WO2014199583A1 - 赤外線センサ - Google Patents

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WO2014199583A1
WO2014199583A1 PCT/JP2014/002866 JP2014002866W WO2014199583A1 WO 2014199583 A1 WO2014199583 A1 WO 2014199583A1 JP 2014002866 W JP2014002866 W JP 2014002866W WO 2014199583 A1 WO2014199583 A1 WO 2014199583A1
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infrared
slit
protrusions
infrared sensor
sensor according
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PCT/JP2014/002866
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勝己 垣本
公昭 齊藤
洋右 萩原
崇史 奥戸
洋一 西嶋
亮 長部
直樹 牛山
澄夫 赤井
柴田　泰史
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パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to an infrared sensor that detects infrared rays.
  • An infrared sensor includes a film-like infrared absorber formed on a semiconductor substrate such as silicon, a detection element formed on the infrared absorber, and a switching element for reading the output of the detector (Patent) Reference 1).
  • the infrared absorbing portion has a multilayer structure in which materials, film thicknesses, and the like are determined so as to reduce residual stress in order to reduce breakage and to reduce abnormal operation of the switching element.
  • Patent Documents 2 and 3 are disclosed.
  • an infrared sensor having an infrared absorbing film such as a metal oxide film requires a special film forming apparatus, and thus the manufacturing cost increases. Further, since the infrared absorbing film is porous, there is a fear that the processing resistance is insufficient. In addition, since the infrared absorbing film has a thickness of several ⁇ m or more, the heat capacity of the infrared absorbing portion increases, and the response speed may decrease.
  • an object of the present invention is to reduce manufacturing costs. It is another object of the present invention to provide a highly sensitive infrared sensor. Moreover, it aims at providing the infrared sensor which can reduce a heat capacity.
  • the first infrared absorption unit the infrared detection unit that detects infrared rays based on the infrared rays absorbed by the first infrared absorption unit, and the metal or silicon nitride film, the first infrared absorption unit
  • An infrared sensor is provided that includes a plurality of protrusions arranged on the surface thereof so as to be separated from each other.
  • an infrared sensor that is low in manufacturing cost, is highly sensitive, or reduces an increase in heat capacity.
  • the sensitivity of the infrared detection unit is illustrated. is there. It is an equivalent circuit diagram of a sensor chip provided in the infrared sensor according to the embodiment. It is the schematic of arrangement
  • the infrared sensor As shown in FIG. 1, the infrared sensor according to the embodiment includes a substrate 11, a sensor chip 2, an integrated circuit (IC) 15, a shield cover 16, a lens 17, and a case 18.
  • the infrared sensor which concerns on embodiment receives infrared rays, for example, detects the temperature distribution in a visual field, the position of a heat source, etc.
  • the substrate 11 is generally a rectangular flat plate, and is composed of a multilayer substrate such as a ceramic substrate or a resin-based printed substrate.
  • the substrate 11 is formed with circuit wiring connected to the sensor chip 2, the IC 15 and the like.
  • the substrate 11 is connected to a ground potential, and is connected to a case 18 with a bonding electrode 12, a thermistor 13 that detects a temperature for correcting the temperature detected by the sensor chip 2, and a circuit element 14 such as a resistor. Is provided on the upper surface.
  • the bonding electrode 12 is formed in a frame shape so as to border the upper surface of the substrate 11.
  • the sensor chip 2 is roughly a rectangular flat plate shape and has a light receiving surface on the upper surface.
  • the sensor chip 2 and the IC 15 are arranged side by side along the longitudinal direction of the substrate 11 and are mounted on the upper surface of the substrate 11 by die bonding, for example.
  • the sensor chip 2 and the IC 15 are electrically connected to each other by a wire 82 formed by wire bonding (see FIG. 2).
  • the IC 15 is electrically connected to the circuit wiring of the substrate 11 by a wire 83 such as gold (Au) or aluminum (Al) formed by wire bonding.
  • the sensor chip 2 and the IC 15 may be electrically connected to the circuit wiring of the substrate 11 by flip chip or the like.
  • the shield cover 16 blocks infrared rays that are about to enter the sensor chip 2 and infrared rays that are about to enter the IC 15 from outside the field of view.
  • the shield cover 16 is generally rectangular parallelepiped box-shaped, and opens on the entire lower surface.
  • the shield cover 16 shields infrared rays together with the shield layer formed on the substrate 11 by bonding the lower end portion of the side wall portion to the substrate 11 with a conductive resin or the like so as to cover the sensor chip 2 and the IC 15.
  • the shield cover 16 is made of a metal material such as Kovar, for example.
  • the shield cover 16 has a rectangular incident window 161 on a part of the upper surface above the sensor chip 2.
  • the incident window 161 is transparent to infrared rays, and is, for example, a through hole.
  • the incident window 161 makes infrared light incident on the light receiving surface of the sensor chip 2.
  • the lens 17 is generally a rectangular flat plate, and is a convex lens in which one surface (upper surface) is a flat surface and the other surface (lower surface) is a convex surface.
  • the lens 17 is disposed above the sensor chip 2 in parallel with the light receiving surface of the sensor chip 2.
  • the lens 17 is configured to form an infrared image on the light receiving surface of the sensor chip 2.
  • the lens 17 only needs to have a function of forming an infrared image on the light receiving surface of the sensor chip 2.
  • both surfaces of the lens 17 may be formed as convex surfaces, or one surface may be formed as a concave surface and the other surface may be formed as a convex surface having a larger curvature than the concave surface.
  • the convex surface and concave surface of the lens 17 may have various curvatures such as a paraboloid.
  • the case 18 is generally a rectangular parallelepiped box shape, and the entire lower surface is opened. Case 18 is made of metal.
  • the case 18 is installed on the substrate 11 by bonding the lower end portion of the side wall portion to the bonding electrode 12 of the substrate 11 with a conductive resin or the like so as to cover the shield cover 16.
  • the case 18 has a rectangular incident window 181 on a part of the upper surface above the sensor chip 2.
  • the incident window 181 is transparent to infrared rays, and is, for example, a through hole.
  • the incident window 181 has a rectangular shape along the lens 17 so that the upper surface of the lens 17 can be joined to the periphery of the incident window 181 from below the case 18.
  • the entrance window 181 holds the lens 17 by bonding the upper surface of the lens 17 to the periphery.
  • the incident window 181 causes infrared rays to enter the sensor chip 2 through the lens 17.
  • the lens 17 is bonded around the entrance window 181 with resin or the like, and the lower end portion of the side wall portion is bonded to the bonding electrode 12 of the substrate 11, thereby sealing the inside.
  • the inside of the case 18 is filled with an inert gas such as nitrogen gas or is in a vacuum atmosphere.
  • the infrared sensor receives infrared rays emitted from a target P such as a person on the light receiving surface of the sensor chip 2 via the lens 17.
  • the IC 15 can read the output of the sensor chip 2 based on the received infrared rays and output it as a two-dimensional thermal image.
  • the sensor chip 2 includes a plurality of pixel units 21 arranged in, for example, an 8 ⁇ 8 grid, and a plurality of pad units 80 connected to the pixel unit 21.
  • the plurality of pixel units 21 constitute a light receiving surface of the sensor chip 2 and output signals corresponding to the received infrared rays.
  • the plurality of pad portions 80 are electrodes for inputting and outputting signals to the pixel portion 21.
  • the pixel unit 21 includes a frame-shaped support unit 22, a plurality of temperature sensing units 23 supported by the support unit 22, and a MOSFET 4 formed on one side of the support unit 22, respectively. Is provided.
  • One pixel unit 21 corresponds to one pixel of a thermal image processed by the infrared sensor according to the embodiment.
  • the pixel unit 21 is configured by, for example, a semiconductor substrate 201 such as silicon, a thin film layer (202, 203), an interlayer insulating film 204, and a passivation film 205 that are sequentially stacked.
  • the thin film layers (202, 203) are, for example, a silicon oxide film (SiO 2 ) 202 having a thickness of about 0.3 ⁇ m and a silicon nitride film having a thickness of about 0.25 ⁇ m formed on the upper surface of the silicon oxide film 202. And a film (Si 3 N 4 ) 203.
  • the interlayer insulating film 204 is made of, for example, boron phosphorus silicate glass (BPSG) and has a thickness of about 0.8 ⁇ m.
  • the passivation film 205 is made of, for example, a non-doped silicate glass (NSG) film or a phosphorus silicate glass (PSG), and has a thickness of about 0.5 ⁇ m.
  • the pixel portion 21 has a gap portion 20 formed by selectively removing the upper portion of the semiconductor substrate 201 so as to leave the support portion 22 at the peripheral portion.
