JPH10132652A

JPH10132652A - 熱型赤外線検出素子、熱型赤外線撮像素子およびその製造方法

Info

Publication number: JPH10132652A
Application number: JP8286677A
Authority: JP
Inventors: Masanori Okuyama; 雅則奥山; Shuichi Tanaka; 秀一田中
Original assignee: Azbil Corp; Okuyama Masanori
Current assignee: Azbil Corp; Okuyama Masanori
Priority date: 1996-10-29
Filing date: 1996-10-29
Publication date: 1998-05-22

Abstract

(57)【要約】【課題】誘電体や抵抗体の特性を劣化させたり、半導
体基板に作り込んだ半導体素子を劣化させることがな
く、誘電体や抵抗体の信頼性が高く、感度を向上させ
る。【解決手段】第１の半導体基板１１の表面をエッチン
グして凹部１２を形成する。その後、第１の絶縁性薄膜
１３が形成された第２の半導体基板１４を第１の半導体
基板１１上に接合し、第１の絶縁性薄膜１３によって凹
部１２を覆う。第２の半導体基板１４の表面に半導体素
子２０を形成する。しかる後、第２の半導体基板１４の
凹部１２に対応する部分をエッチングによって除去す
る。この後、第２の絶縁性薄膜１６を成膜し、その上に
下側電極１７、誘電体膜１８および上側電極１９を順次
積層形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、物体が放射する赤
外線を熱として検知する熱型赤外線検出素子、熱型赤外
線撮像素子およびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】赤外線センサは、防犯、防災、自動ド
ア、家庭用電器具などの広い分野で利用されている。こ
のような赤外線センサとしては、量子型と熱型の２種類
がある。量子型は、感度が高く応答性が速い反面、使用
できる波長範囲が狭く、長波長の赤外線の検出には冷却
を必要とする。熱型は感度や比検出率、応答性について
量子型より劣るが、赤外線を熱として検知するので波長
依存性をもたず常温で使用できる特長を有している。本
発明はこの熱型の赤外線検出素子および撮像素子に関す
る。

【０００３】一般的に、温度変化により検出材料の電気
的特性が変化すれば、熱型赤外線検出素子ができる。熱
型赤外線検出素子のうち温度による抵抗値の変化を利用
するものをボロメータという。温度変化により抵抗値が
変化する材料としては、半導体素子、白金などの金属抵
抗体、セラミックス等の各種サーミスタ等がある。ま
た、誘電体材料の中で焦電材料は、温度変化により電極
上の電荷が変化するので、熱型赤外線検出素子になるこ
とは周知の事実である。

【０００４】焦電材料として、例えば変性チタン酸ジル
コン酸鉛系セラミックスを用いた赤外線センサが知られ
ている。このような変性チタン酸ジルコン酸鉛系セラミ
ックスからなる検出素子は、強誘電性セラミックスで、
予め高電圧をかけて分極しておくと、電界を取り去って
も素子の両端に電荷が残る。すなわち、分極操作によっ
て素子固有の自発分極が現れる。この自発分極の大きさ
は、温度によって変化する。このような素子の表面に赤
外線が当たると、表面温度が変化する。それに対応して
自発分極の大きさも変化するため、素子表面に電荷が現
れる。この電荷は、高インピーダンス回路を用いて電圧
モードとして検出される。したがって、焦電型赤外線セ
ンサでは温度変化を検出することができる。

【０００５】ボロメータを複数個並べると、熱型赤外線
撮像素子とすることができる。単純に複数個並べるだけ
では大きさも嵩ばるし、組付け工程も煩雑になるので、
一般的に薄膜製造プロセス、半導体プロセス等を用いて
複数の画素を一度に製作する方法が採られている。

【０００６】図１７にそのような方法により製作される
熱型赤外線撮像素子の構造と製作工程の概略を示す。同
図（ｄ）は、製作された撮像素子の要部を示す断面図で
ある。１はシリコン基板、２はトランジスタ、３はシリ
コン基板１上にトランジスタ２に対応して形成された１
画素を構成するブリッジ構造の赤外線検出素子である。
この赤外線検出素子３は、窒化シリコンからなる２つの
絶縁層４，５間に形成された検出素子としての抵抗体６
を備え、この抵抗体６の抵抗値が温度によって変化する
ことにより赤外線を検出することができる。このよう
に、赤外線検出素子３をブリッジ構造として下層の絶縁
層４をシリコン基板１から浮かせると、熱容量が小さく
しかも熱コンダクタンスも非常に小さくできるので、入
射赤外線を効率よく温度変化に結びつけることができ
る。

【０００７】このような赤外線検出素子３を製作するに
は、シリコン基板１上にトランジスタ２を形成し
（ａ）、次にこのトランジスタ２を酸化シリコン等の擬
制層７によって覆う（ｂ）。この後、下層の絶縁層４を
成膜してその上に抵抗体６を形成する。さらに、この抵
抗体６の上に上層の絶縁層５を形成する（ｃ）。しかる
後、エッチングによって犠牲層７を除去し、ブリッジ構
造の赤外線検出素子３を製作する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
たブリッジ構造の赤外線検出素子３を備えた従来の赤外
線撮像素子においては、下層の絶縁層４上に温度変化を
感知する抵抗体６を形成して所望の形状にエッチングし
た後、上昇の絶縁層５を成膜し、しかる後、擬制層７を
エッチングによって除去しているので、以下のような問
題があった。

