赤外線センサの製造方法
【課題】赤外線センサにおけるMOSトランジスタのしきい値のばらつきを小さくすることが可能な赤外線センサの製造方法を提供する。
【解決手段】半導体基板1の一表面側にシリコン酸化膜31とシリコン窒化膜32との積層膜を形成してから、シリコン窒化膜32のうち熱型赤外線検出部3の形成予定領域A1に対応する部分を残してMOSトランジスタ4の形成予定領域A2に対応する部分をドライエッチングにより除去する。その後、半導体基板1の一表面側に第1のイオン注入を行ってウェル領域41を形成してから、MOSトランジスタ4のしきい値電圧を制御するための第2のイオン注入を行う。ウェル領域を形成する工程では、シリコン酸化膜31のうちMOSトランジスタ4の形成予定領域A2に形成されている部分(シリコン酸化膜51)の一部をウェットエッチングにより除去してから、シリコン酸化膜31をマスクとして第1のイオン注入を行う。
【解決手段】半導体基板1の一表面側にシリコン酸化膜31とシリコン窒化膜32との積層膜を形成してから、シリコン窒化膜32のうち熱型赤外線検出部3の形成予定領域A1に対応する部分を残してMOSトランジスタ4の形成予定領域A2に対応する部分をドライエッチングにより除去する。その後、半導体基板1の一表面側に第1のイオン注入を行ってウェル領域41を形成してから、MOSトランジスタ4のしきい値電圧を制御するための第2のイオン注入を行う。ウェル領域を形成する工程では、シリコン酸化膜31のうちMOSトランジスタ4の形成予定領域A2に形成されている部分(シリコン酸化膜51)の一部をウェットエッチングにより除去してから、シリコン酸化膜31をマスクとして第1のイオン注入を行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、赤外線センサの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
従来から、図19に示すように、シリコン基板201の一表面側に、熱型赤外線検出部203と熱型赤外線検出部203の出力を読み出すためのMOSトランジスタ204とを有する複数の画素部202が形成された赤外線センサが提案されている(特許文献1)。ここにおいて、MOSトランジスタ204は、熱型赤外線検出部203に並設されている。また、この赤外線センサは、シリコン基板201における各熱型赤外線検出部203それぞれに対応する部位ごとに熱絶縁用の空洞部211が形成されている。
【0003】
熱型赤外線検出部203は、シリコン基板201の上記一表面側における熱型赤外線検出部203の形成予定領域A1に形成されている。この熱型赤外線検出部203は、シリコン基板201の上記一表面側に形成された矩形枠状の支持部233aと、支持部233aの内側に配置される矩形状の赤外線吸収部233bと、支持部233aと赤外線吸収部233bとを連結する2つの梁部233cとを有している。
【0004】
熱型赤外線検出部203は、シリコン基板201の上記一表面側に形成され圧縮応力を有する熱絶縁用シリコン酸化膜231と当該熱絶縁用シリコン酸化膜231上に形成され引張応力を有する熱絶縁用シリコン窒化膜232との積層膜からなる熱絶縁層233と、熱絶縁層233上に形成された熱電対型の感温部236と、熱絶縁層233の表面側で感温部236を覆うように形成されたBPSG膜からなる層間絶縁膜249と、層間絶縁膜249上に形成されたパッシベーション膜260との積層構造部をパターニングすることにより形成されている。なお、感温部236は、熱絶縁層233上に形成されたn形ポリシリコン層234とp形ポリシリコン層235とを有しており、n形ポリシリコン層234およびp形ポリシリコン層235それぞれの大部分が、層間絶縁膜249により覆われている。
【0005】
また、MOSトランジスタ204は、シリコン基板201の上記一表面側で、各画素部202それぞれにおけるMOSトランジスタ204の形成予定領域A2に形成されている。ここで、MOSトランジスタ204は、シリコン基板201の上記一表面側にp形(p+)のウェル領域241が形成され、ウェル領域241内に、n形(n+)のドレイン領域243とn形(n+)のソース領域244とが離間して形成されている。また、ウェル領域241においてドレイン領域243とソース領域244との間に位置する部位の上には、シリコン酸化膜(熱酸化膜)からなるゲート絶縁膜245を介してポリシリコン層からなるゲート電極246が形成されている。また、ドレイン領域243上にはドレイン電極247が形成され、ソース領域244上にはソース電極248が形成されている。
【0006】
また、特許文献1には、上述の赤外線センサの製造方法が提案されている。この赤外線センサの製造方法によれば、シリコン基板201の上記一表面側における熱型赤外線検出部203の形成予定領域A1に圧縮応力を有する熱絶縁用シリコン酸化膜231と引張応力を有する熱絶縁用シリコン窒化膜232との積層膜からなる熱絶縁層233を形成し、その後、シリコン基板201の上記一表面側におけるMOSトランジスタ204の形成予定領域A2にウェル領域241を形成する。その後、シリコン基板201の上記一表面側を熱酸化することによりゲート絶縁膜245を形成する。その後、熱絶縁層233上に感温部236の構成要素を形成してから、ウェル領域241内にドレイン領域243およびソース領域244を形成する。その後、シリコン基板201の上記一表面側に層間絶縁膜249を形成した後、層間絶縁膜249の表面側にパッシベーション膜260を形成してから、シリコン基板201に空洞部211を形成する。なお、上述の製造方法では、空洞部211を形成する空洞部形成工程が終了するまでの全工程をウェハレベル(ウェハの状態)で行い、空洞部形成工程が終了した後、個々の赤外線センサに分離する分離工程を行うようにしいている。
【0007】
上述の製造方法において、熱絶縁層233を形成する熱絶縁層形成工程では、まず、シリコン基板201の上記一表面側の全面に熱絶縁用シリコン酸化膜231と熱絶縁用シリコン窒化膜232とからなる熱絶縁層233を形成し、その後、当該熱絶縁層233のうち熱型赤外線検出部203の形成予定領域A1に対応する部分のみを残してMOSトランジスタ204の形成予定領域A2に対応する部分をエッチング除去している(図20(a)参照)。
【0008】
また、ウェル領域241を形成するウェル領域形成工程では、シリコン基板201の上記一表面側の露出部位を熱酸化することによりシリコン酸化膜251を選択的に形成し、その後、ウェル領域241を形成するためのマスクを利用し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シリコン酸化膜251をパターニングし、続いて、p形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とにより、ウェル領域241を形成している(図20(b)参照)。
【0009】
上述の赤外線センサの製造方法によれば、熱絶縁層233が圧縮応力を有する熱絶縁用シリコン酸化膜231と引張応力を有する熱絶縁用シリコン窒化膜232との積層膜により構成されるから、熱型赤外線検出部203の薄膜化を図りながらも熱型赤外線検出部203の赤外線吸収部233bおよび各梁部233cの反りを防止することが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0010】
【特許文献1】特開2010−48803号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0011】
ところで、上述の赤外線センサの製造方法では、熱絶縁層形成工程において、シリコン基板201の上記一表面側の全面に熱絶縁用シリコン酸化膜231と熱絶縁用シリコン窒化膜232とからなる熱絶縁層233を形成し、その後、MOSトランジスタ204の形成予定領域A2に対応する部分をエッチング除去している。しかしながら、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熱絶縁層233をパターニングする際に、シリコン基板201におけるMOSトランジスタ204の形成予定領域A2に、ドライエッチングによるエッチングダメージが発生してしまい、結果的に、MOSトランジスタ204の所望のしきい値が得られなかったり、ウェハ面内やロット間でのMOSトランジスタ204のしきい値のばらつきが大きく、製造歩留まりが低下してしまうことがあった。また、熱絶縁層233をパターニングする際に、熱絶縁用シリコン窒化膜232をドライエッチングによってパターニングしてから、熱絶縁用シリコン酸化膜231をウェットエッチングによってパターニングすることが考えられるが、熱絶縁用シリコン酸化膜231がサイドエッチングされてしまうとともに、サイドエッチング量の面内ばらつきが大きくなってしまう。また、熱絶縁用シリコン窒化膜232をウェットエッチングすることも考えられるが、エッチング液として燐酸系溶液を用いる必要があり、パーティクルが発生し、製造歩留まりが低下してしまう懸念がある。
【0012】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、赤外線センサにおけるMOSトランジスタのしきい値のばらつきを小さくすることが可能な赤外線センサの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0013】
