JP6006602B2 - Quantum type infrared sensor and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

本発明は、量子型赤外線センサ及びその製造方法に関し、より詳細には、受光部がメサ構造である量子型赤外線センサ及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a quantum infrared sensor and a method for manufacturing the same, and more particularly to a quantum infrared sensor having a light receiving portion having a mesa structure and a method for manufacturing the same.

温度、圧力、光等の物理量を、電流や電圧などの電気信号に変換するものとしてセンサが知られている。このセンサにより、様々な対象物を数値として測定することが可能となる。例えば、近年、省エネルギー化や環境センサの観点から注目されているセンサとして赤外線センサがある。人体から放射される赤外線を検知することによって、照明やエアコンの省エネルギー化に貢献している。   Sensors are known for converting physical quantities such as temperature, pressure, and light into electrical signals such as current and voltage. With this sensor, various objects can be measured as numerical values. For example, an infrared sensor is recently attracting attention from the viewpoint of energy saving and environmental sensors. By detecting infrared rays emitted from the human body, it contributes to energy saving in lighting and air conditioners.

赤外線センサは、測定対象物から入射する赤外線のエネルギー量を定量し、温度を検出する、非接触式温度計としても期待されている。一般に、波長が５μｍ以上の長波長帯の赤外線は、その熱的効果やガスによる赤外線吸収の効果から、人体を検知する人感センサや非接触温度センサ、ガスセンサ等に使用されている。これらの使用例の内、人体検知や非接触温度センサとして用いられる赤外線センサとしては、焦電センサやサーモパイルの様な熱型の赤外線センサや、半導体受光素子を使用した量子型の赤外線センサがある。熱型の赤外線センサに比べて、量子型の赤外線センサの方が、高感度、高速応答、静態検知が可能といった大きな特徴がある。   The infrared sensor is also expected as a non-contact type thermometer that quantifies the amount of infrared energy incident from the measurement object and detects the temperature. In general, long-wavelength infrared rays having a wavelength of 5 μm or more are used in human sensors, non-contact temperature sensors, gas sensors, and the like for detecting the human body because of their thermal effects and the effects of infrared absorption by gas. Among these use examples, infrared sensors used as human body detection and non-contact temperature sensors include thermal infrared sensors such as pyroelectric sensors and thermopiles, and quantum infrared sensors using semiconductor light receiving elements. . Compared to a thermal infrared sensor, a quantum infrared sensor has such great features as high sensitivity, high-speed response, and static detection.

量子型の赤外線センサを実現するためには、波長が５μｍ以上の長波長帯の赤外線に感度を持つ赤外線センサが必要となる。
量子型の赤外線センサの代表的な構造としては、基板上に、ＰＮ接合またはＰＩＮ接合のフォトダイオード構造を有する半導体積層部を備えた半導体積層基板を準備し、半導体積層部にメサ構造部と底部を形成し、半導体積層部のメサ構造部の頂部および底部のそれぞれに電極を形成して得られる量子型赤外線センサが知られている（特許文献１参照）。 In order to realize a quantum-type infrared sensor, an infrared sensor having sensitivity to long-wavelength infrared light having a wavelength of 5 μm or more is required.
As a typical structure of a quantum infrared sensor, a semiconductor multilayer substrate including a semiconductor multilayer portion having a PN junction or PIN junction photodiode structure on a substrate is prepared, and a mesa structure portion and a bottom portion are provided in the semiconductor multilayer portion. There is known a quantum type infrared sensor obtained by forming electrodes and forming electrodes on the top and bottom of the mesa structure of the semiconductor stack (see Patent Document 1).

基板側から入射され、半導体積層部において吸収された赤外線によって発生した電子及び正孔が、半導体積層部の空乏層における内部電界によって電荷分離されることで、光電変換が行われ、量子型の赤外線センサとして働く。   Electrons and holes generated by infrared rays incident from the substrate side and absorbed in the semiconductor stacked portion are separated by charges by an internal electric field in the depletion layer of the semiconductor stacked portion, so that photoelectric conversion is performed, and quantum infrared rays Works as a sensor.

特開２００７−０８１２２５号公報JP2007-081225A 特開２００８−０６６５８３号公報JP 2008-066583 A

しかしながら、赤外線センサを実用化するためには、赤外線センサ素子をモールド樹脂等で封止してパッケージングする必要がある。一般にモールド樹脂は赤外線を吸収するため、上述した特許文献１のようなメサ構造の半導体積層部を備える量子型赤外線センサの場合、この半導体積層部側を封止して、基板側から半導体積層部に赤外線を入射させる構造が採用されている。   However, in order to put the infrared sensor into practical use, it is necessary to seal the infrared sensor element with a molding resin or the like and package it. In general, since the mold resin absorbs infrared rays, in the case of a quantum infrared sensor including a semiconductor laminated portion having a mesa structure as described in Patent Document 1, the semiconductor laminated portion side is sealed, and the semiconductor laminated portion is separated from the substrate side. A structure in which infrared rays are incident on is adopted.

基板側から入射された赤外線は、そのすべてが半導体積層部に吸収されるわけではなく、一部は基板外への反射や、半導体積層部以外での吸収によりセンサ感度が低下してしまう。このような課題を解決するために、特許文献２では、導電性の遮蔽部材で半導体積層部側を覆う技術が開示されている。しかし、導電性の遮蔽部材を形成するためのプロセスが別途必要であり、工程が増加し煩雑なプロセスとなってしまう。   Not all of the infrared rays incident from the substrate side are absorbed by the semiconductor stacked portion, and a part of the infrared rays is reflected by the outside of the substrate or absorbed by other portions than the semiconductor stacked portion. In order to solve such a problem, Patent Document 2 discloses a technique for covering the semiconductor laminated portion side with a conductive shielding member. However, a separate process for forming the conductive shielding member is necessary, which increases the number of steps and is a complicated process.

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、複雑なプロセスの追加なく、基板から入射された赤外線の損失を抑制することが可能な量子型赤外線センサ及びその製造方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to provide a quantum infrared sensor capable of suppressing loss of infrared light incident from a substrate without adding a complicated process, and It is in providing the manufacturing method.

本発明者は、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、以下の発明により上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成させた。
本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、受光部がメサ構造である量子型赤外線センサ（１）において、赤外線透過性を有する基板（１０）と、該基板（１０）上に形成されたメサ構造部（２０１）と該メサ構造部以外の部位を有する半導体積層部（２０）と、前記メサ構造部（２０１）と該メサ構造部以外の部位（２０２）それぞれの少なくとも一部に形成された電極（３１，３２）とからなる赤外線受光素子と、前記基板（１０）及び前記赤外線受光素子を覆う保護膜（４０）と、該保護膜（４０）を介して、前記基板（１０）及び前記赤外線受光素子をパッケージングするモールド樹脂（５０）とを備え、前記基板（１０）と前記半導体積層部（２０）の界面を基準としたときの前記保護膜（４０）の上面高さが、前記メサ構造部（２０１）上と該メサ構造部以外の部位（２０２）上とで異なり、前記メサ構造部以外の部位（２０２）の上方の少なくとも一部において、前記保護膜（４０）と前記モールド樹脂（５０）との間に空洞（４１）が形成されていることを特徴とする。 As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have found that the above problems can be solved by the following invention, and have completed the present invention.
The present invention has been made to achieve such an object, and the invention according to claim 1 is directed to a substrate having infrared transparency (1) in a quantum infrared sensor (1) in which a light receiving portion has a mesa structure. 10), a mesa structure portion (201) formed on the substrate (10), a semiconductor stacked portion (20) having a portion other than the mesa structure portion, the mesa structure portion (201), and the mesa structure portion An infrared light receiving element comprising electrodes (31, 32) formed on at least a part of each of the other parts (202), a protective film (40) covering the substrate (10) and the infrared light receiving element, and the protection The substrate (10) and a mold resin (50) for packaging the infrared light receiving element are provided via a film (40), and the interface between the substrate (10) and the semiconductor stacked portion (20) is used as a reference. When said protection (40) the height of the upper surface of the can differs between the mesa structure (201) and on the said mesa structure other than the site (202) above, above the at least a portion of the portion other than the mesa structure (202) A cavity (41) is formed between the protective film (40) and the mold resin (50).

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記空洞（４１）の厚みが、０．１μｍ以上１．５μｍ以下であることを特徴とする。
また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記保護膜（４０）と前記モールド樹脂（５０）の線膨張係数の差が、５０ｐｐｍ以上５００ｐｐｍ以下であることを特徴とする。 The invention described in claim 2 is characterized in that, in the invention described in claim 1, the thickness of the cavity (41) is not less than 0.1 μm and not more than 1.5 μm.
The invention according to claim 3 is the invention according to claim 1 or 2, wherein the difference in linear expansion coefficient between the protective film (40) and the mold resin (50) is 50 ppm or more and 500 ppm or less. It is characterized by.

