熱型赤外線検出素子
【課題】入射赤外線の効率的に吸収して感度を向上させることができる熱型赤外線検出素子の構造、特に、受光部を構成する赤外線吸収膜の構造の提供。
【解決手段】熱型赤外線検出素子の受光部１１を構成する赤外線吸収膜（第１の赤外線吸収膜５、第２の赤外線吸収膜７及び第３の赤外線吸収膜９）を、８〜１４μｍの波長帯（大気の窓）の短波長側（略８〜１０μｍ）で吸収率が大きい新規なＳｉＣＯを材料とする膜と、上記波長帯の長波長側（略１０〜１４μｍ）で吸収率が大きいＳｉＯやＳｉＮ、ＳｉＣ、ＳｉＯＮ、ＳｉＣＮなどを材料とする膜とを組み合わせた積層膜とする。これにより、従来の熱型赤外線検出素子では有効に利用することができなかった短波長側の赤外線をＳｉＣＯ膜で吸収して上記波長帯全般の赤外線を有効に利用し、熱型赤外線検出素子の感度を向上させることができる。
【解決手段】熱型赤外線検出素子の受光部１１を構成する赤外線吸収膜（第１の赤外線吸収膜５、第２の赤外線吸収膜７及び第３の赤外線吸収膜９）を、８〜１４μｍの波長帯（大気の窓）の短波長側（略８〜１０μｍ）で吸収率が大きい新規なＳｉＣＯを材料とする膜と、上記波長帯の長波長側（略１０〜１４μｍ）で吸収率が大きいＳｉＯやＳｉＮ、ＳｉＣ、ＳｉＯＮ、ＳｉＣＮなどを材料とする膜とを組み合わせた積層膜とする。これにより、従来の熱型赤外線検出素子では有効に利用することができなかった短波長側の赤外線をＳｉＣＯ膜で吸収して上記波長帯全般の赤外線を有効に利用し、熱型赤外線検出素子の感度を向上させることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱型赤外線検出素子に関し、特に、熱型赤外線検出素子の受光部を構成する赤外線吸収膜に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱型の赤外線検出素子は、一般に、物体から放射された赤外線を赤外線吸収膜で吸収して熱に変換し、マイクロブリッジ構造のダイアフラムを構成するボロメータ薄膜等の感熱抵抗体の温度を上昇させてその抵抗を変化させ、感熱抵抗体の抵抗変化から対象物の温度を測定するものである。
【０００３】
具体的に説明すると、この種の熱型赤外線検出素子は、ボロメータ層と入射赤外線を吸収すると共にボロメータ層を保護する赤外線吸収膜とを備える受光部と、ボロメータ層と回路基板に予め形成された読み出し回路とを接続する配線を備える梁とで構成され、この梁により、受光部が回路基板の上に浮いた形で存在している。そして、入射した赤外線が赤外線吸収膜で吸収されて受光部の温度が上昇すると、ボロメータ層の抵抗が変化し、その抵抗変化が読み出し回路で検出されて、温度として出力される。このような構造の熱型赤外線検出素子は、例えば、特開２００２−７１４５２号公報などに記載されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−７１４５２号公報（第５−８頁、第６図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した熱型赤外線検出素子の感度（Ｓ／Ｎ比）を上げるためには、第１に、受光部の温度変化に対するボロメータ層の抵抗変化を大きくすることが重要であり、そのために、ボロメータ層として抵抗温度係数（ＴＣＲ：Temperature Coefficient Resistance）の大きい材料が使用されている。また、第２に、入射赤外線の吸収効率を上げることも重要であり、そのために、回路基板上の受光部に対向する位置に赤外線反射膜を設け、光学的共振構造が形成されるように受光部と赤外線反射膜との間隔が設定されている。更に、入射赤外線に対する吸収効率を上げるために、受光部を構成する赤外線吸収膜を、異なる材料からなる膜の積層構造にすることも行われている。
【０００６】
ここで、熱型赤外線検出素子は、大気の窓と呼ばれる８〜１４μｍの波長帯の赤外線を検出するものであることから、赤外線吸収膜は上記波長帯の赤外線を吸収する材料で構成する必要があり、また、製造上の観点から成膜やエッチングなどが容易な材料で構成する必要もある。そこで、上記要求を満たす材料として、従来は、酸化シリコン（ＳｉＯ）や窒化シリコン（ＳｉＮ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）、炭窒化シリコン（ＳｉＣＮ）などが用いられていた。
【０００７】
しかしながら、これらの材料は上記波長帯の赤外線を吸収するものの、吸収率は上記波長帯の長波長側（略１０〜１４μｍ）で大きく、短波長側（略８〜１０μｍ）で小さいため、上記波長帯の短波長側の赤外線を有効に利用しているとは言えない。
【０００８】
具体的に説明すると、図１４に示すように、ＳｉＣは波長１３μｍ近傍で吸収率が最大となり、ＳｉＮやＳｉＣＮ、ＳｉＯＮは波長１２μｍ近傍で吸収率が最大となり、上記波長帯の長波長帯側の赤外線の吸収率は大きいが短波長側では吸収率が急激に小さくなり、ＳｉＯＮやＳｉＮでは、８〜１２μｍの波長帯における吸収率はたかだか２０％程度にしかならない。また、ＳｉＯは１０μｍ近傍で吸収率が最大になるが、ＳｉＮやＳｉＯＮ、ＳｉＣに比べて吸収率が全体的に小さいため、上記波長帯の赤外線を効率的に吸収することはできない。そのため、これらの材料からなる赤外線吸収膜を組み合わせて積層したとしても上記波長帯の短波長側の赤外線を有効に利用することができず、その結果、熱型赤外線検出素子の感度を十分に上げることができないという問題があった。
【０００９】
また、赤外線の吸収効率を上げる方法として赤外線吸収膜を厚くする方法も考えられるが、赤外線吸収膜を厚くすると受光部の熱容量が大きくなって入射赤外線に対する温度変化が小さくなってしまい、また、赤外線吸収膜は梁にも形成されていることから梁が太くなって回路基板側に流出する熱量が増加してしまい、この方法では熱型赤外線検出素子の感度を上げることができない。
【００１０】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、その主たる目的は、入射赤外線を効率的に吸収して感度を向上させることができる熱型赤外線検出素子の構造、特に、受光部を構成する赤外線吸収膜の構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明の構造体は、略８〜１４μｍの波長帯の赤外線を吸収するための構造体であって、前記構造体は複数種類の膜からなり、前記複数種類の膜の中にＳｉＣＯを材料とする膜を含むものである。
【００１２】
また、本発明の熱型赤外線検出素子は、感熱抵抗体と赤外線吸収膜とを備える受光部が、一端が基板に固定される梁によって中空に保持されてなる熱型赤外線検出素子において、前記赤外線吸収膜は複数種類の膜からなり、前記複数種類の膜の中にＳｉＣＯを材料とする膜を含むものである。
【００１３】
また、本発明の熱型赤外線検出素子は、感熱抵抗体と赤外線吸収膜とを備える受光部が、一端が基板に固定される梁によって中空に保持されてなる熱型赤外線検出素子において、前記赤外線吸収膜は複数種類の膜からなり、前記複数種類の膜は、ＳｉＣＯを材料とする膜と、ＳｉＯ、ＳｉＮ、ＳｉＣ、ＳｉＯＮ及びＳｉＣＮの中のいずれかを材料とする膜とで構成されているものである。
【００１４】
また、本発明の熱型赤外線検出素子は、感熱抵抗体と赤外線吸収膜とを備える受光部と、一端が前記感熱抵抗体に接続され他端が基板に形成された回路に接続される配線を含む梁とで構成され、前記受光部が前記梁によって中空に保持されてなる熱型赤外線検出素子において、前記赤外線吸収膜は、前記感熱抵抗体の下層に形成される第１の赤外線吸収膜と、前記感熱抵抗体の上層に形成される第２の赤外線吸収膜と、前記第２の赤外線吸収膜に設けたスルーホールを介して前記感熱抵抗体に接続される前記配線の上層に形成される第３の赤外線吸収膜とを含む複数種類の膜からなり、前記複数種類の膜は、ＳｉＣＯを材料とする膜と、ＳｉＯ、ＳｉＮ、ＳｉＣ、ＳｉＯＮ及びＳｉＣＮの中のいずれかを材料とする膜とで構成されているものである。
【００１５】
本発明においては、前記ＳｉＣＯを材料とする膜は、最表層を除く層に形成されている構成とすることができる。
