JP5790001B2

JP5790001B2 - 赤外線検出素子

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Publication number: JP5790001B2
Application number: JP2011021652A
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Inventors: 最実太田; 廣田　正樹; 正樹廣田; 貴文福本
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Priority date: 2011-02-03
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Publication date: 2015-10-07
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Description

本発明は、赤外線を検出する赤外線検出素子に関するものである。

赤外線の吸収率向上を図った赤外線受光素子として、複数の突起を一定の間隔で配列して構成される凸状パターンを、受光部の赤外線入射側の表面に形成して、赤外線の反射を低減させるものが知られている（例えば特許文献１参照）。

特開２００６−２２６８９１号公報

上記の赤外線検出素子では、突起を高くすることで赤外線の吸収率を向上させることができる。しかしながら、この場合には、突起の体積が増加し熱容量が増加するので、赤外線検出素子としての熱時定数が大きくなり応答速度が遅くなってしまうという問題がある。

本発明が解決しようとする課題は、応答速度を維持しつつ赤外線の吸収率を向上させることが可能な赤外線検出素子を提供することである。

本発明は、赤外線吸収部の第２の吸収部を構成する突起の根元部分に、凹状の窪み部を形成することによって上記課題を解決する。

本発明によれば、突起の体積を増加させることなく、光の回折現象を利用して窪み部に赤外線を閉じ込めることができるので、応答速度を維持しつつ赤外線の吸収率を向上させることができる。

図１Ａは、本発明の第１実施形態における赤外線検出素子を示す平面図である。図１Ｂは、図１ＡのIB-IB線に沿った断面図である。図２は、本発明の第１実施形態における赤外線吸収部を示す斜視図である。図３は、図２のIII-III線に沿った断面図である。図４は、本発明の第１実施形態における第２の吸収部のレイアウトの一例を示す平面図である。図５は、本発明の第１実施形態における第２の吸収部のレイアウトの他の例を示す平面図である。図６は、本発明の第１実施形態における第２の吸収部のレイアウトのさらに他の例を示す平面図である。図７Ａは、本発明の第１実施形態における赤外線検出素子の製造工程を示す断面図である。図７Ｂは、本発明の第１実施形態における赤外線検出素子の製造工程を示す断面図である。図７Ｃは、本発明の第１実施形態における赤外線検出素子の製造工程を示す断面図である。図７Ｄは、本発明の第１実施形態における赤外線検出素子の製造工程を示す断面図である。図７Ｅは、本発明の第１実施形態における赤外線検出素子の製造工程を示す断面図である。図７Ｆは、本発明の第１実施形態における赤外線検出素子の製造工程を示す断面図である。図７Ｇは、本発明の第１実施形態における赤外線検出素子の製造工程を示す断面図である。図７Ｈは、本発明の第１実施形態における赤外線検出素子の製造工程を示す断面図である。図７Ｉは、本発明の第１実施形態における赤外線検出素子の製造工程を示す断面図である。図７Ｊは、本発明の第１実施形態における赤外線検出素子の製造工程を示す断面図である。図７Ｋは、本発明の第１実施形態における赤外線検出素子の製造工程を示す断面図である。図７Ｌは、本発明の第１実施形態における赤外線検出素子の製造工程を示す断面図である。図７Ｍは、本発明の第１実施形態における赤外線検出素子の製造工程を示す断面図である。図７Ｎは、本発明の第１実施形態における赤外線検出素子の製造工程を示す断面図である。図７Ｏは、本発明の第１実施形態における赤外線検出素子の製造工程を示す断面図である。図８は、本発明の第２実施形態における赤外線検出素子を示す断面図である。図９は、本発明の第２実施形態における赤外線吸収部を示す断面図である。図１０Ａは、本発明の第２実施形態における赤外線検出素子の製造工程を示す断面図である。図１０Ｂは、本発明の第２実施形態における赤外線検出素子の製造工程を示す断面図である。図１０Ｃは、本発明の第２実施形態における赤外線検出素子の製造工程を示す断面図である。図１０Ｄは、本発明の第２実施形態における赤外線検出素子の製造工程を示す断面図である。図１０Ｅは、本発明の第２実施形態における赤外線検出素子の製造工程を示す断面図である。図１０Ｆは、本発明の第２実施形態における赤外線検出素子の製造工程を示す断面図である。図１０Ｇは、本発明の第２実施形態における赤外線検出素子の製造工程を示す断面図である。図１０Ｈは、本発明の第２実施形態における赤外線検出素子の製造工程を示す断面図である。図１０Ｉは、本発明の第２実施形態における赤外線検出素子の製造工程を示す断面図である。図１１は、本発明の第３実施形態における赤外線検出素子を示す断面図である。図１２は、本発明の第３実施形態における赤外線吸収部を示す斜視図である。図１３は、図１２のXIII-XIII線に沿った断面図である。図１４は、本発明の第３実施形態における赤外線吸収部の変形例を示す斜視図である。図１５は、図１４のXV-XV線に沿った断面図である。図１６Ａは、本発明の第３実施形態における赤外線検出素子の製造工程を示す断面図である。図１６Ｂは、本発明の第３実施形態における赤外線検出素子の製造工程を示す断面図である。図１６Ｃは、本発明の第３実施形態における赤外線検出素子の製造工程を示す断面図である。図１７Ａは、第２の吸収部の変形例を示す断面図である。図１７Ｂは、第２の吸収部の他の変形例を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