また、請求項４に記載の発明は、請求項１，２又は３に記載の発明において、前記赤外線受光素子が、複数直列又は並列接続され、一方の赤外線受光素子のメサ構造部（２０１）上の電極（３１）と、他方の赤外線受光素子の前記メサ構造部以外の部位（２０２）上の電極（３２）とが、前記一方の赤外線受光素子のメサ構造部（２０１）の斜面の一部上で電気的に接続され、前記一方の赤外線受光素子のメサ構造部（２０１）の斜面の他の一部が金属で覆われていないことを特徴とする。 The invention according to claim 4 is the invention according to claim 1, 2, or 3, wherein a plurality of the infrared light receiving elements are connected in series or in parallel, on the mesa structure (201) of one infrared light receiving element. Electrode (31) and the electrode (32) on the portion (202) other than the mesa structure of the other infrared light receiving element are part of the slope of the mesa structure (201) of the one infrared light receiving element. The other part of the slope of the mesa structure part (201) of the one infrared light receiving element is electrically connected to the upper side and is not covered with metal.

また、請求項５に記載の発明は、受光部がメサ構造である量子型赤外線センサ（１）の製造方法において、赤外線透過性を有する半導体基板（１０）と、該半導体基板（１０）上に、ｎ型半導体層（２１）と真性半導体層（２２）とｐ型半導体層（２３）とからなるＰＩＮ接合のフォトダイオード構造を有する半導体積層部（２０）とを形成してなる半導体ウエハ（１００）を準備する準備工程と、該準備工程により準備された半導体ウエハ（１００）の半導体積層部（２０）にメサ構造部（２０１）と該メサ構造部以外の部位（２０２）を形成し、それぞれの少なくとも一部に電極（３１，３２）を形成して赤外線受光素子となすメサ形成工程と、該メサ形成工程により形成された前記赤外線受光素子と前記基板（１０）上に保護膜（４０）を覆う保護膜形成工程と、該保護膜形成工程により形成された前記保護膜（４０）を介して、前記基板（１０）及び前記赤外線受光素子をモールド樹脂（５０）でパッケージングする封止工程とを有し、前記基板（１０）と前記半導体積層部（２０）の界面を基準としたときの前記保護膜（４０）の上面高さが、前記メサ構造部（２０１）上と該メサ構造部以外の部位（２０２）上とで異なり、前記メサ構造部以外の部位（２０２）の上方の少なくとも一部において、前記保護膜（４０）と前記モールド樹脂（５０）との間に空洞（４１）が形成されていることを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a quantum infrared sensor (1) having a light receiving portion having a mesa structure, a semiconductor substrate (10) having infrared transparency, and a semiconductor substrate (10) on the semiconductor substrate (10). A semiconductor wafer (100) formed by forming a semiconductor laminated portion (20) having a PIN junction photodiode structure comprising an n-type semiconductor layer (21), an intrinsic semiconductor layer (22), and a p-type semiconductor layer (23). And a mesa structure portion (201) and a portion (202) other than the mesa structure portion are formed in the semiconductor stacked portion (20) of the semiconductor wafer (100) prepared by the preparation step, Forming an electrode (31, 32) on at least a part thereof to form an infrared light receiving element, and a protective film (40) on the infrared light receiving element and the substrate (10) formed by the mesa forming process. And a sealing step of packaging the substrate (10) and the infrared light receiving element with a mold resin (50) through the protective film (40) formed by the protective film forming step. And the height of the upper surface of the protective film (40) with respect to the interface between the substrate (10) and the semiconductor stacked portion (20) is set on the mesa structure portion (201) and the mesa structure. Unlike in the other site (202) on parts, the cavity (41 during at least part of the upper portion other than the mesa structure (202), and the protective layer (40) and said mold resin (50) ) Is formed.

また、請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の発明において、前記空洞（４１）の厚みが、０．１μｍ以上１．５μｍ以下であることを特徴とする。
また、請求項７に記載の発明は、請求項５又は６に記載の発明において、前記保護膜（４０）と前記モールド樹脂（５０）の線膨張係数の差が、５０ｐｐｍ以上５００ｐｐｍ以下であることを特徴とする。
また、請求項８に記載の発明は、基板（１０）と、該基板上に形成されたｎ型半導体層（２１）と、前記ｎ型半導体層上に形成されたメサ構造部（２０１）と、を有する赤外線受光素子と、前記赤外線受光素子を覆う保護膜（４０）と、該保護膜を介して、前記赤外線受光素子をパッケージングする樹脂封止部（５０）と、を備え、前記ｎ型半導体層（２１）の前記メサ構造部以外の部位の上方の少なくとも一部において、前記保護膜と前記樹脂封止部との間に空洞（４１）が形成されていることを特徴とする量子型赤外線センサである。
また、請求項９に記載の発明は、請求項８に記載の発明において、前記基板と前記ｎ型半導体層との界面を基準としたときの前記保護膜の上面高さが、前記メサ構造部上と前記ｎ型半導体層の前記メサ構造部以外の部位上とで異なることを特徴とする。
また、請求項１０に記載の発明は、請求項８又は９に記載の発明において、前記空洞の厚みが、０．１μｍ以上１．５μｍ以下であることを特徴とする。
また、請求項１１に記載の発明は、請求項８，９又は１０に記載の発明において、前記メサ構造部の頂部と、前記ｎ型半導体層の前記メサ構造部以外の部位に形成された電極をさらに備えることを特徴とする。
また、請求項１２に記載の発明は、請求項８〜１１のいずれか一項に記載の発明において、前記保護膜は、前記ｎ型半導体層の前記メサ構造部以外の部位上の保護膜の厚みに対する、前記メサ構造部の最上部からの厚みの比が、０．１〜０．９であることを特徴とする。
また、請求項１３に記載の発明は、請求項８〜１２のいずれか一項に記載の発明において、前記保護膜の前記メサ構造部の最上部からの厚みが、１ｕｍ以上３ｕｍ以下であることを特徴とする。
また、請求項１４に記載の発明は、請求項８〜１３のいずれか一項に記載の発明において、前記樹脂封止部は、モールド樹脂であることを特徴とする。
また、請求項１５に記載の発明は、請求項８〜１４のいずれか一項に記載の発明において、前記メサ構造部は、前記ｎ型半導体層の一部と真性半導体層とｐ型半導体層とを有することを特徴とする。
また、請求項１６に記載の発明は、請求項８〜１５のいずれか一項に記載の発明において、前記空洞は、前記メサ構造部の斜面の上方にも形成されることを特徴とする。
また、請求項１７に記載の発明は、請求項８〜１６のいずれか一項に記載の発明において、前記基板は、赤外線透過性を有する基板であることを特徴とする。 The invention according to claim 6 is the invention according to claim 5, wherein the thickness of the cavity (41) is not less than 0.1 μm and not more than 1.5 μm.
The invention according to claim 7 is the invention according to claim 5 or 6, wherein a difference in linear expansion coefficient between the protective film (40) and the mold resin (50) is 50 ppm or more and 500 ppm or less. It is characterized by.
The invention according to claim 8 includes a substrate (10), an n-type semiconductor layer (21) formed on the substrate, and a mesa structure (201) formed on the n-type semiconductor layer. , A protective film (40) covering the infrared light receiving element, and a resin sealing portion (50) for packaging the infrared light receiving element through the protective film, the n Quantum characterized in that a cavity (41) is formed between the protective film and the resin sealing portion in at least a part of the type semiconductor layer (21) above the portion other than the mesa structure portion. Type infrared sensor.
The invention according to claim 9 is the invention according to claim 8, wherein the height of the upper surface of the protective film with respect to the interface between the substrate and the n-type semiconductor layer is the mesa structure portion. It is different between the upper part and the part other than the mesa structure part of the n-type semiconductor layer.
The invention described in claim 10 is characterized in that, in the invention described in claim 8 or 9, the thickness of the cavity is 0.1 μm or more and 1.5 μm or less.
An eleventh aspect of the present invention is the electrode according to the eighth, ninth, or tenth aspect, wherein the electrode is formed at a portion other than the top of the mesa structure and the mesa structure of the n-type semiconductor layer. Is further provided.
The invention according to claim 12 is the invention according to any one of claims 8 to 11, wherein the protective film is a protective film on a portion other than the mesa structure portion of the n-type semiconductor layer. The ratio of the thickness from the top of the mesa structure to the thickness is 0.1 to 0.9.
The invention according to claim 13 is the invention according to any one of claims 8 to 12, wherein the thickness of the protective film from the uppermost portion of the mesa structure portion is not less than 1 μm and not more than 3 μm. It is characterized by.
The invention according to claim 14 is the invention according to any one of claims 8 to 13, wherein the resin sealing portion is a mold resin.
The invention according to claim 15 is the invention according to any one of claims 8 to 14, wherein the mesa structure portion includes a part of the n-type semiconductor layer, an intrinsic semiconductor layer, and a p-type semiconductor layer. It is characterized by having.
The invention described in claim 16 is the invention described in any one of claims 8-15, wherein the cavity is also formed above the slope of the mesa structure portion.
The invention according to claim 17 is the invention according to any one of claims 8 to 16, wherein the substrate is a substrate having infrared transparency.