【００１６】
また、本発明においては、前記複数種類の膜の内、一部の膜は前記受光部のみに形成され、他の膜は前記受光部及び前記梁の双方に連続して形成されている構成とすることもできる。
【００１７】
また、本発明においては、前記ＳｉＣＯからなる膜は、略９〜１０μｍの波長帯において赤外線に対する吸収率が最大になることが好ましい。
【００１８】
このように、本発明では、熱型赤外線検出素子の受光部を構成する赤外線吸収膜などの赤外線を吸収する構造体を、８〜１４μｍの波長帯の短波長側で吸収率が大きいＳｉＣＯを材料とする膜と、上記波長帯の長波長側で吸収率が大きいＳｉＯやＳｉＮ、ＳｉＣ、ＳｉＯＮ、ＳｉＣＮなどを材料とする膜とを組み合わせた積層構造にしているため、従来の熱型赤外線検出素子では有効に利用することができなかった短波長側の赤外線を効率的に吸収することができ、これにより、熱型赤外線検出素子の感度を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１９】
以上説明したように、本発明の熱型赤外線検出素子によれば、８〜１４μｍの波長帯の大気の窓を通過して入射する赤外線を効率的に吸収することができ、これにより、熱型赤外線検出素子の感度を向上させることができる。
【００２０】
その理由は、熱型赤外線検出素子の受光部を構成する赤外線吸収膜を、上記波長帯の短波長側（略８〜１０μｍ）で吸収率が大きい、本願発明者が新規に見出したＳｉＣＯを材料とする膜と、上記波長帯の長波長側（略１０〜１４μｍ）で吸収率が大きいＳｉＯやＳｉＮ、ＳｉＣ、ＳｉＯＮ、ＳｉＣＮなどを材料とする膜とを組み合わせた積層膜としているため、従来の熱型赤外線検出素子では有効に利用することができなかった短波長側の赤外線をＳｉＣＯ膜で吸収することができるからである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
従来技術で示したように、８〜１４μｍの波長帯の大気の窓を通過する赤外線を検出する熱型赤外線検出素子の感度を向上させるためには、赤外線の吸収特性のよい材料で受光部を構成する赤外線吸収膜を形成することが重要であるが、従来より用いられているＳｉＯやＳｉＮ、ＳｉＣ、ＳｉＯＮ、ＳｉＣＮなどの材料は、いずれも８〜１０μｍ近傍の赤外線の吸収率が小さく、入射する赤外線を有効に利用することができないという問題があった。
【００２２】
上記問題に対して、本願発明者は、様々な原料を用いて赤外線吸収膜を形成し、形成した赤外線吸収膜の赤外線吸収特性を測定した結果、シリコンと炭素と酸素とが１：１：１に結合して得られるＳｉＣＯが、成膜やエッチングが容易でプロセス適合性がよく、また、保護膜としての機能も十分に有し、更に、上記波長帯の中の短波長側（９〜１０μｍ近傍）で吸収率が最大となり、ピークの吸収率が他の材料に比べて非常に高い（５０％以上）ことを見出した。
【００２３】
そこで、熱型赤外線検出素子の受光部を構成する赤外線吸収膜を、新規に見出したＳｉＣＯを材料とする膜と、公知の材料であるＳｉＯやＳｉＮ、ＳｉＣ、ＳｉＯＮ、ＳｉＣＮなどを材料とする膜とを組み合わせた積層構造にすることにより、上記波長帯の短波長側から長波長側に至る広い範囲で赤外線吸収率を高めることに成功し、これにより、受光部の温度変化を大きくし、熱型赤外線検出素子の感度を向上させることができた。
【００２４】
なお、このＳｉＣＯを材料とする膜を単独で使用すると上記波長帯の長波長側の吸収率が低下することから、本発明では新規なＳｉＣＯを材料とする膜と長波長側の吸収率が大きい従来の膜とを組み合わせて使用するが、積層構造の赤外線吸収膜の中のどの膜にＳｉＣＯ膜を適用するかは任意であり、ＳｉＣＯ膜と組み合わせる他の膜の種類も任意に選択することができる。以下、このＳｉＣＯ膜を赤外線吸収膜として利用した熱型赤外線検出素子について図面を参照して説明する。
【実施例】
【００２５】
上記した本発明の実施の形態についてさらに詳細に説明すべく、本発明の一実施例に係る熱型赤外線検出素子について、図１乃至図１３を参照して説明する。図１は、本実施例の熱型赤外線検出素子の一画素を電流経路に沿って描いた断面図であり、図２は、ＳｉＣＯを含む各種材料の赤外線吸収特性を示す図である。また、図３は、ＳｉＣＯ／ＳｉＯＮ積層膜の赤外線吸収特性を示す図であり、図４は、ＳｉＣＯ、ＳｉＣＮ、ＳｉＯＮを単層膜とした場合と積層膜とした場合の赤外線吸収特性を示す図である。図５乃至図１１は、本実施例に係る熱型赤外線検出素子の製造方法を示す工程断面図であり、図１２及び図１３は、本実施例の熱型赤外線検出素子の他の構造を示す断面図である。
【００２６】
図１に示すように、本実施例の熱型赤外線検出素子は、シリコンウェハなどの半導体ウェハ内部にＣＭＯＳプロセスにより読み出し回路２が作り込まれた回路基板１上に、Ａｌ、Ｔｉ、Ｗ、それらのシリサイド膜などからなる赤外線反射膜３が形成され、その上層にシリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜などからなる保護膜４が形成されている。また、空洞部１２は、デバイス製造の途中段階ではパタ−ニングされた感光性ポリイミドで埋められており、デバイス製造の最終工程で酸素プラズマのアッシング等により除去される。この空洞部１２を埋めている層は、一般的に犠牲層と呼ばれ、この犠牲層の上に受光部１１が形成され、犠牲層の側面には、受光部１１の端部に接続される梁１０が形成されている。
【００２７】
受光部１１は、例えば、酸化バナジウムなどのボロメ−タ層６と８〜１４μｍの波長帯の赤外線を吸収すると共にボロメ−タ層６を保護する積層構造の赤外線吸収膜（ここでは、第１の赤外線吸収膜５、第２の赤外線吸収膜７及び第３の赤外線吸収膜９）とで構成されている。また、梁１０は、Ｔｉなどの配線８と該配線８を保護する保護膜（ここでは受光部１１と同様の第１の赤外線吸収膜５、第２の赤外線吸収膜７及び第３の赤外線吸収膜９）とで構成され、回路基板１から空洞部１２を介して受光部１１を宙に浮かせるように支持し、熱分離構造を実現している。
【００２８】
そして、８〜１４μｍの波長帯の大気の窓を通過して入射する赤外線は、第１の赤外線吸収膜５、第２の赤外線吸収膜７及び第３の赤外線吸収膜９で吸収されて受光部１１の温度を上昇させ、受光部１１の温度上昇に伴ってボロメ−タ層６の抵抗が変化し、このボロメ−タ層６の抵抗変化が、電極部１３、配線８、コンタクト部１４を介して接続される読み出し回路２で検出される。
【００２９】
なお、ボロメ−タ材料は抵抗温度係数（ＴＣＲ）が大きい材料であればよく、酸化バナジウム以外に、ＮｉＭｏＣｏ酸化物、Ｔｉ金属薄膜、多結晶シリコン薄膜、非晶質シリコン薄膜、非晶質ゲルマニウム薄膜、非晶質シコンゲルマニウム薄膜、（Ｌａ、Ｓｒ）ＭｎＯ３薄膜、ＹＢａＣｕＯ薄膜などを用いることもできる。また、配線８の材料としては、熱伝導率が小さければよく、Ｔｉ以外にＴｉ合金やＮｉＣｒでもよい。また、多結晶シリコンや非晶質シリコンをボロメ−タ材料に使用する場合には、配線８の代わりに、シリコンにボロンや砒素を高濃度に注入・拡散したものを使うこともできる。
【００３０】
ここで、第１の赤外線吸収膜５や第２の赤外線吸収膜７、第３の赤外線吸収膜９の材料として、従来はＳｉＯやＳｉＮ、ＳｉＣ、ＳｉＯＮ、ＳｉＣＮなどが用いられていたが、図２に示すように、これらの材料は８〜１４μｍの波長帯の大気の窓の長波長側の吸収率が大きく、短波長側の吸収率が小さいため、これらの材料を組み合わせたとしても大気の窓を通過して入射する赤外線を効率的に吸収することができないという問題があった。そこで、本実施例では、本願発明者が新規に見出したＳｉＣＯが、９〜１０μｍで吸収率が最大になるという特徴を生かし、上記赤外線吸収膜のいずれかにＳｉＣＯ膜を用いることによって入射赤外線を効率的に吸収できるようにしている。
【００３１】