<<第１実施形態>>
図１Ａは本実施形態における赤外線検出素子を示す平面図、図１Ｂは図１ＡのIB-IB線に沿った断面図である。

本実施形態における赤外線検出素子１は、図１Ａ及び図１Ｂに示すように、シリコン（Ｓｉ）基板１００上に形成された枠部１０と、枠部１０内に配置された受光部２０と、受光部２０と枠部１０とを連結する一対の支持梁６０と、を備えている。

なお、本実施形態におけるシリコン基板１００が本発明における基板の一例に相当し、本実施形態における一対の支持梁６０が、本発明における梁の一例に相当する。

先ず、図１Ａを参照しながら赤外線検出素子１の平面構造について説明する。

枠部１０は、平面視において矩形の枠形状を有しており、エッチングスリット１１を介して支持梁６０と分離されている。

一対の支持梁６０は、屈曲点を有する略Ｌ型形状をそれぞれ有している。それぞれの支持梁６０の一端は受光部２０に繋がっているのに対し、当該支持梁６０の他端は枠部１０に繋がっている。この支持梁６０も、エッチングスリット１１を介して受光部２０と分離されている。

また、この支持梁６０には、受光部２０の温度上昇を検出するための温度検出部６１が組み込まれている。この温度検出部６１は、Ｐ型ポリシリコン６２とＮ型ポリシリコン６３とを有するサーモパイルから構成されている。このＰ型ポリシリコン６２とＮ型ポリシリコン６３とは、支持梁６０の長手方向に沿って相互に平行に配置されており、アルミ配線１２，２２を介して、Ｐ型ポリシリコン６２とＮ型ポリシリコン６３とが交互に（すなわちＰＮＰＮの順に）電気的に直列接続されている。また、この温度検出部６１の両端には、赤外線検出素子１の検出信号を外部に出力するためのコンタクト１３が設けられている。

受光部２０は、平面視において矩形形状を有しており、一対の支持梁６０によって枠部１０内に保持されている。この受光部２０は、赤外線を吸収する赤外線吸収部２１を有している。なお、赤外線吸収部２１の詳細な構成については後述する。

次に、図１Ｂを参照しながら赤外線検出素子１の断面構造について説明する。

枠部１０は、例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）から構成される層間絶縁層１１０と、例えばシリコン窒化膜（ＳｉＮ）から構成され、層間絶縁層１１０を覆う保護層１２０と、を備えており、層間絶縁層１１０は、アルミ配線１２（図１Ａ参照）を電気的に絶縁すると共に保護している。

支持梁６０も、枠部１０と同様に、層間絶縁層１１０と、層間絶縁層１１０を覆う保護層１２０と、を備えており、層間絶縁層１１０は、Ｐ型ポリシリコン６２とＮ型ポリシリコン６３とを電気的に絶縁すると共に保護している。

受光部２０も、枠部１０及び支持梁６０と同様に、層間絶縁層１１０と、層間絶縁層１１０を覆う保護層１２０と、を備えており、層間絶縁層１１０はアルミ配線２２を電気的に絶縁すると共に保護している。また、この受光部２０の赤外線吸収部２１においては、保護層１２０が、第１及び第２の吸収部３０，４０を支持する下地層を構成している。

さらに、シリコン基板１００には、後述する異方性エッチングによって、四角錐形状の凹部１０１が形成されており、受光部２０と支持梁６０はこの凹部１０１の上方に設けられている。このため、受光部２０とシリコン基板１００との間に空隙１０２を介在させた状態で、支持梁６０が受光部２０を保持しており、受光部２０とシリコン基板１００とは熱的に分離されている。

赤外線検出素子１の受光部２０に入射した赤外線は、赤外線吸収部２１に吸収され、光子のエネルギーが熱エネルギーへと変換されて、受光部２０の温度が上昇する。これにより、支持梁６０内に設けられた温度検出部６１の受光部２０側の端部（温接点６４）と、当該温度検出部６１の枠部１０側の端部（冷接点６５）との間に、吸収した赤外線の量に応じた温度差が生じる。ここで、温度検出部６１を構成するサーモパイルは、温度差に比例した起電力をゼーベック効果により生じる。そのため、赤外線吸収部２１が吸収した赤外線の量に応じた温度差が生じると、温度差に比例した起電力がコンタクト１３を介して外部に出力される。