本発明の量子型赤外線センサによれば、基板と半導体積層部の界面を基準としたときの保護膜の上面高さが、メサ構造部上と底部上とで異なり、底部の上方の少なくとも一部において、保護膜とモールド樹脂との間に空洞が形成されているので、基板から入射された赤外線の損失を効果的に抑制することが可能である。   According to the quantum infrared sensor of the present invention, the height of the upper surface of the protective film is different between the top of the mesa structure and the bottom when the interface between the substrate and the semiconductor laminate is used as a reference, and at least a part above the bottom Since a cavity is formed between the protective film and the mold resin, it is possible to effectively suppress the loss of infrared light incident from the substrate.

本発明に係る量子型赤外線センサの実施形態を説明するための断面構成図である。It is a section lineblock diagram for explaining an embodiment of a quantum type infrared sensor concerning the present invention. 本発明の赤外線センサを用いない場合の赤外線センサに入射した光の経路を示す図である。It is a figure which shows the path | route of the light which injected into the infrared sensor when not using the infrared sensor of this invention. 本発明の赤外線センサを用いた場合の赤外線センサに入射した光の経路を示す図である。It is a figure which shows the path | route of the light which injected into the infrared sensor at the time of using the infrared sensor of this invention. （ａ）乃至（ｄ）は、本発明に係る量子型赤外線センサの製造方法を説明するための断面工程図である。(A) thru | or (d) are sectional process drawings for demonstrating the manufacturing method of the quantum type infrared sensor which concerns on this invention.

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明に係る量子型赤外線センサの実施形態を説明するための断面構成図である。図中符号１は量子型赤外線センサ、１０は半導体基板、２０は半導体積層部、２１はｎ型半導体層、２２は真性半導体層、２３はｐ型半導体層、２４はレジスト、３１，３２は電極、３３は絶縁性被覆層、２０１はメサ構造部、２０２は底部（メサ構造部以外の部位）、４０は保護膜、４１は空洞、５０はモールド樹脂を示している。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a cross-sectional configuration diagram for explaining an embodiment of a quantum infrared sensor according to the present invention. In the figure, reference numeral 1 denotes a quantum infrared sensor, 10 denotes a semiconductor substrate, 20 denotes a semiconductor stacked portion, 21 denotes an n-type semiconductor layer, 22 denotes an intrinsic semiconductor layer, 23 denotes a p-type semiconductor layer, 24 denotes a resist, and 31 and 32 denote electrodes. , 33 is an insulating coating layer, 201 is a mesa structure, 202 is a bottom (portion other than the mesa structure) , 40 is a protective film, 41 is a cavity, and 50 is a mold resin.

本実施形態の量子型赤外線センサ１は、受光部がメサ構造である量子型赤外線センサで、半導体基板１０と赤外線受光素子と保護膜４０とモールド樹脂５０とを備えている。
半導体基板１０は、赤外線透過性を有するものである。また、赤外線受光素子は、半導体基板１０上に形成されたメサ構造部２０１と底部２０２を有する半導体積層部２０と、メサ構造部２０１と底部２０２それぞれの少なくとも一部に形成された電極３１，３２とから構成されている。 The quantum infrared sensor 1 of the present embodiment is a quantum infrared sensor having a light receiving portion having a mesa structure, and includes a semiconductor substrate 10, an infrared light receiving element, a protective film 40, and a mold resin 50.
The semiconductor substrate 10 has infrared transparency. In addition, the infrared light receiving element includes the semiconductor stacked portion 20 having the mesa structure portion 201 and the bottom portion 202 formed on the semiconductor substrate 10, and electrodes 31 and 32 formed on at least a part of each of the mesa structure portion 201 and the bottom portion 202. It consists of and.

また、保護膜４０は、半導体基板１０及び赤外線受光素子を覆うものである。また、モールド樹脂５０は、保護膜４０を介して、半導体基板１０及び赤外線受光素子をパッケージングするものである。
半導体基板１０と半導体積層部２０の界面を基準としたときの保護膜４０の上面高さが、メサ構造部２０１上と底部２０２上とで異なり、底部２０２の上方の少なくとも一部において、保護膜４０とモールド樹脂５０との間に空洞４１が形成されている。 The protective film 40 covers the semiconductor substrate 10 and the infrared light receiving element. The mold resin 50 packages the semiconductor substrate 10 and the infrared light receiving element via the protective film 40.
The height of the upper surface of the protective film 40 with respect to the interface between the semiconductor substrate 10 and the semiconductor stacked portion 20 is different between the top of the mesa structure portion 201 and the bottom portion 202, and the protective film is at least partially above the bottom portion 202. A cavity 41 is formed between 40 and the mold resin 50.

また、空洞４１の厚みは、０．１μｍ以上１．５μｍ以下であるが好ましい。また、保護膜４０とモールド樹脂５０の線膨張係数の差は、５０ｐｐｍ以上５００ｐｐｍ以下であることが好ましい。
また、図示していないが、赤外線受光素子は、複数直列又は並列接続され、一方の赤外線受光素子のメサ構造部２０１上の電極３１と、他方の赤外線受光素子の底部２０２上の電極３２とが、一方の赤外線受光素子のメサ構造部２０１の斜面の一部上で電気的に接続され、一方の赤外線受光素子のメサ構造部２０１の斜面の他の一部が金属で覆われていないように構成することも可能である。 The thickness of the cavity 41 is preferably 0.1 μm or more and 1.5 μm or less. The difference in coefficient of linear expansion between the protective film 40 and the mold resin 50 is preferably 50 ppm or more and 500 ppm or less.
Although not shown, a plurality of infrared light receiving elements are connected in series or in parallel, and an electrode 31 on the mesa structure 201 of one infrared light receiving element and an electrode 32 on the bottom 202 of the other infrared light receiving element are provided. , Electrically connected on a part of the slope of the mesa structure 201 of one infrared light receiving element, so that the other part of the slope of the mesa structure 201 of one infrared light receiving element is not covered with metal It is also possible to configure.

以下、本実施形態の各構成要素について順次説明する。
＜赤外線センサ＞
上述したように、図１に本発明の量子型赤外線センサを示している。この赤外線センサ１は、基板１０と、ｎ型半導体層２１と真性半導体層２２とｐ型半導体層２３からなる半導体積層部２０と電極３１，３２と絶縁性被覆層３３とからなる赤外線受光素子１００と、保護膜４０と、モールド樹脂５０とから構成されている。 Hereinafter, each component of this embodiment is demonstrated sequentially.
<Infrared sensor>
As described above, FIG. 1 shows the quantum infrared sensor of the present invention. The infrared sensor 1 includes an infrared light receiving element 100 including a substrate 10, a semiconductor laminated portion 20 including an n-type semiconductor layer 21, an intrinsic semiconductor layer 22, and a p-type semiconductor layer 23, electrodes 31 and 32, and an insulating covering layer 33. And a protective film 40 and a mold resin 50.

＜基板＞
本発明において、基板１０としては、ＰＮ接合又はＰＩＮ接合のフォトダイオード構造の半導体積層部を製膜することが可能で、赤外線透過性を有するものであれば特に制限されない。基板の一例としては、ＳｉやＧａＡｓやＩｎＰからなる基板を上げることが出来る。半導体積層部２０にＩｎＳｂを含む層を用いる場合、格子欠陥の少ない半導体積層部を製膜する観点から、ＧａＡｓ基板を用いることが好ましい。本実施形態において「赤外線透過性を有する」とは、赤外線透過率が１０％以上の物質を示し、好ましくは５０％以上であり、より好ましくは６５％以上である。 <Board>
In the present invention, the substrate 10 is not particularly limited as long as it can form a semiconductor laminated portion having a photodiode structure of a PN junction or a PIN junction and has infrared transparency. As an example of the substrate, a substrate made of Si, GaAs, or InP can be raised. When a layer containing InSb is used for the semiconductor laminated portion 20, it is preferable to use a GaAs substrate from the viewpoint of forming a semiconductor laminated portion with few lattice defects. In the present embodiment, “having infrared transparency” means a substance having an infrared transmittance of 10% or more, preferably 50% or more, and more preferably 65% or more.

＜半導体積層部＞
本実施形態の赤外線センサ１における半導体積層部２０は、ｎ型半導体層２１と真性半導体層２２とｐ型半導体層２３からなるＰＩＮ接合のフォトダイオード構造を有している。本発明における半導体積層部２０としては、ＰＮ接合又はＰＩＮ接合のフォトダイオード構造を有する半導体積層部であれば特に制限されない。本実施形態では、ｎ型半導体層２１と真性半導体層２２とｐ型半導体層２３からなるＰＩＮ接合としているが、ｎ型半導体層２１とｐ型半導体層２３からなるＰＮ接合であってもよい。半導体積層部２０は、赤外線に対して感度を有する公知の物質を適用することが可能であり、例えば、ＩｎＳｂを含む半導体層を適用することが出来る。 <Semiconductor laminated part>
The semiconductor stacked portion 20 in the infrared sensor 1 of the present embodiment has a PIN junction photodiode structure including an n-type semiconductor layer 21, an intrinsic semiconductor layer 22, and a p-type semiconductor layer 23. The semiconductor laminate 20 in the present invention is not particularly limited as long as it is a semiconductor laminate having a PN junction or PIN junction photodiode structure. In this embodiment, the PIN junction is composed of the n-type semiconductor layer 21, the intrinsic semiconductor layer 22, and the p-type semiconductor layer 23, but may be a PN junction composed of the n-type semiconductor layer 21 and the p-type semiconductor layer 23. A known substance having sensitivity to infrared rays can be applied to the semiconductor stacked unit 20, and for example, a semiconductor layer containing InSb can be applied.