本発明の赤外線センサの製造方法は、半導体基板の一表面側に形成されたシリコン酸化膜と当該シリコン酸化膜上のシリコン窒化膜との積層膜を有し前記半導体基板に支持された熱型赤外線検出部と、前記半導体基板の前記一表面側において前記熱型赤外線検出部に並設され前記熱型赤外線検出部の出力を取り出すためのMOSトランジスタとを備えた赤外線センサの製造方法であって、前記半導体基板の前記一表面側の全体に亘って前記シリコン酸化膜と前記シリコン窒化膜との積層膜を形成する第1の工程と、前記第1の工程の後で前記シリコン窒化膜のうち前記半導体基板における前記熱型赤外線検出部の形成予定領域に対応する部分を残して前記半導体基板における前記MOSトランジスタの形成予定領域に対応する部分をドライエッチングにより除去する第2の工程と、前記第2の工程の後で前記半導体基板の前記一表面側に第1のイオン注入を行ってウェル領域を形成する第3の工程と、前記第3の工程の後で前記MOSトランジスタのしきい値電圧を制御するための第2のイオン注入を行う第4の工程と、前記第4の工程の後で前記MOSトランジスタのドレイン領域およびソース領域を形成する第5の工程とを備え、前記第3の工程では、前記シリコン酸化膜のうち前記MOSトランジスタの形成予定領域に形成されている部分の一部をウェットエッチングにより除去してから、前記シリコン酸化膜をマスクとして前記第1のイオン注入を行うことを特徴とする。
【0014】
この赤外線センサの製造方法において、前記第2の工程の後であって前記第3の工程の前に、前記シリコン窒化膜をマスクとして熱酸化を行うことによって前記シリコン酸化膜のうち前記MOSトランジスタの形成予定領域に形成されている部分の膜厚を大きくすることが好ましい。
【発明の効果】
【0015】
本発明の赤外線センサの製造方法においては、赤外線センサにおけるMOSトランジスタのしきい値のばらつきを小さくすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0016】
【図1】実施形態の赤外線センサの要部概略断面図である。
【図2】同上における赤外線センサの平面レイアウト図である。
【図3】同上における赤外線センサの画素部の平面レイアウト図である。
【図4】同上における赤外線センサの画素部の平面レイアウト図である。
【図5】同上における赤外線センサの画素部の要部を示す平面レイアウト図である。
【図6】同上における赤外線センサの画素部の要部の平面レイアウト図である。
【図7】同上における赤外線センサの画素部の要部の平面レイアウト図である。
【図8】同上における赤外線センサの画素部の要部を示し、(a)は平面レイアウト図、(b)は(a)のD−D’断面に対応する概略断面図である。
【図9】同上における赤外線センサの冷接点を含む要部を示し、(a)は平面レイアウト図、(b)は概略断面図である。
【図10】同上における赤外線センサの温接点を含む要部を示し、(a)は平面レイアウト図、(b)は概略断面図である。
【図11】同上における赤外線センサの画素部の要部の概略断面図である。
【図12】同上における赤外線センサの画素部の要部の概略断面図である。
【図13】同上における赤外線センサの要部説明図である。
【図14】同上における赤外線センサの等価回路図である。
【図15】同上における赤外線センサの製造方法を説明するための主要工程断面図である。
【図16】同上における赤外線センサの製造方法を説明するための主要工程断面図である。
【図17】同上における赤外線センサの製造方法を説明するための主要工程断面図である。
【図18】同上における赤外線センサの製造方法を説明するための主要工程断面図である。
【図19】従来例における赤外線センサを示し、(a)は概略平面図、(b)は画素部の概略平面図、(c)は(b)のD−D’概略断面図である。
【図20】同上の赤外線センサの製造方法を説明するための主要工程断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0017】
以下、図1〜図14に基づいて本実施形態における赤外線センサ100について説明してから、その製造方法について説明する。なお、図1は、図5のD−D’断面に対応する概略断面図である。
【0018】
赤外線センサ100は、熱型赤外線検出部3と画素選択用のスイッチング素子であるMOSトランジスタ4とを有する複数の画素部2が、半導体基板1の上記一表面側においてアレイ状(ここでは、2次元アレイ状)に配列されている(図2参照)。本実施形態では、1つの半導体基板1の上記一表面側にm×n個(図2に示した例では、8×8個)の画素部2が形成されているが、画素部2の数や配列は特に限定するものではない。また、本実施形態では、熱型赤外線検出部3の感温部30が、複数個(ここでは、6個)のサーモパイル30a(図3参照)を直列接続することにより構成されている。図14では、熱型赤外線検出部3における感温部30の等価回路を、当該感温部30の熱起電力に対応する電圧源で表してある。
【0019】
また、赤外線センサ100は、図3、図5および図14に示すように、各列の複数の熱型赤外線検出部3の感温部30の一端が上述のMOSトランジスタ4を介して各列ごとに共通接続された複数の垂直読み出し線(第1の配線)7と、各行の熱型赤外線検出部3の感温部30に対応するMOSトランジスタ4のゲート電極46が各行ごとに共通接続された複数の水平信号線(第2の配線)6とを備えている。また、赤外線センサ100は、各列のMOSトランジスタ4のp+形のウェル領域41が各列ごとに共通接続された複数のグラウンド線(第3の配線)8と、各グラウンド線8が共通接続された共通グラウンド線9(第4の配線)とを備えている。さらに、赤外線センサ100は、各列の複数の熱型赤外線検出部3の感温部30の他端が各列ごとに共通接続された複数の基準バイアス線(第5の配線)5を備えている。しかして、赤外線センサ100は、全ての熱型赤外線検出部3の感温部30の出力を時系列的に読み出すことができるようになっている。要するに、赤外線センサ100は、半導体基板1の上記一表面側に熱型赤外線検出部3と当該熱型赤外線検出部3に並設され当該熱型赤外線検出部3の出力を読み出すためのMOSトランジスタ4とを有する複数の画素部2が形成されている。
【0020】
ここで、MOSトランジスタ4は、ゲート電極46が水平信号線6に接続され、ソース電極48が感温部30を介して基準バイアス線5に接続され、ドレイン電極47が垂直読み出し線7に接続されている。各水平信号線6それぞれは、各別の画素選択用のパッドVselに電気的に接続され、各基準バイアス線5は、共通基準バイアス線5aに共通接続され、各垂直読み出し線7それぞれは、各別の出力用のパッドVoutに電気的に接続されている。また、共通グラウンド線9は、グラウンド用のパッドGndに電気的に接続され、共通基準バイアス線5aは、基準バイアス用のパッドVrefと電気的に接続され、半導体基板1は、基板用のパッドVddに電気的に接続されている。
【0021】
しかして、MOSトランジスタ4が、順次、オン状態になるように各画素選択用のパッドVselの電位を制御することで各画素部2の出力電圧を順次読み出すことができる。例えば、基準バイアス用のパッドVrefの電位を1.65V、グラウンド用のパッドGndの電位を0V、基板用のパッドVddの電位を5Vとしておき、画素選択用のパッドVselの電位を5Vとすれば、MOSトランジスタ4がオンとなり、出力用のパッドVoutから画素部2の出力電圧(1.65V+感温部30の出力電圧)が読み出される。また、画素選択用のパッドVselの電位を0Vとすれば、MOSトランジスタ4がオフとなり、出力用のパッドVoutから画素部2の出力電圧は読み出されない。なお、図2では、図14における画素選択用のパッドVsel、基準バイアス用のパッドVref、グラウンド用のパッドGnd、出力用のパッドVoutなどを区別せずに、全てパッド80として図示してある。
【0022】
以下、熱型赤外線検出部3およびMOSトランジスタ4それぞれの構造について説明する。なお、本実施形態では、上述の半導体基板1として、導電形がn形で上記一表面が(100)面の単結晶シリコン基板を用いている。
【0023】
各画素部2の熱型赤外線検出部3は、半導体基板1の上記一表面側において熱型赤外線検出部3の形成予定領域A1(図1、図5参照)に形成されている。また、各画素部2のMOSトランジスタ4は、半導体基板1の上記一表面側においてMOSトランジスタ4の形成予定領域A2(図1、図5参照)に形成されている。
【0024】
赤外線センサ100は、半導体基板1の上記一表面側において熱型赤外線検出部3の一部の直下に空洞部11が形成されている。熱型赤外線検出部3は、半導体基板1の上記一表面側で空洞部11の周部に形成された支持部3dと、半導体基板1の上記一表面側で平面視において空洞部11を覆う第1の薄膜構造部3aとを備えている。第1の薄膜構造部3aは、赤外線を吸収する赤外線吸収部33を備えている。ここで、第1の薄膜構造部3aは、空洞部11の周方向に沿って並設され支持部3dに支持された複数の第2の薄膜構造部3aaと、隣接する第2の薄膜構造部3aa同士を連結する連結片3c(図3参照)とを有している。なお、図3の例の熱型赤外線検出部3では、複数の線状のスリット13を設けることにより、第1の薄膜構造部3aが6つの第2の薄膜構造部3aaに分離されている。以下では、赤外線吸収部33(第1の赤外線吸収部33と称する)のうち第2の薄膜構造部3aaそれぞれに対応して分割された各部位を第2の赤外線吸収部33aと称する。