このＳｉＣＯ膜は、ＲＦスパッタ法やプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を用いて形成することができる。例えば、ＲＦスパッタ法の場合は、ＳｉＣをターゲットとし、Ａｒ及びＯ２ガスを用いて、ガス圧：０．０１Ｔｏｒｒ程度、ＲＦパワー：１００Ｗ程度の成膜条件で容易に形成することができ、また、プラズマＣＶＤ法の場合は、ＳｉＨ４、Ｃ３Ｈ８、Ｎ２Ｏを原料ガスとし、成膜温度：２５０℃程度、ガス圧：１Ｔｏｒｒ程度の成膜条件で容易に形成することができ、上記成膜条件では、シリコンと炭素と酸素とが１：１：１に結合した膜が形成されることを確認している。
【００３２】
また、プラズマＣＶＤ法の場合は、原料ガスを変えれば異なる種類の膜を連続して成膜することができる。例えば、原料ガスとしてＳｉＨ４、ＮＨ３、Ｎ２Ｏ、Ｎ２を用いて成膜した後、原料ガスをＳｉＨ４、Ｃ３Ｈ８、Ｎ２Ｏに変えて成膜すれば、１２μｍ近傍で吸収率が最大となるＳｉＯＮ膜上に、９〜１０μｍで吸収率が最大となるＳｉＣＯ膜を積層することができる。この積層膜の赤外線吸収特性を調べたところ、図３の実線に示すように、大気の窓の短波長側から長波長側の全体で吸収率が高いことを確認した。また、この積層膜の赤外線吸収特性は、各々の膜の赤外線吸収特性を重畳させた特性（図中の破線）とほぼ一致することから、各種の膜の赤外線吸収特性を調べておけば、積層膜がどのような赤外線吸収特性を示すかを推定することができる。
【００３３】
なお、本発明では、受光部１１を構成する赤外線吸収膜にＳｉＣＯ膜が含まれていればよく、積層膜の組み合わせや積層順は任意に設定することができる。例えば、ＳｉＣＯ以外の材料としてＳｉＯ、ＳｉＮ、ＳｉＣ、ＳｉＯＮ及びＳｉＣＮの５種類の材料がある場合は、積層膜の組み合わせとして、２層構造の場合は、（ＳｉＣＯとＳｉＯ）、（ＳｉＣＯとＳｉＮ）、（ＳｉＣＯとＳｉＣ）、（ＳｉＣＯとＳｉＯＮ）、（ＳｉＣＯとＳｉＣＮ）の５通り、３層構造の場合は、（ＳｉＣＯとＳｉＯとＳｉＮ）、（ＳｉＣＯとＳｉＯとＳｉＣ）、（ＳｉＣＯとＳｉＯとＳｉＯＮ）、（ＳｉＣＯとＳｉＯとＳｉＣＮ）、（ＳｉＣＯとＳｉＮとＳｉＣ）、（ＳｉＣＯとＳｉＮとＳｉＯＮ）、（ＳｉＣＯとＳｉＮとＳｉＣＮ）、（ＳｉＣＯとＳｉＣとＳｉＯＮ）、（ＳｉＣＯとＳｉＣとＳｉＣＮ）、（ＳｉＣＯとＳｉＯＮとＳｉＣＮ）の１０通り（４層以上の場合も同様）が考えられる。また、３層以上の積層構造の場合に、２層以上に同じ種類の膜（例えば、ＳｉＮ／ＳｉＣＯ／ＳｉＮなど）を用いることも可能であり、上記５種類以外の材料を用いることも可能である。
【００３４】
上記いずれの組み合わせも赤外線吸収膜として利用可能であるが、更に、赤外線吸収特性や熱容量、屈折率、保護膜としての特性（例えば、吸湿性や機械的強度、膨張率など）、ボロメータ材料などの他の部材との相互作用、プロセスの適合性（例えば、他の部材とのエッチング選択性）、製造の容易性（例えば、成膜温度や原料ガスの種類）などを考慮すれば、より好ましい組み合わせを選択することができる。
【００３５】
例えば、積層膜全体の熱容量を小さくし製造工程を簡単にすることを優先する場合は２層の積層膜とすればよく、また、入射赤外線の吸収効率を高めることを優先する場合は、受光部１１のピーク波長が異なり、かつ、ピーク間の吸収率ができるだけ大きくなるような３層以上の積層膜とすればよい。例えば、ＳｉＣＯとＳｉＣＮとＳｉＯＮとを組み合わせた場合、赤外線吸収特性は図４に示すようになり、図３の組み合わせよりも更に８〜１４μｍの波長帯全体の吸収率を高めることができる。
【００３６】
また、赤外線の吸収特性のみを考えた場合は積層順は任意であるが、例えば、ＳｉＣＯ膜やＳｉＯ膜は他の材料に比べて吸湿性が大きいことから、これらの膜は最上層（最表層）以外の層（図１の構造では第１の赤外線吸収膜５又は第２の赤外線吸収膜７）に用いた方が熱型赤外線検出素子の信頼性を高める上で有利である。
【００３７】
また、積層膜を構成する各々の膜を厚くすると更に吸収率を大きくすることができるが、一方、受光部１１の熱容量が大きくなってボロメータ膜６の温度変化が小さくなり、また、梁１０が太くなって熱の流出が大きくなることから、各々の膜の厚みは吸収率や熱型赤外線検出素子に求められる性能などを総合的に勘案して設定する必要がある。従って、具体的な厚さは特に限定されないが、例えば、ＳｉＣＯ膜は吸収率のピーク値が大きいことから他の材料の膜よりも薄くすることができ、略０．０５μｍ以上とすれば赤外線吸収膜として十分に機能することを確認している。
【００３８】
次に、上記構造の熱型赤外線検出素子の製造方法について、一画素の構造を電流経路に沿って描いた図５乃至図１１を参照して説明する。なお、以下に説明する構造や製造方法は例示であり、製造条件や膜厚などは適宜変更することができる。
【００３９】
まず、図５に示すように、シリコンウェハなどの回路基板１内に、公知の手法を用いて信号読み出しのＣＭＯＳ回路（読み出し回路２）などを形成する。次に、ＲＦスパッタ法を用いて、回路基板１上にＡｌ、Ｔｉ、Ｗなどの金属、又は、それらのシリサイド膜などを５００ｎｍ程度の膜厚で堆積し、フォトリソグラフィ技術を用いて形成したレジストパターンをマスクとして部分的にエッチングし、各画素の受光部１１に入射する赤外線を反射するための赤外線反射膜３を形成すると共に、一端がボロメータ層に接続される配線の他端と回路基板１内の読み出し回路２とを接続するためのコンタクト部１４を形成する。そして、プラズマＣＶＤ法を用いて、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜などを堆積して、赤外線反射膜３及びコンタクト部１４を保護するための保護膜４を形成する。
【００４０】
次に、図６に示すように、回路基板１全面に感光性ポリイミド膜などの有機膜を塗布し、露光・現像により受光部１１が形成される領域以外の感光性ポリイミド膜を除去した後、４００℃程度の温度で焼締めを行い、マイクロブリッジ構造を形成するための犠牲層１２ａを形成する。この犠牲層１２ａの膜厚は、赤外線反射膜３と後述する受光部１１とで光学的共振構造が形成されるように１．２μｍ程度の膜厚に設定される。
【００４１】
次に、図７に示すように、ＲＦスパッタ法又はプラズマＣＶＤ法を用いて、回路基板１全面にＳｉＣＯ、ＳｉＯ、ＳｉＮ、ＳｉＣ、ＳｉＯＮ、ＳｉＣＮなどの中から選択される材料（例えば、ＳｉＯＮ）を３００ｎｍ程度の膜厚で成膜し、犠牲層１２ａの上部及び側面に第１の赤外線吸収膜５を形成する。この第１の赤外線吸収膜５は上記の材料の中のどの材料を用いて形成してもよいが、後述する犠牲層１２ａのエッチングに対して耐性があり、その上に形成されるボロメータ層６を支持できる強度を有し、また、ボロメータ層６との密着性がよく相互作用のない材料を選択することが望ましい。なお、ＳｉＣＯやＳｉＣ、ＳｉＣＮなどのＣを含む膜はＲＦスパッタ法又はプラズマＣＶＤ法のいずれかの方法で成膜することができ、ＳｉＯ、ＳｉＮ、ＳｉＯＮなどのＣを含まない膜はプラズマＣＶＤ法で成膜することができる。
【００４２】
次に、図８に示すように、第１の赤外線吸収膜５の上に、酸素雰囲気の反応性スパッタにより酸化バナジウムを堆積し、レジストパターンをマスクとして、フッ素系ガスを用いたプラズマエッチングにより酸化バナジウム薄膜を部分的にエッチングし、第１の赤外線吸収膜５上にボロメータ層６を形成する。なお、ここではボロメータ層６として酸化バナジウム薄膜を用いているが、上述した抵抗温度係数（ＴＣＲ）の大きい他の材料を用いることもできる。
【００４３】
次に、図９に示すように、ＲＦスパッタ法又はプラズマＣＶＤ法を用いて、回路基板１全面にＳｉＣＯ、ＳｉＯ、ＳｉＮ、ＳｉＣ、ＳｉＯＮ、ＳｉＣＮなどの中から選択される材料（例えば、ＳｉＣＯ）を５０ｎｍ程度の膜厚で成膜し、ボロメータ層６を保護する第２の赤外線吸収膜７を形成する。この第２の赤外線吸収膜７は上記の材料の中のどの材料を用いてもよいが、赤外線吸収特性を改善するために第１の赤外線吸収膜５とは異なる材料であり、かつ、ボロメータ層６との密着性がよく相互作用のない材料を選択することが望ましい。その後、レジストパターンをマスクとして、四フッ化炭素をエッチングガスとするプラズマエッチングを行い、コンタクト部１４上の第１の赤外線吸収膜５及び第２の赤外線吸収膜７を除去すると共に、ボロメータ層６の端部の第２の赤外線吸収膜７を除去して電極部１３を形成する。
【００４４】
