JPH07509057A - 高赤外感度を有する超小型構造体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 高赤外感度を有する超小型構造体 発明の分野 本発明は、約８０％以上の吸収度レベルを達成することがでｌ！１．かつ８反型 １４ミクロンの波長範囲にわたって高いＩＲ（赤外線）感度を得ることができる 高ダｔ２レベル超小型［１の赤外線ボロメータ・アレイに関するものである。

発明の背景及び概要 本発明は、本発明と同じ譲受人に譲渡された「熱センサＪという名称の１９８６ 年７月１６日出願の同時係属になる米国特許出顯一連番号第８８７，４９６号の 発明を改良したものである。この出願の開示内容は、参照することによって本願 中に組み込まれる。上記出願の発明は、集積素子及びパス線が形成されたシリ７ ７表面の上方の第２の平面に検出器マイクロブリッジを配置することによって達 成される高集積度（ｉｌｌ　ｒａｔｈｅｒ　）の赤外線マイクロブリ１ジ構造用 のセンサアレイのビクセルサイズ・センサに関するものである。本発明は、この ようなセンサの感度を高めるための構造の改良にある。

図面の簡単な説明 図１及び２は、それぞれ本発明による超小！！２構造体の正面図及び上面図であ る。

図３は、８及至１４！クロンの範囲を含む選択された波長範囲にわたる本発明の デバイスの全吸収反対波長の関係をプロットしたグラフである。

図４は、抵抗層の透光度、吸収度及び反射率を示すグラフである。

図５は、吸収反対エアギヤ、ブ厚さく間隔）の関係を示すグラフである。

図６は、構造全体の吸収度対金属吸収材厚さの関係を示すグラフである。

図７は、ＳＩ３Ｎ４の光学的性質の測定結果を示すグラフである。

詳細な説明 本発明による２レベル型マイクロブリ１ジ・ボロメータ・ビクセル１０の一実施 例の断面図を図１に示す。このデバイスｌＯは、２つのレベル、すなわち上段の マイクロブリッジ検出器レベル１１及び下段レベル１２を有する。下段レベルは 、単結晶／リコン・サブストレートのような表面が平らな半導体サブストレート １３を有する。／リコン・サブストレートの表面１４には、通常のシリコン！ｃ ｔｔ術によってダイオード、バス線、接続配線及びコンタクト・パッド（具体的 には図示されていない）のような集積回路１５の通常の素子が作り込まれている 。

このＩＣには、窒化ケイ素の保護層１６が塗工されている。

上段の検出器レベル１１は、窒化ケイ素（ＳＩＮ）層２０．好ましくは酸化バナ ジウムまたは酸化チタン（例えばＶ２Ｏ３、ＴｌＯｘ、Ｖｏｗ等）、すなわちＡ ＢＸで表されるバナジウムまたはチタンの酸化物よりなる薄膜抵抗層２１．これ らの層２０及び２１の上に形成された窒化ケイ素層２２、及びこの窒化ケイ素層 ２２の上に設けられたＩＲ吸収材コーティング層２３を有する。この薄い吸収材 コーティング層（厚さ約２０Ａ）は、例えばしばしばパーマロイと呼ばれるニッ ケルー鉄合金で形成することができる。製造時に窒化ケイ素層２ｏ及び２２と同 時に被着される下方に延びた窒化ケイ素層２０’及び２２′は、上段の検出器レ ベル１１のための傾斜支持部３ｏをなしている。上記２つのレベル間のキャビテ ィまたはギヤノブ２６（高さ約１〜２ミクロン）は周囲大気よりなる。ただし、 製造プロセスにおいては、最初キャビティ２６は、あらがじめ被着された容易に 溶解可能な可溶性ガラスまたはその他の可溶性材料で満たされており、その可溶 性材料は層２０．２０’、２２．２２′を被着した後取り除がれる。可溶性ガラ ス以外の容易に溶解可能な材料としては、クォーツ、ポリイミド及びレジストが ある。次工程においては、ガラスを溶解させて取り除き、断熱キャビティまたは エアギヤノブを得る（すなわち、エアギャップは、実際には真空ギャップとして 作用する）。図１においては、水平寸法は大きく縮小して示されている。すなわ ち、図１においては、本発明による構造を詳細に示すため、高さが横方向の長さ に比して拡大して示されている。

図２は、上段の検出器レベル１１の上面図である。この図は、薄膜抵抗層２１が 見えるように、その上層の吸収材コーティング層２３及び上側窒化ケイ素層２２ が透明であるかの如く描いである。本発明の一実施例においては、抵抗層２１の 材料は酸化バナジウム、好ましくはＶ、Ｏ，である。酸化バナジウムは、温度に よる抵抗変化が非常に大きく、これを用いると高感度のマイクロボロメータ動作 が可能になる。また、酸化バナジウムは、８〜１４ミクロンの範囲の■Ｈに対す る反射率が低い。この実施例においては、Ｖ、Ｏ，は半導体相で使用される。