【0025】
熱型赤外線検出部3は、第2の薄膜構造部3aaごとにサーモパイル30aが設けられている。ここで、サーモパイル30aは、温接点T1が、第2の薄膜構造部3aaに設けられ、冷接点T2が、支持部3dに設けられている。要するに、温接点T1は、熱型赤外線検出部3において空洞部11に重なる第1の領域に形成され、冷接点T2は、熱型赤外線検出部3において空洞部11に重ならない第2の領域に形成されている。
【0026】
また、熱型赤外線検出部3の感温部30は、各サーモパイル30aごとに出力を取り出す場合に比べて温度変化に対する出力変化が大きくなる接続関係で、全てのサーモパイル30aが電気的に接続されている。図3の例では、感温部30は、6個のサーモパイル30aを直列接続してある。ただし、上述の接続関係は、複数個のサーモパイル30aの全てを直列接続する接続関係に限らない。例えば、それぞれ3個のサーモパイル30aの直列回路を並列接続すれば、6個のサーモパイル30aが並列接続されている場合や、各サーモパイル30aごとに出力を取り出す場合に比べて、感度を高めることができる。また、6個のサーモパイル30aの全てが直列接続されている場合に比べて、感温部30の電気抵抗を低くできて熱雑音が低減されるから、S/N比が向上する。
【0027】
ここで、熱型赤外線検出部3では、第2の薄膜構造部3aaごとに、支持部3dと第2の赤外線吸収部33aとを連結する2つの平面視短冊状のブリッジ部3bb,3bbが空洞部11の周方向に離間して形成されている。ここにおいて、赤外線センサ100は、2つのブリッジ部3bb,3bbと第2の赤外線吸収部33aとを空間的に分離し空洞部11に連通する平面視コ字状のスリット14が形成されている。熱型赤外線検出部3のうち、平面視において第1の薄膜構造部3aを囲む部位である支持部3dは、矩形枠状の形状となっている。なお、ブリッジ部3bbは、上述の各スリット13,14により、第2の赤外線吸収部33aおよび支持部3dそれぞれとの連結部位以外の部分が、第2の赤外線吸収部33aおよび支持部3dと空間的に分離されている。ここで、第2の薄膜構造部3aaは、支持部3dからの延長方向の寸法を93μm、この延長方向に直交する幅方向の寸法を75μmとし、各ブリッジ部3bbの幅寸法を23μm、各スリット13,14の幅を5μmに設定してあるが、これらの値は一例であって特に限定するものではない。
【0028】
第1の薄膜構造部3aは、半導体基板1の上記一表面側に形成された第1のシリコン酸化膜31と、第1のシリコン酸化膜31上に形成されたシリコン窒化膜32と、当該シリコン窒化膜32上に形成された感温部30と、シリコン窒化膜32の表面側で感温部30を覆うように形成された層間絶縁膜50と、層間絶縁膜50上に形成されたパッシベーション膜60との積層構造部をパターニングすることにより形成されている。第1のシリコン酸化膜31は、圧縮応力を有し、シリコン窒化膜32は、引張応力を有している。層間絶縁膜50は、BPSG膜により構成してある。また、パッシベーション膜60は、PSG膜と当該PSG膜上に形成されたNSG膜との積層膜により構成してあるが、これに限らず、例えば、シリコン窒化膜により構成してもよい。
【0029】
上述の熱型赤外線検出部3では、シリコン窒化膜32のうち第1の薄膜構造部3aのブリッジ部3bb,3bb以外の部位が第1の赤外線吸収部33を構成している。また、支持部3dは、第1のシリコン酸化膜31とシリコン窒化膜32と層間絶縁膜50とパッシベーション膜60とで構成されている。
【0030】
また、赤外線センサ100は、層間絶縁膜50とパッシベーション膜60との積層膜が、半導体基板1の上記一表面側において、熱型赤外線検出部3の形成予定領域A1とMOSトランジスタ4の形成予定領域A2とに跨って形成されており、この積層膜のうち、熱型赤外線検出部3の形成予定領域A1に形成された部分が赤外線吸収膜70(図1参照)を兼ねている。ここで、赤外線吸収膜70の屈折率をn2、検出対象の赤外線の中心波長をλとするとき、赤外線吸収膜70の厚さt2をλ/4n2に設定するようにしているので、検出対象の波長(例えば、8〜12μm)の赤外線の吸収効率を高めることができ、高感度化を図れる。例えば、n2=1.4、λ=10μmの場合には、t2≒1.8μmとすればよい。なお、本実施形態では、層間絶縁膜50の膜厚を0.8μm、パッシベーション膜60の膜厚を1μm(PSG膜の膜厚を0.5μm、NSG膜の膜厚を0.5μm)としてある。
【0031】
また、各画素部2では、空洞部11の内周形状が矩形状であり、連結片3cは、平面視X字状に形成されており、第2の薄膜構造部3aaの延長方向に交差する斜め方向において隣接する第2の薄膜構造部3aa,3aa同士、第2の薄膜構造部3aaの延長方向において隣接する第2の薄膜構造部3aa,3aa同士、第2の薄膜構造部3aaの延長方向に直交する方向において隣接する第2の薄膜構造部3aa,3aa同士を連結している。
【0032】
サーモパイル30aは、シリコン窒化膜32上で第2の薄膜構造部3aaと支持部3dとに跨って形成されたn形ポリシリコン層34とp形ポリシリコン層35との一端部同士を第2の赤外線吸収部33aの赤外線入射面側で金属材料(例えば、Al−Siなど)からなる接続部36により電気的に接続した複数個(図3に示した例では、9個)の熱電対を有している。また、サーモパイル30aは、半導体基板1の上記一表面側で互いに隣り合う熱電対のn形ポリシリコン層34の他端部とp形ポリシリコン層35の他端部とが金属材料(例えば、Al−Siなど)からなる接続部37により接合され電気的に接続されている。ここで、サーモパイル30aは、n形ポリシリコン層34の上記一端部とp形ポリシリコン層35の上記一端部と接続部36とで温接点T1を構成している。また、サーモパイル30aは、n形ポリシリコン層34の上記他端部とp形ポリシリコン層35の上記他端部と接続部37とで冷接点T2を構成している。要するに、サーモパイル30aの各温接点T1は、熱型赤外線検出部3において空洞部11に重なる領域に形成され、各冷接点T2は、熱型赤外線検出部3において空洞部11に重ならない領域に形成されている。なお、赤外線センサ100は、サーモパイル30aの各n形ポリシリコン層34および各p形ポリシリコン層35それぞれにおいて、上述のブリッジ部3bb,3bbに形成されている部位および半導体基板1の上記一表面側のシリコン窒化膜32上に形成されている部位でも赤外線を吸収することができる。
【0033】
また、赤外線センサ100は、空洞部11の形状が、四角錘状であり、平面視における中央部の方が周部に比べて深さ寸法が大きくなっているので、第1の薄膜構造部3aの中央部に温接点T1が集まるように各画素部2におけるサーモパイル30aの平面レイアウトを設計してある。すなわち、図3の上下方向における真ん中の2つの第2の薄膜構造部3aaでは、図3および図6に示すように、3つの第2の薄膜構造部3aaの並設方向に沿って温接点T1を並べて配置してあるのに対し、当該上下方向における上側の2つの第2の薄膜構造部3aaでは、図3および図7に示すように、3つの第2の薄膜構造部3aaの並設方向において真ん中の第2の薄膜構造部3aaに近い側に温接点T1を集中して配置してあり、当該上下方向における下側の2つの第2の薄膜構造部3aaでは、図3に示すように、3つの第2の薄膜構造部3aaの並設方向において真ん中の第2の薄膜構造部3aaに近い側に温接点T1を集中して配置してある。しかして、赤外線センサ100では、図3の上下方向における上側、下側の第2の薄膜構造部3aaの複数の温接点T1の配置が、真ん中の第2の薄膜構造部3aaの複数の温接点T1の配置と同じである場合に比べて、温接点T1の温度変化を大きくできるので、感度を向上できる。なお、本実施形態では、空洞部11の最深部の深さを所定深さdp(図1参照)とするとき、所定深さdpを200μmに設定してあるが、この値は一例であり、特に限定するものではない。
【0034】
また、第2の薄膜構造部3aaは、シリコン窒化膜32の赤外線入射面側においてサーモパイル30aを形成していない領域に、第2の薄膜構造部3aaの反りを抑制するとともに赤外線を吸収するn形ポリシリコン層からなる赤外線吸収層39が形成されている。また、隣接する第2の薄膜構造部3aa,3aa同士を連結する連結片3cには、当該連結片3cを補強するn形ポリシリコン層からなる補強層39b(図8参照)が設けられている。ここで、補強層39bは、赤外線吸収層39と連続一体に形成されている。しかして、赤外線センサ100では、連結片3cが補強層39bにより補強されているので、使用中の外部の温度変化や衝撃に起因して発生する応力による破損を防止でき、また、製造時の破損を低減でき、製造歩留まりの向上を図れる。なお、本実施形態では、図8に示す連結片3cの長さ寸法L1を24μm、幅寸法L2を5μm、補強層39bの幅寸法L3を1μmに設定してあるが、これらの数値は一例であり、特に限定するものではない。ただし、本実施形態のように半導体基板1としてシリコン基板を用いており、補強層39bがn形ポリシリコン層により形成される場合には、空洞部11の形成時に補強層39bがエッチングされるのを防止するために、補強層39bの幅寸法は、連結片3cの幅寸法よりも小さく設定し、平面視において補強層39bの両側縁が連結片3cの両側縁よりも内側に位置する必要がある。