  • Each of the temperature sensing parts 23 has a generally rectangular flat plate shape, and is formed, for example, so as to extend three by two from two opposite sides of the support part 22.
  • the temperature sensing part 23 is disposed above the gap part 20 so as to close the gap part 20 and is supported by connecting one side by the support part 22.
  • the temperature sensing unit 23 is divided into a first slit and a third slit 28 that penetrate from the upper surface of the passivation film 205 to the lower surface of the thin film layers (202, 203).
  • the extending direction of the first slit is perpendicular to the extending direction of the infrared detecting unit 31 on the infrared absorbing unit 24.
  • the extending direction of the third slit is perpendicular to the extending direction of the first slit.
  • vertical includes “substantially vertical” allowing design errors.
  • angular part of the temperature sensing part 23 which mutually adjoins is mutually connected by the X-shaped connection piece 25.
  • the temperature sensing part 23 has a second slit 29 formed in a U shape in a plan view and penetrating from the upper surface of the passivation film 205 to the lower surface of the thin film layer (202, 203).
  • the temperature sensing part 23 has an infrared absorption part 24 having a cantilever structure by the second slit 29.
  • the infrared absorbing unit 24 is connected to the tip side of the temperature sensing unit 23 that is not connected to the support unit 22.
  • an infrared detection part 31 that is a thermopile composed of a plurality of thermocouples connected in series is formed.
  • the infrared detectors 31 are all connected in series with respect to one pixel unit 21.
  • the infrared detector 31 includes a polysilicon layer 300 having a thickness of about 0.45 ⁇ m, a hot junction T1, and a cold junction T2 formed on the upper surface of the thin film layers (202, 203).
  • the polysilicon layer 300 is located between the thin film layers (202, 203) and the interlayer insulating film 204.
  • the temperature contact point T1 is formed on the tip side of the temperature sensing part 23 so as to be away from the two sides of the support part 22 connected to the temperature sensing part 23. Since the hot junction T1 is disposed so as to be separated from the support portion 22 in the central portion in the region of the plurality of temperature sensing portions 23, the temperature change of the hot junction T1 can be increased. Can be improved.
  • the cold junction T ⁇ b> 2 is formed on the support part 22 on the two sides connected to the temperature sensing part 23.
  • the polysilicon layer 300 of the infrared detecting unit 31 that alternately connects a plurality of hot junctions T1 and cold junctions T2 in series is doped so as to be alternately n-type and p-type.
  • the n-type and p-type polysilicon layers 300 constituting the infrared detecting unit 31 are separated at the hot junction T1 and the cold junction T2, and at the hot junction T1 and the cold junction T2, the connection portion made of a metal material containing Al or the like is used. Electrically connected.
  • the polysilicon layer 300 of the infrared detection unit 31 in the vicinity of the hot junction T1 is an infrared absorption layer 34 formed so as to have a larger area than other parts, and easily absorbs infrared rays.
  • the polysilicon layer 300 is formed in the infrared absorption part 26 which is the front-end
  • the polysilicon layer 300 formed in the infrared absorbing portion 24 is an n-type infrared absorbing layer 32
  • the polysilicon layer 300 formed in the infrared absorbing portion 26 is an n-type infrared absorbing layer 33.
  • the corners of the infrared absorbing layers 33 adjacent to each other are connected to each other by a reinforcing layer 35 that is an n-type doped X-shaped polysilicon layer 300 in the connecting piece 25.
  • the sensor chip 2 includes a diagnostic heater 36 that is an n-type doped polysilicon layer 300 that is routed over one side of all the temperature sensing parts 23 and all the support parts 22. By energizing the diagnostic heater 36, it is possible to detect the presence or absence of breakage of the temperature sensing portion 23, the support portion 22, and the like.
  • the infrared absorbing parts 24 and 26 are composed of a first infrared absorbing part which is a thin film layer (202, 203), a polysilicon layer 300 and an interlayer insulating film 204, and a second infrared absorbing part which is a passivation film 205.
  • the infrared absorbers 24 and 26 include a plurality of protrusions 6 having a metal or silicon nitride film on the upper surface of the first infrared absorber and arranged so as to be separated from each other.
  • the plurality of protrusions 6 are preferably arranged periodically.
  • the protrusion 6 is made of a metal including, for example, aluminum (Al), titanium (Ti), tungsten (W), gold (Au), copper (Cu), or the like.
  • the protrusion 6 may be an aluminum alloy such as Al—Si, Al—Si—Cu, or Al—Cu, a metal nitride such as TiN, or a silicon nitride film.
  • the passivation film 205 that is the second infrared absorbing portion is formed on the upper surfaces of the first infrared absorbing portion and the plurality of protruding portions 6 so as to cover the plurality of protruding portions 6.
  • the plurality of protrusions 6 are arranged in a two-dimensional array with a period T shorter than the wavelength ⁇ of infrared rays absorbed by the infrared absorbing portions 24 and 26.
  • the wavelength ⁇ is an infrared target wavelength desired to be detected by the infrared sensor according to the embodiment.
  • the wavelength ⁇ can be set to 10 ⁇ m.
  • the planar dimensions of the projections 6 in the square lattice line direction can be 2 ⁇ m
  • the gap can be 2 ⁇ m
  • the period T can be 4 ⁇ m.
  • the plurality of protrusions 6 Since the plurality of protrusions 6 have periodicity corresponding to the wavelength ⁇ , they have a standing wave mode corresponding to the period T in the gap between them. In the case where the standing wave mode corresponds to the wavelength of infrared rays from the target P, the first infrared absorbing portion in which the protrusions 6 are formed has an improved absorption (emission) rate with respect to the received infrared rays.
  • the plurality of protrusions 6 have plasmons which are collective vibrations of free electrons of metal constituting the protrusions 6, which are influenced by the periodicity and resonate with infrared rays, and the surface of the protrusions 6 corresponds to the period T. A specific plasmon is excited.
  • the first infrared absorbing portion in which the protrusion 6 is formed has an improved absorption (emission) rate with respect to the received infrared ray.
  • the sensitivity of the infrared detection unit 31 of the sensor chip 2 including the protrusion 6 formed of Al is higher than that in the case where the sensor chip 2 does not include the protrusion 6.
  • the sensitivity of the infrared detection unit 31 of the sensor chip 2 including the protrusion 6 formed of Al is higher than that of the case of including the protrusion 6 formed of Si 3 N 4 , polysilicon, and SiO 2 , respectively. It is high.
  • the protrusion 6 made of metal can improve the sensitivity of the infrared detection unit 31.
  • the absorption by the standing wave becomes remarkable when the height of the protrusion 6 is deep, and the absorption by the plasmon becomes remarkable when the height of the protrusion 6 is shallow.
  • the height of the protrusion 6 may be determined so that the absorption by the standing wave and the absorption by the plasmon are maximized.
  • the thickness can be about 1 ⁇ m.
  • the plurality of protrusions 6 are formed on the infrared absorption parts 24 and 26 in accordance with the infrared wavelength ⁇ , so that the infrared absorption parts 24 and 26 have an improved infrared absorption rate.
  • the plurality of hot junctions T1 are arranged on the infrared absorbing portions 24 and 26, respectively, so that the temperature change of the hot junction T1 can be increased, and infrared rays are detected based on the infrared rays absorbed by the infrared absorbing portions 24 and 26. It is possible to improve the sensitivity of the infrared detecting unit 31 that performs.
  • Each MOSFET 4 is a field effect transistor formed in a p + type well region 41 embedded on the upper surface side of the semiconductor substrate 201 of the support portion 22 as shown in FIG. 5A.
  • Each MOSFET 4 is n + type, and has a drain region 42 and a source region 43 that are formed apart from each other on a part of the upper surface side of the well region 41.
  • a p ++ type channel stopper region 44 formed so as to surround the drain region 42 and the source region 43 is formed.
  • a gate insulating film 45 made of a silicon oxide film (thermal oxide film) is formed on the upper surface of the well region 41 located between the drain region 42 and the source region 43, and an n-type is formed on the upper surface of the gate insulating film 45.
  • a gate electrode 46 made of polysilicon is formed.
  • a drain electrode 47 and a source electrode 48 made of a metal containing Al or the like are formed on the upper surfaces of the drain region 42 and the source region 43, respectively.
  • an electrode 49 made of a metal containing Al or the like is formed on the upper surface of the channel stopper region 44.
  • the gate electrode 46, the drain electrode 47, the source electrode 48, and the electrode 49 are each formed so as to fill a contact hole (not shown) formed in the interlayer insulating film 204.