【０００９】温度によって特性が変わる材料はセラミッ
クスが多く、セラミックスを所望の形状にエッチングす
ることは元々難しく、さらにエッチングによって材料の
劣化が起きないように材料とエッチャントを選択しなけ
ればならず、検出材料の候補が非常に限られてしまう。
劣化とは、例えば多成分で成り立っているセラミックス
のある成分だけが優先的にエッチングされてしまった
り、セラミックスの結晶粒界にエッチャントがしみこむ
ことで本来の特性を変えてしまうことであったり、熱型
赤外線撮像素子を１画素ずつ選択するために半導体基板
に作り込まれている半導体素子がイオンコンタミネーシ
ョン（イオン汚染）により動作不良を起こすことであ
る。半導体プロセスでは、Ｎａ＋、Ｋ＋等のアルカリ金
属イオンは厳禁である

【００１０】化学的な方法でエッチングするのではな
く、粒子を衝突させ物理的にエッチングする方法とし
て、スパッタリングがある。また、物理的方法と化学的
方法を混ぜたＲＩＥ（Reactive ion Etching) がある。
両者とも半導体プロセスで用いられているが、エッチン
グする材料が半導体プロセスになじみのないセラミック
ス等の場合は、特別の検討が必要である。スパッタリン
グの場合、被エッチング材料とマスク材料を同時に叩く
ために、エッチング終了時においてマスク材料が残って
いる必要がある。残すべきマスク材料の領域の下には、
検出材料や半導体素子がある。検出材料が叩かれると、
結晶が崩れるために特性が劣化してしまう。半導体素子
が叩かれると、動作不良を起こす。マスク材料を残すた
めには、両者のエッチング速度に差ができるように材料
の組み合わせを選ぶか、マスク材料の膜厚を厚くする方
法が採られる。エッチング速度のばらつきや、基板内で
の膜厚のばらつきをカバーするため、被エッチング材料
とマスク材料のエッチング速度の差を大きくしたり、マ
スク材料の膜厚を十分厚く設定している。半導体プロセ
スでは、マスク材料は一般的に有機高分子のレジストで
ある。セラミックス材料はエッチング速度が遅いのでエ
ッチング時間が長くなり、レジストをマスク材料にした
場合、長時間粒子にさらされていると温度上昇を引き起
こして炭化する。このため、容易に剥離できなくなる。
しかしながら、剥離するために特殊なエッチャントを使
うと、セラミックスや半導体素子の劣化を招くおそれが
あるので避けなければならない。そこで、レジスト以外
のマスク材料も考えられるが、マスク材料をエッチング
するエッチャントを、セラミックスや半導体素子を劣化
させないように選定しなければならない。

【００１１】本発明は上記した従来の問題点を解決する
ためになされたもので、その目的とするところは、誘電
体や抵抗体の特性を劣化させたり、半導体基板に作り込
まれた半導体素子を劣化させることがなく、誘電体や抵
抗体の信頼性および感度が高い熱型赤外線検出素子、熱
型赤外線撮像素子およびその製造方法を提供することに
ある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明に係る熱型赤外線検出素子は、表面に凹凸部を
有する第１の半導体基板と、この第１の半導体基板の凹
凸部を覆う第１の絶縁性薄膜と、前記第１の半導体基板
の凸部に対応して前記第１の絶縁性薄膜上に設けられた
第２の半導体基板と、この第２の半導体基板に埋め込み
形成された半導体素子と、前記第２の半導体基板および
前記第１の絶縁性薄膜の表面を覆う第２の絶縁性薄膜
と、この第２の絶縁性薄膜の表面で前記凹部に対応する
部位に形成され前記半導体素子に接続された下側電極
と、この下側電極を覆うように前記第２の絶縁性薄膜上
に形成された温度により誘電率が変化する誘電体膜と、
この誘電体膜を覆う上側電極とを備えたことを特徴とす
る。また、本発明に係る熱型赤外線検出素子は、表面に
凹凸部を有する第１の半導体基板と、この第１の半導体
基板の凹凸部を覆う第１の絶縁性薄膜と、前記第１の半
導体基板の凸部に対応して前記第１の絶縁性薄膜上に設
けられた第２の半導体基板と、この第２の半導体基板に
埋め込み形成された半導体素子と、前記第２の半導体基
板および前記第１の絶縁性薄膜の表面を覆う第２の絶縁
性薄膜と、この第２の絶縁性薄膜の表面で前記凹部に対
応する部位に形成され前記半導体素子に接続された下側
電極と、前記第２の絶縁性薄膜上に形成された温度によ
り抵抗率が変化する抵抗体と、この抵抗体を覆う上側電
極とを備えたことを特徴とする。