その被着は、５０〜７５％ｍというような非常に薄い層を被着することが可能な イオノビーム・スパッタ法によることが望ましい。このようにこの実施例で■。

０、が反射材として選ばれたのは、比較的抵抗温度係数（ＴＣＲ）が高いことと 相俟って、ＩＲ反射率が低いことによる。抵抗層２１の端部には、抵抗性経路２ １ａ及び２１ｂが設けられ、これらの経路は下方に延びる窒化ケイ素層２０’及 び２２′に埋込まれた形で斜面部（傾斜支持部）３０沿いに下方に延びて、下段 レベルのフンタクト・パブド３１及び３２と電気的に接続されている。

また、やはり図２に示すように、窒化ケイ素層２ｏ及び２２には、これらの層を 貫通させて、検出器の平面の下側からホスガラス（ｐｈｏｓ−ｇｌａｓｇ）を溶 解させて取り除くための流出口として窓状開口部３５，３６及び３７が形成され ている。

上記の傾斜支持部は、上段レベル（検出器レベル）ＩＩに対して十分な支持強度 と断熱性を持つように形成すればよい。

基本的に個別の検出器ピクセルについて説明するが、本発明は、撮像用検出器ア レイまたはモザイク検出器アレイを形成するよう多数のピクセルを隣接させて配 列したｘｙビクセルアレイ・アセンブリに使用するためのものである。ピクセル アレイ・アセンブリの各ピクセルが占める面積は、例えば−辺約６０ミクロンで ある。

次に、上段レベルを形成するための一連のステ・ノブをやはり図１を参照しつつ 説明する。下段レベル１２の形成過程で窒化ケイ素層１６を被着した後、Ｐ【（ 白金）またはＡｕ（金）等の金属薄膜のような反射材の薄膜層（反射層）１８を 被着する。次に、上段レベルの形成工程に移る。ここで説明する実施例の検出器 は、８〜１４ミクロンの赤外線波長で使用するためのものである。反射層１８は 下段レベル１２上にある。反射層１８と上段レベル１１との間の垂直距離は、層 １８から上向きに反射される赤外線が広い波長範囲（８〜１４ミクロン）及び反 射器と検出器構造との間のエアギャップ間隔に対して十分な吸収が達成されるよ うな干渉性を有するように選択される。

次に、約１〜２ミクロンの範囲の厚さのホスガラスの層または他の容易に溶解可 能な材料の層を被着する。その上記斜面部３ｏ及び３０’に対応する部分は、斜 面に対する被着上の問題をなくすために十分な丸みを付ける。次に、上段レベル の窒化ケイ素層（ベース層）２０を被着し、薄膜抵抗層２１を被着し、その端部 を斜面沿いに下段レベルのコンタクト・パッドに接続した後、これら層２１及び ２０の上に窒化ケイ素層（パフ／ベーン冒ン層）２２を被着する。この後、上段 レベルの最上層として金属薄膜の吸収材コーティング層２３（約１５〜４０Ａ） を被着する。次に、前述のスロット（窓状開口部）３５．３６及び３７を形成し 、検出器のある平面の下側からホスガラスを溶解させて取り除く。前に述べたよ うに、上記の積層構造を形成する前にサブストレート上にＰｔ５Ａｕまたは他の 薄膜反射層１８を被着することによって、吸収材コーティング層を透過した赤外 線を薄膜反則層から逆に吸収材コーティング層へ反射させることができる。

構造全体の光学的性質は、適切な光学的性質及び電気的性質を有する光学材料を 注１！深く選択することによって達成される。最上層のＮＩｐＡは、赤外線をほ とんど反射しないものでなければならず、かつ吸収されなかった赤外線の相当部 分をニアギヤノブ距１１１（間隔）によって決定される薄膜中の節点位置の反射 光に伝えなければならない。さらに、この吸収薄膜は、全体的な構造に合わせて 非常に薄くなければならない（従って質量が小さくなければならない）という条 件が要求される。

