縁膜には何れもSiNを用いた。ボロメータ薄膜17としては、酸化バナジウムを用いた。導電性配線材料にはTiAlVを採用した。SiNの熱伝導率は0.0065W/cmK、TiAlVの熱伝導率は0.11W/cmKであることから、熱コンダクタンスGthは2×(0.0065×0.9E-4×300E-7+0.11×0.5E-4×50E-7)/71E-4=1.27E-8W/Kとなる。
これに対して、以前に本願発明者他が開発し、Optical Engineering, vol. 45(1), pp. 014001-1−014001-10, 2006にて論文発表した有効画素数640×480、画素ピッチ23.5μmのボロメータ型赤外線固体撮像素子を従来構造として性能比較する。梁幅のマスク寸法は1μmであるが出来上り寸法は若干細るため、本実施例と同等の梁断面形状であり比較し易い。従来構造の熱コンダクタンスGthは3E-8W/Kである。従ってGth比は1.27E-8/3E-8=42.3%になり、本発明の支持部構造とすることによって大幅に熱コンダクタンスを小さくできることを確認できた。
また、本実施例の構造の場合、ダイアフラム1の面積は16.5μm□-4.5μm□×2=231.75μm2であり、ボロメータ薄膜17の面積は4.8μm×(11.25μm+15.5μm+11.25μm)=182.4μm2である。一方、従来構造の場合、ダイアフラムの面積は開口率60%と庇効果の1.28倍を考慮すると、23.5μm□×0.6×1.28=424.13μm2相当であり、ボロメータ薄膜の面積は5.5μm×(12μm+18μm+12μm)=231μm2である。従って、ダイアフラム面積比は、231.75/424.13=54.6%となり、ボロメータ薄膜の面積比は、182.4/231=79.0%となる。
ここで、ダイアフラム面積と光応答出力とが比例関係にあり、ボロメータ薄膜面積と1/fノイズとが反比例関係にある。更にGthと光応答出力とが反比例関係にある。また、NETD=ノイズ/光応答出力である。従って、NETD比=Gth/(ダイアフラム面積比×ボロメータ薄膜の面積比)となる。この式に上記数値を代入すると、NETD比=42.3%/(54.6%×79.0%)=0.981となり、ほぼ同等(若干良)のNETDとなることが見積もられる。実際にF1レンズにより評価したところ、大幅な小型化にも関わらず同等のNETD：50mKを得ることができた。
本実施例のセンサチップ寸法は15mm□であり、これを6インチウエハ上に配置形成している。本発明の通りに第1支持部を設ける水準と、第1支持部を設けずダイアフラムと第2支持部の第1コンタクト部との間で機械的・電気的接続が形成される水準(特許文献1及び2に記載された構造と等価)とを、同一ロット内で造り分けて、感度分布異常不良発生率の差異を確認した。第1支持部を設けない後者の水準では、ウエハ最外周部のチップが許容範囲を越えて不良となった。ウエハ面付チップ数52個に対してウエハ最外周部チップ数20個が不良となったので、不良発生率は38.5%である。一方、本発明通りの水準では、ウエハ最外周部のチップでもこの不良は発生せず零にできたので、前述の不良発生率分の歩留改善ができることが確認できた。
本実施例のセンサチップを搭載した評価カメラを車に載せ、走行中の画像の感度変動を評価した。その結果、感度変動は検出限界以下であり、振らつくことの無い良好な画像が得られ、本構造の有効性が確認できた。
また、画素ピッチを17μm、第1コンタクト部2のサイズを2.5μm□とした図3の構造のボロメータ型赤外線固体撮像素子を製作した。梁4の長さを13.5+1.5+12.5+1.5+15.5+1.5+15.5+1.5+12=75μm、幅を1μm、厚みを300nm、梁4中の第2配線14の幅を0.5μm、厚みを50nmとした。ダイアフラム10及び第1支持部2、第2支持部3を構成する絶縁膜には何れもSiNを用いた。ボロメータ薄膜17としては、酸化バナジウムを用いた。導電性配線材料にはTiAlVを採用した。
SiNの熱伝導率は0.0065W/cmK、TiAlVの熱伝導率は0.11W/cmKであることから、熱コンダクタンスは2×(0.0065×1E-4×300E-7+0.11×0.5E-4×50E-7)/75E-4=1.25E-8W/Kとなる。従って、図3の構造でも第1の実施例と同等の性能が得られることが確認できた。