【００１３】また、本発明に係る熱型赤外線撮像素子
は、赤外線検出素子を縦、横方向に複数個並設して構成
したことを特徴とする。

【００１４】また、本発明に係る熱型赤外線検出素子の
製造方法は、表面に凹凸部を有する第１の半導体基板を
形成する工程と、接合面側に第１の絶縁性薄膜が形成さ
れた第２の半導体基板を前記第１の基板の表面に接合し
第１の半導体基板の凹凸部を覆う工程と、前記第２の半
導体基板の表面で前記第１の半導体基板の凸部に対応す
る部位に半導体素子を形成する工程と、前記第２の半導
体基板の表面に配線材を含む絶縁性薄膜を形成し前記半
導体素子を覆う工程と、前記第２の半導体基板および前
記絶縁性薄膜の前記第１の半導体基板の凹部に対応する
部位を除去し第２の半導体基板に凹部を形成する工程
と、前記第２の半導体基板の凹部部分に第２の絶縁性薄
膜を形成する工程と、この第２の絶縁性薄膜の表面に前
記半導体素子に接続される下側電極を形成する工程と、
この下側電極を覆うように前記第２の絶縁性薄膜の表面
に温度により誘電率が変化する誘電体膜を形成する工程
と、この誘電体膜を覆う上側電極を形成する工程とを備
えたことを特徴とする。さらに、本発明に係る熱型赤外
線検出素子の製造方法は、表面に凹凸部を有する第１の
半導体基板を形成する工程と、接合面側に第１の絶縁性
薄膜が形成された第２の半導体基板を前記第１の基板の
表面に接合し第１の半導体基板の凹凸部を覆う工程と、
前記第２の半導体基板の表面で前記第１の半導体基板の
凸部に対応する部位に半導体素子を形成する工程と、前
記第２の半導体基板の表面に配線材を含む絶縁性薄膜を
形成し前記半導体素子を覆う工程と、前記第２の半導体
基板および前記絶縁性薄膜の前記第１の半導体基板の凹
部に対応する部位を除去し第２の半導体基板に凹部を形
成する工程と、前記第２の半導体基板の凹部部分に第２
の絶縁性薄膜を形成する工程と、この第２の絶縁性薄膜
の表面に前記半導体素子に接続される下側電極を形成す
る工程と、前記第２の絶縁性薄膜の表面に温度により抵
抗率が変化する抵抗体を形成する工程と、この抵抗体を
覆う上側電極を形成する工程とを備えたことを特徴とす
る。

【００１５】本発明においては、第１の絶縁性薄膜を挟
んで接合される第１、第２の半導体基板を備えているの
で、誘電体や抵抗体を形成した後、半導体基板をエッチ
ングする工程をなくすことができる。すなわち、第１の
半導体基板の表面に予め凹部を形成した後、第１の絶縁
性薄膜が形成された第２の半導体基板を第１の半導体基
板上に接合し、しかる後、第２の半導体基板の前記凹部
に対応する部分をエッチングによって除去する。これに
より、第１の絶縁性薄膜の前記凹部を覆う部分はダイア
フラム構造を形成する。この後、第２の半導体基板上
に、第２の絶縁性薄膜、下側電極、誘電体または抵抗
体、上側電極を形成すればよい。したがって、抵抗体や
誘電体を形成した後、半導体基板をエッチングによって
除去し、検出部分をダイアフラム構造とする必要がな
い。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図面に示す実施の
形態に基づいて詳細に説明する。図１は本発明を熱型赤
外線撮像素子に適用した要部の平面図、図２は図１のＢ
−Ｂ’線断面図である。これらの図において、熱型赤外
線撮像素子１０は、表面に複数の凹部１２が縦横方向に
所定の間隔を保って形成されることにより表面が凹凸構
造をなす第１の半導体基板１１と、この第１の半導体基
板１１の表面全体を覆う第１の絶縁性薄膜１３と、この
第１の絶縁性薄膜１３上に形成された第２の半導体基板
１４を有している。第１の半導体基板１１を覆う第１の
絶縁性薄膜１３のうち前記凹部１２を覆う部分は、凹部
底面から離間して入射する赤外線を熱に変換するダイア
フラム構造の検出部分（１画素）を構成するもので、表
面側に第２の絶縁性薄膜１６、下側電極１７、温度によ
り誘電率が変化する誘電体膜１８および上側電極１９が
積層形成されている。