次に、図１０に示すように、ＲＦスパッタ法により、Ｔｉ、Ｔｉ合金、ＮｉＣｒ等の配線金属を成膜した後、レジストパターンをマスクとして、塩素と三塩化ホウ素の混合ガスを用いたプラズマエッチングにより配線金属を部分的にエッチングして配線８を形成する。この配線８は、ボロメータ層６の電極部１３と回路基板１のコンタクト部１４とを電気的に接続すると共に、受光部１１を中空に保持する梁１０としての役割を果たす。
【００４５】
次に、図１１に示すように、ＲＦスパッタ法又はプラズマＣＶＤ法を用いて、回路基板１全面にＳｉＣＯ、ＳｉＯ、ＳｉＮ、ＳｉＣ、ＳｉＯＮ、ＳｉＣＮの中から選択される材料（例えば、ＳｉＣＮ）を３００ｎｍ程度の膜厚で成膜し、ボロメータ層６及び配線８を保護する第３の赤外線吸収膜９を形成する。この第３の赤外線吸収膜９は上記の材料の中のどの材料を用いてもよいが、赤外線吸収特性を改善するために第１の赤外線吸収膜５及び第２の赤外線吸収膜７とは異なる材料であり、かつ、最表面に露出することから耐環境性のよい材料を選択することが望ましい。
【００４６】
その後、レジストパターンをマスクとして、四フッ化炭素をエッチングガスとするプラズマエッチングを行い、第１の赤外線吸収膜５と第２の赤外線吸収膜７と第３の赤外線吸収膜９とを貫通するスルーホール（図示せず）を形成し、アッシング装置を用いて犠牲層１２ａを除去して、図１に示すように、受光部１１が梁１０でのみ回路基板１と接したマイクロブリッジ構造の熱型赤外線検出素子が形成される。
【００４７】
このように、本実施例の熱型赤外線検出素子によれば、受光部１１を構成する赤外線吸収膜（第１の赤外線吸収膜５、第２の赤外線吸収膜７及び第３の赤外線吸収膜９）は、本願発明者が見出したＳｉＣＯ膜と、ＳｉＯ、ＳｉＮ、ＳｉＣ、ＳｉＯＮ、ＳｉＣＮなどの公知の材料の中から選択される材料で形成される膜とを組み合わせた積層膜で構成されているため、８〜１４μｍの波長帯全体の赤外線を効率的に吸収することができ、これにより、ボロメータ膜６の温度変化を大きくして熱型赤外線検出素子の感度を向上させることができる。
【００４８】
なお、上記実施例では、赤外線吸収膜を第１の赤外線吸収膜５、第２の赤外線吸収膜７及び第３の赤外線吸収膜９の３層構造としたが、本発明の赤外線吸収膜は、ＳｉＣＯ膜と他の材料の膜との積層膜であればよく、例えば、図１２に示すように第１の赤外線吸収膜５と第２の赤外線吸収膜７の２層構造とし、一方をＳｉＣＯ膜とする構成としてもよい。また、第１の赤外線吸収膜５、第２の赤外線吸収膜７及び第３の赤外線吸収膜９以外の他の膜を追加する構成としてもよい。
【００４９】
また、上記実施例では、第１の赤外線吸収膜５、第２の赤外線吸収膜７及び第３の赤外線吸収膜９を受光部１１と梁１０の双方に連続するように形成しているが、これらの赤外線吸収膜の全てが梁１０に形成されている必要はなく、例えば、図１３に示すように、第２の赤外線吸収膜７を受光部１１上にのみに形成するなどの変更は可能である。このように、赤外線吸収膜の構成や形成領域を適宜設定することによって、受光部１１の熱容量の増加や梁１０からの熱の流出の増加などを抑えつつ、受光部１１の赤外線吸収率を高めることもできる。
【００５０】
また、上記実施例では、梁１０によって受光部１１が中空に支持される構造の熱型赤外線検出素子を示したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、受光部下層の基板をくり抜いて熱分離構造を実現した熱型赤外線検出素子などに対しても同様に適用することができる。また、図１や図１２、図１３の構造に加えて、受光部１１の上部に余分な赤外線の入射を防止するための庇などを設けた熱型赤外線検出素子についても同様に適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明の構造は、熱型赤外線検出素子の受光部を構成する赤外線吸収膜に限らず、８〜１４μｍの波長帯の赤外線を吸収するための構造体全般に適用することができ、例えば、ＳｉＣＯ膜を含む構造体を赤外線遮光材料（例えば、車のガラスやサングラスに貼付するフィルム）として利用したり、バンドパスフィルタなどのフィルタ材料として利用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の一実施例に係る熱型赤外線検出素子の１画素の模式的な構造を電流経路に沿って描いた断面図である。
【図２】ＳｉＣＯを含む、各種材料の赤外線吸収特性を示す図である。
【図３】ＳｉＣＯ／ＳｉＯＮ積層膜の赤外線吸収特性を示す図である。
【図４】ＳｉＣＯ、ＳｉＣＮ、ＳｉＯＮ、ＳｉＣＯ／ＳｉＣＮ／ＳｉＯＮ積層膜の赤外線吸収特性を示す図である。
【図５】本発明の一実施例に係る熱型赤外線検出素子の製造方法を模式的に示す工程断面図である。
【図６】本発明の一実施例に係る熱型赤外線検出素子の製造方法を模式的に示す工程断面図である。
【図７】本発明の一実施例に係る熱型赤外線検出素子の製造方法を模式的に示す工程断面図である。
【図８】本発明の一実施例に係る熱型赤外線検出素子の製造方法を模式的に示す工程断面図である。
【図９】本発明の一実施例に係る熱型赤外線検出素子の製造方法を模式的に示す工程断面図である。
【図１０】本発明の一実施例に係る熱型赤外線検出素子の製造方法を模式的に示す工程断面図である。
【図１１】本発明の一実施例に係る熱型赤外線検出素子の製造方法を模式的に示す工程断面図である。
【図１２】本発明の一実施例に係る熱型赤外線検出素子の他の構造を電流経路に沿って描いた断面図である。
【図１３】本発明の一実施例に係る熱型赤外線検出素子の他の構造を電流経路に沿って描いた断面図である。
【図１４】従来の各種材料の赤外線吸収特性を示す図である。
【符号の説明】
【００５３】
１ 回路基板
２ 読み出し回路
３ 赤外線反射膜
４ 保護膜
５ 第１の赤外線吸収膜
６ ボロメータ層
７ 第２の赤外線吸収膜
８ 配線
９ 第３の赤外線吸収膜
１０ 梁
１１ 受光部
１２ 空洞部
１２ａ 犠牲層
１３ 電極部
１４ コンタクト部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱型赤外線検出素子に関し、特に、熱型赤外線検出素子の受光部を構成する赤外線吸収膜に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱型の赤外線検出素子は、一般に、物体から放射された赤外線を赤外線吸収膜で吸収して熱に変換し、マイクロブリッジ構造のダイアフラムを構成するボロメータ薄膜等の感熱抵抗体の温度を上昇させてその抵抗を変化させ、感熱抵抗体の抵抗変化から対象物の温度を測定するものである。
【０００３】
具体的に説明すると、この種の熱型赤外線検出素子は、ボロメータ層と入射赤外線を吸収すると共にボロメータ層を保護する赤外線吸収膜とを備える受光部と、ボロメータ層と回路基板に予め形成された読み出し回路とを接続する配線を備える梁とで構成され、この梁により、受光部が回路基板の上に浮いた形で存在している。そして、入射した赤外線が赤外線吸収膜で吸収されて受光部の温度が上昇すると、ボロメータ層の抵抗が変化し、その抵抗変化が読み出し回路で検出されて、温度として出力される。このような構造の熱型赤外線検出素子は、例えば、特開２００２−７１４５２号公報などに記載されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−７１４５２号公報（第５−８頁、第６図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した熱型赤外線検出素子の感度（Ｓ／Ｎ比）を上げるためには、第１に、受光部の温度変化に対するボロメータ層の抵抗変化を大きくすることが重要であり、そのために、ボロメータ層として抵抗温度係数（ＴＣＲ：Temperature Coefficient Resistance）の大きい材料が使用されている。また、第２に、入射赤外線の吸収効率を上げることも重要であり、そのために、回路基板上の受光部に対向する位置に赤外線反射膜を設け、光学的共振構造が形成されるように受光部と赤外線反射膜との間隔が設定されている。更に、入射赤外線に対する吸収効率を上げるために、受光部を構成する赤外線吸収膜を、異なる材料からなる膜の積層構造にすることも行われている。