本発明の活用例として、暗視装置(赤外線カメラ)やサーモグラフィに使用される熱型赤外線固体撮像素子が挙げられる。
１ ダイアフラム
２ 第1支持部
３ 第2支持部
４ 梁
５ 第1コンタクト部
６ 第2コンタクト部
７ スリット
１０ 読出回路付Si基板
１１ 接続電極
１２ 第1絶縁膜
１３ 第1配線
１４ 第2配線
１５ 第2絶縁膜
１６ 第3絶縁膜
１７ ボロメータ薄膜
１８ 第4絶縁膜
１９ 第3配線
２０ 第5絶縁膜
２１ 第1犠牲層
２２ 第2犠牲層
２ 第1支持部
３ 第2支持部
４ 梁
５ 第1コンタクト部
６ 第2コンタクト部
７ スリット
１０ 読出回路付Si基板
１１ 接続電極
１２ 第1絶縁膜
１３ 第1配線
１４ 第2配線
１５ 第2絶縁膜
１６ 第3絶縁膜
１７ ボロメータ薄膜
１８ 第4絶縁膜
１９ 第3配線
２０ 第5絶縁膜
２１ 第1犠牲層
２２ 第2犠牲層
Claims (7)
- 信号読出のための集積回路が形成され、該集積回路との接続電極を備えた基板と、赤外線を吸収することにより加熱される赤外線吸収部、該赤外線吸収部からの熱によって温度が変化して前記赤外線吸収部の温度変化を検出する温度検出部、及び、該温度検出部と電気的に接続された電極部を備え、前記基板の一側の面上に間隔を空けて配置されるダイアフラムと、前記ダイアフラムを前記基板の前記一側の面から浮かせて支持し、前記基板の前記接続電極に前記ダイアフラムの前記電極部を電気的に接続する配線を構成するように少なくとも一部が導電性材料により形成された一対の支持部と、を少なくとも有する画素が、複数配置された熱型赤外線固体撮像素子において、
前記一対の支持部は、各々、前記ダイアフラムと同階層に設けられ、前記ダイアフラムと繋がる第１支持部と、前記ダイアフラムと前記基板との間の階層に設けられた第２支持部と、を有し、前記第２支持部は、基板と平行方向への少なくとも１回以上の折返し点を有する梁と、前記梁の一端部に設けられた第１コンタクト部と、前記梁の他端部に設けられた第２コンタクト部と、から成り、前記一対の支持部の前記梁及び前記第２コンタクト部は、前記第１支持部と前記第２支持部の第１コンタクト部との間で機械的・電気的接続が形成され、且つ、前記第２支持部の第２コンタクト部と前記接続電極との間で機械的・電気的接続が形成されており、
前記画素が、ダイアフラム長及びダイアフラム間ギャップのピッチでアレイ状に配置され、各々の画素の前記第２支持部の梁及び前記第２コンタクト部が、他の画素のダイアフラム下に存在することを特徴とする熱型赤外線固体撮像素子。 - 前記ダイアフラムと第１支持部は、一部で繋がっていることを特徴とする請求項１に記載の熱型赤外線固体撮像素子。
- 前記一対の支持部の前記梁及び前記第２コンタクト部は、前記ダイアフラムを挟んで外ダイアフラムの両外側に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱型赤外線固体撮像素子。
- 更に、前記第２支持部と前記基板との間にｎ階層（ｎ≧１の整数）の支持部を有し、
前記第２支持部の前記第２コンタクト部と１つ下の階層の前記支持部の第１コンタクト部との間で、機械的・電気的接続が形成され、 ｎが２以上の場合は、所定の階層の前記支持部の第２コンタクト部と１つ下の階層の前記支持部の第１コンタクト部との間で、順次、機械的・電気的接続が形成され、
最も下の階層の前記支持部の第２コンタクト部と前記接続電極との間で機械的・電気的接続が形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の熱型赤外線固体撮像素子。 - 前記第１コンタクト部及び前記第２コンタクト部の底部に、前記梁に配置される配線とは異なる金属膜が形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の熱型赤外線固体撮像素子。
- 前記梁の幅が、前記ダイアフラム側から前記第２コンタクト側に向かって徐々に狭く又は広くなるように形成されている請求項１乃至５のいずれか１項に記載の熱型赤外線固体撮像素子。
- 前記梁の幅が、部分的に狭く又は広くなるように形成されている請求項１乃至５のいずれか１項に記載の熱型赤外線固体撮像素子。
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