【００１７】第２の半導体基板１４の表面には半導体素
子２０が形成され、またこの半導体素子２０には前記下
側電極１７が接続されている。第２の絶縁性薄膜１６に
は、各列の半導体素子２０を電気的に接続する配線材と
してのＸ方向検出素子選択ライン線（以下、Ｘ方向ライ
ン線という）Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，…と、各行の半導体素
子２０を電気的に接続するＹ方向検出素子選択ライン線
（以下、Ｙ方向ライン線という）Ｙ１，Ｙ２、Ｙ３，…
と、各列のＸ方向ライン線Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，…がスイ
ッチＳＷX1，ＳＷX2，ＳＷX3，…を介して接続されるＸ
方向共通リード２１と、各Ｙ方向ライン線Ｙ１，Ｙ２、
Ｙ３，…がスイッチＳＷY1，ＳＷY2，ＳＷY3，…を介し
て接続されるＹ方向共通リード２２等が形成されてい
る。また、Ｘ方向共通リード２１とＹ方向共通リード２
２は、それぞれスイッチＳＷｖを介してＶｃｃライン２
３と出力ライン２４に選択的に接続される。なお、図１
は、誘電体膜１８および上側電極１９を取り除いた平面
図で、Ｘ，Ｙ方向の検出部分をそれぞれ２個ずつ示して
いる。また、第２の絶縁性薄膜１６は透明材料で形成さ
れている。また、上側電極１９をグランド側とし、下側
電極１７をＶｃｃライン２３に接続して電圧を印加する
構成としたが、上側電極１９に電圧を印加して下側電極
１７を直接出力する構成とすることも可能である。

【００１８】赤外線を熱に変換する検出部分は、同一の
入射赤外線に対してできるだけ温度上昇があった方がよ
いので、熱容量が小さく、熱の逃げの小さい、すなわち
熱コンダクタンスが小さいことが望ましい。熱コンダク
タンスは、検出部分の構造と構成材料で決定される。同
一の構造であれば、材料の熱伝導率が小さい方が熱コン
ダクタンスが小さくなる。半導体の熱伝導率は一般的に
大きい。例えば、Ｓｉでは１４５Ｗ／（ｍ・Ｋ）、Ｇｅ
では６４Ｗ／(ｍ・Ｋ)、ＧａＡｓでは４６Ｗ／(ｍ・Ｋ)
である。したがって、できるだけ半導体基板と接触する
部分をなくす構造とすることが望ましい。また、一般的
に金属の熱伝導率も大きい。例えば、Ａｌは２３３Ｗ／
（ｍ・Ｋ）、Ａｕは２９８Ｗ／（ｍ・Ｋ）、Ｗは１６７
Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。熱の逃げる経路を極力少なくす
る配慮が必要である。それに対して、一般的に絶縁材料
は、熱伝導率が小さい。例えば、ＳｉＯ₂ は１Ｗ／（ｍ
・Ｋ）、ＴｉＯ₂ は６Ｗ／（ｍ・Ｋ）、ＺｒＯ₂ は２Ｗ
／（ｍ・Ｋ）、Ｓｉ₃Ｎ₄は２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。
したがって、検出部分を半導体基板とつなげる支持部分
は可能な限り絶縁材料が望ましい。

【００１９】図３は多成分によるセラミックスの温度依
存性を示す図である。熱型赤外線撮像素子は、室温付近
で動作する。入射赤外線によって検出部分の温度上昇
は、観測対象の百分の一もあれば、よく設計されている
といえる。例えば、１２５°Ｃの対象物を、２５°Ｃで
観測した場合、検出部分では１°Ｃの温度上昇になる。
したがって、誘電率の温度変化が、室温付近で急峻であ
るところが適している。図３から、Ｂａ（Ｔｉ_1-XＺ
ｒ_X）Ｏ₃の場合は、０．１５≦ _X ≦０．２５がよい。

【００２０】次に、上記した熱型赤外線撮像素子１０の
動作を説明する。検出部分にある誘電体膜１８と上側電
極１９、下部電極１７で容量が形成される。赤外線の入
射エネルギで検出部分の温度が変化すると、誘電体膜１
８の誘電率が変化する。誘電率が変化すると、検出部分
の容量値が変化する。この容量値の変化を知るために
は、電圧を印加し、その時電極に誘起される電荷量の変
化を外部に取り出す。

【００２１】図１において、図示していない画素Ｘ１−
Ｙ２と図示してある画素Ｘ２−Ｙ２の電荷を読み出す。
Ｙ方向の画素を決めるために先ずスイッチＳＷY2をＯＮ
する。Ｙ方向ライン線Ｙ２のラインを同電位にするため
に、スイッチＳＷｖをＶｃｃライン２３に接続する。Ｘ
方向の画素を順次スキャンしていくために、まずスイッ
チＳＷX1をＯＮにして、図示していないＸ１−Ｙ１の画
素を充電する。その後、その充電した電荷を読み出すた
めにスイッチＳＷｖを切り替えて出力ライン２４に接続
する。読み出し終了後、スイッチＳＷX1をＯＦＦし、ス
イッチＳＷｖを切り替えて再びＶｃｃライン２３に接続
する。その後、スイッチＳＷX2をＯＮしてＸ２−Ｙ２の
画素を充電する。

【００２２】同様にしてＸ３，Ｘ４，……Ｘｎの画素を
充電し、読み出しを繰り返す。Ｙ方向ライン線Ｙ２の画
素の読み出しが終わったらスイッチＳＷY2をＯＦＦして
スイッチＳＷY3をＯＮする。Ｙ方向ライン線Ｙ３もＹ方
向ライン線Ｙ２と同様に、Ｘ１，Ｘ２，……Ｘｎの画素
を充電して読み出しを繰り返す。この一連の動作をＹ方
向ライン線Ｙｎまで繰り返すことにより、赤外線画像を
得ることができる。図４はこのようなスイッチの動作を
示す図である。なお、図１においては、複数個の検出部
分をＸ，Ｙ方向に並設した熱型赤外線撮像素子１０を示
したが、検出部分を１つにした場合には、赤外線検出素
子として使用することができる。