次に、本実施形態における受光部２０の赤外線吸収部２１の構成について、図２〜図６を参照しながら詳細に説明する。

図２は本実施形態における赤外線吸収部を示す斜視図、図３は図２のIII-III線に沿った断面図、図４は本実施形態における第２の吸収部のレイアウトの一例を示す平面図、図５は本実施形態における第２の吸収部のレイアウトの他の例を示す平面図、図６は本実施形態における第２の吸収部のレイアウトのさらに他の例を示す平面図である。

本実施形態における赤外線吸収部２１は、図２及び図３に示すように、第１の吸収部３０と多数の第２の吸収部４０とを備えた凹凸構造となっている。第１の吸収部３０は赤外線受光部２１の全面に亘って平面状に形成されている。一方、第２の吸収部４０は、この第１の吸収部３０の入射面３１上に立設された突起から構成されている。

第１及び第２の吸収部３０，４０はいずれも、フリーキャリア吸収を起こす材料で構成されている。フリーキャリア吸収を起こす材料としては、例えば、アルミニウム（Ａｌ）やタングステン（Ｗ）等の金属や、ボロンやリン等の不純物をドープしたポリシリコン或いはアモルファスシリコン等の半導体を例示することができる。

本実施形態において、突起形状の第２の吸収部４０は、図２及び３に示すように、当該突起の先端部分に位置する頭部４１と、頭部４１の下方に位置する根元部分４２と、を有しており、根元部分４２には凹状の窪み部４３が形成されている。本実施形態における窪み部４３は、第２の吸収部（すなわち突起）４０の全周に亘って形成された環状溝であり、根元部分４２の幅ｗ_２が頭部４１の幅ｗ_１よりも相対的に小さくなっている（ｗ_２＜ｗ_１）。

なお、本実施形態では、第２の吸収部４０が矩形の平面形状を有しているが、特にこれに限定されない。例えば、第２の吸収部が円形、三角形、或いは多角形の平面形状を有してもよい。

本実施形態における赤外線救出部２１では、図４に示すように、多数の第２の吸収部４０が、検出対象である赤外線の波長（８〜１４μｍ）の半分以下の細かな間隔ｃ（すなわちｃ≦４μｍ）で、正方形の格子状に配列されている。第２の吸収部４０を赤外線の波長よりも細かい間隔ｃで周期的に配列することで、突起状の第２の吸収部４０により赤外線の反射を低減することができる。

なお、多数の第２の吸収部４０が、赤外線の波長よりも細かい間隔ｃで周期的に配列されていれば、上記のレイアウトに特に限定されない。例えば、図５に示すように第２の吸収部４０を正三角形の格子状に配列してもよいし、或いは、図６に示すように第２の吸収部４０を菱形の格子状に配列してもよい。図４〜図６に示すレイアウトは偏光面に依存しないので、高い吸収率を維持することができる。

なお、特に図示しないが、第２の吸収部４０をストライプ状に配置してもよく、この場合には、特定方向に偏光した赤外線を検知する素子として利用することができる。

以上に説明した赤外線吸収部２１に赤外線が入射すると、第２の吸収部４０の凸凹構造によって赤外線が錯乱し、赤外線吸収部２１での赤外線の反射が低減する。さらに、本実施形態では、第２の吸収部４０の窪み部４３に赤外線が回折入射する。窪み部４３に一旦入射した赤外線は、当該窪み部４３の中で反射を繰り返すうちに第１及び第２の吸収部２１，２２に吸収されるので、結果的に赤外線吸収部２１での赤外線の反射が大幅に低減する。

この際、本実施形態では、図３に示すように、頭部４１の高さｈ_１と、窪み部４３の高さｈ_２との間に、
ｈ_１≧ｈ_２ … （１）式
の関係が成立することが好ましい。上記の（１）式を満たすことで、窪み部４３に赤外線を閉じ込めやすい構造とすることができ、赤外線吸収部２１における赤外線の反射低減を図ることができる。

また、本実施形態では、窪み部４３の高さｈ_２と、窪み部４３の奥行きｄとの間に、
ｄ≧ｈ_２ … （２）式
の関係が成立することが好ましい。上記（２）式を満たすことで、窪み部４３に赤外線を閉じ込めやすい構造とすることができ、赤外線吸収部２１における赤外線の反射低減を図ることができる。

具体的には、例えば、第２の吸収部４０（すなわち突起）の高さｈ_０が１．５μｍであり、当該第２の吸収部４０の幅ｗ_１が２．０μｍである場合には、頭部４１の高さｈ_１を１．０μｍとし、窪み部４３の高さｈ_２を０．５μｍとし、当該窪み部４３の奥行きｄを０．７５μｍとする。

以下に、本実施形態における赤外線検出素子１の製造方法について図７Ａ〜図７Ｏを参照しながら説明する。図７Ａ〜図７Ｏは本実施形態における赤外線検出素子の製造工程を示す断面図である。