本実施形態の赤外線センサ１における半導体積層部２０は、メサ構造部２０１と底部２０２とに分けられる。メサ構造部２０１は台地状に隆起した部分を示し、底部２０２はそれ以外の部分を示す。本実施形態においては、ｎ型半導体層２１の一部と真性半導体層２２とｐ型半導体層２３がメサ構造部２０１を形成している。また、ｎ型半導体層２１の他の一部が底部２０２を形成している。
なお、メサ構造部２０１と底部２０２は、フォトリソグラフィーとエッチングにより形成できる。エッチング方法は、ウェットエッチングやドライエッチングを用いればよい。 The semiconductor stacked portion 20 in the infrared sensor 1 of the present embodiment is divided into a mesa structure portion 201 and a bottom portion 202. The mesa structure portion 201 shows a portion raised in a plateau shape, and the bottom portion 202 shows the other portion. In this embodiment, a part of the n-type semiconductor layer 21, the intrinsic semiconductor layer 22, and the p-type semiconductor layer 23 form the mesa structure portion 201. Further, another part of the n-type semiconductor layer 21 forms the bottom portion 202.
The mesa structure 201 and the bottom 202 can be formed by photolithography and etching. As an etching method, wet etching or dry etching may be used.

＜電極＞
本実施形態の赤外線センサ１は、半導体積層部２０のメサ構造部２０１の頂部と、底部２０２の一部に電極３１，３２を備えている。電極の材料としては、半導体積層部２０と電気的なコンタクトが取れる材料であれば特に制限されない。また、複数の赤外線センサの素子を直列接続する場合は、一方の赤外線センサの素子の底部の電極と、他方の赤外線センサ素子のメサ構造部２０１の頂部の電極とを接続するように電極を形成すればよい。基板側から入射された赤外線の一部は、電極によって反射され得る。そのため、半導体積層部２０を大面積の電極で覆えば受光効率は増加するが、工程が増加しプロセスが煩雑になってしまう。 <Electrode>
The infrared sensor 1 of the present embodiment includes electrodes 31 and 32 on the top of the mesa structure 201 of the semiconductor stacked unit 20 and part of the bottom 202. The material of the electrode is not particularly limited as long as it is a material that can make electrical contact with the semiconductor stacked portion 20. In addition, when connecting a plurality of infrared sensor elements in series, an electrode is formed so as to connect the bottom electrode of one infrared sensor element and the top electrode of the mesa structure 201 of the other infrared sensor element. do it. A part of infrared rays incident from the substrate side can be reflected by the electrodes. Therefore, if the semiconductor laminated portion 20 is covered with a large-area electrode, the light receiving efficiency is increased, but the number of steps is increased and the process becomes complicated.

＜絶縁性被覆層＞
本実施形態の赤外線センサ１は、半導体積層部２０において電極に覆われていない領域及び基板１０の一部を覆う絶縁性被覆層３３を備えている。本発明の赤外線センサ１は、この絶縁性被覆層３３を備えることを必須とはしていない。絶縁性被覆層３３を備えることにより半導体積層部２０への物理的／化学的ダメージが低減されることが期待される。絶縁性被覆層３３の材料としては、絶縁性を有し、物理的／化学的ダメージを低減し得るものであればよく、例えば、ＳｉＯ２やＳｉＮ及びそれらの積層体を適用することが出来る。なお、一般的にこの絶縁性被覆層では入射した赤外線の反射は生じず大部分が透過する。 <Insulating coating layer>
The infrared sensor 1 of this embodiment includes an insulating coating layer 33 that covers a region of the semiconductor stacked unit 20 that is not covered with electrodes and a part of the substrate 10. The infrared sensor 1 of the present invention does not necessarily include the insulating coating layer 33. By providing the insulating coating layer 33, it is expected that physical / chemical damage to the semiconductor stacked portion 20 is reduced. The material of the insulating covering layer 33 may be any material that has insulating properties and can reduce physical / chemical damage. For example, SiO 2, SiN, and a laminate thereof can be applied. In general, the insulating coating layer does not reflect the incident infrared rays and transmits most of it.

＜保護膜＞
本実施形態の赤外線センサ１は、基板１０及び赤外線受光素子を覆う保護膜４０を備えている。この保護膜４０は、基板１０と半導体積層部２０の界面を基準として時に、メサ構造部２０１上の保護膜４０の上面高さが、底部２０２上の保護膜４０の上面高さよりも高くなっている。そして、保護膜４０上に形成されたモールド樹脂５０との間に空洞４１が形成されている。 <Protective film>
The infrared sensor 1 of the present embodiment includes a protective film 40 that covers the substrate 10 and the infrared light receiving element. In the protective film 40, the height of the upper surface of the protective film 40 on the mesa structure 201 is higher than the height of the upper surface of the protective film 40 on the bottom 202 when the interface between the substrate 10 and the semiconductor stacked unit 20 is used as a reference. Yes. A cavity 41 is formed between the mold resin 50 formed on the protective film 40.

保護膜４０としては、例えば、感光性シリコーンやエポキシ系レジストなどが挙げられる。空洞４１の形成しやすさの観点から、表面の撥水性が高いものが好ましい。また、空洞４１の形成しやすさの観点から、平滑性が高く凹凸への追従性の良い材料が好適である。
保護膜４０の厚さは、特に制限されないが、素子の保護と保護膜のプロセスマージンの観点から、保護膜４０は、メサ構造部２０１の最上部からの厚みが１μｍ以上３μｍ以下が好ましく、底部２０２上の保護膜の厚みに対するメサ構造部２０１の最上部からの保護膜の厚みの比が、０．１〜０．９であることがより好ましい。１μｍ以上であれば、空洞を発生し得る応力が発生することに加え、メサ構造部２０１の形状がプロセスばらつきにより歪な形状になっていても、十分に素子全体を覆うことができ保護膜として機能する。３μｍ以下であれば、保護膜のフォトリソ工程において、膜の下部まで安定した露光が可能であることに加え、ベークの際に熱が膜全体に伝わりやすいといったプロセス上のメリットがある。 Examples of the protective film 40 include photosensitive silicone and epoxy resist. From the viewpoint of easy formation of the cavities 41, those having a high surface water repellency are preferred. Further, from the viewpoint of easy formation of the cavity 41, a material having high smoothness and good followability to unevenness is preferable.
The thickness of the protective film 40 is not particularly limited, but from the viewpoint of element protection and a protective film process margin, the protective film 40 preferably has a thickness from the top of the mesa structure portion 201 of 1 μm or more and 3 μm or less. The ratio of the thickness of the protective film from the top of the mesa structure 201 to the thickness of the protective film on 202 is more preferably 0.1 to 0.9. If the thickness is 1 μm or more, in addition to generating stress that can generate cavities, even if the shape of the mesa structure 201 is distorted due to process variations, the entire element can be sufficiently covered as a protective film Function. If the thickness is 3 μm or less, in the photolithography process of the protective film, in addition to being able to perform stable exposure down to the lower part of the film, there is a process advantage that heat is easily transmitted to the entire film during baking.

光電流の出力を決める要因の一つに感光部に入射してくる光量がある。電極３１，３２が存在しない領域は基板から入射してきた赤外光が保護膜４０の方向に出て行く。
図２は、本発明の赤外線センサを用いない場合の赤外線センサに入射した光の経路を示す図で、図３は、本発明の赤外線センサを用いた場合の赤外線センサに入射した光の経路を示す図である。
図２に示すような空洞４１を有さない従来の赤外線センサにおいては、半導体積層部２０で吸収されずに保護膜４０側に透過した赤外線はモールド樹脂５０で吸収されたり、外部に透過したりするため、基板側から入射した赤外線の一部は半導体積層部２０に吸収されず、光吸収量が減少し出力が低下する。 One factor that determines the output of the photocurrent is the amount of light incident on the photosensitive portion. In the region where the electrodes 31 and 32 do not exist, infrared light incident from the substrate goes out toward the protective film 40.
FIG. 2 is a diagram showing a path of light incident on the infrared sensor when the infrared sensor of the present invention is not used, and FIG. 3 shows a path of light incident on the infrared sensor when the infrared sensor of the present invention is used. FIG.
In the conventional infrared sensor that does not have the cavity 41 as shown in FIG. 2, the infrared rays that are not absorbed by the semiconductor laminate 20 but are transmitted to the protective film 40 side are absorbed by the mold resin 50 or transmitted to the outside. For this reason, a part of the infrared light incident from the substrate side is not absorbed by the semiconductor stacked portion 20, and the amount of light absorption is reduced and the output is reduced.