  • the pixel unit 21 includes a first wiring 51, a second wiring 52, a third wiring 53, and a fourth wiring 54 formed on one side of the support unit 22.
  • the first wiring 51, the third wiring 53, and the fourth wiring 54 are formed on one side where the MOSFET 4 is formed, and the second wiring 52 is formed on one side orthogonal to the one side where the MOSFET 4 is formed.
  • the first wiring 51 is connected to the output pads Vout 1 to Vout 8 and connected to the drain electrode 47 of the MOSFET 4 for each column of the pixel unit 21.
  • the second wiring 52 is connected to the selection pads Vsel1 to Vsel8 and connected to the gate electrode 46 of the MOSFET 4 for each row of the pixel unit 21.
  • the third wiring 53 is connected to the common pad Vch and connected to the well region 41 of the MOSFET 4 of each pixel unit 21.
  • the fourth wiring 54 is connected to the reference pad Vref and is connected to one end of the infrared detection unit 31 of each pixel unit 21.
  • the reference pad Vref is connected to a reference potential.
  • the other end of the infrared detector 31 is connected to the source electrode 48.
  • the sensor chip 2 includes a substrate pad Vsu connected to the semiconductor substrate 201.
  • the potentials of the selection pads Vsel1 to Vsel8 are controlled by the IC 15 so that the MOSFETs 4 are sequentially turned on, so that the output pads Vout1 to Vout8 can output the output voltages of the pixel units 21 to the IC 15 sequentially.
  • the sensor chip 2 includes a plurality of Zener diodes ZD that prevent an overvoltage from being applied between the gate electrode 46 and the source electrode 48 of each MOSFET 4.
  • the cathode of each Zener diode ZD is connected to the second wiring 52, and the anode is connected to the protective pad Vzd.
  • the infrared sensor by providing the plurality of protrusions 6 arranged so as to be separated from each other, the infrared absorption rate of the infrared absorption parts 24 and 26 is improved, so that the sensitivity is high. be able to. Moreover, the increase in heat capacity can be reduced.
  • the some projection part 6 is arrange
  • the material of the projection part 6 is a metal, it is possible to increase sensitivity.
  • the material of the protrusion 6 is a silicon nitride film, it is possible to apply a tensile stress and maintain the stress balance of the entire film. Further, as the protrusion 6, a film containing both a metal and a material having a tensile stress such as a silicon nitride film may be used.
  • the manufacturing cost can be reduced by forming the protrusion 6 from a metal containing Al.
  • the protrusion 6 is arranged at a cycle shorter than the wavelength of the infrared ray to be absorbed, whereby the infrared absorption rate can be further improved.
  • the process in which the protrusion part 6 does not have tolerance in a manufacturing process can be employ
  • FIGS. 5A and 5B an arrangement in which a part of the plurality of protrusions 6 is along the linear first slit 28 is disclosed. Further, as shown in FIGS. 5A and 5B, an arrangement is disclosed in which a part of the plurality of protrusions 6 is surrounded by a C-shaped second slit 29.
  • FIG. 9 and FIG. 10 show schematic views of the arrangement of slits and protrusions arranged in the infrared absorption unit.
  • the protrusion 6 may be disposed along the linear third slit 28.
  • the protrusion 6 is surrounded by the C-shaped second slit 29, and the protrusion 6 is disposed along the C-shaped second slit.
  • the present invention is not limited to this.
  • the protrusion 6 may not be along all of the C-shaped second slit.
  • the infrared detection part is not disclosed in FIGS. 9 and 10, it may be arranged so as not to overlap the plurality of protrusions 6.
  • the infrared absorbers 24 and 26 may be configured not to include the passivation film 205 as the second infrared absorber as shown in FIG.
  • FIG. 11 is a schematic sectional view taken along line AA in FIG.
  • FIGS. 12A and 12B may be used.
  • 12A is a schematic plan view of the infrared sensor
  • FIG. 12B is a schematic cross-sectional view taken along line A-A ′ in FIG. 12A.
  • the infrared absorbing portion 24 having the polysilicon layer 300 surrounded by the slits 30 is disposed on the gap portion 20.
  • the protrusion 6 is arranged so as to be surrounded by the slit 30.
  • the protrusions 6 are periodically arranged so as to be substantially equidistant from the adjacent protrusions 6.
  • the distance between the protrusion 6 and the slit 30 is longer than the distance between the adjacent protrusions 6.
  • positioned between the slits 30 will be sent outside.
  • planar pattern of the protrusion 6 is not limited to a square, and may be a rectangle, another polygon, a circle, an ellipse, or the like.
  • FIGS. 13A to 16B correspond to the AA sectional view of FIG. 5A. Although FIG. 5B and FIG. 15B correspond, it may not completely correspond.
  • a step of forming an insulating layer on one surface side of the semiconductor substrate 201 using an n-type silicon substrate is performed.
  • the insulating layer can be formed by a laminated film of the silicon oxide film 202 and the silicon nitride film 203.
  • the silicon oxide film 202 can be formed, for example, by heating the semiconductor substrate 201 to 1100 ° C. and thermally oxidizing the semiconductor substrate 201.
  • the film thickness of the silicon oxide film 202 can be set to 0.3 ⁇ m, for example.
  • the silicon nitride film 203 can be formed by LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor deposition) method.
  • the film thickness of the silicon nitride film 203 can be set to 0.1 ⁇ m, for example.
  • the silicon nitride film 203 can function as a first stress layer that generates a tensile stress on the semiconductor substrate 201 side with respect to the film thickness center of the infrared absorption portions 24 and 26 including the silicon nitride film 203.
  • a step of patterning and removing the portion of the insulating layer corresponding to the region for forming the MOSFET 4 is performed.
  • the structure shown in FIG. 13A is obtained.
  • a portion corresponding to the region for forming the infrared detecting unit 31 is left in the insulating layer.
  • a method for forming the structure shown in FIG. 13B will be described.
  • a step of forming a first thermal oxide film 61 made of a silicon oxide film and a p-type (p +) well region 41 on one surface side of the semiconductor substrate 201 is performed.
  • a p-type (p ++) channel stopper region 44 is formed in the well region 41 on the one surface side of the semiconductor substrate 201, and a second thermal oxide film 62 made of a silicon oxide film is formed on the one surface side of the semiconductor substrate 201.
  • the process of forming is performed.
  • a step of implanting ions for controlling the threshold voltage of the MOSFET 4 is performed.
  • As a p-type impurity for forming the well region 41 and the channel stopper region 44 for example, boron can be used. As described above, the structure shown in FIG. 13B is obtained.
  • an n-type (n +) drain region 42 and an n-type (n +) source region 43 are formed in the well region 41.
  • an n-type impurity for forming the drain region 42 and the source region 43 for example, an n-type impurity such as phosphorus can be used.
  • a step of forming a gate insulating film 45 made of a silicon oxide film having a predetermined thickness by, for example, thermal oxidation on one surface side of the semiconductor substrate 201 is performed.
  • the gate insulating film 45 can be formed of, for example, a thermal oxide film having a thickness of 60 nm.
  • a step of forming a gate electrode 46, infrared absorption layers 32, 33, and 34 and a non-doped polycrystalline silicon layer serving as the basis of the infrared detector 31 on the entire surface of one surface side of the semiconductor substrate 201 is performed by LPCVD.
  • a patterning process using the photolithography technique and the etching technique so that the portions corresponding to the gate electrode 46, the infrared absorption layers 32, 33, and 34, and the infrared detection unit 31 remain in the non-doped polycrystalline silicon layer. I do.
  • n-type impurity ions are implanted into portions of the non-doped polycrystalline silicon layer corresponding to the gate electrode 46, the predetermined infrared absorption layers 32, 33, and 34, and the infrared detector 31, and then drive-in is performed.
  • phosphorus can be used as an n-type impurity for ion implantation.
  • the gate electrode 46, the infrared absorption layers 32, 33, and 34, and the infrared detector 31 made of n-type polycrystalline silicon can be formed.
  • drive-in is performed after ion implantation of p-type impurities is performed on portions of the non-doped polycrystalline silicon layer corresponding to the predetermined infrared absorption layers 32, 33, and 34 and the infrared detector 31.
  • boron can be used as the p-type impurity for ion implantation.
  • the infrared absorption layers 32, 33, and 34 and the infrared detector 31 made of p-type polycrystalline silicon can be formed. As described above, the structure shown in FIG. 14A is obtained.
  • the interlayer insulating film 204 is formed so as to cover the infrared detection unit 31 and the infrared absorption layers 32, 33, and 34 on one surface side of the semiconductor substrate 201.