検出器構造における吸収を最適化するためには、全ての吸収層の厚さ及びエアギ ヤノブ距離を厳密に管理しけなればならない。この実施例のデバイスの薄膜吸収 層は、前述のＡＢｘＭ！、ＳＩＮ層及び金属薄膜の吸収材コーティング層よりな る。実際には、ＡＢｘ層及びＳＩＮ層の厚さは、電気的及び物理的必要条件によ って選択される。これらのＡＢＸ層及びＳＩＮ層は、どちらも目的とするスペク トル領域において１０〜２０％の範囲の吸収レベルを有する（図４及び７）。こ れらの材料を組合わせた場合の吸収レベルは、８〜１４ミクロンのスペクトル領 域において約３０％を超えることはない。しかしながら、この吸収レベルは、Ｐ 【の反射層、及び吸収層中の場を強めるよう作用するエアギャップと組み合わせ て使用するのにほぼ理想的であり、このような組み合わせの構成においては８０ ％（図３）を超える吸収層を達成することが可能である。この実施例においては 、標準的な設計で約５０％の吸収層が得られる金属薄膜吸収材を用いて、吸収層 を効果が最大となるようさらに微調整する。図６に、この金属ＮＩＩを使用する ことにより達成することができる小幅な吸収層の改善効果を示す。

この２レベル構造においては、熱質量（熱容量）が小さい検出器構造１１は、エ アギャップによってＰｔ／サブストレート層がら離隔されている。この反射層か ら反射される干渉特性は、はとんどの吸収が広い波長範囲及び反射層と検出器構 造との間のエアギャップ間隔に対して達成されるようなものである。

検出器でこのような光の干渉を起こさせるためには、赤外線を反射する他の薄膜 が検出器構造中へ入り込むのを避けなければならない。高いＴＣＲと低いＩＲ反 射率を有するＡＢｘの使用は（図４）、これらの条件を満たすのに理想的である 。このように、上記のような吸収現象を高いＴＣＲと低い反射率を持つ検出器材 料を有する検出器構造と組み合わせることによって、上記の干渉効果を起こさせ ることができる。

検出器の吸収層は構造中のエアギャップの大きさによって大きく変化する。左横 のナノメートル単位の各波長に対して最上層のミクロン単位の各エアギャップに おける吸収層を示した下表を見ると、エアギャップがＯ，！！クロンしかない構 造では、検出器の吸収層は波長によって大きく変化し、あまり高くないというこ とが分かる。これに対して、１〜２ミクロンのエアギャップ、特に１．５ミクロ ンのエアギヤノブでは、吸収層が所望の波長範囲の全体にわたって比較的高くな っている。

表１−検出器の吸収層 エアギャップ（ミクロン） 波長（ｎｍ）　、５　．７５　１．０　１．５　２．０８０００　．８９　．９ １　．９　．８４　．７６９０００　．８４　．８８　．８９　．８６　．８１ ＋００００　．７６　．８２　．８４　．８４　．８２＋１０００　．６９　． ７７　．８　．８２　．８２１２０００　．６６　．７４　．７９　．８３　． ８４１３０００　．６４　．７８　．８５　．９３　．９４１４０００　．５６ 　．７２　．８３　．９５　．９８＋５０００　．４７　．６４　．７７　．９ ２　．９９工アギヤツプ間隔が吸収層と目的とする波長との関係に及ぼす影響が 図５のグラフに示されている。１．５！クロンのエアギヤ１ブの曲線に見られる ように、検出器構造の吸収層は波長約８ミクロンで９０％以上に急激に増加し、 約１４ミクロンまで比較的高い状態を維持する。２ミクロンのエアギヤ、ブの曲 線は、■Ｒ波長１４ミクロンでも９０％よりかなり高い吸収層を示している。図 ５のグラフを得るためのデータの測定においては、積層構造に薄膜吸収材層２３ を形成しない状暢で測定を行った。

次に、図６には、金属薄膜吸収材層の厚さを各々３ｎｍ及び５ｎｍとした時に、 検出器構造の吸収層の全吸収層が８〜１４ミクロンの！Ｒ波長に対してどう変化 するかを示すグラフが描かれている。この薄膜積層構造において、窒化ケイ素層 （Ｓ　１３　Ｎ４　）層２２は厚さ２５０％ｍ、薄膜抵抗層２１は厚さ７５％ｍ 、窒化ケイ素層（ＳＩ３Ｎ４層）２０は厚さ１１００ｎであり、またエアギャッ プ間隔は１．５ミクロ７、ＰＬの反射層１８の厚さは５０％ｍである。３ｒ＋ｍ の曲線は、８〜１４ミクロンの間の波長で吸収層〉９０％であることを示してい る。

図７に、窒化ケイ素層２０及び２２（厚さ８００人）の反射率Ｒ１透光度Ｔ及び 吸収度へ等の光学的性質の測定値を、縦座標に各測定値（信号％）、横座標にＩ Ｒ波長を取って示す。この図から明らかなように、波長８ミクロン及び１４ｔク ロンにおける透光度Ｔは極めて高く（それぞれ約９０％と約８０％）、８ミクロ ７及び１４ミクロノの反射率Ｒはいずれも１０％よりかなり低くなっている。