一方、図３に示すように、保護膜４０上に形成されたモールド樹脂５０との間に空洞４１が形成されている本実施形態の赤外線センサは、半導体積層部２０で吸収されずに保護膜４０側に抜けた赤外線の一部が、空洞４１で反射し、再度、半導体積層部２０に入射される。本発明は、この点に着目してなされたものであり、空洞４１の存在により、赤外線の吸収効率が高まる。
なお、空洞４１は、底部２０２の上方の少なくとも一部において形成されていればよく、空洞４１の一部がメサ構造部２０１の斜面上に形成されていてもよいし、素子分離のためにエッチングされた基板上に形成されていてもよい。 On the other hand, as shown in FIG. 3, the infrared sensor of the present embodiment in which the cavity 41 is formed between the mold resin 50 formed on the protective film 40 is not absorbed by the semiconductor laminated portion 20 and is protected. Part of the infrared rays that have passed through to the 40 side is reflected by the cavity 41 and is incident on the semiconductor stacked portion 20 again. The present invention has been made paying attention to this point, and the presence of the cavity 41 increases the infrared absorption efficiency.
The cavity 41 only needs to be formed at least partly above the bottom part 202, and part of the cavity 41 may be formed on the slope of the mesa structure part 201, or etched for element isolation. It may be formed on the prepared substrate.

＜モールド樹脂＞
本実施形態の赤外線センサ１は、保護膜４０を介して、基板１０及び赤外線受光素子を封止するモールド樹脂５０を備えている。本実施形態の赤外線センサ１においては、上面のみがモールド樹脂５０によって封止されているが、基板１０を介して半導体積層部２０に赤外線が入射できるように形成されていれば特に制限されず、例えば、上面のみではなく、赤外線センサの側面部の一部又は全部がモールド樹脂５０によって封止されていてもよい。 <Mold resin>
The infrared sensor 1 of the present embodiment includes a mold resin 50 that seals the substrate 10 and the infrared light receiving element via the protective film 40. In the infrared sensor 1 of the present embodiment, only the upper surface is sealed with the mold resin 50, but there is no particular limitation as long as infrared rays can be incident on the semiconductor stacked portion 20 through the substrate 10. For example, not only the top surface but also a part or all of the side surface portion of the infrared sensor may be sealed with the mold resin 50.

モールド樹脂５０としては、公知の材料を用いることが出来、エポキシ樹脂が挙げられるがこれに制限されない。空洞４１を発生させる観点から、モールド樹脂５０の線膨張係数と保護膜４０の線膨張係数の差が、５０ｐｐｍ以上であることが好ましく、１００ｐｐｍ以上であることがより好ましく、１５０ｐｐｍ以上であることが更に好ましい。また、プロセスマージンの観点から、５００ｐｐｍ以下であることが好ましく、４００ｐｐｍ以下であることがより好ましく、３００ｐｐｍ以下であることがさらに好ましい。   As the mold resin 50, a known material can be used, and examples thereof include an epoxy resin, but are not limited thereto. From the viewpoint of generating the cavity 41, the difference between the linear expansion coefficient of the mold resin 50 and the linear expansion coefficient of the protective film 40 is preferably 50 ppm or more, more preferably 100 ppm or more, and 150 ppm or more. Further preferred. Further, from the viewpoint of process margin, it is preferably 500 ppm or less, more preferably 400 ppm or less, and further preferably 300 ppm or less.

以下に、本実施形態に記載したような量子型赤外線センサの製造方法の一例について説明する。
＜量子型赤外線センサの製造方法＞
図４（ａ）乃至（ｄ）は、本発明に係る量子型赤外線センサの製造方法を説明するための断面工程図で、図４（ａ）は準備工程、図４（ｂ）はメサ形成工程、図４（ｃ）は保護膜形成工程、図４（ｄ）は封止工程を示している。 Below, an example of the manufacturing method of a quantum type infrared sensor as described in this embodiment is demonstrated.
<Manufacturing method of quantum infrared sensor>
4A to 4D are cross-sectional process diagrams for explaining a method for manufacturing a quantum infrared sensor according to the present invention. FIG. 4A is a preparation process, and FIG. 4B is a mesa formation process. FIG. 4C shows a protective film forming step, and FIG. 4D shows a sealing step.

図４（ａ）に示す準備工程では、半導体基板１０と、ＰＮ接合又はＰＩＮ接合のフォトダイオード構造を有する半導体積層部２０とを備える半導体ウエハ１００を準備している。また、図４（ａ）では、ｎ型半導体層２１と真性半導体層２２とｐ型半導体層２３とからなるＰＩＮ接合のフォトダイオード構造の半導体積層部２０を形成している。
図４（ｂ）に示すメサ形成工程では、半導体積層部２０を部分的にエッチングして、メサ構造部２０１と底部２０２を形成する。図４（ｂ）では、半導体積層部２０上にレジスト２４を部分的に形成し、レジスト２４が部分的に形成された半導体ウエハ１００の半導体積層部２０をウェットエッチングし、半導体積層部２０にメサ構造部２０１を形成している。その後、イオンミリングによる素子分離、コンタクトホールの形成、電極パターンの形成工程を経た後、図４（ｃ）では、保護膜４０を赤外線センサ素子上に塗布する工程を示している。
図４（ｄ）に示す封止工程では、保護膜４０を介して赤外線センサ素子をモールド樹脂５０で封止する。 In the preparation step shown in FIG. 4A, a semiconductor wafer 100 including a semiconductor substrate 10 and a semiconductor stacked unit 20 having a PN junction or PIN junction photodiode structure is prepared. In FIG. 4A, a semiconductor laminated portion 20 having a PIN junction photodiode structure composed of an n-type semiconductor layer 21, an intrinsic semiconductor layer 22, and a p-type semiconductor layer 23 is formed.
In the mesa formation step shown in FIG. 4B, the semiconductor stacked portion 20 is partially etched to form the mesa structure portion 201 and the bottom portion 202. In FIG. 4B, a resist 24 is partially formed on the semiconductor stacked portion 20, the semiconductor stacked portion 20 of the semiconductor wafer 100 on which the resist 24 is partially formed is wet-etched, and the semiconductor stacked portion 20 is subjected to mesa etching. The structure part 201 is formed. Thereafter, after element separation by ion milling, contact hole formation, and electrode pattern formation steps, FIG. 4C shows a step of applying the protective film 40 on the infrared sensor element.
In the sealing step shown in FIG. 4D, the infrared sensor element is sealed with the mold resin 50 through the protective film 40.

＜準備工程＞
図４（ａ）に示す準備工程は、半導体基板１０と、ＰＮ接合又はＰＩＮ接合のフォトダイオード構造を有する半導体積層部２０とを備える半導体ウエハ１００を準備する工程である。半導体ウエハ１００を準備する方法は、特に制限されないが、例えば、半導体基板１０の上にＰＮ接合又はＰＩＮ接合となる半導体積層部２０をＭＯＣＶＤやＭＢＥなどの製膜技術によって形成する方法が挙げられる。
半導体積層部２０としては、入射された赤外線によって光起電力を生じる公知のＰＮ接合または、光電変換の効率化を図るためにｐ型ドープされたｐ型半導体層２３とｎ型ドープされたｎ型半導体層２１の間に真性半導体層２２を設けたＰＩＮ接合を備える積層体が使用できる。また、真性半導体層２２とｐ型半導体層２３又はｎ型半導体層２１の間に、それらの半導体層よりもバンドギャップの広いバリア層を設けてもよい。赤外線によって光起電力を生じる積層体としては、例えば、ＩｎＳｂを含む化合物半導体積層体が好適に用いられる。ＩｎＳｂを含む化合物半導体積層体を用いる場合、ＰＮ接合の形成に用いるドーパントとしては、Ｐ型のドーパントとしてＺｎ、Ｎ型のドーパントとしてＳｎが好適に用いられる。ＩｎＳｂを含む化合物半導体積層体を半導体基板上に成膜する場合、半導体基板の材料としては、ＧａＡｓからなる半導体基板１０を好適に用いることができる。 <Preparation process>
The preparation step shown in FIG. 4A is a step of preparing the semiconductor wafer 100 including the semiconductor substrate 10 and the semiconductor stacked unit 20 having a PN junction or PIN junction photodiode structure. A method for preparing the semiconductor wafer 100 is not particularly limited, and examples thereof include a method of forming the semiconductor stacked portion 20 to be a PN junction or a PIN junction on the semiconductor substrate 10 by a film forming technique such as MOCVD or MBE.
As the semiconductor laminated portion 20, a known PN junction that generates a photovoltaic force by incident infrared rays, or a p-type semiconductor layer 23 doped with p-type in order to increase the efficiency of photoelectric conversion, and an n-type doped n-type. A laminate including a PIN junction in which an intrinsic semiconductor layer 22 is provided between the semiconductor layers 21 can be used. Further, a barrier layer having a wider band gap than those of the intrinsic semiconductor layer 22 and the p-type semiconductor layer 23 or the n-type semiconductor layer 21 may be provided. For example, a compound semiconductor stack containing InSb is suitably used as the stack that generates a photovoltaic force by infrared rays. When a compound semiconductor stacked body containing InSb is used, as a dopant used for forming a PN junction, Zn is suitably used as a P-type dopant, and Sn is suitably used as an N-type dopant. When a compound semiconductor stacked body containing InSb is formed on a semiconductor substrate, a semiconductor substrate 10 made of GaAs can be suitably used as the material of the semiconductor substrate.