【０００６】
ここで、熱型赤外線検出素子は、大気の窓と呼ばれる８〜１４μｍの波長帯の赤外線を検出するものであることから、赤外線吸収膜は上記波長帯の赤外線を吸収する材料で構成する必要があり、また、製造上の観点から成膜やエッチングなどが容易な材料で構成する必要もある。そこで、上記要求を満たす材料として、従来は、酸化シリコン（ＳｉＯ）や窒化シリコン（ＳｉＮ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）、炭窒化シリコン（ＳｉＣＮ）などが用いられていた。
【０００７】
しかしながら、これらの材料は上記波長帯の赤外線を吸収するものの、吸収率は上記波長帯の長波長側（略１０〜１４μｍ）で大きく、短波長側（略８〜１０μｍ）で小さいため、上記波長帯の短波長側の赤外線を有効に利用しているとは言えない。
【０００８】
具体的に説明すると、図１４に示すように、ＳｉＣは波長１３μｍ近傍で吸収率が最大となり、ＳｉＮやＳｉＣＮ、ＳｉＯＮは波長１２μｍ近傍で吸収率が最大となり、上記波長帯の長波長帯側の赤外線の吸収率は大きいが短波長側では吸収率が急激に小さくなり、ＳｉＯＮやＳｉＮでは、８〜１２μｍの波長帯における吸収率はたかだか２０％程度にしかならない。また、ＳｉＯは１０μｍ近傍で吸収率が最大になるが、ＳｉＮやＳｉＯＮ、ＳｉＣに比べて吸収率が全体的に小さいため、上記波長帯の赤外線を効率的に吸収することはできない。そのため、これらの材料からなる赤外線吸収膜を組み合わせて積層したとしても上記波長帯の短波長側の赤外線を有効に利用することができず、その結果、熱型赤外線検出素子の感度を十分に上げることができないという問題があった。
【０００９】
また、赤外線の吸収効率を上げる方法として赤外線吸収膜を厚くする方法も考えられるが、赤外線吸収膜を厚くすると受光部の熱容量が大きくなって入射赤外線に対する温度変化が小さくなってしまい、また、赤外線吸収膜は梁にも形成されていることから梁が太くなって回路基板側に流出する熱量が増加してしまい、この方法では熱型赤外線検出素子の感度を上げることができない。
【００１０】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、その主たる目的は、入射赤外線を効率的に吸収して感度を向上させることができる熱型赤外線検出素子の構造、特に、受光部を構成する赤外線吸収膜の構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明の構造体は、略８〜１４μｍの波長帯の赤外線を吸収するための構造体であって、前記構造体は複数種類の膜からなり、前記複数種類の膜の中にＳｉＣＯを材料とする膜を含むものである。
【００１２】
また、本発明の熱型赤外線検出素子は、感熱抵抗体と赤外線吸収膜とを備える受光部が、一端が基板に固定される梁によって中空に保持されてなる熱型赤外線検出素子において、前記赤外線吸収膜は複数種類の膜からなり、前記複数種類の膜の中にＳｉＣＯを材料とする膜を含むものである。
【００１３】
また、本発明の熱型赤外線検出素子は、感熱抵抗体と赤外線吸収膜とを備える受光部が、一端が基板に固定される梁によって中空に保持されてなる熱型赤外線検出素子において、前記赤外線吸収膜は複数種類の膜からなり、前記複数種類の膜は、ＳｉＣＯを材料とする膜と、ＳｉＯ、ＳｉＮ、ＳｉＣ、ＳｉＯＮ及びＳｉＣＮの中のいずれかを材料とする膜とで構成されているものである。
【００１４】
また、本発明の熱型赤外線検出素子は、感熱抵抗体と赤外線吸収膜とを備える受光部と、一端が前記感熱抵抗体に接続され他端が基板に形成された回路に接続される配線を含む梁とで構成され、前記受光部が前記梁によって中空に保持されてなる熱型赤外線検出素子において、前記赤外線吸収膜は、前記感熱抵抗体の下層に形成される第１の赤外線吸収膜と、前記感熱抵抗体の上層に形成される第２の赤外線吸収膜と、前記第２の赤外線吸収膜に設けたスルーホールを介して前記感熱抵抗体に接続される前記配線の上層に形成される第３の赤外線吸収膜とを含む複数種類の膜からなり、前記複数種類の膜は、ＳｉＣＯを材料とする膜と、ＳｉＯ、ＳｉＮ、ＳｉＣ、ＳｉＯＮ及びＳｉＣＮの中のいずれかを材料とする膜とで構成されているものである。
【００１５】
本発明においては、前記ＳｉＣＯを材料とする膜は、最表層を除く層に形成されている構成とすることができる。
【００１６】
また、本発明においては、前記複数種類の膜の内、一部の膜は前記受光部のみに形成され、他の膜は前記受光部及び前記梁の双方に連続して形成されている構成とすることもできる。
【００１７】
また、本発明においては、前記ＳｉＣＯからなる膜は、略９〜１０μｍの波長帯において赤外線に対する吸収率が最大になることが好ましい。
【００１８】
このように、本発明では、熱型赤外線検出素子の受光部を構成する赤外線吸収膜などの赤外線を吸収する構造体を、８〜１４μｍの波長帯の短波長側で吸収率が大きいＳｉＣＯを材料とする膜と、上記波長帯の長波長側で吸収率が大きいＳｉＯやＳｉＮ、ＳｉＣ、ＳｉＯＮ、ＳｉＣＮなどを材料とする膜とを組み合わせた積層構造にしているため、従来の熱型赤外線検出素子では有効に利用することができなかった短波長側の赤外線を効率的に吸収することができ、これにより、熱型赤外線検出素子の感度を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１９】
以上説明したように、本発明の熱型赤外線検出素子によれば、８〜１４μｍの波長帯の大気の窓を通過して入射する赤外線を効率的に吸収することができ、これにより、熱型赤外線検出素子の感度を向上させることができる。
【００２０】
その理由は、熱型赤外線検出素子の受光部を構成する赤外線吸収膜を、上記波長帯の短波長側（略８〜１０μｍ）で吸収率が大きい、本願発明者が新規に見出したＳｉＣＯを材料とする膜と、上記波長帯の長波長側（略１０〜１４μｍ）で吸収率が大きいＳｉＯやＳｉＮ、ＳｉＣ、ＳｉＯＮ、ＳｉＣＮなどを材料とする膜とを組み合わせた積層膜としているため、従来の熱型赤外線検出素子では有効に利用することができなかった短波長側の赤外線をＳｉＣＯ膜で吸収することができるからである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
従来技術で示したように、８〜１４μｍの波長帯の大気の窓を通過する赤外線を検出する熱型赤外線検出素子の感度を向上させるためには、赤外線の吸収特性のよい材料で受光部を構成する赤外線吸収膜を形成することが重要であるが、従来より用いられているＳｉＯやＳｉＮ、ＳｉＣ、ＳｉＯＮ、ＳｉＣＮなどの材料は、いずれも８〜１０μｍ近傍の赤外線の吸収率が小さく、入射する赤外線を有効に利用することができないという問題があった。
【００２２】
上記問題に対して、本願発明者は、様々な原料を用いて赤外線吸収膜を形成し、形成した赤外線吸収膜の赤外線吸収特性を測定した結果、シリコンと炭素と酸素とが１：１：１に結合して得られるＳｉＣＯが、成膜やエッチングが容易でプロセス適合性がよく、また、保護膜としての機能も十分に有し、更に、上記波長帯の中の短波長側（９〜１０μｍ近傍）で吸収率が最大となり、ピークの吸収率が他の材料に比べて非常に高い（５０％以上）ことを見出した。
【００２３】
そこで、熱型赤外線検出素子の受光部を構成する赤外線吸収膜を、新規に見出したＳｉＣＯを材料とする膜と、公知の材料であるＳｉＯやＳｉＮ、ＳｉＣ、ＳｉＯＮ、ＳｉＣＮなどを材料とする膜とを組み合わせた積層構造にすることにより、上記波長帯の短波長側から長波長側に至る広い範囲で赤外線吸収率を高めることに成功し、これにより、受光部の温度変化を大きくし、熱型赤外線検出素子の感度を向上させることができた。
【００２４】
なお、このＳｉＣＯを材料とする膜を単独で使用すると上記波長帯の長波長側の吸収率が低下することから、本発明では新規なＳｉＣＯを材料とする膜と長波長側の吸収率が大きい従来の膜とを組み合わせて使用するが、積層構造の赤外線吸収膜の中のどの膜にＳｉＣＯ膜を適用するかは任意であり、ＳｉＣＯ膜と組み合わせる他の膜の種類も任意に選択することができる。以下、このＳｉＣＯ膜を赤外線吸収膜として利用した熱型赤外線検出素子について図面を参照して説明する。