先ず、図７Ａに示すように、シリコン基板１００の表面に、ポリシリコン犠牲層１３１を形成する。このポリシリコン犠牲層１３１は、例えば０．３μｍ程度の厚さを有している。次いで、このポリシリコン犠牲層１３１にボロンを注入することで、矩形枠形状のエッチングストッパ１３２を形成する。このエッチングストッパ１３２の形状は、上述の枠部１０の形状に対応している。

次いで、図７Ｂに示すように、ポリシリコン犠牲層１３１及びエッチングストッパ１３２の上に、第１のシリコン窒化層（ＳｉＮ）１３３を形成する。この第１のシリコン窒化層１３３は、例えば０．１μｍ程度の厚さを有している。

次いで、図７Ｃに示すように、第１のシリコン窒化層１３３の上に第１のポリシリコン層１３４を形成し、当該第１のポリシリコン層１３４を、第１の吸収部３０、Ｐ型ポリシリコン６２、及びＮ型ポリシリコン６３に対応した形状に、ドライエッチングによってパターニングする。

次いで、図７Ｄに示すように、第１のポリシリコン層１３４において第１の吸収部３０とＰ型ポリシリコン６２に対応する部分に、ボロンを注入する。一方、第１のポリシリコン層１３４においてＮ型ポリシリコン６３に対応する部分にはリンを注入する。

次いで、図７Ｅに示すように、第１のシリコン窒化層１３３の上にシリコン酸化層（ＳｉＯ_２）１３５を形成し、ＣＭＰやリフロー等によって当該シリコン酸化層１３５を平坦化する。このシリコン酸化層１３５は、第１の吸収部３０、Ｐ型ポリシリコン６２、及びＮ型ポリシリコン５３を分離すると共に電気的に絶縁する。このシリコン酸化層１３５は、例えば０．５μｍ程度の厚さを有している。

次いで、図７Ｆに示すように、シリコン酸化層１３５において第２の吸収部４０の根元部分４２に対応する位置に、多数の開口１３６を形成する。

次いで、図７Ｇに示すように、シリコン酸化層１３５の上に第２のポリシリコン層１３６をさらに形成し、ＣＭＰによって当該第２のポリシリコン層１３６を平坦化する。この第２のポリシリコン層１３６は、例えば１．０μｍ程度の厚さを有している。次いで、第１の吸収部３０と同程度のボロン濃度となるように、第２のポリシリコン層１３６にボロンを注入する。これにより、第２の吸収部４０の根元部分４２が形成される。

次いで、図７Ｈに示すように、シリコン酸化層１３５が露出するまで第２のポリシリコン層１３６に対してドライエッチングを行うことで、第２の吸収部４０の頭部４１を形成する。以上のように形成された第１及び第２の吸収部３０，４０は、ボロンがドープされたシリコンで構成されているため、フリーキャリア吸収を利用した赤外線吸収体として機能する。

次いで、図７Ｉに示すように、シリコン酸化層１３５にコンタクトホール（不図示）を形成した後に、シリコン酸化層１３５の上にアルミ層を形成し、このアルミ層をパターニングすることで、アルミ配線１２，２２を形成する。このアルミ配線１２，２２を介して、Ｐ型ポリシリコン６２とＮ型ポリシリコン６３とが交互に直列接続されてサーモパイルが構成される。

次いで、図７Ｊに示すように、シリコン酸化物（ＳｉＯ_２）をさらに堆積させて、アルミ配線１２，２２や第２の吸収部４０を覆うほどまでシリコン酸化層１３５を厚くした後に、ＣＭＰやリフロー等によって当該シリコン酸化層１３５を平坦化する。

次いで、図７Ｋに示すように、シリコン酸化層１３５と第１のシリコン窒化層１３３に対してポリシリコン犠牲層１３１が露出するまでドライエッチングを行う。これにより、枠部１０と支持梁６０とが分離されると共に、支持梁６０と受光部２０とが分離される。これと同時に、シリコン酸化層１３５においてアルミ配線２２と第２の吸収部４０との間の部分に対してもドライエッチングを行うが、この部分では、第１の吸収部３０がエッチングストッパとして機能する。

次いで、図７Ｌに示すように、シリコン酸化層１３５の露出面全体に第２のシリコン窒化層（ＳｉＮ）１３８をプラズマＣＶＤ等により形成する。この第２のシリコン窒化層１３８は、上述の第１のシリコン窒化層１３３と同様に、例えば０．１μｍ程度の厚さを有している。

次いで、図７Ｍに示すように、枠部１０と支持梁６０との間や支持梁６０と受光部２０との間に露出している第１のシリコン窒化層１３３をドライエッチングにより除去して、エッチングスリット１１を形成する。これと同時に、第２のシリコン窒化層１３８において第１及び第２の吸収部３０，４０の上方の部分に開口１３９をドライエッチングによって形成する。