＜メサ形成工程＞
図４（ｂ）に示すメサ形成工程は、半導体積層部２０の表面の所望の位置にレジスト２４を形成し、このレジスト２４が形成された半導体ウエハ１００の半導体積層部２０をウェットエッチングし、半導体積層部２０にメサ構造部２０１を形成する工程である。所望の位置にレジスト２４を形成する方法としては、半導体ウエハ１００にレジスト材料をコーティングした後に、フォトリソグラフィー法や電子線描画法により所望の位置以外のレジスト２４を除去し、所望の位置のみにレジスト２４を形成する方法を用いることができる。 <Mesa formation process>
In the mesa formation process shown in FIG. 4B, a resist 24 is formed at a desired position on the surface of the semiconductor stacked portion 20, and the semiconductor stacked portion 20 of the semiconductor wafer 100 on which the resist 24 is formed is wet-etched. This is a step of forming the mesa structure portion 201 in the stacked portion 20. As a method of forming the resist 24 at a desired position, after coating the semiconductor wafer 100 with a resist material, the resist 24 other than the desired position is removed by a photolithography method or an electron beam drawing method, and the resist 24 is formed only at the desired position. The method of forming 24 can be used.

＜保護膜形成工程、封止工程＞
図４（ｃ）に示す保護膜形成工程は、赤外線センサ素子を外部の衝撃から保護するための保護膜４０を形成する工程である。この保護膜４０の形成工程は、用いる保護膜の材料に応じて適宜実行すればよい。例えば、保護膜として感光性の保護膜を用いる場合は、保護膜を回転型塗布装置により赤外線センサ素子上に塗布し、ベーキングを行った後、水銀ランプのｇ線もしくはｉ線で露光を行い、現像でパターニングを施した後、熱処理により硬化させる。保護膜を適切な膜厚にすることで、応力の効果により、所望の空洞を発生させることが出来る。そのため、メサのない部分及び電極で覆われていない部分で優先的に空洞が発生するように適切な膜厚を選択する必要がある。 <Protective film formation process, sealing process>
The protective film forming step shown in FIG. 4C is a step of forming a protective film 40 for protecting the infrared sensor element from an external impact. The step of forming the protective film 40 may be appropriately performed according to the material of the protective film to be used. For example, when a photosensitive protective film is used as the protective film, the protective film is applied on the infrared sensor element by a rotary coating device, and after baking, exposure is performed with g-line or i-line of a mercury lamp, After patterning by development, it is cured by heat treatment. By setting the protective film to an appropriate thickness, a desired cavity can be generated due to the effect of stress. For this reason, it is necessary to select an appropriate film thickness so that a cavity is preferentially generated in a portion without a mesa and a portion not covered with an electrode.

上述した前工程プロセスにより作製したウエハをダイシングでチップに個片化し、Ａｕワイヤーをボンディングし、モールド樹脂５０で封止する。このモールド樹脂５０の硬化は、保護膜材料と樹脂いずれのガラス転移点より高い温度で行えばよく、また、冷却は応力による空洞発生を推進する為、加熱終了後に即室温に戻すことが好ましい。さらに保護膜４０とモールド樹脂５０の選択において、線膨張係数の差が大きな組み合わせとすることで応力が強くなり、所望の空洞４１が形成できる。
以下に、本発明に係る量子型赤外線センサの各実施例について説明する。 The wafer produced by the above-described pre-process is diced into chips, bonded with Au wires, and sealed with mold resin 50. The mold resin 50 may be cured at a temperature higher than the glass transition point of either the protective film material or the resin. In addition, since cooling promotes the generation of cavities due to stress, it is preferably returned to room temperature immediately after the heating. Furthermore, in selecting the protective film 40 and the mold resin 50, the stress becomes stronger and a desired cavity 41 can be formed by using a combination having a large difference in linear expansion coefficient.
Examples of the quantum infrared sensor according to the present invention will be described below.

次の手順でＰＩＮダイオード構造の赤外線センサを作製した。まず、ＭＢＥ法により、半絶縁性のＧａＡｓ単結晶半導体基板の上にＳｎを１．０×１０１９原子／ｃｍ３ドーピングしたＩｎＳｂ層（ｎ型半導体層）を１．０μｍ成長し、この上にＺｎを１×１０１６原子／ｃｍ３ドーピングしたＩｎＳｂ層（真性半導体層）を２．０μｍ成長し、この上にＺｎを５×１０１８原子／ｃｍ３ドーピングしたＡｌ０．２Ｉｎ０．８Ｓｂ層（バリア層）を０．０２μｍ成長し、この上にＺｎを５×１０１８原子／ｃｍ３ドーピングしたＩｎＳｂ層（ｐ型半導体層）を０．５μｍ成長した。これにより、ＧａＡｓ単結晶半導体基板１０と、ＰＩＮ接合のフォトダイオード構造を有する半導体積層部２０とを備える半導体ウエハ１００を準備した。 An infrared sensor having a PIN diode structure was manufactured by the following procedure. First, an InSb layer (n-type semiconductor layer) doped with 1.0 × 10 19 atoms / cm 3 of Sn is grown on a semi-insulating GaAs single crystal semiconductor substrate by the MBE method, and grown thereon by 1.0 μm. An InSb layer (intrinsic semiconductor layer) doped with Zn at 1 × 10 16 atoms / cm 3 was grown by 2.0 μm, and Al 0.2 In 0.8 Sb doped with Zn at 5 × 10 18 atoms / cm 3. A layer (barrier layer) was grown by 0.02 μm, and an InSb layer (p-type semiconductor layer) doped with 5 × 10 18 atoms / cm 3 of Zn was grown thereon by 0.5 μm. As a result, a semiconductor wafer 100 including a GaAs single crystal semiconductor substrate 10 and a semiconductor stacked portion 20 having a PIN junction photodiode structure was prepared.

このようにして準備した半導体ウエハ１００の表面にｉ線用ポジ型フォトレジストを塗布し、縮小投影型露光機によりｉ線を使用し露光を行った。次に現像を行い、半導体積層部２０の表面にレジストパターンを規則的に複数形成した。次に、塩酸過水水溶液を用いてウェットエッチングを行って半導体積層部２０にメサ構造部２０１と底部２０２とを形成した。   An i-line positive photoresist was applied to the surface of the semiconductor wafer 100 thus prepared, and exposure was performed using i-line by a reduction projection type exposure machine. Next, development was performed, and a plurality of resist patterns were regularly formed on the surface of the semiconductor stacked portion 20. Next, wet etching was performed using a hydrochloric acid / hydrogen peroxide aqueous solution to form the mesa structure portion 201 and the bottom portion 202 in the semiconductor stacked portion 20.

メサ形状を有する素子上に、ハードマスクとしてＳｉＯ２を成膜後、イオンミリングで素子分離を行い、その後、保護膜４０としてＳｉＮを成膜し、フォトリソグラフィーとドライエッチングによりコンタクトホールを形成した。その後、フォトリソグラフィーとスパッタリングにより、メサ構造部２０１の頂部と底部２０２のそれぞれに電極３１，３２を形成し、メサ構造部２０１の面積が４２０μｍ２の赤外線センサ素子を得た。 On the element having a mesa shape, SiO2 was formed as a hard mask, and then element separation was performed by ion milling. Thereafter, SiN was formed as a protective film 40, and contact holes were formed by photolithography and dry etching. Thereafter, electrodes 31 and 32 were formed on the top and bottom 202 of the mesa structure 201 by photolithography and sputtering, respectively, and an infrared sensor element with an area of the mesa structure 201 of 420 μm 2 was obtained.

上述したプロセスで作製した素子に保護膜４０として信越アステック社製の感光性シリコーンをスピンコーターにより回転数３５００ｒｐｍで塗布した。その後、１２０℃のベーキングをホットプレートにより実施し、縮小投影型露光機によりｉ線を使用し露光を行った。次に、光架橋反応を促進させるため、１２０℃のポストベークをホットプレートで行ってからＩＰＡを使用して現像を行い、最後に熱硬化を実施して保護膜４０を形成した。   Photosensitive silicone manufactured by Shin-Etsu Astec Co., Ltd. was applied as a protective film 40 to the device produced by the above-described process using a spin coater at a rotational speed of 3500 rpm. Thereafter, baking at 120 ° C. was performed with a hot plate, and exposure was performed using i-line with a reduction projection type exposure machine. Next, in order to promote the photocrosslinking reaction, 120 ° C. post-baking was performed on a hot plate, then development was performed using IPA, and finally thermosetting was performed to form the protective film 40.