Ｒ Ｆｔ’ｑ、　／ 国際調査報告 １−−ＩＡ、１ｉａ１１．ＩＮ拳ＰＣＴ／ｕＳ９２１０５６９９

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．半導体サブストレートの表面上の下段部及びこの下段部から離隔させてその 直上部に設げられた上段部のマイクロブリッジ形検出器構造を有する前記サブス トレート上に形成きれたポロメーク構造体と；前記下段部の表面上に形成された 赤外線を反射する金属薄膜コーティングと；前記上段部と下段部との間に断熱ギ ゃップが形成されるように前記下取部の上方の前記上段部のマイクロブリッジ検 出器構造を支持する前記誘電体薄膜層の下方に延びる延長部で構成される下方に 延びる誘電体脚部手段と；前記下方に延びる誘電体脚部手段中に設けられていて 、前記の第１及び第２の端子を前記下取部に接続する導電経路と；からなり、 前記上段部のマイクロブリッジ形検出器構造が、支持層となる誘電体薄膜層及び 前記第１の端子と第２の端子を有する感温性薄膜抵抗素子を含む平面状サンドイ ッチ構造とされたことを特徴とする２レベル・マイクロブリッジ赤外線ポロメー タ構造体。 ２．前記の赤外線を反射する金属薄膜コーティングの材料が、Ａｕ（金）、Ｐｔ （白金）及びＡｌ（アルミニウム）から成るグループの中から選択されることを 特徴とする請求項１記載の２レベル・マイクロブリッジ赤外線ポロメータ構造体 。 ３．前記誘電体が窒化ケイ素であることを特徴とする請求項１記載の２レベル・ マイクロブリッジ赤外線ポロメータ構造体。 ４．前記薄膜抵抗素子の材料が、酸化バナジウム及び酸化チタンから成るグルー ブの中から選択されることを特徴とする請求項１記載の２レベル・マイクロブリ ッジ赤外線ポロメーク構造体。 ５．前記薄膜抵抗素子の材料がＶ２Ｏ３であることを特徴とする請求項１記載の ２レベル・マイクロプリソジ赤外線ボロメータ構造体。 ６．前記下段部と前記上段部の検出器構造と間の前記ギャップが約１及至２ミク ロンの範囲内にあることを特徴とする請求項１記載の２レベル・マイクロブリッ ジ赤外線ポロメータ構造体。 ７．前記金属薄膜コーティングの厚さが約５０ｎｍであることを特徴とする請求 項２記載の２レベル・マイクロブリッジ赤外線ポロメータ構造体。 ８．前記平面状サンドイッチ構造中にさらに第２の誘電体薄膜層及び薄膜吸収材 層を設けたことを特徴とする請求項１記載の２レベル・マイクロブリッジ赤外線 ポロメータ構造体。 ９．前記第１の誘電体薄膜層の厚さが１００ｎｍのオーダーであり、かつ前記第 ２の誘電体薄膜層の厚さが２５０ｎｍのオーダーであることを特徴とする請求項 ８記載の２レベル・マイクロブリッジ赤外線ポロメータ構造体。 ｌ０．前記薄層抵抗素子の厚さが５０及至７５ｎｍのオーダーであることを特徴 とする請求項８記載の２レベル・マイクロブリッジ赤外線ポロメータ構造体。 １１．前記吸収材層の厚さが３０ｎｍのオーダーであることを特徴とする請求項 ８記載の２レベル・マイクロブリッジ赤外線ポロメータ構造体。 １２．半導体サブストレートの表面上の下段部及びこの下段部から離隔させてそ の直上部に設けられた上段部のマイクロブリッジ検出器構造を有する半導体サブ ストレート上に形成されたポロメータ構造体と；前記下段部の表面上に形成され た赤外線を反射する金属薄膜コーティングで、その金属がＡｕ、Ｐｔ及びＡｌか ら成るグループから選択さ札る金属薄膜コーティングと； 前記上段部と下段部との間に１及至２ミクロンのオーダーのエアギャップが形成 されるよう前記下段部の上方に前記上段部のマイクロブリッジ検出器構造を支持 する前記上段部から誘電体薄膜層の下方に延びる延長部よりなる下方に延びる誘 電体脚部手段と； 前記下方に延びる誘電体脚部手段中に設けられていて、前記の第１及び第２の端 子を前記下段部に接続する導電経路と；からなり、 前記上段部のマイクロブリッジ検出器構造が、ブリッジ状の第１の誘電体薄膜層 と、酸化バナジウム及び酸化チタンから成るグループの中から選択される材料か らなる感温性の薄膜抵抗素子で第１及び第２の端子を有する薄膜抵抗素子と、前 記第１の誘電体薄膜層及び薄膜抵抗素子上に形成された第２の誘電体薄膜層と、 薄膜吸収材層とを含む平面状サンドイッチ構造からなることを特徴とする２レべ ル・マイクロブリッジ赤赤外線ボロメータ構造体。