次いで、図７Ｎに示すように、ヒドラジンやＴＭＡＨ等のアルカリ性液体を用いて、エッチングスリット１１を介してシリコン基板１００及び第１のポリシリコン犠牲層１３１に対して結晶異方性エッチングを行う。これにより、エッチングストッパ１３２によって区画される枠内に、四角錐状の凹部１０１が形成され、受光部２０とシリコン基板１００との間に空隙１０２が形成される。

次いで、図７Ｏに示すように、ＨＦ液等を用いて、開口１３９を介してシリコン酸化層１３５に対してウエットエッチングを行い、第１及び第２の吸収部３０，４０を露出させることで、赤外線検出素子１が完成する。なお、上述のシリコン酸化層１３５が、赤外線検出素子１の層間絶縁層１１０を構成し、上述の第１及び第２のシリコン窒化層１３３，１３８が、赤外線検出素子１の保護層１２０を構成する。

以上のように、本実施形態では、第２の吸収部４０の根元部分４２に、凹状の窪み部４３を形成する。これにより、第２の吸収部４０の体積を増加させることなく、光の回折現象を利用して窪み部４３に赤外線を閉じ込めて反射低減を図ることができるので、赤外線検出素子１の応答速度を維持しつつ赤外線の吸収率を向上させることができる。

<<第２実施形態>>
図８は本実施形態における赤外線検出素子を示す断面図、図９は本実施形態における赤外線吸収部を示す断面図である。

本実施形態では、受光部２０Ｂの赤外線吸収部２１Ｂの構成が第１実施形態と相違するが、それ以外の構成は第１実施形態と同様である。以下に第２実施形態における赤外線検出素子１Ｂについて第１実施形態との相違点についてのみ説明し、第１実施形態と同様の構成である部分については同一符号を付して説明を省略する。

本実施形態における赤外線吸収部２１Ｂは、第１実施形態と同様に、図８及び図９に示すように、第１の吸収部３０Ｂと第２の吸収部４０Ｂを有している。この第１及び第２の吸収部３０Ｂ，４０が、検出波長においてフォノンによる吸収を起こす材料で構成されている点で第１実施形態と相違する。検出波長においてフォノンによる吸収を起こす材料としては、例えば、シリコン酸化物（ＳｉＯ_２）やシリコン窒化物（ＳｉＮ）等を例示することができる。例えば、シリコン酸化物は９μｍの吸収帯を有しているのに対し、シリコン窒化物は１１μｍの吸収帯を有しているので、検出波長が１０μｍを含む場合には、シリコン酸化物とシリコン窒化物の双方を赤外線吸収体として採用することができる。

具体的には、図９に示すように、第１の吸収部３０Ｂは、シリコン酸化物から構成される上層３３と、シリコン窒化物から構成される下層３４と、を有する２層構造となっている。一方、第２の吸収部４０Ｂは、頭部４１Ｂの最上部４１１がシリコン窒化物で構成されていることを除いて、全体としてシリコン酸化物で構成されている。

なお、第１の吸収部３０Ｂは、第１実施形態と同様に、赤外線吸収部２１Ｂの全面に形成されている。また、第２の吸収部４０Ｂも、第１実施形態と同様に、頭部４１Ｂと、窪み部４３Ｂが形成された根元部分４２Ｂと、を有する突起であり、多数の第２の吸収部４０Ｂが第１の吸収部３０Ｂ上に立設されている。

以下に、本実施形態における赤外線検出素子１Ｂの製造方法について、図１０Ａ〜図１０Ｉを参照しながら説明する。図１０Ａ〜図１０Ｉは本実施形態における赤外線検出素子の製造方法を示す断面図である。

先ず、図１０Ａに示すように、シリコン基板１００の表面に、第１のポリシリコン犠牲層１３１を形成する。この第１のポリシリコン犠牲層１３１は、例えば０．３μｍ程度の厚さを有している。次いで、この第１のポリシリコン犠牲層１３１にボロンを注入することで、矩形枠形状のエッチングストッパ１３２を形成する。このエッチングストッパ１３２の形状は、枠部１０の形状に対応している。

次いで、図１０Ｂに示すように、第１のポリシリコン犠牲層１３１及びエッチングストッパ１３２の上に、第１のシリコン窒化層１３３を形成し、さらに当該第１のシリコン窒化層１３３の上にシリコン酸化層１３５を形成する。この第１のシリコン窒化層１３３は、例えば０．１μｍ程度の厚さを有するのに対し、シリコン酸化層１３５は、例えば０．２μｍ程度の厚さを有している。

次いで、図１０Ｃに示すように、シリコン酸化層１３５の上に、ポリシリコン層１３４を形成し、ポリシリコン層１３４を、第１の吸収部３０Ｂ、Ｐ型ポリシリコン６２、及びＮ型ポリシリコン６３に対応した形状にドライエッチングによりパターニングする。