上述した前工程プロセスにより作製したウエハをダイシングでチップに個片化し、Ａｕワイヤーをボンディングし、京セラケミカル社製のエポキシ系モールド樹脂５０で封止した。このモールド樹脂５０の硬化は樹脂のガラス転移点より高温の１７５℃で実施し、加熱終了後に即室温に戻した。
このようにして作製した赤外線センサにおいて、感光性シリコーンの膜厚を測定したところメサ構造部２０１上の厚みが２μｍであった。さらに赤外線センサの断面観察をＳＥＭにより実施したところ、保護膜４０は半導体積層部２０のメサ構造部２０１と底部２０２の凹凸に応じた形状となっていた。さらに、メサ構造のない部分及び電極で覆われていない部分で、保護膜４０とモールド樹脂５０の間に厚み０．７μｍの空洞４１が観察された。さらに、赤外線センサの光出力測定を、５００Ｋの黒体炉を光源として実施したところ、後述する比較例１，比較例２に対して５％高い光出力電流を得た。 The wafer produced by the above-mentioned pre-process was diced into chips, bonded with Au wires, and sealed with an epoxy mold resin 50 manufactured by Kyocera Chemical. The mold resin 50 was cured at 175 ° C., which is higher than the glass transition point of the resin, and returned to room temperature immediately after the heating.
In the infrared sensor thus manufactured, the thickness of the photosensitive silicone was measured, and the thickness on the mesa structure 201 was 2 μm. Further, when the cross section of the infrared sensor was observed by SEM, the protective film 40 had a shape corresponding to the unevenness of the mesa structure portion 201 and the bottom portion 202 of the semiconductor stacked portion 20. Further, a cavity 41 having a thickness of 0.7 μm was observed between the protective film 40 and the mold resin 50 in a portion without the mesa structure and a portion not covered with the electrode. Furthermore, when the optical output measurement of the infrared sensor was carried out using a 500K black body furnace as a light source, an optical output current 5% higher than Comparative Examples 1 and 2 described later was obtained.

スピンコーターの回転数を１５００ｒｐｍとした以外は、上述した実施例１と同様の方法で赤外線センサを作製した。実施例１と同様の評価を行ったところ、感光性シリコーンのメサ構造部２０１上の厚みが３μｍであり、メサ構造のない部分及び電極で覆われていない部分で、保護膜４０とモールド樹脂５０の間に厚み１．１μｍの空洞４１が観察された。さらに、赤外線センサの光出力測定を、５００Ｋの黒体炉を光源として実施したところ、後述する比較例１，比較例２に対して５％高い光出力電流を得た。   An infrared sensor was produced by the same method as in Example 1 except that the rotation speed of the spin coater was changed to 1500 rpm. When the same evaluation as in Example 1 was performed, the thickness of the photosensitive silicone on the mesa structure portion 201 was 3 μm, and the protective film 40 and the mold resin 50 were formed in a portion without the mesa structure and a portion not covered with the electrode. In the meantime, a cavity 41 having a thickness of 1.1 μm was observed. Furthermore, when the optical output measurement of the infrared sensor was carried out using a 500K black body furnace as a light source, an optical output current 5% higher than Comparative Examples 1 and 2 described later was obtained.

スピンコーターの回転数を６０００ｒｐｍとした以外は、上述した実施例１と同様の方法で赤外線センサ１を作製した。実施例１と同様の評価を行ったところ、感光性シリコーンのメサ構造部２０１上の厚みが１μｍであり、メサ構造のない部分及び電極で覆われていない部分で、保護膜４０とモールド樹脂５０の間に厚み０．３μｍの空洞４１が観察された。赤外線センサの光出力測定を、５００Ｋの黒体炉を光源として実施したところ、後述する比較例１，比較例２に対して５％高い光出力電流を得た。   An infrared sensor 1 was produced in the same manner as in Example 1 except that the spin coater was rotated at 6000 rpm. When the same evaluation as in Example 1 was performed, the thickness of the photosensitive silicone on the mesa structure portion 201 was 1 μm, and the protective film 40 and the mold resin 50 were formed in a portion without the mesa structure and a portion not covered with the electrode. In the meantime, a cavity 41 having a thickness of 0.3 μm was observed. When the optical output of the infrared sensor was measured using a 500K black body furnace as a light source, a 5% higher optical output current was obtained than Comparative Examples 1 and 2 described later.

［比較例１］
保護膜４０の材料を、モールド樹脂５０との線膨張係数の差が、およそ１０ｐｐｍであるポリイミド系の保護膜材料にした以外は、上述した実施例１と同様の方法で赤外線センサ１を作製した。実施例１と同様の評価を行ったところ、感光性シリコーンのメサ構造部２０１上の厚みが２μｍであり、保護膜４０とモールド樹脂５０の間に空洞４１は観察されなかった。さらに、光出力電流が、実施例１，実施例２，実施例３より５％低いという結果であった。 [Comparative Example 1]
The infrared sensor 1 was produced in the same manner as in Example 1 except that the material of the protective film 40 was a polyimide-based protective film material having a difference in linear expansion coefficient from the mold resin 50 of about 10 ppm. . When the same evaluation as in Example 1 was performed, the thickness of the photosensitive silicone on the mesa structure portion 201 was 2 μm, and the cavity 41 was not observed between the protective film 40 and the mold resin 50. Furthermore, the result was that the optical output current was 5% lower than those of Example 1, Example 2, and Example 3.

［比較例２］
保護膜４０の材料を、粘度が低く薄膜化が容易である環化ゴム系の樹脂材料とした以外は、上述した実施例１と同様の方法で赤外線センサ１を作製した。実施例１と同様の評価を行ったところ、感光性シリコーンのメサ構造部２０１上の厚みが０．３μｍであり、モールド樹脂５０が保護膜４０の凹凸うねりに追従しており、保護膜４０とモールド樹脂５０の間に空洞４１は観察されなかった。さらに、光出力電流が、実施例１，実施例２，実施例３より５％低いという結果であった。 [Comparative Example 2]
The infrared sensor 1 was produced by the same method as in Example 1 except that the material of the protective film 40 was a cyclized rubber-based resin material that has a low viscosity and can be easily thinned. When the same evaluation as in Example 1 was performed, the thickness of the photosensitive silicone on the mesa structure portion 201 was 0.3 μm, the mold resin 50 followed the undulations of the protective film 40, and the protective film 40 Cavities 41 were not observed between the mold resins 50. Furthermore, the result was that the optical output current was 5% lower than those of Example 1, Example 2, and Example 3.

本発明は、受光部がメサ構造である量子型赤外線センサに関し、本発明の量子型赤外線センサの構造は、出力が高くＳ／Ｎが良いため、微小な赤外線の検知をするためのセンサとして好適である。したがって、本発明の量子型赤外線センサは、照明やエアコンなどの省エネルギー化の機器や環境センサに用いることができる。   The present invention relates to a quantum infrared sensor having a light-receiving portion having a mesa structure. The structure of the quantum infrared sensor of the present invention is suitable as a sensor for detecting minute infrared rays because of its high output and good S / N. It is. Therefore, the quantum infrared sensor of the present invention can be used for energy-saving equipment and environmental sensors such as lighting and air conditioners.

１ 赤外線センサ
１０ 半導体基板
２０ 半導体積層部
２１ ｎ型半導体層
２２ 真性半導体層
２３ ｐ型半導体層
２４ レジスト
３１，３２ 電極
３３ 絶縁性被覆層
４０ 保護膜
４１ 空洞
５０ モールド樹脂
２０１ メサ構造部
２０２ 底部
１００ 半導体ウエハ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Infrared sensor 10 Semiconductor substrate 20 Semiconductor laminated part 21 N type semiconductor layer 22 Intrinsic semiconductor layer 23 P type semiconductor layer 24 Resist 31, 32 Electrode 33 Insulating coating layer 40 Protective film 41 Cavity 50 Mold resin 201 Mesa structure part 202 Bottom part 100 Semiconductor wafer

Claims (17)