【００２３】次に、上記した熱型赤外線撮像素子の製造
方法を図５〜図１３に基づいて説明する。なお、図にお
いては、図２におけるＢ−Ｂ’線断面図を示す。先ずは
じめに、図５（ａ）、（ｂ）に示すように第１の半導体
基板１１の表面をエッチングして凹部１２を形成する。
なお、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。この凹
部１２は、（ｂ）に示すように隣り合うものどうしが連
結溝２５によって互いにつながっている。ただし、個々
に独立したものであってもよい。エッチングの例とし
て、Ｓｉ基板の場合、酸化シリコンをマスクにしてＴＭ
ＡＨ（Tetra Methyl Ammonium Hydroxide）により凹部
１２をエッチングで形成する。具体的な製作工程は次の
通りである。

【００２４】Ｓｉ基板に酸化シリコンを成膜するか、酸
化シリコン付きの基板を購入する。有機高分子のレジス
トを塗布し、フォトリソグラフィ工程で、レジストをパ
ターニングする。レジスト付き基板をフッ酸に入れ、酸
化シリコンをエッチングする。この場合、レジストがマ
スク材料である。レジストを除去した後、基板をＴＭＡ
Ｈに入れてＳｉをエッチングする。その後、基板をフッ
酸につけて酸化シリコンを除去すると凹部１２が形成さ
れる。

【００２５】次に、第１の半導体基板１１の表面に第１
の絶縁性薄膜１３と第２の半導体基板１４を形成する。
この工程は、先ず２μｍ以下の膜厚の第１の絶縁性薄膜
１３が形成された第２の半導体基板となる基板１４’を
図６に示すように第１の半導体基板１１に接合する。こ
の接合方法は、第１の絶縁性薄膜１３が酸化シリコンの
場合、直接接合する条件としては、１０００°Ｃで１時
間が典型的な条件である。第１の絶縁性薄膜１３は、一
層の酸化シリコンでもよいし、二層以上の多層であって
もよい。

【００２６】次に、基板１４’を２０μｍ程度まで薄く
する（図７）。薄くする方法として、研磨やエッチング
が挙げられる。また、エッチャントにつけて基板１４’
を完全に取り去ってから薄膜シリコンを第２の半導体基
板として成膜する方法も考えられる。薄膜シリコンは、
ＣＶＤ（ Chemical Vapor Deposition )装置などで成膜
できる。

【００２７】次に、基板１４’の表面に半導体素子２０
を製作する（図８）。図１に示す平面図では、ＭＯＳ構
造の半導体素子２０を示した。これに限らずバイポーラ
トランジスタやＪ−ＦＥＴ等でもよい。図８では、後に
第２の絶縁性薄膜となる膜１６’も示している。具体的
製作工程は次の通りである。半導体素子２０を製作した
後、酸化シリコンを成膜し、配線材（Ｘ１，Ｘ２…，Ｙ
１，Ｙ２…）を基板に成膜し、エッチング工程を経てパ
ターニングする。その後、再び酸化シリコンを成膜す
る。

【００２８】次に、半導体素子２０が形成された基板１
４’をエッチングして第２の半導体基板１４を製作する
（図９）。この工程により初めて第２の半導体基板１４
が完成する。第２の半導体基板１４は半導体素子２０を
備えているために、Ｎａ＋やＫ＋のイオンは絶対禁物で
ある。したがって、基板１４’をエッチングする際に
は、このようなイオンを含んでいないエッチャントを使
うようにする必要がある。例えば、第２の半導体基板１
４がＳｉ基板である場合、ＴＭＡＨが適している。ＴＭ
ＡＨの場合、そのマスク材料は半導体素子２０の製造プ
ロセスになじんでいる酸化シリコンが望ましい。図８の
絶縁性薄膜（ここでは酸化シリコン）１６’を、レジス
トをマスクにしてフッ酸でエッチングする。レジストを
除去した後、酸化シリコンをマスクしてＴＭＡＨでエッ
チングする。すると、図９に示す形となる。その後、第
２の絶縁性薄膜１６を成膜し、半導体素子２０の部分に
導通のための開口部２６を設ける（図１０）。この工程
で初めて第２の絶縁性薄膜１６が完成する。第２の絶縁
性薄膜１６としては、プロセスを簡単にするために酸化
シリコンが望ましい。

【００２９】次に、第２の絶縁性薄膜１６上に下側電極
１７を形成する（図１１）。この下側電極１７は、蒸着
などの真空装置で成膜し、その後パターニングする。下
側電極１７に用いる金属材料は、次の工程で成膜する誘
電体膜１８の特性を左右することが知られている。望ま
しい材料は、例えばＰｔやＩｒである。通常のプロセス
で容易にパターニングできないときは、リフトオフプロ
セスにより成膜する。