  • a method for forming the interlayer insulating film 204 for example, a CVD method can be used, and a BPSG film can be used as a material.
  • a contact hole 50A for the hot junction T1 and a contact hole 50F for the electrode 49 are formed in the interlayer insulating film 204 by using a photolithography technique and an etching technique.
  • the electrode 49 is used as a ground electrode, for example.
  • a contact hole 50E for the source electrode 48 and a contact hole 50D for the drain electrode 47 are formed in the interlayer insulating film 204 by using a photolithography technique and an etching technique. As described above, the structure shown in FIG. 14B is obtained.
  • a base metal film such as a hot junction T1, a cold junction T2, a reference bias line, an electrode 49, a source electrode 48, and a drain electrode 47 is formed on the entire surface on one surface side of the semiconductor substrate 201.
  • the method for forming the metal film include a sputtering method, a CVD method, and a vapor deposition method.
  • the material of the metal film for example, Al—Si can be used.
  • the metal film may have a film thickness of 2 ⁇ m, for example.
  • the metal film is patterned to form the hot junction T1, the reference bias line, the electrode 49, the source electrode 48, the drain electrode 47, and the like.
  • the patterning method for example, a photolithography technique and an etching technique such as RIE (Reactive Ion Etching) can be used.
  • the protrusion 6 is formed on the opposite side of the semiconductor substrate 201 with respect to the film thickness centers of the infrared absorbing portions 24 and 26.
  • the protrusion 6 can function as a second stress layer that generates a tensile stress.
  • a film for forming the protrusion 6 is formed on the BPSG film constituting a part of the interlayer insulating film 204.
  • a material of the film for forming the protruding portion 6 for example, a metal including aluminum (Al), titanium (Ti), tungsten (W), gold (Au), copper (Cu), or the like, or It is preferably composed of an aluminum alloy such as Al—Si, Al—Si—Cu, or Al—Cu, a metal nitride such as TiN, or a silicon nitride film.
  • a metal including aluminum (Al), titanium (Ti), tungsten (W), gold (Au), copper (Cu), or the like, or It is preferably composed of an aluminum alloy such as Al—Si, Al—Si—Cu, or Al—Cu, a metal nitride such as TiN, or a silicon nitride film.
  • a metal nitride such as TiN, or a silicon nitride film.
  • the film is patterned so as to form a plurality of islands at predetermined intervals in a plan view of the infrared absorption parts 24 and 26, and the protrusions 6 Form.
  • the structure shown in FIG. 15A is obtained.
  • the protrusion 6 is formed in a square shape in plan view.
  • the protrusion part 6 can be made into various shapes, such as not only a square but a rectangle, a rhombus, a triangle, a polygon more than a pentagon, a circle, an ellipse, and a star shape.
  • the projections 6 are formed in a triangular shape in plan view, it is easy to form the projections 6 without any gaps according to the outer shape of the infrared absorption unit 24.
  • the film can be formed by, for example, an LPCVD method or a sputtering method.
  • the tensile stress of the film itself can be adjusted by adjusting the film forming method and film forming conditions.
  • the stress of the film can be measured by using UV Raman spectroscopy or the like.
  • a passivation film 205 made of a laminated film of a PSG film and an NSG film is formed on one surface side of the semiconductor substrate 201.
  • the PSG film can be formed to 0.5 ⁇ m, for example.
  • the NSG film can be formed to 0.5 ⁇ m, for example.
  • the passivation film 205 is formed by a CVD method. Thus, the structure shown in FIG. 15B is obtained.
  • openings to be first and third slits 28 and second slits 29 are formed in a multilayer film including a silicon oxide film 202, a silicon nitride film 203, an interlayer insulating film 204, a passivation film 205, and the like.
  • a forming method for example, an etching technique such as a photolithography technique and RIE can be used.
  • RIE etching technique