【0035】
また、赤外線センサ100は、図8および図13(b)に示すように、連結片3cの両側縁と第2の薄膜構造部3aaの側縁との間にそれぞれ面取り部3d,3dが形成され、X字状の連結片3cの略直交する側縁間にも面取り部3eが形成されている。しかして、赤外線センサ100では、図13(a)に示すように面取り部が形成されていない場合に比べて、連結片3cと第2の薄膜構造部3aaとの連結部位での応力集中を緩和でき、製造時に発生する残留応力を低減できるとともに製造時の破損を低減でき、製造歩留まりの向上を図れる。また、赤外線センサ100では、使用中の外部の温度変化や衝撃に起因して発生する応力による破損を防止できる。なお、図8に示した例では、各面取り部3d,3eをR(アール)が3μmのR面取り部としてあるが、R面取り部に限らず、例えば、C面取り部としてもよい。
【0036】
また、赤外線センサ100は、各熱型赤外線検出部3に、支持部3dと一方のブリッジ部3bbと第2の赤外線吸収部33aと他方のブリッジ部3bbと支持部3dとに跨って引き回されたn形ポリシリコン層からなる故障診断用の配線(以下、故障診断用配線と称する)139を設けて、全ての故障診断用配線139を直列接続してある。しかして、m×n個の故障診断用配線139の直列回路へ通電することで、ブリッジ部3bbの折れなどの破損の有無を検出することができる。
【0037】
要するに、赤外線センサ100は、製造途中での検査時や使用時において、m×n個の故障診断用配線139の直列回路への通電の有無によって、ブリッジ部3bbの折れや故障診断用配線139の断線などを検出することができる。また、赤外線センサ100では、上述の検査時や使用時において、m×n個の故障診断用配線139の直列回路へ通電して各感温部30の出力を検出することにより、感温部30の断線の有無や感度のばらつき(感温部30の出力のばらつき)などを検知することが可能となる。ここにおいて、感度のばらつきに関しては、画素部2ごとの感度のばらつきを検知することが可能であり、例えば、第1の薄膜構造部3aの反りや第1の薄膜構造部3aの半導体基板1へのスティッキングなどに起因した感度のばらつきを検知することが可能となる。ここで、本実施形態における赤外線センサ100では、平面視において、故障診断用配線139を複数の温接点T1の群の付近において折り返され蛇行した形状としてある。したがって、故障診断用配線139へ通電することにより発生するジュール熱によって、各温接点T1を効率良く温めることができる。上述の故障診断用配線139は、n形ポリシリコン層34およびp形ポリシリコン層35と同一平面上に同一厚さで形成されている。
【0038】
上述の赤外線吸収層39および故障診断用配線139は、n形ポリシリコン層34と同じn形不純物(例えば、リンなど)を同じ不純物濃度(例えば、1018〜1020cm−3)で含んでおり、n形ポリシリコン層34と同時に形成されている。また、p形ポリシリコン層35のp形不純物として例えばボロンを採用すればよく、不純物濃度を例えば1018〜1020cm−3程度の範囲で適宜設定すればよい。本実施形態では、n形ポリシリコン層34およびp形ポリシリコン層35それぞれの不純物濃度が1018〜1020cm−3であり、熱電対の抵抗値を低減でき、S/N比の向上を図れる。なお、赤外線吸収層39および故障診断用配線139は、n形ポリシリコン層34と同じn形不純物を同じ不純物濃度でドーピングしてあるが、これに限らず、例えば、p形ポリシリコン層35と同じ不純物を同じ不純物濃度でドーピングしてもよい。
【0039】
ところで、本実施形態では、n形ポリシリコン層34、p形ポリシリコン層35、赤外線吸収層39、および故障診断用配線139の屈折率をn1、検出対象の赤外線の中心波長をλとするとき、n形ポリシリコン層34、p形ポリシリコン層35、赤外線吸収層39、および故障診断用配線139それぞれの厚さt1をλ/4n1に設定するようにしている。しかして、検出対象の波長(例えば、8〜12μm)の赤外線の吸収効率を高めることができ、高感度化を図れる。例えば、n1=3.6、λ=10μmの場合には、t1≒0.69μmとすればよい。
【0040】
また、本実施形態では、n形ポリシリコン層34、p形ポリシリコン層35、赤外線吸収層39、および故障診断用配線139それぞれの不純物濃度が1018〜1020cm−3であるので、赤外線の吸収率を高くしつつ赤外線の反射を抑制することができて、感温部30の出力のS/N比を高めることができる。また、本実施形態では、赤外線吸収層39および故障診断用配線139をn形ポリシリコン層34と同一工程で形成できるから、低コスト化を図れる。
【0041】
ここで、感温部30の接続部36と接続部37とは、半導体基板1の上記一表面側において、層間絶縁膜50によって絶縁分離されている(図9および図10参照)。すなわち、温接点T1側の接続部36は、層間絶縁膜50に形成したコンタクトホール50a1,50a2を通して、両ポリシリコン層34,35の上記各一端部と電気的に接続されている。また、冷接点T2側の接続部37は、層間絶縁膜50に形成されたコンタクトホール50a3,50a4を通して、両ポリシリコン層34,35の上記各他端部と電気的に接続されている。
【0042】
また、MOSトランジスタ4は、上述のように、半導体基板1の上記一表面側においてMOSトランジスタ4の形成予定領域A2に形成されている。
【0043】
MOSトランジスタ4は、図1、図5および図12に示すように、半導体基板1の上記一表面側にp形(p+)のウェル領域41が形成され、ウェル領域41内に、n形(n+)のドレイン領域43とn形(n+)のソース領域44とが離間して形成されている。さらに、ウェル領域41内には、ドレイン領域43とソース領域44とを囲むp形(p++)のチャネルストッパ領域42が形成されている。
【0044】
ウェル領域41においてドレイン領域43とソース領域44との間に位置する部位の上には、シリコン酸化膜(熱酸化膜)からなるゲート絶縁膜45を介してn形ポリシリコン層からなるゲート電極46が形成されている。
【0045】
また、ドレイン領域43上には、金属材料(例えば、Al−Siなど)からなるドレイン電極47が形成され、ソース領域44上には、金属材料(例えば、Al−Siなど)からなるソース電極48が形成されている。
【0046】
ゲート電極46、ドレイン電極47およびソース電極48は、上述の層間絶縁膜50によって絶縁分離されている。ここで、ドレイン電極47は、層間絶縁膜50に形成したコンタクトホール50dを通してドレイン領域43と電気的に接続され、ソース電極48は、層間絶縁膜50に形成したコンタクトホール50eを通してソース領域44と電気的に接続されている。
【0047】
赤外線センサ100の各画素部2では、MOSトランジスタ4のソース電極48と感温部30の一端とが電気的に接続され、感温部30の他端が基準バイアス線5に電気的に接続されている。また、各画素部2では、MOSトランジスタ4のドレイン電極47が、垂直読み出し線7と電気的に接続され、ゲート電極46が、当該ゲート電極46に連続一体に形成されたn形ポリシリコン配線からなる水平信号線6と電気的に接続されている。また、各画素部2では、MOSトランジスタ4のチャネルストッパ領域42上に、金属材料(例えば、Al−Siなど)からなるグラウンド用の電極(以下、グラウンド用電極と称する)49が形成されている。このグラウンド用電極49は、チャネルストッパ領域42をドレイン領域43およびソース領域44よりも低電位にバイアスして素子分離するための共通グラウンド線8と電気的に接続されている。なお、グラウンド用電極49は、層間絶縁膜50に形成したコンタクトホール50fを通してチャネルストッパ領域42と電気的に接続されている。
【0048】
上述の赤外線センサ100によれば、通電されることにより発生するジュール熱によって温接点T1を温める故障診断用配線139を備えているので、故障診断用配線139へ通電してサーモパイル30aの出力を測定することにより、サーモパイル30aの断線などの故障の有無を判断することが可能となって、信頼性の向上を図れる。しかも、上述の赤外線センサ100によれば、故障診断用配線139が、熱型赤外線検出部3において半導体基板1の空洞部11に重なる領域でサーモパイル30aと重ならないように配置されているので、故障診断用配線139によるサーモパイル30aの温接点T1の熱容量の増大を防止でき、感度および応答速度の向上を図れる。
【0049】
ここで、赤外線センサ100は、使用時において自己診断を行わない通常時において、故障診断用配線139も外部からの赤外線を吸収するので、複数の温接点T1の温度の均一化を図れ、感度の向上を図れる。なお、赤外線センサ100では、赤外線吸収層39および補強層39bも外部からの赤外線を吸収するので、複数の温接点T1の温度の均一化を図れ、感度の向上を図れる。また、赤外線センサ100の使用時の自己診断は、赤外線センサ100とは別途に製造されたIC素子(図示せず)に設けられた自己診断回路により定期的に行われるが、必ずしも定期的に行う必要はない。
【0050】