【実施例】
【００２５】
上記した本発明の実施の形態についてさらに詳細に説明すべく、本発明の一実施例に係る熱型赤外線検出素子について、図１乃至図１３を参照して説明する。図１は、本実施例の熱型赤外線検出素子の一画素を電流経路に沿って描いた断面図であり、図２は、ＳｉＣＯを含む各種材料の赤外線吸収特性を示す図である。また、図３は、ＳｉＣＯ／ＳｉＯＮ積層膜の赤外線吸収特性を示す図であり、図４は、ＳｉＣＯ、ＳｉＣＮ、ＳｉＯＮを単層膜とした場合と積層膜とした場合の赤外線吸収特性を示す図である。図５乃至図１１は、本実施例に係る熱型赤外線検出素子の製造方法を示す工程断面図であり、図１２及び図１３は、本実施例の熱型赤外線検出素子の他の構造を示す断面図である。
【００２６】
図１に示すように、本実施例の熱型赤外線検出素子は、シリコンウェハなどの半導体ウェハ内部にＣＭＯＳプロセスにより読み出し回路２が作り込まれた回路基板１上に、Ａｌ、Ｔｉ、Ｗ、それらのシリサイド膜などからなる赤外線反射膜３が形成され、その上層にシリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜などからなる保護膜４が形成されている。また、空洞部１２は、デバイス製造の途中段階ではパタ−ニングされた感光性ポリイミドで埋められており、デバイス製造の最終工程で酸素プラズマのアッシング等により除去される。この空洞部１２を埋めている層は、一般的に犠牲層と呼ばれ、この犠牲層の上に受光部１１が形成され、犠牲層の側面には、受光部１１の端部に接続される梁１０が形成されている。
【００２７】
受光部１１は、例えば、酸化バナジウムなどのボロメ−タ層６と８〜１４μｍの波長帯の赤外線を吸収すると共にボロメ−タ層６を保護する積層構造の赤外線吸収膜（ここでは、第１の赤外線吸収膜５、第２の赤外線吸収膜７及び第３の赤外線吸収膜９）とで構成されている。また、梁１０は、Ｔｉなどの配線８と該配線８を保護する保護膜（ここでは受光部１１と同様の第１の赤外線吸収膜５、第２の赤外線吸収膜７及び第３の赤外線吸収膜９）とで構成され、回路基板１から空洞部１２を介して受光部１１を宙に浮かせるように支持し、熱分離構造を実現している。
【００２８】
そして、８〜１４μｍの波長帯の大気の窓を通過して入射する赤外線は、第１の赤外線吸収膜５、第２の赤外線吸収膜７及び第３の赤外線吸収膜９で吸収されて受光部１１の温度を上昇させ、受光部１１の温度上昇に伴ってボロメ−タ層６の抵抗が変化し、このボロメ−タ層６の抵抗変化が、電極部１３、配線８、コンタクト部１４を介して接続される読み出し回路２で検出される。
【００２９】
なお、ボロメ−タ材料は抵抗温度係数（ＴＣＲ）が大きい材料であればよく、酸化バナジウム以外に、ＮｉＭｏＣｏ酸化物、Ｔｉ金属薄膜、多結晶シリコン薄膜、非晶質シリコン薄膜、非晶質ゲルマニウム薄膜、非晶質シコンゲルマニウム薄膜、（Ｌａ、Ｓｒ）ＭｎＯ３薄膜、ＹＢａＣｕＯ薄膜などを用いることもできる。また、配線８の材料としては、熱伝導率が小さければよく、Ｔｉ以外にＴｉ合金やＮｉＣｒでもよい。また、多結晶シリコンや非晶質シリコンをボロメ−タ材料に使用する場合には、配線８の代わりに、シリコンにボロンや砒素を高濃度に注入・拡散したものを使うこともできる。
【００３０】
ここで、第１の赤外線吸収膜５や第２の赤外線吸収膜７、第３の赤外線吸収膜９の材料として、従来はＳｉＯやＳｉＮ、ＳｉＣ、ＳｉＯＮ、ＳｉＣＮなどが用いられていたが、図２に示すように、これらの材料は８〜１４μｍの波長帯の大気の窓の長波長側の吸収率が大きく、短波長側の吸収率が小さいため、これらの材料を組み合わせたとしても大気の窓を通過して入射する赤外線を効率的に吸収することができないという問題があった。そこで、本実施例では、本願発明者が新規に見出したＳｉＣＯが、９〜１０μｍで吸収率が最大になるという特徴を生かし、上記赤外線吸収膜のいずれかにＳｉＣＯ膜を用いることによって入射赤外線を効率的に吸収できるようにしている。
【００３１】
このＳｉＣＯ膜は、ＲＦスパッタ法やプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を用いて形成することができる。例えば、ＲＦスパッタ法の場合は、ＳｉＣをターゲットとし、Ａｒ及びＯ２ガスを用いて、ガス圧：０．０１Ｔｏｒｒ程度、ＲＦパワー：１００Ｗ程度の成膜条件で容易に形成することができ、また、プラズマＣＶＤ法の場合は、ＳｉＨ４、Ｃ３Ｈ８、Ｎ２Ｏを原料ガスとし、成膜温度：２５０℃程度、ガス圧：１Ｔｏｒｒ程度の成膜条件で容易に形成することができ、上記成膜条件では、シリコンと炭素と酸素とが１：１：１に結合した膜が形成されることを確認している。
【００３２】
また、プラズマＣＶＤ法の場合は、原料ガスを変えれば異なる種類の膜を連続して成膜することができる。例えば、原料ガスとしてＳｉＨ４、ＮＨ３、Ｎ２Ｏ、Ｎ２を用いて成膜した後、原料ガスをＳｉＨ４、Ｃ３Ｈ８、Ｎ２Ｏに変えて成膜すれば、１２μｍ近傍で吸収率が最大となるＳｉＯＮ膜上に、９〜１０μｍで吸収率が最大となるＳｉＣＯ膜を積層することができる。この積層膜の赤外線吸収特性を調べたところ、図３の実線に示すように、大気の窓の短波長側から長波長側の全体で吸収率が高いことを確認した。また、この積層膜の赤外線吸収特性は、各々の膜の赤外線吸収特性を重畳させた特性（図中の破線）とほぼ一致することから、各種の膜の赤外線吸収特性を調べておけば、積層膜がどのような赤外線吸収特性を示すかを推定することができる。
【００３３】
なお、本発明では、受光部１１を構成する赤外線吸収膜にＳｉＣＯ膜が含まれていればよく、積層膜の組み合わせや積層順は任意に設定することができる。例えば、ＳｉＣＯ以外の材料としてＳｉＯ、ＳｉＮ、ＳｉＣ、ＳｉＯＮ及びＳｉＣＮの５種類の材料がある場合は、積層膜の組み合わせとして、２層構造の場合は、（ＳｉＣＯとＳｉＯ）、（ＳｉＣＯとＳｉＮ）、（ＳｉＣＯとＳｉＣ）、（ＳｉＣＯとＳｉＯＮ）、（ＳｉＣＯとＳｉＣＮ）の５通り、３層構造の場合は、（ＳｉＣＯとＳｉＯとＳｉＮ）、（ＳｉＣＯとＳｉＯとＳｉＣ）、（ＳｉＣＯとＳｉＯとＳｉＯＮ）、（ＳｉＣＯとＳｉＯとＳｉＣＮ）、（ＳｉＣＯとＳｉＮとＳｉＣ）、（ＳｉＣＯとＳｉＮとＳｉＯＮ）、（ＳｉＣＯとＳｉＮとＳｉＣＮ）、（ＳｉＣＯとＳｉＣとＳｉＯＮ）、（ＳｉＣＯとＳｉＣとＳｉＣＮ）、（ＳｉＣＯとＳｉＯＮとＳｉＣＮ）の１０通り（４層以上の場合も同様）が考えられる。また、３層以上の積層構造の場合に、２層以上に同じ種類の膜（例えば、ＳｉＮ／ＳｉＣＯ／ＳｉＮなど）を用いることも可能であり、上記５種類以外の材料を用いることも可能である。
【００３４】
上記いずれの組み合わせも赤外線吸収膜として利用可能であるが、更に、赤外線吸収特性や熱容量、屈折率、保護膜としての特性（例えば、吸湿性や機械的強度、膨張率など）、ボロメータ材料などの他の部材との相互作用、プロセスの適合性（例えば、他の部材とのエッチング選択性）、製造の容易性（例えば、成膜温度や原料ガスの種類）などを考慮すれば、より好ましい組み合わせを選択することができる。
【００３５】
例えば、積層膜全体の熱容量を小さくし製造工程を簡単にすることを優先する場合は２層の積層膜とすればよく、また、入射赤外線の吸収効率を高めることを優先する場合は、受光部１１のピーク波長が異なり、かつ、ピーク間の吸収率ができるだけ大きくなるような３層以上の積層膜とすればよい。例えば、ＳｉＣＯとＳｉＣＮとＳｉＯＮとを組み合わせた場合、赤外線吸収特性は図４に示すようになり、図３の組み合わせよりも更に８〜１４μｍの波長帯全体の吸収率を高めることができる。
【００３６】
また、赤外線の吸収特性のみを考えた場合は積層順は任意であるが、例えば、ＳｉＣＯ膜やＳｉＯ膜は他の材料に比べて吸湿性が大きいことから、これらの膜は最上層（最表層）以外の層（図１の構造では第１の赤外線吸収膜５又は第２の赤外線吸収膜７）に用いた方が熱型赤外線検出素子の信頼性を高める上で有利である。
【００３７】