  • the etching solution is introduced using the openings serving as the first and third slits 28 and the second slit 29 as etching solution introduction holes, and the semiconductor substrate 201 is anisotropically etched.
  • the gap 20 can be formed in the semiconductor substrate 201.
  • a TMAH (Tetramethyl Ammonium Hydroxide) liquid heated to 85 ° C. can be used as the etching liquid, but the etching liquid is not limited to this.
  • the etching solution for example, another alkaline solution such as a KOH solution may be used.
  • the structure shown in FIG. 16B is obtained.
  • a plurality of chip-shaped infrared sensors can be formed by separating them into a plurality of infrared sensors.
  • the infrared sensor of the present invention is useful because the manufacturing cost is low, the sensitivity is high, or the increase in heat capacity can be reduced.

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Abstract

製造コストが低く、又は、高感度で、又は、熱容量の増加を低減する赤外線センサを提供する。第１赤外線吸収部と、第１赤外線吸収部が吸収する赤外線に基づいて赤外線を検知する赤外線検知部と、金属からなり、第１赤外線吸収部の表面に、互いに離間するように配置される複数の突起部とを備える赤外線を提供する。赤外線の吸収率が向上されるため、高感度であり、または、熱容量の増加を低減できる。

Description

赤外線センサ
　本発明は、赤外線を検知する赤外線センサに関する。
　シリコン等の半導体基板に形成された膜状の赤外線吸収部と、赤外線吸収部に形成された検知素子と、検知素子の出力を読み出すためのスイッチング素子とを備える赤外線センサが知られている（特許文献１参照）。赤外線吸収部は、破損を低減するために残留応力を低減し、かつスイッチング素子の動作異常を低減するように、材料、膜厚等が決定された多層構造となっている。また、他にも特許文献２、３のような技術が開示されている。
特開２０１０－４８８０３号公報 特開２００９－１７４９１７号公報 特開２００７－２９２５６１号公報
　しかしながら、金属酸化膜等の赤外線吸収膜を備える赤外線センサは、特殊な成膜装置が必要であるため製造コストが増加してしまう。また、赤外線吸収膜が多孔質であるため、加工耐性が不足する恐れがある。また、赤外線吸収膜は数μｍ以上の膜厚となるため、赤外線吸収部の熱容量が増加し、応答速度が低下する恐れがある。
　本発明は、上記問題点を鑑み、製造コストを低くすることを目的とする。また、高感度な赤外線センサを提供することを目的とする。また、熱容量を低減することができる赤外線センサを提供することを目的とする。
　上記目的を達成するために、第１赤外線吸収部と、第１赤外線吸収部が吸収する赤外線に基づいて赤外線を検知する赤外線検知部と、金属又はシリコン窒化膜を有し、第１赤外線吸収部の表面に、互いに離間するように配置される複数の突起部とを備える赤外線センサを提供する。
　本発明によれば、製造コストが低く、又は、高感度で、又は、熱容量の増加を低減する赤外線センサを提供することができる。
実施の形態に係る赤外線センサの基本的な構成を説明する模式的な分解斜視図である。 実施の形態に係る赤外線センサが対象からの赤外線を受信する様子を説明する模式的な図である。 実施の形態に係る赤外線センサが備えるＩＣの動作により得られる熱画像の一例を示す図である。 実施の形態に係る赤外線センサが備えるセンサチップを説明する平面図である。 実施の形態に係る赤外線センサが備えるセンサチップの画素部を説明する模式的な平面図である。 図５ＡのＡ－Ａ方向から見た断面図である。 図５ＡのＢ－Ｂ方向から見た拡大断面図である。 実施の形態に係る赤外線センサが備える突起部による効果を説明するために、突起部を備えない場合、金属以外から形成された突起部を備える場合と併せて、赤外線検知部の感度を示す図である。 実施の形態に係る赤外線センサが備えるセンサチップの等価回路図である。 実施の形態に係る赤外線センサが備える赤外線吸収部に配置されるスリットと突起部の配置の概略図である。 実施の形態に係る赤外線センサが備える赤外線吸収部に配置されるスリットと突起部の配置の概略図である。 他の実施の形態に係る赤外線センサの赤外線吸収部を説明する拡大断面図である。 他の実施の形態に係る赤外線センサの概略図である。 図１２ＡのＡ－Ａ’方向から見た断面図である。 実施の形態に係る赤外線センサの製造方法を説明する主要工程断面図である。 実施の形態に係る赤外線センサの製造方法を説明する主要工程断面図である。 実施の形態に係る赤外線センサの製造方法を説明する主要工程断面図である。 実施の形態に係る赤外線センサの製造方法を説明する主要工程断面図である。 実施の形態に係る赤外線センサの製造方法を説明する主要工程断面図である。 実施の形態に係る赤外線センサの製造方法を説明する主要工程断面図である。 実施の形態に係る赤外線センサの製造方法を説明する主要工程断面図である。 実施の形態に係る赤外線センサの製造方法を説明する主要工程断面図である。
　次に、図面を参照して、実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付し、重複する説明を省略することがある。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることがある。また、以下に示す実施の形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、矛盾の無い範囲内において、種々の変更を加えることができる。
　（赤外線センサ）
　図１に示すように、実施の形態に係る赤外線センサは、基板１１と、センサチップ２と、集積回路（ＩＣ）１５と、シールドカバー１６と、レンズ１７と、ケース１８とを備える。実施の形態に係る赤外線センサは、赤外線を受信して、例えば視野内の温度分布や熱源の位置等を検知する。
　基板１１は、概略として矩形平板状であり、セラミック基板や樹脂系のプリント基板等の多層基板からなる。基板１１は、センサチップ２、ＩＣ１５等と接続する回路配線が形成される。基板１１は、接地電位に接続され、ケース１８と接合される接合用電極１２と、センサチップ２により検知された温度を補正する為の温度を検知するサーミスタ１３と、抵抗等の回路素子１４とを上面に備える。接合用電極１２は、基板１１上面を縁取るように枠状に形成される。
　センサチップ２は、概略として矩形平板状であり、上面に受光面を有する。センサチップ２及びＩＣ１５は、基板１１の長手方向に沿って並んで配置され、例えばダイボンディングにより基板１１の上面に搭載される。センサチップ２及びＩＣ１５は、ワイヤボンディングにより形成されたワイヤ８２により互いに電気的に接続される（図２参照）。ＩＣ１５は、ワイヤボンディングにより形成された、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）等のワイヤ８３により基板１１の回路配線に電気的に接続される。センサチップ２及びＩＣ１５は、フリップチップ等により基板１１の回路配線に電気的に接続されてもよい。
　シールドカバー１６は、視野外からセンサチップ２に入射しようとする赤外線及びＩＣ１５に入射しようとする赤外線を遮断する。シールドカバー１６は、概略として直方体の箱状であり、下面の全面を開口する。シールドカバー１６は、センサチップ２及びＩＣ１５を覆うように、側壁部の下端部が基板１１に、導電性樹脂等により接合されることにより、基板１１に形成されたシールド層と共に赤外線を遮断する。シールドカバー１６は、例えばコバール等の金属材料から形成される。シールドカバー１６は、センサチップ２の上方の、上面の一部に矩形状の入射窓１６１を有する。入射窓１６１は、赤外線に対して透明であり、例えば貫通孔である。入射窓１６１は、センサチップ２の受光面に赤外線を入射させる。
　レンズ１７は、概略として矩形平板状であり、片面（上面）が平坦面、他面（下面）が凸面に形成された凸レンズである。レンズ１７は、センサチップ２の上方にセンサチップ２の受光面と平行に配置される。レンズ１７は、センサチップ２の受光面に赤外線を結像するように構成される。レンズ１７は、センサチップ２の受光面に赤外線を結像させる機能を有していればよい。例えば、レンズ１７は、両面が凸面に形成されていてもよく、片面が凹面で他面がその凹面よりも曲率の大きな凸面で形成されていてもよい。レンズ１７の凸面及び凹面は、放物面等の種々の曲率を有してもよい。
　ケース１８は、概略として直方体の箱状であり、下面の全面を開口する。ケース１８は、金属から形成される。ケース１８は、シールドカバー１６を覆うように、側壁部の下端部が、基板１１の接合用電極１２に、導電性樹脂等により接合されることにより、基板１１に設置される。ケース１８は、センサチップ２の上方の、上面の一部に矩形状の入射窓１８１を有する。入射窓１８１は、赤外線に対して透明であり、例えば貫通孔である。