また、赤外線センサ100は、第1の薄膜構造部3aが、複数の線状のスリット13を設けることによって、空洞部11の内周方向に沿って並設されそれぞれ熱型赤外線検出部3において空洞部11を囲む部位である支持部3dから内方へ延長された複数の第2の薄膜構造部3aaに分離され、各第2の薄膜構造部3aaごとにサーモパイル30aの温接点T1が設けられるとともに、各サーモパイル30aごとに出力を取り出す場合に比べて温度変化に対する出力変化が大きくなる接続関係で全てのサーモパイル30aが電気的に接続されているので、応答速度および感度の向上を図れる。しかも、赤外線センサ100は、第1の薄膜構造部3aにおける全ての第2の薄膜構造部3aaに跨って故障診断用配線139が形成されているので、熱型赤外線検出部3の全てのサーモパイル30aを一括して自己診断することが可能となる。また、赤外線センサ100では、隣接する第2の薄膜構造部3aa,3aa同士を連結する連結片3cが形成されていることにより、各第2の薄膜構造部3aaの反りを低減でき、構造安定性の向上を図れ、感度が安定する。
【0051】
また、赤外線センサ100は、n形ポリシリコン層34とp形ポリシリコン層35と赤外線吸収層39と補強層39bと故障診断用配線139とが同一の厚さに設定されているので、第2の薄膜構造部3aaの応力バランスの均一性が向上し、第2の薄膜構造部3aaの反りを抑制することができ、製品ごとの感度のばらつきや、画素部2ごとの感度のばらつきを低減できる。
【0052】
また、赤外線センサ100は、故障診断用配線139が、第1の熱電要素であるn形ポリシリコン層34もしくは第2の熱電要素であるp形ポリシリコン層35と同じ材料により形成されているので、故障診断用配線139を第1の熱電要素もしくは第2の熱電要素と同時に形成することが可能となり、製造プロセスの簡略化による低コスト化を図れる。
【0053】
また、赤外線センサ100は、赤外線吸収部33および故障診断用配線139を備えた複数の画素部2が、半導体基板1の上記一表面側でアレイ状に設けられているので、製造時や使用時の自己診断に際して各画素部2それぞれの故障診断用配線139に通電することにより、各画素部2それぞれの感温部30の感度のばらつきを把握することが可能となる。
【0054】
また、赤外線センサ100は、各画素部2ごとに感温部30の出力を読み出すためのMOSトランジスタ4を有しているので、出力用のパッドVout(図14参照)の数を少なくでき、小型化および低コスト化を図れる。
【0055】
以下、赤外線センサ100の製造方法について図15〜図18を参照しながら説明する。
【0056】
まず、シリコン基板からなる半導体基板1の上記一表面側に第1の所定膜厚(例えば、0.3μm)の第1のシリコン酸化膜31と第2の所定膜厚(例えば、0.1μm)のシリコン窒化膜32との積層膜からなる絶縁層を形成する絶縁層形成工程(第1の工程)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シリコン窒化膜32のうち熱型赤外線検出部3の形成予定領域A1に対応する部分の一部を残してMOSトランジスタ4の形成予定領域A2に対応する部分をドライエッチングにより除去する窒化膜パターニング工程(第2の工程)を行うことによって、図15(a)に示す構造を得る。ここにおいて、第1のシリコン酸化膜31は、半導体基板1を所定温度(例えば、1100℃)で熱酸化することにより形成し、シリコン窒化膜32は、LPCVD法により形成している。
【0057】
上述の窒化膜パターニング工程の後、半導体基板1の上記一表面側にp形(p+)のウェル領域41を形成するウェル領域形成工程(第3の工程)を行うことによって、図15(c)に示す構造を得る。ここで、本実施形態では、窒化膜パターニング工程の後であってウェル領域形成工程の前に、シリコン窒化膜32をマスクとして熱酸化を行う選択酸化工程を行うことによって、図15(b)に示す構造を得る。この選択酸化工程では、熱酸化を行うことによって、第1のシリコン酸化膜31のうちMOSトランジスタ4の形成予定領域A2に形成されている部分の膜厚を大きくする。図15(b)では、第1のシリコン酸化膜31のうち膜厚が大きくなった部分(MOSトランジスタ4の形成予定領域A2に形成されている部分)をシリコン酸化膜51としてある。ウェル領域形成工程では、ウェル領域41を形成するためのレジストマスクをフォトリソグラフィ技術を利用して形成した後、シリコン酸化膜51の一部(ウェル領域41の形成予定領域上の部分)をフッ酸系のエッチング液(例えば、BHFなど)を用いたウェットエッチングにより除去することで半導体基板1を露出させ、その後、シリコン酸化膜51をマスクとしてp形不純物(例えば、ボロンなど)のイオン注入(第1のイオン注入)を行ってから、ドライブインを行うことにより、ウェル領域41を形成する。要するに、ウェル領域形成工程では、イオン注入法を利用してウェル領域41を形成する。
【0058】
上述のウェル領域形成工程の後、半導体基板1の上記一表面側におけるウェル領域41内にp形(p++)のチャネルストッパ領域42を形成するチャネルストッパ領域形成工程を行うことによって、図16(a)に示す構造を得る。チャネルストッパ領域形成工程では、半導体基板1の上記一表面側を所定温度で熱酸化することにより第2のシリコン酸化膜(熱酸化膜)52を選択的に形成する。その後、チャネルストッパ領域42を形成するためのマスクを利用し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第2のシリコン酸化膜52をパターニングする。続いて、p形不純物(例えば、ボロンなど)のイオン注入を行ってから、ドライブインを行うことにより、チャネルストッパ領域42を形成する。要するに、チャネルストッパ領域形成工程では、イオン注入法を利用してチャネルストッパ領域42を形成する。
【0059】
上述のチャネルストッパ領域形成工程の後、第2のシリコン酸化膜52をパターニングするためのレジストマスクをフォトリソグラフィ技術を利用して形成し、その後、第2のシリコン酸化膜52の一部をフッ酸系のエッチング液(例えば、BHFなど)を用いたウェットエッチングにより除去することで半導体基板1を露出させ、その後、半導体基板1の上記一表面側に第3のシリコン酸化膜53を熱酸化により形成し、その後、第3のシリコン酸化膜53の一部をフッ酸系のエッチング液(例えば、BHFなど)を用いたウェットエッチングにより除去することで半導体基板1を露出させ、MOSトランジスタ4のしきい値電圧(VT)を制御するためのイオン注入(第2のイオン注入)を行うVTイオン注入工程(第4の工程)を実施する。ここにおいて、VTイオン注入工程では、ウェル領域41と同じ導電形の不純物(例えば、ボロンなどのp形不純物)をイオン注入する。
【0060】
VTイオン注入工程の後、半導体基板1の上記一表面側に熱酸化により所定膜厚(例えば、600Å)のシリコン酸化膜(熱酸化膜)からなるゲート絶縁膜45を形成するゲート絶縁膜形成工程を行う。続いて、半導体基板1の上記一表面側の全面にゲート電極46、水平信号線6(図3参照)、n形ポリシリコン層34、p形ポリシリコン層35、赤外線吸収層39および故障診断用配線139の基礎となる所定膜厚(例えば、0.69μm)のノンドープポリシリコン層をLPCVD法により形成するポリシリコン層形成工程を行う。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上記ノンドープポリシリコン層のうちゲート電極46、水平信号線6、n形ポリシリコン層34、p形ポリシリコン層35、赤外線吸収層39および故障診断用配線139それぞれに対応する部分が残るようにパターニングするポリシリコン層パターニング工程を行う。続いて、上記ノンドープポリシリコン層のうちp形ポリシリコン層35に対応する部分にp形不純物(例えば、ボロンなど)のイオン注入を行ってからドライブインを行うことによりp形ポリシリコン層35を形成するp形ポリシリコン層形成工程を行う。その後、上記ノンドープポリシリコン層のうちn形ポリシリコン層34、赤外線吸収層39、故障診断用配線139、ゲート電極46および水平信号線6に対応する部分にn形不純物(例えば、リンなど)のイオン注入を行ってからドライブインを行うことによりn形ポリシリコン層34、赤外線吸収層39、故障診断用配線139、ゲート電極46および水平信号線6を形成するn形ポリシリコン層形成工程を行うことによって、図16(b)に示す構造を得る。ここで、本実施形態では、n形ポリシリコン層形成工程と同時に、n形(n+)のドレイン領域43およびn形(n+)のソース領域44を形成するドレイン領域・ソース領域形成工程(第5の工程)を行う。このドレイン領域・ソース領域形成工程では、ウェル領域41におけるドレイン領域43およびソース領域44それぞれの形成予定領域にn形不純物(例えば、リンなど)のイオン注入を行ってから、ドライブインを行うことによって、ドレイン領域43およびソース領域44を形成する。ここにおいて、ドレイン領域・ソース領域形成工程では、上記ノンドープポリシリコン層のうちゲート電極46になる部分とシリコン酸化膜53とが、ドレイン領域43およびソース領域44それぞれの形成予定領域にn形不純物をイオン注入する際のマスクを兼ねている。要するに、本実施形態では、ドレイン領域43およびソース領域44を、セルフアライメント技術を利用して形成している。なお、p形ポリシリコン層形成工程とn形ポリシリコン層形成工程との順序は逆でもよい。いずれにしても、p形ポリシリコン層形成工程およびn形ポリシリコン層形成工程は、イオン注入法を利用する。