次いで、図１０Ｄに示すように、ポリシリコン層１３４においてＰ型ポリシリコン６２に対応する部分にボロンを注入すると共に、ポリシリコン層１３４においてＮ型ポリシリコン６３に対応する部分にリンを注入する。一方、本実施形態では、ポリシリコン層１３４において第１の吸収部３０Ｂに対応する部分にはボロンを注入せずに、当該部分を第２のポリシリコン犠牲層１４０として利用する。

次いで、図１０Ｅに示すように、シリコン酸化物（ＳｉＯ_２）をさらに堆積させて、第２のポリシリコン犠牲層１４０、Ｐ型ポリシリコン６２、及びＮ型ポリシリコン６３を覆うほどシリコン酸化層１３５を厚くした後に、第２のポリシリコン犠牲層１４０が露出するまでシリコン酸化層１３５をエッチバックやＣＭＰ等によって平坦化する。そして、このシリコン酸化層１３５にコンタクトホール（不図示）を形成した後に、シリコン酸化層１３５の上にアルミ層を形成し、このアルミ層をパターニングすることで、アルミ配線１２，２２を形成する。このアルミ配線１２，２２を介して、Ｐ型ポリシリコン６２とＮ型ポリシリコン６３とが交互に直列接続されてサーモパイルが構成される。

次いで、図１０Ｆに示すように、シリコン酸化物（ＳｉＯ_２）をさらに堆積させて、アルミ配線１２，２２を覆うほどシリコン酸化層１３５を厚くする。そして、シリコン酸化層１３５と第１のシリコン窒化層１３３に対して、ポリシリコン犠牲層１３１が露出するまでドライエッチングを行う。これにより、枠部１０と支持梁６０とが分離されると共に、支持梁６０と受光部２０Ｂとが分離される。

次いで、図１０Ｇに示すように、シリコン酸化層１３５の露出面全体に第２のシリコン窒化層（ＳｉＮ）１３８をプラズマＣＶＤ等により形成する。この第２のシリコン窒化層１３８は、上述の第１のシリコン窒化層１３３と同様に、例えば０．１μｍ程度の厚さを有している。

次いで、図１０Ｈに示すように、枠部１０と支持梁６０との間や支持梁６０と受光部２０Ｂとの間に露出している第１のシリコン窒化膜１３３をドライエッチングにより除去して、エッチングスリット１１を形成する。

次いで、図１０Ｉに示すように、第２のシリコン窒化層１３８とシリコン酸化層１３５において第２の吸収部４０Ｂの頭部４１Ｂに対応した部分が残るように、第２のシリコン窒化層１３８とシリコン酸化層１３５を、第２のポリシリコン犠牲層１４０が露出するまでドライエッチングにより除去する。これにより、第２の吸収部４０Ｂの頭部４１Ｂが形成される。

次いで、特に図示しないが、ヒドラジンやＴＭＡＨ等のアルカリ性液体を用いて、エッチングスリット１１を介してシリコン基板１００及び第１のポリシリコン犠牲層１３１に対して結晶異方性エッチングを行う。これにより、エッチングストッパ１３２によって区画される枠内に、四角錐状の凹部１０１が形成され、受光部２０とシリコン基板１００との間に空隙１０２が形成される。また、このエッチングによって第２のポリシリコン犠牲層１４０も除去されるので、第２の吸収部４０Ｂの根元部分４２Ｂと第１の吸収部３０Ｂ全体が露出し、赤外線検出素子１Ｂが完成する。なお、上述のシリコン酸化層１３５が、赤外線検出素子１の層間絶縁層１１０を構成し、上述の第１及び第２のシリコン窒化層１３３，１３８が、赤外線検出素子１Ｂの保護層１２０を構成する。

以上のように、本実施形態では、第１実施形態と同様に、第２の吸収部４０Ｂの根元部分４２Ｂに、凹状の窪み部４３Ｂを形成する。これにより、第２の吸収部４０Ｂの体積を増加させることなく、光の回折現象を利用して窪み部４３Ｂに赤外線を閉じ込めて反射低減を図ることができるので、赤外線検出素子１Ｂの応答速度を維持しつつ赤外線の吸収率を向上させることができる。

また、本実施形態では、第１実施形態と同様に、頭部４１Ｂの高さｈ_１と、窪み部４３Ｂの高さｈ_２との間に、上記の（１）式の関係が成立している。このため、窪み部４３Ｂに赤外線を閉じ込めやすい構造とすることができ、赤外線吸収部２１Ｂにおける赤外線の反射低減を図ることができる。

また、本実施形態では、第１実施形態と同様に、窪み部４３Ｂの高さｈ_２と、窪み部４３Ｂの奥行きｄとの間に、上記の（２）式の関係が成立している。このため、窪み部４３Ｂに赤外線を閉じ込めやすい構造とすることができ、赤外線吸収部２１Ｂにおける赤外線の反射低減を図ることができる。