【００３０】次に、誘電体膜１８を成膜する（図１
２）。この誘電体膜１８は、温度により誘電率が変化す
る必要があり、代表的な例としてＰｂ（Ｍｇ_1/3Ｎ
ｂ_2/3）Ｏ₃−ＰｂＴｉＯ₃ がある。化学式を見ても分か
るように多成分のセラミックスであり、これを誘電体の
特性を劣化させずにさらに半導体素子を劣化させずにエ
ッチングする方法がない。したがって、この図にあるよ
うに、本発明においては、成膜したらエッチングなどの
特性を劣化させるプロセスを全く加えていない。なお、
誘電体としては、Ｂａ_l-XＳｒ_XＴｉＯ₃（０．２５≦_X≦
０．３５）、Ｐｂ（Ｍｇ_1/3Ｎｂ_2/3）Ｏ₃、Ｐｂ（Ｍｇ
_1/3Ｎｂ_2/3）Ｏ₃−ＰｂＴｉＯ₃等を使用してもよい。

【００３１】最後に図１３に示すように上側電極１９を
成膜して撮像素子の製作を終了する。上側電極１９は誘
電体膜１８全体に成膜してもよいし、メタルマスクを使
って必要なところだけに成膜してもよい。上側電極１９
に用いる金属材料は、例えばＡｕ，Ｎｉである。

【００３２】このような製造方法においては、凹部１２
を有する第１の絶縁性薄膜１１に第１の絶縁性薄膜１３
を介して第２の半導体基板１４を接合し、この第１２の
半導体基板１４の前記凹部１２に対応する部分をエッチ
ングによって除去することにより、第１の絶縁性薄膜１
３の前記凹部１２に対応する部分をダイアフラム構造と
し、その後第２の半導体基板に半導体素子を形成してい
る。また、第１の絶縁性薄膜１３上に第２の絶縁性薄膜
１６、上、下側電極１７，１９および誘電体膜１８を積
層形成することにより検出部分としている。したがっ
て、誘電体膜１８を形成した後、半導体基板をエッチン
グによって除去し、検出部分をダイアフラム構造とする
必要がなく、誘電体膜１８の特性の劣化等を防止するこ
とができる。

【００３３】図１４は熱型赤外線撮像素子の他の実施の
形態を示す平面図、図１５は図１４のＣ−Ｃ’線断面
図、図１６は図１４のＤ−Ｄ’線断面図である。この実
施の形態は、温度によって誘電率が変化する誘電体を使
う代わりに、温度によって抵抗率が変化する抵抗体４０
を用いている。抵抗体４０の材料は、Ｇｅ，Ｐｔ，アモ
ルファスシリコン等である。その他の構成は上記した実
施の形態と略同様である。

【００３４】抵抗体４０の抵抗率が高い場合は、図１、
図２に示した構造がそのまま使える。図１４、図１５
は、抵抗体４０の抵抗率が低い場合を示している。この
場合は、一画素当たりの抵抗値が数百Ωから数ＫΩの抵
抗値になるように選択すればよい。どちらの構造でも温
度により抵抗率が変わる抵抗体４０は、成膜しただけで
エッチングしなくてよい。

【００３５】出力の読み出し部に関しては、図１に示し
た構成とは異なり、スイッチＳＷｖが存在しない。ま
た、本実施の形態においては、定電流をハーフブリッジ
に流してその中点で電圧を読む例を示した。対辺にもう
一対のハーフブリッジを用意し、フルブリッジとしても
よい。また、読み出す動作は図４のスイッチＳＷｖがな
い場合と同じであるため、ここではその説明を省略す
る。

【００３６】なお、図１に示した構造においても、抵抗
体４０を検出材料として用いることができる。この場合
の読み出し回路は、図１４に示すようになり、上側電極
１９を接地した構造となる。上下電極間の厚さが抵抗値
を左右するため、この構造を利用する場合は、図１４に
示す場合よりも抵抗率が高い場合に適している。

【００３７】なお、第１、第２の絶縁性薄膜１３，１６
としては、酸化シリコンと窒化シリコンのいずれであっ
てもよい。ただし、酸化シリコンの方が熱膨張係数が大
きいので、ダイアフラム部の撓みが窒化シリコンより大
きくなる可能性がある。その場合、その後の抵抗体の成
膜に影響がある。したがって、第１の絶縁性薄膜１３と
しては、窒化シリコンを選定することが望ましい。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係る熱型赤
外線検出素子は、表面に凹凸部を有する第１の半導体基
板と、この第１の半導体基板の凹凸部を覆う第１の絶縁
性薄膜と、前記第１の半導体基板の凸部に対応して前記
第１の絶縁性薄膜上に設けられた第２の半導体基板と、
この第２の半導体基板に埋め込み形成された半導体素子
と、前記第２の半導体基板および前記第１の絶縁性薄膜
の表面を覆う第２の絶縁性薄膜と、この第２の絶縁性薄
膜の表面で前記凹部に対応する部位に形成され前記半導
体素子に接続された下側電極と、この下側電極を覆うよ
うに前記第２の絶縁性薄膜上に形成された温度により誘
電率が変化する誘電体膜と、この誘電体膜を覆う上側電
極とを備えているので、誘電体膜を形成した後に半導体
基板のエッチングによってダイアフラム構造とする必要
がない。また、誘電体薄膜をエッチングする必要もな
い。したがって、誘電体の特性を劣化させたり、半導体
基板に作り込んだ半導体素子を劣化させることがなく、
信頼性が高く、また感度の高い赤外線素子を提供するこ
とができる。