【0061】
上述のp形ポリシリコン層形成工程およびn形ポリシリコン層形成工程が終了した後、半導体基板1の上記一表面側に層間絶縁膜50を形成する層間絶縁膜形成工程を行う。続いて、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50に各コンタクトホール50a1,50a2,50a3,50a4,50d,50e,50f(図9、図10、図12参照)を形成するコンタクトホール形成工程を行うことによって、図16(c)に示す構造を得る。層間絶縁膜形成工程では、半導体基板1の上記一表面側に所定膜厚(例えば、0.8μm)のBPSG膜をCVD法により堆積させてから、所定温度(例えば、800℃)でリフローすることにより平坦化された層間絶縁膜50を形成する。
【0062】
上述のコンタクトホール形成工程の後、半導体基板1の上記一表面側の全面に接続部36,37、ドレイン電極47、ソース電極48、基準バイアス線5、垂直読み出し線7、グラウンド線8、共通グラウンド線9および各パッドVout,Vsel,Vref,Vdd,Gndなど(図14参照)の基礎となる所定膜厚(例えば、2μm)の金属膜(例えば、Al−Si膜)をスパッタ法などにより形成する金属膜形成工程を行う。続いて、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金属膜をパターニングすることで接続部36,37、ドレイン電極47、ソース電極48、基準バイアス線5、垂直読み出し線7、グラウンド線8、共通グラウンド線9および各パッドVout,Vsel,Vref,Vdd,Gndなどを形成する金属膜パターニング工程を行うことによって、図17(a)に示す構造を得る。なお、金属膜パターニング工程におけるエッチングはRIEにより行っている。また、この金属膜パターニング工程を行うことにより、温接点T1および冷接点T2が形成される。
【0063】
上述の金属膜パターニング工程の後、半導体基板1の上記一表面側(つまり、層間絶縁膜50の表面側)に所定膜厚(例えば、0.5μm)のPSG膜と所定膜厚(例えば、0.5μm)のNSG膜との積層膜からなるパッシベーション膜60をCVD法により形成するパッシベーション膜形成工程を行うことによって、図17(b)に示す構造を得る。
【0064】
上述のパッシベーション膜形成工程の後、第1のシリコン酸化膜31、シリコン窒化膜32、層間絶縁膜50、パッシベーション膜60などを備え、感温部30などが埋設された積層構造部をパターニングすることにより、第2の薄膜構造部3aaおよび連結片3cを形成する積層構造部パターニング工程を行うことによって、図18(a)に示す構造を得る。なお、積層構造部パターニング工程において、各スリット13,14を形成している。
【0065】
上述の積層構造部パターニング工程の後、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各パッドVout,Vsel,Vref,Vdd,Gndを露出させる開口部(図示せず)を形成する開口部形成工程を行う。次に、各スリット13,14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1を異方性エッチング(結晶異方性エッチング)することにより半導体基板1に空洞部11を形成する空洞部形成工程を行うことで、図18(b)に示す構造の赤外線センサ100を得る。ここで、開口部形成工程におけるエッチングはRIEにより行っている。また、空洞部形成工程では、エッチング液として所定温度(例えば、85℃)に加熱したTMAH溶液を用いているが、エッチング液はTMAH溶液に限らず、他のアルカリ系溶液(例えば、KOH溶液など)を用いてもよい。なお、空洞部形成工程が終了するまでの全工程はウェハレベルで行うので、空洞部形成工程が終了した後、個々の赤外線センサ100に分離する分離工程を行えばよい。
【0066】
本実施形態の赤外線センサ100では、熱型赤外線検出部3が、第1のシリコン酸化膜31、シリコン窒化膜32、層間絶縁膜50、パッシベーション膜60などを備えており、第1のシリコン酸化膜31が圧縮応力を有する一方で、第2のシリコン窒化膜32が引張応力を有するので、第1のシリコン酸化膜31、シリコン窒化膜32、層間絶縁膜50、パッシベーション膜60などの成膜条件(膜厚、成膜方法、成膜温度など)、特に、第1のシリコン酸化膜31、第2のシリコン窒化膜32の成膜条件を適宜設定することによって、熱型赤外線検出部3の残留応力を略零にすることが可能となり、熱型赤外線検出部3の反りを抑制することができる。
【0067】
ところで、MOSトランジスタ4のしきい値電圧はチャネル濃度で決まるが、MOSトランジスタ4の形成予定領域A2に形成されている第1のシリコン酸化膜31をドライエッチングにより除去すると、ロット間やウェハ間だけでなく、ウェハ面内でもウェル領域41の表面濃度がばらつきやすく、結果的にMOSトランジスタ4のしきい値電圧のばらつきが大きくなってしまう。
【0068】
これに対して、本実施形態の赤外線センサ100の製造方法は、上述のように、半導体基板1の上記一表面側の全体に亘って第1のシリコン酸化膜31とシリコン窒化膜32との積層膜を形成する第1の工程と、第1の工程の後でシリコン窒化膜32のうち半導体基板1における熱型赤外線検出部3の形成予定領域A1に対応する部分を残して半導体基板1におけるMOSトランジスタ4の形成予定領域A2に対応する部分をドライエッチングにより除去する第2の工程と、第2の工程の後で半導体基板1の上記一表面側に第1のイオン注入を行ってウェル領域41を形成する第3の工程と、第3の工程の後でMOSトランジスタ4のしきい値電圧を制御するための第2のイオン注入を行う第4の工程と、第4の工程の後でMOSトランジスタ4のドレイン領域43およびソース領域44を形成する第5の工程とを備え、第3の工程では、第1のシリコン酸化膜31のうちMOSトランジスタ4の形成予定領域A2に形成されている部分の一部をウェットエッチングにより除去してから、第1のシリコン酸化膜31をマスクとして第1のイオン注入を行う。
【0069】
しかして、本実施形態の赤外線センサ100の製造方法によれば、ロット間やウェハ間だけでなく、ウェハ面内でも、赤外線センサ100におけるMOSトランジスタ4のしきい値のばらつきを小さくすることが可能となる。その結果、MOSトランジスタ4のオン抵抗のばらつきを小さくすることが可能となるとともに、製造歩留まりの向上による低コスト化が可能となる。
【0070】
ここで、本実施形態の赤外線センサ100の製造方法においては、第2の工程の後であって第3の工程の前に、シリコン窒化膜32をマスクとして熱酸化を行うことによって第1のシリコン酸化膜31のうちMOSトランジスタ4の形成予定領域A2に形成されている部分の膜厚を大きくする選択酸化工程を行うようにしているので、MOSトランジスタ4の形成予定領域A2の第1のシリコン酸化膜31であるシリコン酸化膜51をウェットエッチングによりパターニングすることにより、シリコン酸化膜51を、第3の工程においてウェル領域41を形成するためのイオン注入のマスクとして利用することができる。
【0071】
ただし、第1の工程で成膜する第1のシリコン酸化膜31の膜厚が、第3の工程においてウェル領域41を形成するためのイオン注入のマスクとして利用することが可能な膜厚であれば、第2の工程の後であって第3の工程の前に選択酸化工程を必ずしも設ける必要はない。ここで、イオン注入のマスクとして利用することが可能な膜厚については、イオン注入で用いる不純物の種類および加速電圧によって規定される。例えば、不純物がボロン、加速電圧が50keVの場合、マスクとして利用することが可能な膜厚は3500Å以上であり、不純物がリン、加速電圧が50keVの場合、マスクとして利用することが可能な膜厚は1500Å以上である。本実施形態の赤外線センサ100の製造方法においては、上述の選択酸化工程をなくすことによって、工程数の削減による低コスト化を図ることが可能となる。しかしながら、熱型赤外線検出部3における第1のシリコン酸化膜31の膜厚については、熱容量を小さくして応答速度を速くするという観点からは小さいほうが好ましい。要するに、本実施形態の赤外線センサ100の製造方法においては、第2の工程の後であって第3の工程の前に、シリコン窒化膜32をマスクとして熱酸化を行うことによって第1のシリコン酸化膜31のうちMOSトランジスタ4の形成予定領域A2に形成されている部分の膜厚を大きくする選択酸化工程を行うようにすれば、応答速度の高速化を図りつつ、MOSトランジスタ4のしきい値のばらつきを小さくすることが可能となる。
【0072】
上述の赤外線センサ100では、半導体基板1として上記一表面が(100)面の単結晶のシリコン基板を用いて、エッチング速度の結晶面方位依存性を利用した異方性エッチングにより形成する空洞部11を四角錘状の形状としてあるが、四角錘状の形状に限らず、四角錘台状の形状でもよい。また、半導体基板1の上記一表面の面方位は特に限定するものではなく、例えば、半導体基板1として上記一表面が(110)面の単結晶シリコン基板を用いてもよい。
【0073】