さらに、本実施形態では、第１実施形態と同様に、多数の第２の吸収部４０Ｂが、検出対象である赤外線の波長よりも細かい間隔ｃで周期的に配列されているので、突起状の第２の吸収部４０Ｂにより赤外線の反射を低減することができる。

<<第３実施形態>>
図１１は本実施形態における赤外線検出素子を示す断面図、図１２は本実施形態における赤外線吸収部を示す斜視図、図１３は図１２のXIII-XIII線に沿った断面図である。

本実施形態では、受光部２０Ｃの構成が第１実施形態と相違するが、それ以外の構成は第１実施形態と同様である。以下に第３実施形態における赤外線検出素子１Ｃについて第１実施形態との相違点についてのみ説明し、第１実施形態と同様の構成である部分については同一符号を付して説明を省略する。

本実施形態における受光部２０Ｃの赤外線吸収部２１Ｃは、図１１〜図１３に示すように、第１実施形態と同様の第１及び第２の吸収部３０，４０に加えて、第３の吸収部５０を有している。この第３の吸収部５０は、第１の吸収部３０における入射面３１とは反対側の面３２に設けられている。また、この第３の吸収部５０は、例えば平板形状を有しており、平面視（図１３において紙面の上方から下方に向かって見た場合）において第２の吸収部４０の窪み部４３と重複している。

このような第３の吸収部５０によって、窪み部４３に入射して第１の吸収部３０を透過してしまった赤外線を吸収することができるので、吸収率の向上を図ることができる。因みに、本実施形態では、第３の吸収部５０の体積が、窪み部４３の体積と同一又はそれよりも小さいので、上述の従来技術と比較して、赤外線吸収部２１Ｃの熱容量が増加することはない。なお、必ずしも、第３の吸収部５０が、平面視において窪み部４３の全体と重複している必要はなく、窪み部４３の少なくとも一部と重複していればよい。

なお、第３の吸収部を図１４及び図１５に示すような環状としてもよい。図１４は本実施形態における赤外線吸収部の変形例を示す斜視図、図１５は図１４のXV-XV線に沿った断面図である。

図１４及び図１５に示す第３の吸収部５０Ｂは、内孔５１を有する環状形状（ドーナツ形状）を有しており、当該内孔５１は、平面視（図１５において紙面の上方から下方に向かって見た場合）において第２の吸収部４０の根元部分４２と重複している。

第２の吸収部４０の根元部分４２の直下には赤外線があまり透過しないので、当該根元部分４２の下方に内孔５１を位置させて、窪み部４３の下方のみに第３の吸収部５０Ｂを配置することで、第３の吸収部５０Ｂの体積を低減して熱容量を低減することができ、赤外線検出素子の応答速度を向上させることができる。なお、必ずしも、第３の吸収部５０Ｂの内孔５１が、平面視において第２の吸収部４０の根元部分４２の全体と重複している必要はなく、根元部分４２の少なくとも一部と重複していればよい。

以下に、本実施形態における赤外線検出素子１Ｃの製造方法について、図１６Ａ〜図１６Ｃを参照しながら説明する。図１６Ａ〜図１６Ｃは本実施形態における赤外線検出素子の製造方法を示す断面図である。

先ず、図１６Ａに示すように、シリコン基板１００の表面にポリシリコン犠牲層１３１を形成する。このポリシリコン犠牲層１３１は、例えば０．８μｍ程度の厚さを有している。次いで、当該ポリシリコン犠牲層１３１において第３の吸収部５０に対応する部分に対してドライエッチングを行い、ポリシリコン犠牲層１３１において第３の吸収部５０に対応する部分の厚さが例えば０．３μｍ程度となるまで、ポリシリコン犠牲層１３１を掘り下げる。さらに、このポリシリコン犠牲層１３１にボロンを注入することで、矩形枠形状のエッチングストッパ１３２を形成する。このエッチングストッパ１３２の形状は、枠部１０の形状に対応している。

次いで、図１６Ｂに示すように、ポリシリコン犠牲層１３１及びエッチングストッパ１３２の上に、第１のシリコン窒化層１３３を形成する。この第１のシリコン窒化層１３３は、例えば０．１μｍ程度の厚さを有している。

次いで、図１６Ｃに示すように、第１のシリコン窒化層１３３の上に、第１のポリシリコン層１３４を形成し、ＣＭＰやエッチバック等によって当該第１のポリシリコンを平坦化する。次いで、当該第１のポリシリコン層１３４を、第１の吸収部３０、Ｐ型ポリシリコン６２、及びＮ型ポリシリコン６３に対応した形状にドライエッチングによってパターニングする。