また、積層膜を構成する各々の膜を厚くすると更に吸収率を大きくすることができるが、一方、受光部１１の熱容量が大きくなってボロメータ膜６の温度変化が小さくなり、また、梁１０が太くなって熱の流出が大きくなることから、各々の膜の厚みは吸収率や熱型赤外線検出素子に求められる性能などを総合的に勘案して設定する必要がある。従って、具体的な厚さは特に限定されないが、例えば、ＳｉＣＯ膜は吸収率のピーク値が大きいことから他の材料の膜よりも薄くすることができ、略０．０５μｍ以上とすれば赤外線吸収膜として十分に機能することを確認している。
【００３８】
次に、上記構造の熱型赤外線検出素子の製造方法について、一画素の構造を電流経路に沿って描いた図５乃至図１１を参照して説明する。なお、以下に説明する構造や製造方法は例示であり、製造条件や膜厚などは適宜変更することができる。
【００３９】
まず、図５に示すように、シリコンウェハなどの回路基板１内に、公知の手法を用いて信号読み出しのＣＭＯＳ回路（読み出し回路２）などを形成する。次に、ＲＦスパッタ法を用いて、回路基板１上にＡｌ、Ｔｉ、Ｗなどの金属、又は、それらのシリサイド膜などを５００ｎｍ程度の膜厚で堆積し、フォトリソグラフィ技術を用いて形成したレジストパターンをマスクとして部分的にエッチングし、各画素の受光部１１に入射する赤外線を反射するための赤外線反射膜３を形成すると共に、一端がボロメータ層に接続される配線の他端と回路基板１内の読み出し回路２とを接続するためのコンタクト部１４を形成する。そして、プラズマＣＶＤ法を用いて、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜などを堆積して、赤外線反射膜３及びコンタクト部１４を保護するための保護膜４を形成する。
【００４０】
次に、図６に示すように、回路基板１全面に感光性ポリイミド膜などの有機膜を塗布し、露光・現像により受光部１１が形成される領域以外の感光性ポリイミド膜を除去した後、４００℃程度の温度で焼締めを行い、マイクロブリッジ構造を形成するための犠牲層１２ａを形成する。この犠牲層１２ａの膜厚は、赤外線反射膜３と後述する受光部１１とで光学的共振構造が形成されるように１．２μｍ程度の膜厚に設定される。
【００４１】
次に、図７に示すように、ＲＦスパッタ法又はプラズマＣＶＤ法を用いて、回路基板１全面にＳｉＣＯ、ＳｉＯ、ＳｉＮ、ＳｉＣ、ＳｉＯＮ、ＳｉＣＮなどの中から選択される材料（例えば、ＳｉＯＮ）を３００ｎｍ程度の膜厚で成膜し、犠牲層１２ａの上部及び側面に第１の赤外線吸収膜５を形成する。この第１の赤外線吸収膜５は上記の材料の中のどの材料を用いて形成してもよいが、後述する犠牲層１２ａのエッチングに対して耐性があり、その上に形成されるボロメータ層６を支持できる強度を有し、また、ボロメータ層６との密着性がよく相互作用のない材料を選択することが望ましい。なお、ＳｉＣＯやＳｉＣ、ＳｉＣＮなどのＣを含む膜はＲＦスパッタ法又はプラズマＣＶＤ法のいずれかの方法で成膜することができ、ＳｉＯ、ＳｉＮ、ＳｉＯＮなどのＣを含まない膜はプラズマＣＶＤ法で成膜することができる。
【００４２】
次に、図８に示すように、第１の赤外線吸収膜５の上に、酸素雰囲気の反応性スパッタにより酸化バナジウムを堆積し、レジストパターンをマスクとして、フッ素系ガスを用いたプラズマエッチングにより酸化バナジウム薄膜を部分的にエッチングし、第１の赤外線吸収膜５上にボロメータ層６を形成する。なお、ここではボロメータ層６として酸化バナジウム薄膜を用いているが、上述した抵抗温度係数（ＴＣＲ）の大きい他の材料を用いることもできる。
【００４３】
次に、図９に示すように、ＲＦスパッタ法又はプラズマＣＶＤ法を用いて、回路基板１全面にＳｉＣＯ、ＳｉＯ、ＳｉＮ、ＳｉＣ、ＳｉＯＮ、ＳｉＣＮなどの中から選択される材料（例えば、ＳｉＣＯ）を５０ｎｍ程度の膜厚で成膜し、ボロメータ層６を保護する第２の赤外線吸収膜７を形成する。この第２の赤外線吸収膜７は上記の材料の中のどの材料を用いてもよいが、赤外線吸収特性を改善するために第１の赤外線吸収膜５とは異なる材料であり、かつ、ボロメータ層６との密着性がよく相互作用のない材料を選択することが望ましい。その後、レジストパターンをマスクとして、四フッ化炭素をエッチングガスとするプラズマエッチングを行い、コンタクト部１４上の第１の赤外線吸収膜５及び第２の赤外線吸収膜７を除去すると共に、ボロメータ層６の端部の第２の赤外線吸収膜７を除去して電極部１３を形成する。
【００４４】
次に、図１０に示すように、ＲＦスパッタ法により、Ｔｉ、Ｔｉ合金、ＮｉＣｒ等の配線金属を成膜した後、レジストパターンをマスクとして、塩素と三塩化ホウ素の混合ガスを用いたプラズマエッチングにより配線金属を部分的にエッチングして配線８を形成する。この配線８は、ボロメータ層６の電極部１３と回路基板１のコンタクト部１４とを電気的に接続すると共に、受光部１１を中空に保持する梁１０としての役割を果たす。
【００４５】
次に、図１１に示すように、ＲＦスパッタ法又はプラズマＣＶＤ法を用いて、回路基板１全面にＳｉＣＯ、ＳｉＯ、ＳｉＮ、ＳｉＣ、ＳｉＯＮ、ＳｉＣＮの中から選択される材料（例えば、ＳｉＣＮ）を３００ｎｍ程度の膜厚で成膜し、ボロメータ層６及び配線８を保護する第３の赤外線吸収膜９を形成する。この第３の赤外線吸収膜９は上記の材料の中のどの材料を用いてもよいが、赤外線吸収特性を改善するために第１の赤外線吸収膜５及び第２の赤外線吸収膜７とは異なる材料であり、かつ、最表面に露出することから耐環境性のよい材料を選択することが望ましい。
【００４６】
その後、レジストパターンをマスクとして、四フッ化炭素をエッチングガスとするプラズマエッチングを行い、第１の赤外線吸収膜５と第２の赤外線吸収膜７と第３の赤外線吸収膜９とを貫通するスルーホール（図示せず）を形成し、アッシング装置を用いて犠牲層１２ａを除去して、図１に示すように、受光部１１が梁１０でのみ回路基板１と接したマイクロブリッジ構造の熱型赤外線検出素子が形成される。
【００４７】
このように、本実施例の熱型赤外線検出素子によれば、受光部１１を構成する赤外線吸収膜（第１の赤外線吸収膜５、第２の赤外線吸収膜７及び第３の赤外線吸収膜９）は、本願発明者が見出したＳｉＣＯ膜と、ＳｉＯ、ＳｉＮ、ＳｉＣ、ＳｉＯＮ、ＳｉＣＮなどの公知の材料の中から選択される材料で形成される膜とを組み合わせた積層膜で構成されているため、８〜１４μｍの波長帯全体の赤外線を効率的に吸収することができ、これにより、ボロメータ膜６の温度変化を大きくして熱型赤外線検出素子の感度を向上させることができる。
【００４８】
なお、上記実施例では、赤外線吸収膜を第１の赤外線吸収膜５、第２の赤外線吸収膜７及び第３の赤外線吸収膜９の３層構造としたが、本発明の赤外線吸収膜は、ＳｉＣＯ膜と他の材料の膜との積層膜であればよく、例えば、図１２に示すように第１の赤外線吸収膜５と第２の赤外線吸収膜７の２層構造とし、一方をＳｉＣＯ膜とする構成としてもよい。また、第１の赤外線吸収膜５、第２の赤外線吸収膜７及び第３の赤外線吸収膜９以外の他の膜を追加する構成としてもよい。
【００４９】
また、上記実施例では、第１の赤外線吸収膜５、第２の赤外線吸収膜７及び第３の赤外線吸収膜９を受光部１１と梁１０の双方に連続するように形成しているが、これらの赤外線吸収膜の全てが梁１０に形成されている必要はなく、例えば、図１３に示すように、第２の赤外線吸収膜７を受光部１１上にのみに形成するなどの変更は可能である。このように、赤外線吸収膜の構成や形成領域を適宜設定することによって、受光部１１の熱容量の増加や梁１０からの熱の流出の増加などを抑えつつ、受光部１１の赤外線吸収率を高めることもできる。
【００５０】