　入射窓１８１は、レンズ１７の上面が、ケース１８の下方から入射窓１８１の周囲に接合可能なように、レンズ１７に沿う矩形形状である。入射窓１８１は、周囲にレンズ１７の上面が接合されることにより、レンズ１７を保持する。入射窓１８１は、レンズ１７を介してセンサチップ２に赤外線を入射させる。ケース１８は、樹脂等により入射窓１８１の周囲にレンズ１７が接合され、側壁部の下端部が基板１１の接合用電極１２に接合されることにより、内部を封止する。ケース１８の内部は、窒素ガス等の不活性ガスが充填されたり、真空雰囲気とされたりする。
　実施の形態に係る赤外線センサは、図２に示すように、人などの対象Ｐから放射される赤外線を、レンズ１７を介してセンサチップ２の受光面において受信する。ＩＣ１５は、例えば、図３に示すように、受信した赤外線に基づいたセンサチップ２の出力を読み出し、２次元の熱画像として出力可能である。
　センサチップ２は、図４に示すように、例えば８×８の格子状に配置された複数の画素部２１と、画素部２１に接続された複数のパッド部８０とを備える。複数の画素部２１は、センサチップ２の受光面を構成し、受信した赤外線に応じた信号を出力する。複数のパッド部８０は、画素部２１に対する信号を入出力するための電極である。
　図５Ａに示すように、画素部２１は、概略として額縁状の支持部２２と、支持部２２によりそれぞれ支持される複数の感温部２３と、支持部２２の一辺側に形成されたＭＯＳＦＥＴ４とを備える。１つの画素部２１は、実施の形態に係る赤外線センサが処理する熱画像の１画素に対応する。
　画素部２１は、例えば、主として、シリコン等の半導体基板２０１と、薄膜層（２０２，２０３）と、層間絶縁膜２０４と、パッシベーション膜２０５とが順に積層されて構成される。薄膜層（２０２，２０３）は、例えば、厚さが０．３μｍ程度のシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）２０２と、シリコン酸化膜２０２の上面に形成された、厚さが０．２５μｍ程度のシリコン窒化膜（Ｓｉ３Ｎ４）２０３とからなる。層間絶縁膜２０４は、例えば、ホウ素リンシリケートガラス（ＢＰＳＧ）等からなり、厚さが０．８μｍ程度である。パッシベーション膜２０５は、例えば、ノンドープトシリケートガラス（ＮＳＧ）膜やリンシリケートガラス（ＰＳＧ）等からなり、厚さが０．５μｍ程度である。
　画素部２１は、半導体基板２０１の上部が、周縁部に支持部２２を残すように選択的に除去されることにより形成された空隙部２０を有する。感温部２３は、それぞれ、概略として矩形平板状であり、例えば、支持部２２の互いに対向する２辺からそれぞれ３つずつ延伸するように形成される。感温部２３は、空隙部２０を塞ぐように、空隙部２０の上方に配置され、支持部２２により１辺を連結されることにより支持される。感温部２３は、パッシベーション膜２０５の上面から薄膜層（２０２，２０３）の下面まで貫通する第１のスリット、第３のスリット２８により互いに分割される。ここで、第１のスリットの延伸方向は、赤外線吸収部２４上における赤外線検知部３１の延伸方向に対して垂直である。また、第３のスリットの延伸方向は、第１のスリットの延伸方向に対して垂直である。なお、「垂直」とは設計誤差を許容する「実質的に垂直」であることを含む。そして、互いに隣接する感温部２３の角部は、Ｘ字形状の連結片２５により互いに連結される。
　感温部２３は、平面視Ｕ字形状に、パッシベーション膜２０５の上面から薄膜層（２０２，２０３）の下面まで貫通する形成された第２のスリット２９をそれぞれ有する。感温部２３は、第２のスリット２９により片持ち梁構造とされた赤外線吸収部２４をそれぞれ有する。赤外線吸収部２４は、支持部２２と連結しない感温部２３の先端側に連結される。
　感温部２３に位置する薄膜層（２０２，２０３）の上面には、互いに直列に接続された複数の熱電対から構成されるサーモパイルである赤外線検知部３１が形成される。赤外線検知部３１は、１つの画素部２１について全て互いに直列に接続される。赤外線検知部３１は、薄膜層（２０２，２０３）の上面に形成された、厚さが０．４５μｍ程度のポリシリコン層３００、温接点Ｔ１及び冷接点Ｔ２によりそれぞれ構成される。ポリシリコン層３００は、薄膜層（２０２，２０３）と層間絶縁膜２０４との間に位置する。
　温接点Ｔ１は、感温部２３と連結する支持部２２の２辺側から離れるように、感温部２３の先端側に形成される。温接点Ｔ１は、支持部２２から離れるように、複数の感温部２３の領域において中央部に偏って配置されることにより、温接点Ｔ１の温度変化を大きくできるので、赤外線検知部３１の感度を向上できる。冷接点Ｔ２は、感温部２３と連結する２辺側の支持部２２に形成される。
　複数の温接点Ｔ１と冷接点Ｔ２とを交互に直列に接続する赤外線検知部３１のポリシリコン層３００は、交互にｎ型、ｐ型となるようにドーピングされている。赤外線検知部３１を構成するｎ型及びｐ型のポリシリコン層３００は、温接点Ｔ１及び冷接点Ｔ２において分離され、温接点Ｔ１及び冷接点Ｔ２において、Ａｌ等を含む金属材料からなる接続部により電気的に接続される。
　温接点Ｔ１の近傍における赤外線検知部３１のポリシリコン層３００は、面積が他所より広くなるように形成された赤外線吸収層３４となっており、赤外線を吸収しやすくなっている。ポリシリコン層３００は、その他、赤外線吸収部２４及び感温部２３の先端部である赤外線吸収部２６に形成される。赤外線吸収部２４に形成されたポリシリコン層３００はｎ型の赤外線吸収層３２、赤外線吸収部２６に形成されたポリシリコン層３００はｎ型の赤外線吸収層３３となっている。互いに隣接する赤外線吸収層３３の角部は、連結片２５において、ｎ型にドーピングされたＸ字形状のポリシリコン層３００である補強層３５により互いに連結される。
　センサチップ２は、全ての感温部２３及び全ての支持部２２の１辺側に亘るように引き回されたｎ型にドーピングされたポリシリコン層３００である診断用ヒータ３６を備える。診断用ヒータ３６に通電することにより、感温部２３、支持部２２等の破損の有無を検出することができる。
　赤外線吸収部２４，２６は、薄膜層（２０２，２０３）、ポリシリコン層３００及び層間絶縁膜２０４である第１赤外線吸収部と、パッシベーション膜２０５である第２赤外線吸収部とから構成される。赤外線吸収部２４，２６は、第１赤外線吸収部の上面に、金属又はシリコン窒化膜を有し、互いに離間するように配置された複数の突起部６を備える。ここで、複数の突起部６は、周期的に配置されることが好ましい。突起部６は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、金（Ａｕ）、又は銅（Ｃｕ）等を含む金属からなる。突起部６は、その他、Ａｌ－Ｓｉ、Ａｌ－Ｓｉ－Ｃｕ、もしくはＡｌ－Ｃｕ等のアルミニウム合金、又はＴｉＮ等の金属窒化物等、又はシリコン窒化膜であってもよい。第２赤外線吸収部であるパッシベーション膜２０５は、第１赤外線吸収部及び複数の突起部６の上面に、複数の突起部６を覆うように形成される。
　複数の突起部６は、図６に示すように、赤外線吸収部２４，２６が吸収する赤外線の波長λより短い周期Ｔで、二次元アレイ状に配置される。波長λは、実施の形態に係る赤外線センサによる検知を所望する赤外線のターゲット波長であり、例えば温度３１０Ｋの人体を対象Ｐとして検知する場合、１０μｍとすることができる。この場合、例えば、突起部６の正方格子線方向の平面寸法をそれぞれ２μｍ、間隙を２μｍ、周期Ｔを４μｍとすることができる。
　複数の突起部６は、波長λに応じた周期性を有するので、互いの間隙において周期Ｔに応じた定在波のモードを有する。定在波のモードと対象Ｐからの赤外線の波長とが対応する場合において、突起部６が形成された第１赤外線吸収部は、受信する赤外線に対する吸収（放射）率が向上する。
　また、複数の突起部６は、突起部６を構成する金属の自由電子の集団振動であるプラズモンが周期性の影響を受けて赤外線と共鳴し、突起部６の表面に、周期Ｔに応じた特定のプラズモンが励起される。プラズモンの伝搬ベクトルと、赤外線の波数ベクトルとが整合する場合において、突起部６が形成された第１赤外線吸収部は、受信する赤外線に対する吸収（放射）率が向上する。
　図７に示すように、Ａｌにより形成された突起部６を備えるセンサチップ２の赤外線検知部３１の感度は、センサチップ２が突起部６を備えない場合と比べて高くなっている。また、Ａｌにより形成された突起部６を備えるセンサチップ２の赤外線検知部３１の感度は、それぞれ、Ｓｉ３Ｎ４、ポリシリコン及びＳｉＯ２により形成された突起部６を備える場合と比べても高くなっている。このように、金属からなる突起部６は、赤外線検知部３１の感度を向上させることができる。
　定在波による吸収は、突起部６の高さが深いときに顕著となり、プラズモンによる吸収は、突起部６の高さが浅いときに顕著となる。突起部６の高さは、定在波による吸収及びプラズモンによる吸収が最大となるように決定されればよく、例えば厚さが１μｍ程度とすることができる。
　複数の突起部６が、赤外線の波長λに応じて赤外線吸収部２４，２６に形成されることにより、赤外線吸収部２４，２６は赤外線の吸収率が向上する。複数の温接点Ｔ１は、それぞれ、赤外線吸収部２４，２６の上に配置されることにより、温接点Ｔ１の温度変化を大きくでき、赤外線吸収部２４，２６が吸収する赤外線に基づいて赤外線を検知する赤外線検知部３１の感度を向上できる。
　ＭＯＳＦＥＴ４は、それぞれ、図５Ａに示すように、支持部２２の半導体基板２０１の上面側に埋め込まれたｐ＋型のウェル領域４１において形成される電界効果トランジスタである。ＭＯＳＦＥＴ４は、それぞれｎ＋型であり、ウェル領域４１の上面側の一部に互いに離間して形成されたドレイン領域４２及びソース領域４３を有する。ウェル領域４１の上面側には、ドレイン領域４２及びソース領域４３を囲むように形成されたｐ＋＋型のチャンネルストッパ領域４４が形成されている。