また、赤外線センサ100は、必ずしも画素部2をアレイ状に備えた赤外線アレイセンサチップである必要はなく、少なくとも1つの熱型赤外線検出部3を備えたものであればよい。また、半導体基板1における空洞部11は、半導体基板1の厚み方向に貫通する形で形成してもよく、この場合は、空洞部11を形成する空洞部形成工程において、半導体基板1の上記一表面とは反対の他表面側から、半導体基板1における空洞部11の形成予定領域を、例えば誘導結合プラズマ(ICP)型のドライエッチング装置を用いた異方性エッチング技術を利用して形成すればよい。
【符号の説明】
【0074】
1 半導体基板
3 熱型赤外線検出部
4 MOSトランジスタ
31 第1のシリコン酸化膜(シリコン酸化膜)
32 シリコン窒化膜
41 ウェル領域
43 ドレイン領域
44 ソース領域
51 シリコン酸化膜
100 赤外線センサ
A1 熱型赤外線検出部の形成予定領域
A2 MOSトランジスタの形成予定領域
【技術分野】
【0001】
本発明は、赤外線センサの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
従来から、図19に示すように、シリコン基板201の一表面側に、熱型赤外線検出部203と熱型赤外線検出部203の出力を読み出すためのMOSトランジスタ204とを有する複数の画素部202が形成された赤外線センサが提案されている(特許文献1)。ここにおいて、MOSトランジスタ204は、熱型赤外線検出部203に並設されている。また、この赤外線センサは、シリコン基板201における各熱型赤外線検出部203それぞれに対応する部位ごとに熱絶縁用の空洞部211が形成されている。
【0003】
熱型赤外線検出部203は、シリコン基板201の上記一表面側における熱型赤外線検出部203の形成予定領域A1に形成されている。この熱型赤外線検出部203は、シリコン基板201の上記一表面側に形成された矩形枠状の支持部233aと、支持部233aの内側に配置される矩形状の赤外線吸収部233bと、支持部233aと赤外線吸収部233bとを連結する2つの梁部233cとを有している。
【0004】
熱型赤外線検出部203は、シリコン基板201の上記一表面側に形成され圧縮応力を有する熱絶縁用シリコン酸化膜231と当該熱絶縁用シリコン酸化膜231上に形成され引張応力を有する熱絶縁用シリコン窒化膜232との積層膜からなる熱絶縁層233と、熱絶縁層233上に形成された熱電対型の感温部236と、熱絶縁層233の表面側で感温部236を覆うように形成されたBPSG膜からなる層間絶縁膜249と、層間絶縁膜249上に形成されたパッシベーション膜260との積層構造部をパターニングすることにより形成されている。なお、感温部236は、熱絶縁層233上に形成されたn形ポリシリコン層234とp形ポリシリコン層235とを有しており、n形ポリシリコン層234およびp形ポリシリコン層235それぞれの大部分が、層間絶縁膜249により覆われている。
【0005】
また、MOSトランジスタ204は、シリコン基板201の上記一表面側で、各画素部202それぞれにおけるMOSトランジスタ204の形成予定領域A2に形成されている。ここで、MOSトランジスタ204は、シリコン基板201の上記一表面側にp形(p+)のウェル領域241が形成され、ウェル領域241内に、n形(n+)のドレイン領域243とn形(n+)のソース領域244とが離間して形成されている。また、ウェル領域241においてドレイン領域243とソース領域244との間に位置する部位の上には、シリコン酸化膜(熱酸化膜)からなるゲート絶縁膜245を介してポリシリコン層からなるゲート電極246が形成されている。また、ドレイン領域243上にはドレイン電極247が形成され、ソース領域244上にはソース電極248が形成されている。
【0006】
また、特許文献1には、上述の赤外線センサの製造方法が提案されている。この赤外線センサの製造方法によれば、シリコン基板201の上記一表面側における熱型赤外線検出部203の形成予定領域A1に圧縮応力を有する熱絶縁用シリコン酸化膜231と引張応力を有する熱絶縁用シリコン窒化膜232との積層膜からなる熱絶縁層233を形成し、その後、シリコン基板201の上記一表面側におけるMOSトランジスタ204の形成予定領域A2にウェル領域241を形成する。その後、シリコン基板201の上記一表面側を熱酸化することによりゲート絶縁膜245を形成する。その後、熱絶縁層233上に感温部236の構成要素を形成してから、ウェル領域241内にドレイン領域243およびソース領域244を形成する。その後、シリコン基板201の上記一表面側に層間絶縁膜249を形成した後、層間絶縁膜249の表面側にパッシベーション膜260を形成してから、シリコン基板201に空洞部211を形成する。なお、上述の製造方法では、空洞部211を形成する空洞部形成工程が終了するまでの全工程をウェハレベル(ウェハの状態)で行い、空洞部形成工程が終了した後、個々の赤外線センサに分離する分離工程を行うようにしいている。
【0007】
上述の製造方法において、熱絶縁層233を形成する熱絶縁層形成工程では、まず、シリコン基板201の上記一表面側の全面に熱絶縁用シリコン酸化膜231と熱絶縁用シリコン窒化膜232とからなる熱絶縁層233を形成し、その後、当該熱絶縁層233のうち熱型赤外線検出部203の形成予定領域A1に対応する部分のみを残してMOSトランジスタ204の形成予定領域A2に対応する部分をエッチング除去している(図20(a)参照)。
【0008】
また、ウェル領域241を形成するウェル領域形成工程では、シリコン基板201の上記一表面側の露出部位を熱酸化することによりシリコン酸化膜251を選択的に形成し、その後、ウェル領域241を形成するためのマスクを利用し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シリコン酸化膜251をパターニングし、続いて、p形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とにより、ウェル領域241を形成している(図20(b)参照)。
【0009】
上述の赤外線センサの製造方法によれば、熱絶縁層233が圧縮応力を有する熱絶縁用シリコン酸化膜231と引張応力を有する熱絶縁用シリコン窒化膜232との積層膜により構成されるから、熱型赤外線検出部203の薄膜化を図りながらも熱型赤外線検出部203の赤外線吸収部233bおよび各梁部233cの反りを防止することが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0010】
【特許文献1】特開2010−48803号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0011】
ところで、上述の赤外線センサの製造方法では、熱絶縁層形成工程において、シリコン基板201の上記一表面側の全面に熱絶縁用シリコン酸化膜231と熱絶縁用シリコン窒化膜232とからなる熱絶縁層233を形成し、その後、MOSトランジスタ204の形成予定領域A2に対応する部分をエッチング除去している。しかしながら、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熱絶縁層233をパターニングする際に、シリコン基板201におけるMOSトランジスタ204の形成予定領域A2に、ドライエッチングによるエッチングダメージが発生してしまい、結果的に、MOSトランジスタ204の所望のしきい値が得られなかったり、ウェハ面内やロット間でのMOSトランジスタ204のしきい値のばらつきが大きく、製造歩留まりが低下してしまうことがあった。また、熱絶縁層233をパターニングする際に、熱絶縁用シリコン窒化膜232をドライエッチングによってパターニングしてから、熱絶縁用シリコン酸化膜231をウェットエッチングによってパターニングすることが考えられるが、熱絶縁用シリコン酸化膜231がサイドエッチングされてしまうとともに、サイドエッチング量の面内ばらつきが大きくなってしまう。また、熱絶縁用シリコン窒化膜232をウェットエッチングすることも考えられるが、エッチング液として燐酸系溶液を用いる必要があり、パーティクルが発生し、製造歩留まりが低下してしまう懸念がある。
【0012】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、赤外線センサにおけるMOSトランジスタのしきい値のばらつきを小さくすることが可能な赤外線センサの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0013】
本発明の赤外線センサの製造方法は、半導体基板の一表面側に形成されたシリコン酸化膜と当該シリコン酸化膜上のシリコン窒化膜との積層膜を有し前記半導体基板に支持された熱型赤外線検出部と、前記半導体基板の前記一表面側において前記熱型赤外線検出部に並設され前記熱型赤外線検出部の出力を取り出すためのMOSトランジスタとを備えた赤外線センサの製造方法であって、前記半導体基板の前記一表面側の全体に亘って前記シリコン酸化膜と前記シリコン窒化膜との積層膜を形成する第1の工程と、前記第1の工程の後で前記シリコン窒化膜のうち前記半導体基板における前記熱型赤外線検出部の形成予定領域に対応する部分を残して前記半導体基板における前記MOSトランジスタの形成予定領域に対応する部分をドライエッチングにより除去する第2の工程と、前記第2の工程の後で前記半導体基板の前記一表面側に第1のイオン注入を行ってウェル領域を形成する第3の工程と、前記第3の工程の後で前記MOSトランジスタのしきい値電圧を制御するための第2のイオン注入を行う第4の工程と、前記第4の工程の後で前記MOSトランジスタのドレイン領域およびソース領域を形成する第5の工程とを備え、前記第3の工程では、前記シリコン酸化膜のうち前記MOSトランジスタの形成予定領域に形成されている部分の一部をウェットエッチングにより除去してから、前記シリコン酸化膜をマスクとして前記第1のイオン注入を行うことを特徴とする。