【００３９】また、本発明に係る熱型赤外線検出素子
は、表面に凹凸部を有する第１の半導体基板と、この第
１の半導体基板の凹凸部を覆う第１の絶縁性薄膜と、前
記第１の半導体基板の凸部に対応して前記第１の絶縁性
薄膜上に設けられた第２の半導体基板と、この第２の半
導体基板に埋め込み形成された半導体素子と、前記第２
の半導体基板および前記第１の絶縁性薄膜の表面を覆う
第２の絶縁性薄膜と、この第２の絶縁性薄膜の表面で前
記凹部に対応する部位に形成され前記半導体素子に接続
された下側電極と、前記第２の絶縁性薄膜上に形成され
た温度により抵抗率が変化する抵抗体と、この抵抗体を
覆う上側電極とを備えているので、上記した発明と同様
に抵抗体を形成した後半導体基板をエッチングしたり抵
抗体をエッチングする必要がない。したがって、抵抗体
の特性を劣化させたり、半導体基板に作り込んだ半導体
素子を劣化させることがなく、信頼性が高く、また感度
の高い赤外線素子を提供することができる。

【００４０】また、本発明に係る熱型赤外線撮像素子
は、上記した赤外線検出素子を縦、横方向に複数個並設
して構成しているので、信頼性が高く、また感度の高い
赤外線撮像素子を提供することができる。

【００４１】また、本発明に係る熱型赤外線検出素子の
製造方法は、表面に凹凸部を有する第１の半導体基板を
形成する工程と、接合面側に第１の絶縁性薄膜が形成さ
れた第２の半導体基板を前記第１の基板の表面に接合し
第１の半導体基板の凹凸部を覆う工程と、前記第２の半
導体基板の表面で前記第１の半導体基板の凸部に対応す
る部位に半導体素子を形成する工程と、前記第２の半導
体基板の表面に配線材を含む絶縁性薄膜を形成し前記半
導体素子を覆う工程と、前記第２の半導体基板および前
記絶縁性薄膜の前記第１の半導体基板の凹部に対応する
部位を除去し第２の半導体基板に凹部を形成する工程
と、前記第２の半導体基板の凹部部分に第２の絶縁性薄
膜を形成する工程と、この第２の絶縁性薄膜の表面に前
記半導体素子に接続される下側電極を形成する工程と、
この下側電極を覆うように前記第２の絶縁性薄膜の表面
に温度により誘電率が変化する誘電体膜を形成する工程
と、この誘電体膜を覆う上側電極を形成する工程とを備
えているので、誘電体膜の成膜後に半導体基板をエッチ
ングする必要がなく、また誘電体をエッチングする工程
を必要とせず、誘電体の特性を劣化させたり、半導体基
板に作り込んだ半導体素子を劣化させることがない。

【００４２】また、本発明に係る熱型赤外線検出素子の
製造方法は、表面に凹凸部を有する第１の半導体基板を
形成する工程と、接合面側に第１の絶縁性薄膜が形成さ
れた第２の半導体基板を前記第１の基板の表面に接合し
第１の半導体基板の凹凸部を覆う工程と、前記第２の半
導体基板の表面で前記第１の半導体基板の凸部に対応す
る部位に半導体素子を形成する工程と、前記第２の半導
体基板の表面に配線材を含む絶縁性薄膜を形成し前記半
導体素子を覆う工程と、前記第２の半導体基板および前
記絶縁性薄膜の前記第１の半導体基板の凹部に対応する
部位を除去し第２の半導体基板に凹部を形成する工程
と、前記第２の半導体基板の凹部部分に第２の絶縁性薄
膜を形成する工程と、この第２の絶縁性薄膜の表面に前
記半導体素子に接続される下側電極を形成する工程と、
前記第２の絶縁性薄膜の表面に温度により抵抗率が変化
する抵抗体を形成する工程と、この抵抗体を覆う上側電
極を形成する工程とを備えているので、抵抗体の成膜後
に半導体基板をエッチングする必要がなく、また抵抗体
をエッチングする工程を必要とせず、抵抗体の特性を劣
化させたり、半導体基板に作り込んだ半導体素子を劣化
させることがない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る熱型赤外線撮像素子の一実施の
形態を示す平面図である。