　ドレイン領域４２とソース領域４３との間に位置するウェル領域４１の上面には、シリコン酸化膜（熱酸化膜）からなるゲート絶縁膜４５が形成され、ゲート絶縁膜４５の上面には、ｎ型のポリシリコンからなるゲート電極４６が形成される。ドレイン領域４２及びソース領域４３の上面には、それぞれＡｌ等を含む金属からなるドレイン電極４７及びソース電極４８が形成される。また、チャンネルストッパ領域４４の上面には、Ａｌ等を含む金属からなる電極４９が形成される。ゲート電極４６、ドレイン電極４７、ソース電極４８及び電極４９は、それぞれ、層間絶縁膜２０４に形成された図示を省略したコンタクトホールを充填するように形成される。
　画素部２１は、それぞれ支持部２２の一辺側に形成された第１配線５１、第２配線５２、第３配線５３及び第４配線５４を備える。第１配線５１、第３配線５３及び第４配線５４は、ＭＯＳＦＥＴ４が形成された１辺側に形成され、第２配線５２は、ＭＯＳＦＥＴ４が形成された１辺と直交する１辺側に形成される。
　第１配線５１は、図８に示すように、画素部２１の列毎に、出力パッドＶｏｕｔ１～Ｖｏｕｔ８に接続され、ＭＯＳＦＥＴ４のドレイン電極４７に接続される。第２配線５２は、画素部２１の行毎に、選択パッドＶｓｅｌ１～Ｖｓｅｌ８に接続され、ＭＯＳＦＥＴ４のゲート電極４６に接続される。第３配線５３は、共通パッドＶｃｈに接続され、各画素部２１のＭＯＳＦＥＴ４のウェル領域４１に接続される。第４配線５４は、基準パッドＶｒｅｆに接続され、各画素部２１の赤外線検知部３１の一端に接続される。基準パッドＶｒｅｆは、基準電位に接続される。赤外線検知部３１の他端は、それぞれソース電極４８に接続される。その他、センサチップ２は、半導体基板２０１に接続される基板パッドＶｓｕを備える。
　ＭＯＳＦＥＴ４が順次オンとなるように選択パッドＶｓｅｌ１～Ｖｓｅｌ８の電位がＩＣ１５により制御されることにより、出力パッドＶｏｕｔ１～Ｖｏｕｔ８は、各画素部２１の出力電圧を順次ＩＣ１５に出力することができる。
　また、センサチップ２は、各ＭＯＳＦＥＴ４のゲート電極４６、ソース電極４８の間に過電圧が印加されるのを防止する複数のツェナーダイオードＺＤを備える。各ツェナーダイオードＺＤのカソードは第２配線５２にそれぞれ接続され、アノードは保護パッドＶｚｄに接続される。
　実施の形態に係る赤外線センサによれば、互いに離間するように配置された複数の突起部６を備えることにより、赤外線吸収部２４，２６の赤外線の吸収率が向上されるので、高感度とすることができる。また、熱容量の増加を低減できる。なお、複数の突起部６は周期的に配置されることが好ましい。また、突起部６の材料が金属である場合には、感度をより高めることが可能である。また、突起部６の材料がシリコン窒化膜である場合には、引っ張り応力を加えることが可能であり、膜全体としての応力バランスを保つことが可能である。また、突起部６として、金属、及びシリコン窒化膜などの引っ張り応力を有する材料の両方を含んだ膜を利用しても構わない。
　また、実施の形態に係る赤外線センサによれば、突起部６が、Ａｌを含む金属から形成されることにより、製造コストを低減できる。
　また、実施の形態に係る赤外線センサによれば、突起部６が、吸収する赤外線の波長よりも短い周期で配置されることにより、赤外線の吸収率を更に向上できる。
　また、実施の形態に係る赤外線センサによれば、パッシベーション膜２０５を備えることにより、更に赤外線の吸収率を向上できると共に、製造工程において突起部６が耐性を有さない工程を採用でき、工程上の制約を低減できる。
　また、上記においては、図５Ａ、図５Ｂに示すように、複数の突起部６の一部が線状の第１のスリット２８に沿っている配置が開示されている。また、図５Ａ、図５Ｂに示すように、複数の突起部６の一部がＣ字状の第２のスリット２９に囲まれる配置について開示されている。しかし、この配置に限定されることはない。例えば、図９、図１０は、赤外線吸収部に配置されるスリットと突起部の配置の概略図を示している。
　まず、図９、図１０に示すように、線状の第３のスリット２８に沿うように突起部６が配置されていても構わない。
　また、図５Ａ、図５Ｂ、図９においては、突起部６がＣ字状の第２のスリット２９に囲まれ、かつ、突起部６がＣ字状の第２のスリットに沿うように配置されている様子を開示しているが、これに限定されない。例えば、図１０に示すように、突起部６はＣ字状の第２のスリットの全てに沿っていなくても構わない。
　なお、赤外線検知部は、図９、図１０においては開示していないが、複数の突起部６とオーバーラップしないように配置されていれば構わない。
　（その他の実施の形態）
　上記のように、実施の形態を説明したが、この開示の一部をなす論述及び図面は本発明を限定するものではない。
　例えば、上記の実施の形態おいて、赤外線吸収部２４，２６は、図１１に示すように、第２赤外線吸収部であるパッシベーション膜２０５を備えない構成であってもよい。なお、図１１は図１０のＡ－Ａにおける断面概略図である。
　また、例えば、図１２Ａ、図１２Ｂに示すような赤外線センサであっても構わない。図１２Ａは赤外線センサの平面概略図を示し、図１２Ｂは、図１２ＡにおけるＡ－Ａ’断面概略図を示している。
　図１２Ａ、図１２Ｂにおいては、例えば、スリット３０に囲まれるポリシリコン層３００を有する赤外線吸収部２４が空隙部２０上に配置されている。そして、突起部６がスリット３０に囲まれるように配置されている。ここで、突起部６の全てがスリット３０によって囲まれていることが好ましい。また、突起部６は、隣接する突起部６と略等間隔になるように、周期的に配置されていることが好ましい。また、隣接する突起部６間の距離よりも突起部６とスリット３０間の距離の方が長いことが好ましい。なお、スリット３０間に配置される赤外線検知部３１を介して赤外線吸収部２４が検出した赤外線に関する信号を外部に送ることとなる。
　また、上記の実施の形態おいて、突起部６の平面パターンは、正方形に限るものでなく、長方形、他の多角形、円形、楕円形等であってもよい。
　（製造方法の説明）
　以下、赤外線センサの製造方法の一例について、図１３Ａ～図１６Ｂを参照して説明する。なお、図１３Ａ～図１６Ｂは、図５ＡのＡ－Ａ断面図に対応している。図５Ｂと図１５Ｂは対応しているが、完全に一致していないこともある。
　以下、図１３Ａに示す構造の形成方法を説明する。まず、ｎ型のシリコン基板を用いた半導体基板２０１の一表面側に絶縁層を形成する工程を行う。絶縁層は、シリコン酸化膜２０２と、シリコン窒化膜２０３との積層膜により形成することができる。シリコン酸化膜２０２は、たとえば、半導体基板２０１を１１００℃に加熱して、半導体基板２０１を熱酸化することにより形成することができる。シリコン酸化膜２０２の膜厚は、たとえば、０．３μｍとすることができる。シリコン窒化膜２０３は、ＬＰＣＶＤ（Ｌｏｗ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により形成することができる。シリコン窒化膜２０３の膜厚は、たとえば、０．１μｍとすることができる。シリコン窒化膜２０３は、シリコン窒化膜２０３を含む赤外線吸収部２４、２６の膜厚中心に対して、半導体基板２０１側で引張応力を生じる第１応力層として機能できる。その後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して、ＭＯＳＦＥＴ４を形成するための領域に対応する絶縁層の部分をパターニングしてエッチング除去する工程を行う。以上により、図１３Ａに示す構造を得る。なお、絶縁層を形成するための工程では、絶縁層のうち赤外線検知部３１を形成するための領域に対応する部分を残している。
　以下、図１３Ｂに示す構造の形成方法を説明する。まず、半導体基板２０１の一表面側にシリコン酸化膜からなる第１の熱酸化膜６１、ｐ型（ｐ＋）のウェル領域４１を形成する工程を行う。続いて、半導体基板２０１の一表面側におけるウェル領域４１内にｐ型（ｐ＋＋）のチャネルストッパ領域４４を形成し、半導体基板２０１の一表面側にシリコン酸化膜からなる第２の熱酸化膜６２を形成する工程を行う。その後、ＭＯＳＦＥＴ４のしきい値電圧を制御するためのイオンを注入する工程を行う。なお、ウェル領域４１、チャネルストッパ領域４４を形成するためのｐ型の不純物として、たとえば、ボロンを用いることができる。以上より、図１３Ｂに示す構造を得る。
　以下、図１４Ａに示す構造の形成方法を説明する。まず、ｎ型（ｎ＋）のドレイン領域４２およびｎ型（ｎ＋）のソース領域４３をウェル領域４１に形成する工程を行う。ここで、ドレイン領域４２、ソース領域４３を形成するためのｎ型の不純物として、たとえば、リンなどのｎ型の不純物を用いることができる。その後、半導体基板２０１の一表面側に、たとえば、熱酸化により所定膜厚のシリコン酸化膜からなるゲート絶縁膜４５を形成する工程を行う。ここで、ゲート絶縁膜４５は、たとえば、厚さが６０ｎｍの熱酸化膜により形成することができる。その後、ＬＰＣＶＤ法により、半導体基板２０１の一表面側の全面にゲート電極４６、赤外線吸収層３２、３３、３４、及び赤外線検知部３１の基礎となるノンドープ多結晶シリコン層を形成する工程を行う。その後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して、ノンドープ多結晶シリコン層のうち、ゲート電極４６、赤外線吸収層３２、３３、３４、及び赤外線検知部３１に対応する部分が残るようにパターニングする工程を行う。その後、ノンドープ多結晶シリコン層のうち、ゲート電極４６、所定の赤外線吸収層３２、３３、３４及び赤外線検知部３１に対応する部分にｎ型の不純物のイオン注入を行ってからドライブインを行う。ここで、イオン注入を行うｎ型の不純物として、たとえば、リンを用いることができる。以上により、ｎ型多結晶シリコンからなるゲート電極４６、赤外線吸収層３２、３３、３４、及び赤外線検知部３１を形成することができる。また、ノンドープ多結晶シリコン層のうち、所定の赤外線吸収層３２、３３、３４、赤外線検知部３１に対応する部分にｐ型の不純物のイオン注入を行ってからドライブインを行う。ここで、イオン注入を行うｐ型の不純物として、たとえば、ボロンを用いることができる。以上により、ｐ型多結晶シリコンからなる赤外線吸収層３２、３３、３４、及び赤外線検知部３１を形成することができる。以上より、図１４Ａに示す構造を得る。