以降、第１実施形態における図７Ｄ〜図７Ｏと同様の工程を経ることで、赤外線検出素子１Ｃが完成する。

以上のように、本実施形態では、第１実施形態と同様に、第２の吸収部４０の根元部分４２に、凹状の窪み部４３を形成する。これにより、第２の吸収部４０の体積を増加させることなく、光の回折現象を利用して窪み部４３に赤外線を閉じ込めて反射低減を図ることができるので、赤外線検出素子１Ｂの応答速度を維持しつつ赤外線の吸収率を向上させることができる。

また、本実施形態では、第１実施形態と同様に、頭部４１の高さｈ_１と、窪み部４３の高さｈ_２との間に、上記の（１）式の関係が成立している。このため、窪み部４３に赤外線を閉じ込めやすい構造とすることができ、赤外線吸収部２１Ｃにおける赤外線の反射低減を図ることができる。

また、本実施形態では、第１実施形態と同様に、窪み部４３の高さｈ_２と、窪み部４３の奥行きｄとの間に、上記の（２）式の関係が成立している。このため、窪み部４３に赤外線を閉じ込めやすい構造とすることができ、赤外線吸収部２１Ｃにおける赤外線の反射低減を図ることができる。

さらに、本実施形態では、第１実施形態と同様に、多数の第２の吸収部４０が、検出対象である赤外線の波長よりも細かい間隔ｃで周期的に配列されているので、突起状の第２の吸収部４０により赤外線の反射を低減することができる。

なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。

例えば、第２の吸収部の形状は、上記のものに特に限定されない。例えば、図１７Ａに示す第２の吸収部４０Ｄのように、一つの突起に窪み部４３を複数個所形成してもよい。或いは、図１７Ｂに示す第２の吸収部４０Ｅのように、突起の上面に凹部４１２を形成してもよい。

また、上述の実施形態では、温度検出部としてサーモパイルを用いた赤外線検出素子に本発明を適用した例について説明したが、特にこれに限定されない。例えば、温度検出部としてボロメータを用いた赤外線検出素子に本発明を適用してもよい。この場合には、受光部における赤外線吸収部の下に、酸化バナジウム等で構成されるボロメータ層を形成する。

１，１Ｂ、１Ｃ…赤外線検出素子
１０…枠部
２０…受光部
２１…赤外線吸収部
３０…第１の吸収部
４０…第２の吸収部（突起）
４１…頭部
４２…根元部分
４３…窪み部
６０…支持梁
６１…温度検出部
６２…Ｐ型ポリシリコン
６３…Ｎ型ポリシリコン
１００…シリコン基板
１０１…凹部
１０２…空隙
１１０…保護膜
１２０…層間絶縁膜

Claims

赤外線を吸収する赤外線吸収部を備えた赤外線検出素子であって、
前記赤外線吸収部は、
赤外線が入射する入射面を有する第１の吸収部と、
前記第１の吸収部の前記入射面に立設された突起でそれぞれ構成される複数の第２の吸収部と、
前記第１の吸収部における前記入射面とは反対側の面に部分的に設けられた複数の第３の吸収部と、を有し、
前記突起は、
凹状の窪み部が形成された根元部分と、
前記根元部分の上に位置する頭部と、を有し、
前記第３の吸収部は、平面視において前記窪み部の少なくとも一部と重複しており、
前記第３の吸収部の体積は、前記窪み部の体積以下であることを特徴とする赤外線検出素子。
請求項１に記載の赤外線検出素子であって、
下記の（１）式を満たすことを特徴とする赤外線検出素子。
ｈ_１≧ｈ_２ … （１）式
但し、前記（１）式において、ｈ_１は前記頭部の高さであり、ｈ_２は前記窪み部の高さである。
請求項１又は２に記載の赤外線検出素子であって、
下記の（２）式を満たすことを特徴とする赤外線検出素子。
ｄ≧ｈ_２ … （２）式
但し、前記（２）式において、ｄは前記窪み部の奥行きであり、ｈ_２は前記窪み部の高さである。
赤外線を吸収する赤外線吸収部を備えた赤外線検出素子であって、
前記赤外線吸収部は、
赤外線が入射する入射面を有する第１の吸収部と、
前記第１の吸収部の前記入射面に立設された突起でそれぞれ構成される複数の第２の吸収部と、
前記第１の吸収部における前記入射面とは反対側の面に部分的に設けられた複数の第３の吸収部と、を有し、
前記突起は、
凹状の窪み部が形成された根元部分と、
前記根元部分の上に位置する頭部と、を有し、
前記第３の吸収部は、内孔を持つ環状形状を有しており、
前記第３の吸収部は、平面視において前記窪み部の少なくとも一部と重複し、
前記内孔は、平面視において前記根元部分の少なくとも一部と重複していることを特徴とする赤外線検出素子。
請求項１〜４のいずれかに記載の赤外線検出素子であって、
複数の前記第２の吸収部は、赤外線の波長よりも小さな間隔で周期的に配列されていることを特徴とする赤外線検出素子。