【図２】図１のＢ−Ｂ’線断面図である。

【図３】多成分によるセラミックスの温度依存性を示
す図である。

【図４】スイッチの動作を示す図である。

【図５】熱型赤外線撮像素子の製造方法を説明するた
めの図である。

【図６】同撮像素子の製造方法を説明するための図で
ある。

【図７】同撮像素子の製造方法を説明するための図で
ある。

【図８】同撮像素子の製造方法を説明するための図で
ある。

【図９】同撮像素子の製造方法を説明するための図で
ある。

【図１０】同撮像素子の製造方法を説明するための図
である。

【図１１】同撮像素子の製造方法を説明するための図
である。

【図１２】同撮像素子の製造方法を説明するための図
である。

【図１３】同撮像素子の製造方法を説明するための図
である。

【図１４】熱型赤外線撮像素子の他の実施の形態を示
す平面図である。

【図１５】図１４のＣ−Ｃ’線断面図である。

【図１６】図１４のＤ−Ｄ’線断面図である。

【図１７】（ａ）〜（ｄ）は赤外線撮像素子とその製
造方法の従来例を示す断面図である。

【符号の説明】

１１…第１の半導体基板、１２…凹部、１３…第１の絶
縁性薄膜、１４…第２の半導体基板、１５…凸部、１６
…第２の絶縁性薄膜、１７…下側電極、１８…誘電体
膜、１９…上側電極、４０…抵抗体。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】表面に凹凸部を有する第１の半導体基板
と、この第１の半導体基板の凹凸部を覆う第１の絶縁性
薄膜と、前記第１の半導体基板の凸部に対応して前記第
１の絶縁性薄膜上に設けられた第２の半導体基板と、こ
の第２の半導体基板に埋め込み形成された半導体素子
と、前記第２の半導体基板および前記第１の絶縁性薄膜
の表面を覆う第２の絶縁性薄膜と、この第２の絶縁性薄
膜の表面で前記凹部に対応する部位に形成され前記半導
体素子に接続された下側電極と、この下側電極を覆うよ
うに前記第２の絶縁性薄膜上に形成された温度により誘
電率が変化する誘電体膜と、この誘電体膜を覆う上側電
極とを備えたことを特徴とする熱型赤外線検出素子。
【請求項２】表面に凹凸部を有する第１の半導体基板
と、この第１の半導体基板の凹凸部を覆う第１の絶縁性
薄膜と、前記第１の半導体基板の凸部に対応して前記第
１の絶縁性薄膜上に設けられた第２の半導体基板と、こ
の第２の半導体基板に埋め込み形成された半導体素子
と、前記第２の半導体基板および前記第１の絶縁性薄膜
の表面を覆う第２の絶縁性薄膜と、この第２の絶縁性薄
膜の表面で前記凹部に対応する部位に形成され前記半導
体素子に接続された下側電極と、前記第２の絶縁性薄膜
上に形成された温度により抵抗率が変化する抵抗体と、
この抵抗体を覆う上側電極とを備えたことを特徴とする
熱型赤外線検出素子。
【請求項３】請求項１または２記載の赤外線検出素子
を縦、横方向に複数個並設して構成したことを特徴とす
る熱型赤外線撮像素子。
【請求項４】表面に凹凸部を有する第１の半導体基板
を形成する工程と、接合面側に第１の絶縁性薄膜が形成
された第２の半導体基板を前記第１の基板の表面に接合
し第１の半導体基板の凹凸部を覆う工程と、前記第２の
半導体基板の表面で前記第１の半導体基板の凸部に対応
する部位に半導体素子を形成する工程と、前記第２の半
導体基板の表面に配線材を含む絶縁性薄膜を形成し前記
半導体素子を覆う工程と、前記第２の半導体基板および
前記絶縁性薄膜の前記第１の半導体基板の凹部に対応す
る部位を除去し第２の半導体基板に凹部を形成する工程
と、前記第２の半導体基板の凹部部分に第２の絶縁性薄
膜を形成する工程と、この第２の絶縁性薄膜の表面に前
記半導体素子に接続される下側電極を形成する工程と、
この下側電極を覆うように前記第２の絶縁性薄膜の表面
に温度により誘電率が変化する誘電体膜を形成する工程
と、この誘電体膜を覆う上側電極を形成する工程とを備
えたことを特徴とする熱型赤外線検出素子の製造方法。
【請求項５】表面に凹凸部を有する第１の半導体基板
を形成する工程と、接合面側に第１の絶縁性薄膜が形成
された第２の半導体基板を前記第１の基板の表面に接合
し第１の半導体基板の凹凸部を覆う工程と、前記第２の
半導体基板の表面で前記第１の半導体基板の凸部に対応
する部位に半導体素子を形成する工程と、前記第２の半
導体基板の表面に配線材を含む絶縁性薄膜を形成し前記
半導体素子を覆う工程と、前記第２の半導体基板および
前記絶縁性薄膜の前記第１の半導体基板の凹部に対応す
る部位を除去し第２の半導体基板に凹部を形成する工程
と、前記第２の半導体基板の凹部部分に第２の絶縁性薄
膜を形成する工程と、この第２の絶縁性薄膜の表面に前
記半導体素子に接続される下側電極を形成する工程と、
前記第２の絶縁性薄膜の表面に温度により抵抗率が変化
する抵抗体を形成する工程と、この抵抗体を覆う上側電
極を形成する工程とを備えたことを特徴とする熱型赤外
線検出素子の製造方法。