　以下、図１４Ｂに示す構造の形成方法を説明する。まず、半導体基板２０１の一表面側で赤外線検知部３１、及び赤外線吸収層３２、３３、３４を覆うように層間絶縁膜２０４を形成する。層間絶縁膜２０４を形成する方法としては、例えば、ＣＶＤ法を用いることができ、材料としてはＢＰＳＧ膜を用いることができる。その後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して、層間絶縁膜２０４に温接点Ｔ１用のコンタクトホール５０Ａおよび電極４９用のコンタクトホール５０Ｆを形成する。なお、電極４９は、例えばグラウンド用電極として用いられる。また、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して、層間絶縁膜２０４にソース電極４８用のコンタクトホール５０Ｅおよびドレイン電極４７用のコンタクトホール５０Ｄを形成する。以上より、図１４Ｂに示す構造を得る。
　以下、図１５Ａに示す構造の形成方法を説明する。まず、半導体基板２０１の一表面側の全面に温接点Ｔ１、冷接点Ｔ２、基準バイアス線、電極４９、ソース電極４８、ドレイン電極４７などの基礎となる金属膜を形成する。金属膜を形成する方法としては、例えば、スパッタ法、ＣＶＤ法、又は蒸着法などがある。ここで、該金属膜の材料として、たとえば、Ａｌ－Ｓｉを用いることができる。該金属膜は、たとえば、膜厚を２μｍとすればよい。その後、金属膜をパターニングすることで温接点Ｔ１、基準バイアス線、電極４９、ソース電極４８、ドレイン電極４７などを形成する。パターニング方法としては、例えば、フォトリソグラフィ技術およびＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ　Ｉｏｎ　Ｅｔｃｈｉｎｇ）などのエッチング技術を用いることができる。その後、赤外線吸収部２４、２６の膜厚中心に対して半導体基板２０１と反対側に突起部６を形成する。突起部６は、引張応力を生じる第２応力層として機能できる。突起部６を形成するためには、層間絶縁膜２０４の一部を構成するＢＰＳＧ膜上に、突起部６を形成するための膜を成膜する。ここで、突起部６を形成するための膜の材料としては、例えばアルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、金（Ａｕ）、又は銅（Ｃｕ）等を含む金属、又は、Ａｌ－Ｓｉ、Ａｌ－Ｓｉ－Ｃｕ、もしくはＡｌ－Ｃｕ等のアルミニウム合金、又はＴｉＮ等の金属窒化物等、又はシリコン窒化膜などから構成されることが好ましい。なお、突起部６を形成するための膜は、たとえば、０．１μｍの膜厚で形成すればよい。その後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して、赤外線吸収部２４、２６の平面視において、所定の間隔を空けて複数個の島状となるように、該膜をパターニングして、突起部６を形成する。以上により、図１５Ａに示す構造を得る。ここで、突起部６は、平面視において、正方形に形成している。なお、突起部６は、正方形だけでなく、長方形、菱形、三角形、五角形以上の多角形、円形、楕円形や星形など種々の形状とすることができる。突起部６は、平面視において、三角形に形成する場合、赤外線吸収部２４の外形形状に応じて隙間なく形成することが容易となる。突起部６を形成するための膜としてシリコン窒化膜を用いる場合には、該膜は、たとえば、ＬＰＣＶＤ法やスパッタリング法により形成することができる。該膜は、成膜方法や成膜条件を調整することにより、該膜自体の引張応力を調整することもできる。該膜の応力は、ＵＶラマン分光法などを用いることにより測定することができる。
　以下、図１５Ｂに示す構造の形成方法を説明する。まず、半導体基板２０１の一表面側にＰＳＧ膜とＮＳＧ膜との積層膜からなるパッシベーション膜２０５を形成する。ここで、ＰＳＧ膜は、たとえば、０．５μｍに形成することができる。ＮＳＧ膜は、たとえば、０．５μｍに形成することができる。パッシベーション膜２０５を形成する工程では、ＣＶＤ法によってパッシベーション膜２０５を形成する。以上により、図１５Ｂに示す構造を得る。
　以下、図１６Ａに示す構造の形成方法を説明する。まず、シリコン酸化膜２０２、シリコン窒化膜２０３、層間絶縁膜２０４、パッシベーション膜２０５などを備えた多層膜に第１、第３のスリット２８、第２のスリット２９となる開口部を形成する。形成方法としては、例えば、フォトリソグラフィ技術およびＲＩＥなどのエッチング技術を利用することができる。以上により、図１６Ａに示す構造を得る。
　以下、図１６Ｂに示す構造の形成方法を説明する。まず、第１、第３のスリット２８、第２のスリット２９となる開口部をエッチング液導入孔としてエッチング液を導入し半導体基板２０１を異方性エッチングする。これにより半導体基板２０１に空隙部２０を形成することが可能である。エッチング液は、たとえば、８５℃に加熱したＴＭＡＨ（Ｔｅｔｒａｍｅｔｈｙｌ　Ａｍｍｏｎｉｕｍ　Ｈｙｄｒｏｘｉｄｅ）液などを用いることができるが、これに限定されない。エッチング液として、たとえば、ＫＯＨ溶液などの他のアルカリ系溶液を用いてもよい。以上により、図１６Ｂに示す構造を得る。
　なお、図１６Ｂに示す構造を形成する工程が終了するまでの全工程をウェハレベルで行った後、複数の赤外線センサに分離することで、チップ状の複数の赤外線センサを形成することができる。
　本発明の赤外線センサによれば、製造コストが低く、又は、高感度で、又は、熱容量の増加を低減することができ、有用である。
　Ｔ１　温接点
　６　突起部
　２４，２６　赤外線吸収部
　３１　赤外線検知部
　２０２　シリコン酸化膜（第１赤外線吸収部）
　２０３　シリコン窒化膜（第１赤外線吸収部）
　２０４　層間絶縁膜（第１赤外線吸収部）
　２０５　パッシベーション膜（第２赤外線吸収部）

Claims (14)

  1. 　第１赤外線吸収部と、
    　前記第１赤外線吸収部が吸収する赤外線に基づいて赤外線を検知する赤外線検知部と、
    　金属又はシリコン窒化膜を有し、前記第１赤外線吸収部の表面に、互いに離間するように配置される複数の突起部と
    　を備えることを特徴とする赤外線センサ。
  2. 　前記第１赤外線吸収部には、平面視においてスリットが配置されており、
    　前記複数の突起部の全てが前記スリットにより囲まれていることを特徴とする請求項１に記載の赤外線センサ。
  3. 　隣接する前記突起部間の距離よりも前記突起部と前記スリットとの間の距離の方が長いことを特徴とする請求項２に記載の赤外線センサ。
  4. 　前記第１赤外線吸収部には、平面視において線状の第１のスリットが配置されており、
    　前記複数の突起部の一部は、前記第１のスリットに沿って配置されていることを特徴とする請求項１に記載の赤外線センサ。
  5. 　前記第１赤外線吸収部には、平面視においてＣ字状の第２のスリットが配置されており、
    　前記複数の突起部の一部は、前記第２のスリットに囲まれるように配置されていることを特徴とする請求項１又は４に記載の赤外線センサ。
  6. 　前記複数の突起部の一部は、前記第２のスリットに沿って配置されていることを特徴とする請求項５に記載の赤外線センサ。
  7. 　前記第１赤外線吸収部には、平面視において線状の第３のスリットが配置されており、
    　前記第１のスリットの延伸方向は、前記第３のスリットの延伸方向に対して垂直であり、
    　前記複数の突起部の一部は、前記第３のスリットに沿って配置されていることを特徴とする請求項４～６のいずれか１つに記載の赤外線センサ。
  8. 　前記赤外線検知部は、前記第１赤外線吸収部上に配置されており、
    平面視において前記赤外線検知部と前記複数の突起部はオーバーラップしていないことを特徴とする請求項１～６のいずれか１項に記載の赤外線センサ。
  9. 　前記第１赤外線吸収部は、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜の積層構造を有することを特徴とする請求項１～８のいずれか１つに記載の赤外線センサ。
  10. 　前記第１赤外線吸収部は半導体基板の表面に形成された空隙部上に配置されていることを特徴とする請求項１～９のいずれか１項に記載の赤外線センサ。
  11. 　前記複数の突起部は、アルミニウムを含む金属からなることを特徴とする請求項１～１０のいずれか１項に記載の赤外線センサ。
  12. 　前記複数の突起部は、前記第１赤外線吸収部が吸収する赤外線の波長より短い周期で配置されることを特徴とする請求項１～１１のいずれか１項に記載の赤外線センサ。
  13. 　前記第１赤外線吸収部及び前記複数の突起部の上面に、前記複数の突起部を覆うように形成された薄膜状の第２赤外線吸収部を更に備えることを特徴とする請求項１～１２のいずれか１項に記載の赤外線センサ。
  14. 　前記赤外線検知部は、複数の熱電対から構成され、
    　前記複数の熱電対の温接点は、それぞれ、前記第１赤外線吸収部の上に配置されることを特徴とする請求項１～１３のいずれか１項に記載の赤外線センサ。
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