受光部がメサ構造である量子型赤外線センサにおいて、
赤外線透過性を有する基板と、
該基板上に形成されたメサ構造部と該メサ構造部以外の部位を有する半導体積層部と、前記メサ構造部と該メサ構造部以外の部位それぞれの少なくとも一部に形成された電極とからなる赤外線受光素子と、
前記基板及び前記赤外線受光素子を覆う保護膜と、
該保護膜を介して、前記基板及び前記赤外線受光素子をパッケージングするモールド樹脂とを備え、
前記基板と前記半導体積層部の界面を基準としたときの前記保護膜の上面高さが、前記メサ構造部上と該メサ構造部以外の部位上とで異なり、
前記メサ構造部以外の部位の上方の少なくとも一部において、前記保護膜と前記モールド樹脂との間に空洞が形成されていることを特徴とする量子型赤外線センサ。 In the quantum infrared sensor whose light receiving part has a mesa structure,
A substrate having infrared transparency;
A mesa structure portion formed on the substrate, a semiconductor stacked portion having a portion other than the mesa structure portion, and an electrode formed on at least a part of each of the mesa structure portion and the portion other than the mesa structure portion. An infrared detector;
A protective film covering the substrate and the infrared light receiving element;
A mold resin for packaging the substrate and the infrared light receiving element through the protective film,
The height of the upper surface of the protective film when the interface between the substrate and the semiconductor stacked portion is used as a reference is different between the mesa structure portion and a portion other than the mesa structure portion ,
A quantum infrared sensor, wherein a cavity is formed between the protective film and the mold resin in at least a part of the region other than the mesa structure . 前記空洞の厚みが、０．１μｍ以上１．５μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の量子型赤外線センサ。   2. The quantum infrared sensor according to claim 1, wherein the cavity has a thickness of 0.1 μm or more and 1.5 μm or less. 前記保護膜と前記モールド樹脂の線膨張係数の差が、５０ｐｐｍ以上５００ｐｐｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の量子型赤外線センサ。   3. The quantum infrared sensor according to claim 1, wherein a difference in linear expansion coefficient between the protective film and the mold resin is 50 ppm or more and 500 ppm or less. 前記赤外線受光素子が、複数直列又は並列接続され、一方の赤外線受光素子のメサ構造部上の電極と、他方の赤外線受光素子の前記メサ構造部以外の部位上の電極とが、前記一方の赤外線受光素子のメサ構造部の斜面の一部上で電気的に接続され、前記一方の赤外線受光素子のメサ構造部の斜面の他の一部が金属で覆われていないことを特徴とする請求項１，２又は３に記載の量子型赤外線センサ。 A plurality of the infrared light receiving elements are connected in series or in parallel, and an electrode on a mesa structure portion of one infrared light receiving element and an electrode on a portion other than the mesa structure portion of the other infrared light receiving element are the one infrared light. The electrically connected on a part of the slope of the mesa structure part of the light receiving element, and the other part of the slope of the mesa structure part of the one infrared light receiving element is not covered with metal. The quantum infrared sensor according to 1, 2, or 3. 受光部がメサ構造である量子型赤外線センサの製造方法において、
赤外線透過性を有する半導体基板と、該半導体基板上に、ｎ型半導体層と真正半導体層とｐ型半導体層とからなるＰＩＮ接合のフォトダイオード構造を有する半導体積層部とを形成してなる半導体ウエハを準備する準備工程と、
該準備工程により準備された半導体ウエハの半導体積層部にメサ構造部と該メサ構造部以外の部位を形成し、それぞれの少なくとも一部に電極を形成して赤外線受光素子となすメサ形成工程と、
該メサ形成工程により形成された前記赤外線受光素子と前記基板上に保護膜を覆う保護膜形成工程と、
該保護膜形成工程により形成された前記保護膜を介して、前記基板及び前記赤外線受光素子をモールド樹脂でパッケージングする封止工程とを有し、
前記基板と前記半導体積層部の界面を基準としたときの前記保護膜の上面高さが、前記メサ構造部上と該メサ構造部以外の部位上とで異なり、
前記メサ構造部以外の部位の上方の少なくとも一部において、前記保護膜と前記モールド樹脂との間に空洞が形成されていることを特徴とする量子型赤外線センサの製造方法。 In the manufacturing method of the quantum infrared sensor in which the light receiving portion has a mesa structure,
A semiconductor wafer formed by forming a semiconductor substrate having infrared transparency, and a semiconductor laminated portion having a PIN junction photodiode structure including an n-type semiconductor layer, a genuine semiconductor layer, and a p-type semiconductor layer on the semiconductor substrate. A preparation process to prepare,
Forming a mesa structure portion and a portion other than the mesa structure portion in the semiconductor lamination portion of the semiconductor wafer prepared by the preparation step, and forming an electrode on at least a part of each to form an infrared light receiving element;
A protective film forming step of covering the infrared light receiving element formed by the mesa forming step and a protective film on the substrate;
A sealing step of packaging the substrate and the infrared light receiving element with a mold resin through the protective film formed by the protective film forming step;
The height of the upper surface of the protective film when the interface between the substrate and the semiconductor stacked portion is used as a reference is different between the mesa structure portion and a portion other than the mesa structure portion ,
A method for manufacturing a quantum infrared sensor, wherein a cavity is formed between the protective film and the mold resin in at least a part above a portion other than the mesa structure . 前記空洞の厚みが、０．１μｍ以上１．５μｍ以下であることを特徴とする請求項５に記載の量子型赤外線センサの製造方法。   6. The method of manufacturing a quantum infrared sensor according to claim 5, wherein a thickness of the cavity is 0.1 μm or more and 1.5 μm or less. 前記保護膜と前記モールド樹脂の線膨張係数の差が、５０ｐｐｍ以上５００ｐｐｍ以下であることを特徴とする請求項５又は６に記載の量子型赤外線センサの製造方法。   The method for producing a quantum infrared sensor according to claim 5 or 6, wherein a difference in linear expansion coefficient between the protective film and the mold resin is 50 ppm or more and 500 ppm or less. 基板と、  A substrate,
該基板上に形成されたｎ型半導体層と、前記ｎ型半導体層上に形成されたメサ構造部と、を有する赤外線受光素子と、  An infrared light receiving element having an n-type semiconductor layer formed on the substrate, and a mesa structure formed on the n-type semiconductor layer;
前記赤外線受光素子を覆う保護膜と、  A protective film covering the infrared light receiving element;
該保護膜を介して、前記赤外線受光素子をパッケージングする樹脂封止部と、を備え、  A resin sealing portion for packaging the infrared light receiving element through the protective film,
前記ｎ型半導体層の前記メサ構造部以外の部位の上方の少なくとも一部において、前記保護膜と前記樹脂封止部との間に空洞が形成されていることを特徴とする量子型赤外線センサ。  A quantum infrared sensor, wherein a cavity is formed between the protective film and the resin sealing portion in at least a part of the n-type semiconductor layer above the portion other than the mesa structure portion. 前記基板と前記ｎ型半導体層との界面を基準としたときの前記保護膜の上面高さが、前記メサ構造部上と前記ｎ型半導体層の前記メサ構造部以外の部位上とで異なることを特徴とする請求項８に記載の量子型赤外線センサ。  The height of the upper surface of the protective film with respect to the interface between the substrate and the n-type semiconductor layer differs between the mesa structure portion and a portion other than the mesa structure portion of the n-type semiconductor layer. The quantum infrared sensor according to claim 8. 前記空洞の厚みが、０．１μｍ以上１．５μｍ以下であることを特徴とする請求項８又は９に記載の量子型赤外線センサ。  The quantum infrared sensor according to claim 8 or 9, wherein the cavity has a thickness of 0.1 µm or more and 1.5 µm or less. 前記メサ構造部の頂部と、前記ｎ型半導体層の前記メサ構造部以外の部位に形成された電極をさらに備えることを特徴とする請求項８，９又は１０に記載の量子型赤外線センサ。  11. The quantum infrared sensor according to claim 8, further comprising an electrode formed on a top portion of the mesa structure portion and a portion of the n-type semiconductor layer other than the mesa structure portion. 前記保護膜は、前記ｎ型半導体層の前記メサ構造部以外の部位上の保護膜の厚みに対する、前記メサ構造部の最上部からの厚みの比が、０．１〜０．９であることを特徴とする請求項８〜１１のいずれか一項に記載の量子型赤外線センサ。  The ratio of the thickness of the protective film from the top of the mesa structure portion to the thickness of the protective film on the portion other than the mesa structure portion of the n-type semiconductor layer is 0.1 to 0.9. The quantum infrared sensor according to any one of claims 8 to 11, wherein 前記保護膜の前記メサ構造部の最上部からの厚みが、１ｕｍ以上３ｕｍ以下であることを特徴とする請求項８〜１２のいずれか一項に記載の量子型赤外線センサ。  13. The quantum infrared sensor according to claim 8, wherein a thickness of the protective film from an uppermost portion of the mesa structure portion is not less than 1 μm and not more than 3 μm. 前記樹脂封止部は、モールド樹脂であることを特徴とする請求項８〜１３のいずれか一項に記載の量子型赤外線センサ。  The quantum type infrared sensor according to claim 8, wherein the resin sealing portion is a mold resin. 前記メサ構造部は、前記ｎ型半導体層の一部と真性半導体層とｐ型半導体層とを有することを特徴とする請求項８〜１４のいずれか一項に記載の量子型赤外線センサ。  The quantum type infrared sensor according to any one of claims 8 to 14, wherein the mesa structure part includes a part of the n-type semiconductor layer, an intrinsic semiconductor layer, and a p-type semiconductor layer. 前記空洞は、前記メサ構造部の斜面の上方にも形成されることを特徴とする請求項８〜１５のいずれか一項に記載の量子型赤外線センサ。  The quantum infrared sensor according to any one of claims 8 to 15, wherein the cavity is also formed above a slope of the mesa structure. 前記基板は、赤外線透過性を有する基板であることを特徴とする請求項８〜１６のいずれか一項に記載の量子型赤外線センサ。  The quantum type infrared sensor according to any one of claims 8 to 16, wherein the substrate is a substrate having infrared transparency.
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