また、上記実施例では、梁１０によって受光部１１が中空に支持される構造の熱型赤外線検出素子を示したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、受光部下層の基板をくり抜いて熱分離構造を実現した熱型赤外線検出素子などに対しても同様に適用することができる。また、図１や図１２、図１３の構造に加えて、受光部１１の上部に余分な赤外線の入射を防止するための庇などを設けた熱型赤外線検出素子についても同様に適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明の構造は、熱型赤外線検出素子の受光部を構成する赤外線吸収膜に限らず、８〜１４μｍの波長帯の赤外線を吸収するための構造体全般に適用することができ、例えば、ＳｉＣＯ膜を含む構造体を赤外線遮光材料（例えば、車のガラスやサングラスに貼付するフィルム）として利用したり、バンドパスフィルタなどのフィルタ材料として利用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の一実施例に係る熱型赤外線検出素子の１画素の模式的な構造を電流経路に沿って描いた断面図である。
【図２】ＳｉＣＯを含む、各種材料の赤外線吸収特性を示す図である。
【図３】ＳｉＣＯ／ＳｉＯＮ積層膜の赤外線吸収特性を示す図である。
【図４】ＳｉＣＯ、ＳｉＣＮ、ＳｉＯＮ、ＳｉＣＯ／ＳｉＣＮ／ＳｉＯＮ積層膜の赤外線吸収特性を示す図である。
【図５】本発明の一実施例に係る熱型赤外線検出素子の製造方法を模式的に示す工程断面図である。
【図６】本発明の一実施例に係る熱型赤外線検出素子の製造方法を模式的に示す工程断面図である。
【図７】本発明の一実施例に係る熱型赤外線検出素子の製造方法を模式的に示す工程断面図である。
【図８】本発明の一実施例に係る熱型赤外線検出素子の製造方法を模式的に示す工程断面図である。
【図９】本発明の一実施例に係る熱型赤外線検出素子の製造方法を模式的に示す工程断面図である。
【図１０】本発明の一実施例に係る熱型赤外線検出素子の製造方法を模式的に示す工程断面図である。
【図１１】本発明の一実施例に係る熱型赤外線検出素子の製造方法を模式的に示す工程断面図である。
【図１２】本発明の一実施例に係る熱型赤外線検出素子の他の構造を電流経路に沿って描いた断面図である。
【図１３】本発明の一実施例に係る熱型赤外線検出素子の他の構造を電流経路に沿って描いた断面図である。
【図１４】従来の各種材料の赤外線吸収特性を示す図である。
【符号の説明】
【００５３】
１ 回路基板
２ 読み出し回路
３ 赤外線反射膜
４ 保護膜
５ 第１の赤外線吸収膜
６ ボロメータ層
７ 第２の赤外線吸収膜
８ 配線
９ 第３の赤外線吸収膜
１０ 梁
１１ 受光部
１２ 空洞部
１２ａ 犠牲層
１３ 電極部
１４ コンタクト部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
略８〜１４μｍの波長帯の赤外線を吸収するための構造体であって、
前記構造体は複数種類の膜からなり、前記複数種類の膜の中にＳｉＣＯを材料とする膜を含むことを特徴とする構造体。
【請求項２】
感熱抵抗体と赤外線吸収膜とを備える受光部が、一端が基板に固定される梁によって中空に保持されてなる熱型赤外線検出素子において、
前記赤外線吸収膜は複数種類の膜からなり、前記複数種類の膜の中にＳｉＣＯを材料とする膜を含むことを特徴とする熱型赤外線検出素子。
【請求項３】
感熱抵抗体と赤外線吸収膜とを備える受光部が、一端が基板に固定される梁によって中空に保持されてなる熱型赤外線検出素子において、
前記赤外線吸収膜は複数種類の膜からなり、前記複数種類の膜は、ＳｉＣＯを材料とする膜と、ＳｉＯ、ＳｉＮ、ＳｉＣ、ＳｉＯＮ及びＳｉＣＮの中のいずれかを材料とする膜とで構成されていることを特徴とする熱型赤外線検出素子。
【請求項４】
感熱抵抗体と赤外線吸収膜とを備える受光部と、一端が前記感熱抵抗体に接続され他端が基板に形成された回路に接続される配線を含む梁とで構成され、前記受光部が前記梁によって中空に保持されてなる熱型赤外線検出素子において、
前記赤外線吸収膜は、前記感熱抵抗体の下層に形成される第１の赤外線吸収膜と、前記感熱抵抗体の上層に形成される第２の赤外線吸収膜と、前記第２の赤外線吸収膜に設けたスルーホールを介して前記感熱抵抗体に接続される前記配線の上層に形成される第３の赤外線吸収膜とを含む複数種類の膜からなり、
前記複数種類の膜は、ＳｉＣＯを材料とする膜と、ＳｉＯ、ＳｉＮ、ＳｉＣ、ＳｉＯＮ及びＳｉＣＮの中のいずれかを材料とする膜とで構成されていることを特徴とする熱型赤外線検出素子。
【請求項５】
前記ＳｉＣＯを材料とする膜は、最表層を除く層に形成されていることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか一に記載の熱型赤外線検出素子。
【請求項６】
前記複数種類の膜の内、一部の膜は前記受光部のみに形成され、他の膜は前記受光部及び前記梁の双方に連続して形成されていることを特徴とする請求項２乃至５のいずれか一に記載の熱型赤外線検出素子。
【請求項７】
前記ＳｉＣＯからなる膜は、略９〜１０μｍの波長帯において赤外線に対する吸収率が最大になることを特徴とする請求項２乃至６のいずれか一に記載の熱型赤外線検出素子。
【請求項１】
略８〜１４μｍの波長帯の赤外線を吸収するための構造体であって、
前記構造体は複数種類の膜からなり、前記複数種類の膜の中にＳｉＣＯを材料とする膜を含むことを特徴とする構造体。
【請求項２】
感熱抵抗体と赤外線吸収膜とを備える受光部が、一端が基板に固定される梁によって中空に保持されてなる熱型赤外線検出素子において、
前記赤外線吸収膜は複数種類の膜からなり、前記複数種類の膜の中にＳｉＣＯを材料とする膜を含むことを特徴とする熱型赤外線検出素子。
【請求項３】
感熱抵抗体と赤外線吸収膜とを備える受光部が、一端が基板に固定される梁によって中空に保持されてなる熱型赤外線検出素子において、
前記赤外線吸収膜は複数種類の膜からなり、前記複数種類の膜は、ＳｉＣＯを材料とする膜と、ＳｉＯ、ＳｉＮ、ＳｉＣ、ＳｉＯＮ及びＳｉＣＮの中のいずれかを材料とする膜とで構成されていることを特徴とする熱型赤外線検出素子。
【請求項４】
感熱抵抗体と赤外線吸収膜とを備える受光部と、一端が前記感熱抵抗体に接続され他端が基板に形成された回路に接続される配線を含む梁とで構成され、前記受光部が前記梁によって中空に保持されてなる熱型赤外線検出素子において、
前記赤外線吸収膜は、前記感熱抵抗体の下層に形成される第１の赤外線吸収膜と、前記感熱抵抗体の上層に形成される第２の赤外線吸収膜と、前記第２の赤外線吸収膜に設けたスルーホールを介して前記感熱抵抗体に接続される前記配線の上層に形成される第３の赤外線吸収膜とを含む複数種類の膜からなり、
前記複数種類の膜は、ＳｉＣＯを材料とする膜と、ＳｉＯ、ＳｉＮ、ＳｉＣ、ＳｉＯＮ及びＳｉＣＮの中のいずれかを材料とする膜とで構成されていることを特徴とする熱型赤外線検出素子。
【請求項５】
前記ＳｉＣＯを材料とする膜は、最表層を除く層に形成されていることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか一に記載の熱型赤外線検出素子。
【請求項６】
前記複数種類の膜の内、一部の膜は前記受光部のみに形成され、他の膜は前記受光部及び前記梁の双方に連続して形成されていることを特徴とする請求項２乃至５のいずれか一に記載の熱型赤外線検出素子。
【請求項７】
前記ＳｉＣＯからなる膜は、略９〜１０μｍの波長帯において赤外線に対する吸収率が最大になることを特徴とする請求項２乃至６のいずれか一に記載の熱型赤外線検出素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２００６−２２６８９０（Ｐ２００６−２２６８９０Ａ）
【公開日】平成１８年８月３１日（２００６．８．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−４２２２１（Ｐ２００５−４２２２１）
【出願日】平成１７年２月１８日（２００５．２．１８）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年８月３１日（２００６．８．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年２月１８日（２００５．２．１８）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
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