【0014】
この赤外線センサの製造方法において、前記第2の工程の後であって前記第3の工程の前に、前記シリコン窒化膜をマスクとして熱酸化を行うことによって前記シリコン酸化膜のうち前記MOSトランジスタの形成予定領域に形成されている部分の膜厚を大きくすることが好ましい。
【発明の効果】
【0015】
本発明の赤外線センサの製造方法においては、赤外線センサにおけるMOSトランジスタのしきい値のばらつきを小さくすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0016】
【図1】実施形態の赤外線センサの要部概略断面図である。
【図2】同上における赤外線センサの平面レイアウト図である。
【図3】同上における赤外線センサの画素部の平面レイアウト図である。
【図4】同上における赤外線センサの画素部の平面レイアウト図である。
【図5】同上における赤外線センサの画素部の要部を示す平面レイアウト図である。
【図6】同上における赤外線センサの画素部の要部の平面レイアウト図である。
【図7】同上における赤外線センサの画素部の要部の平面レイアウト図である。
【図8】同上における赤外線センサの画素部の要部を示し、(a)は平面レイアウト図、(b)は(a)のD−D’断面に対応する概略断面図である。
【図9】同上における赤外線センサの冷接点を含む要部を示し、(a)は平面レイアウト図、(b)は概略断面図である。
【図10】同上における赤外線センサの温接点を含む要部を示し、(a)は平面レイアウト図、(b)は概略断面図である。
【図11】同上における赤外線センサの画素部の要部の概略断面図である。
【図12】同上における赤外線センサの画素部の要部の概略断面図である。
【図13】同上における赤外線センサの要部説明図である。
【図14】同上における赤外線センサの等価回路図である。
【図15】同上における赤外線センサの製造方法を説明するための主要工程断面図である。
【図16】同上における赤外線センサの製造方法を説明するための主要工程断面図である。
【図17】同上における赤外線センサの製造方法を説明するための主要工程断面図である。
【図18】同上における赤外線センサの製造方法を説明するための主要工程断面図である。
【図19】従来例における赤外線センサを示し、(a)は概略平面図、(b)は画素部の概略平面図、(c)は(b)のD−D’概略断面図である。
【図20】同上の赤外線センサの製造方法を説明するための主要工程断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0017】
以下、図1〜図14に基づいて本実施形態における赤外線センサ100について説明してから、その製造方法について説明する。なお、図1は、図5のD−D’断面に対応する概略断面図である。
【0018】
赤外線センサ100は、熱型赤外線検出部3と画素選択用のスイッチング素子であるMOSトランジスタ4とを有する複数の画素部2が、半導体基板1の上記一表面側においてアレイ状(ここでは、2次元アレイ状)に配列されている(図2参照)。本実施形態では、1つの半導体基板1の上記一表面側にm×n個(図2に示した例では、8×8個)の画素部2が形成されているが、画素部2の数や配列は特に限定するものではない。また、本実施形態では、熱型赤外線検出部3の感温部30が、複数個(ここでは、6個)のサーモパイル30a(図3参照)を直列接続することにより構成されている。図14では、熱型赤外線検出部3における感温部30の等価回路を、当該感温部30の熱起電力に対応する電圧源で表してある。
【0019】
また、赤外線センサ100は、図3、図5および図14に示すように、各列の複数の熱型赤外線検出部3の感温部30の一端が上述のMOSトランジスタ4を介して各列ごとに共通接続された複数の垂直読み出し線(第1の配線)7と、各行の熱型赤外線検出部3の感温部30に対応するMOSトランジスタ4のゲート電極46が各行ごとに共通接続された複数の水平信号線(第2の配線)6とを備えている。また、赤外線センサ100は、各列のMOSトランジスタ4のp+形のウェル領域41が各列ごとに共通接続された複数のグラウンド線(第3の配線)8と、各グラウンド線8が共通接続された共通グラウンド線9(第4の配線)とを備えている。さらに、赤外線センサ100は、各列の複数の熱型赤外線検出部3の感温部30の他端が各列ごとに共通接続された複数の基準バイアス線(第5の配線)5を備えている。しかして、赤外線センサ100は、全ての熱型赤外線検出部3の感温部30の出力を時系列的に読み出すことができるようになっている。要するに、赤外線センサ100は、半導体基板1の上記一表面側に熱型赤外線検出部3と当該熱型赤外線検出部3に並設され当該熱型赤外線検出部3の出力を読み出すためのMOSトランジスタ4とを有する複数の画素部2が形成されている。
【0020】
ここで、MOSトランジスタ4は、ゲート電極46が水平信号線6に接続され、ソース電極48が感温部30を介して基準バイアス線5に接続され、ドレイン電極47が垂直読み出し線7に接続されている。各水平信号線6それぞれは、各別の画素選択用のパッドVselに電気的に接続され、各基準バイアス線5は、共通基準バイアス線5aに共通接続され、各垂直読み出し線7それぞれは、各別の出力用のパッドVoutに電気的に接続されている。また、共通グラウンド線9は、グラウンド用のパッドGndに電気的に接続され、共通基準バイアス線5aは、基準バイアス用のパッドVrefと電気的に接続され、半導体基板1は、基板用のパッドVddに電気的に接続されている。
【0021】
しかして、MOSトランジスタ4が、順次、オン状態になるように各画素選択用のパッドVselの電位を制御することで各画素部2の出力電圧を順次読み出すことができる。例えば、基準バイアス用のパッドVrefの電位を1.65V、グラウンド用のパッドGndの電位を0V、基板用のパッドVddの電位を5Vとしておき、画素選択用のパッドVselの電位を5Vとすれば、MOSトランジスタ4がオンとなり、出力用のパッドVoutから画素部2の出力電圧(1.65V+感温部30の出力電圧)が読み出される。また、画素選択用のパッドVselの電位を0Vとすれば、MOSトランジスタ4がオフとなり、出力用のパッドVoutから画素部2の出力電圧は読み出されない。なお、図2では、図14における画素選択用のパッドVsel、基準バイアス用のパッドVref、グラウンド用のパッドGnd、出力用のパッドVoutなどを区別せずに、全てパッド80として図示してある。
【0022】
以下、熱型赤外線検出部3およびMOSトランジスタ4それぞれの構造について説明する。なお、本実施形態では、上述の半導体基板1として、導電形がn形で上記一表面が(100)面の単結晶シリコン基板を用いている。
【0023】
各画素部2の熱型赤外線検出部3は、半導体基板1の上記一表面側において熱型赤外線検出部3の形成予定領域A1(図1、図5参照)に形成されている。また、各画素部2のMOSトランジスタ4は、半導体基板1の上記一表面側においてMOSトランジスタ4の形成予定領域A2(図1、図5参照)に形成されている。
【0024】
赤外線センサ100は、半導体基板1の上記一表面側において熱型赤外線検出部3の一部の直下に空洞部11が形成されている。熱型赤外線検出部3は、半導体基板1の上記一表面側で空洞部11の周部に形成された支持部3dと、半導体基板1の上記一表面側で平面視において空洞部11を覆う第1の薄膜構造部3aとを備えている。第1の薄膜構造部3aは、赤外線を吸収する赤外線吸収部33を備えている。ここで、第1の薄膜構造部3aは、空洞部11の周方向に沿って並設され支持部3dに支持された複数の第2の薄膜構造部3aaと、隣接する第2の薄膜構造部3aa同士を連結する連結片3c(図3参照)とを有している。なお、図3の例の熱型赤外線検出部3では、複数の線状のスリット13を設けることにより、第1の薄膜構造部3aが6つの第2の薄膜構造部3aaに分離されている。以下では、赤外線吸収部33(第1の赤外線吸収部33と称する)のうち第2の薄膜構造部3aaそれぞれに対応して分割された各部位を第2の赤外線吸収部33aと称する。
【0025】
熱型赤外線検出部3は、第2の薄膜構造部3aaごとにサーモパイル30aが設けられている。ここで、サーモパイル30aは、温接点T1が、第2の薄膜構造部3aaに設けられ、冷接点T2が、支持部3dに設けられている。要するに、温接点T1は、熱型赤外線検出部3において空洞部11に重なる第1の領域に形成され、冷接点T2は、熱型赤外線検出部3において空洞部11に重ならない第2の領域に形成されている。
【0026】
また、熱型赤外線検出部3の感温部30は、各サーモパイル30aごとに出力を取り出す場合に比べて温度変化に対する出力変化が大きくなる接続関係で、全てのサーモパイル30aが電気的に接続されている。図3の例では、感温部30は、6個のサーモパイル30aを直列接続してある。ただし、上述の接続関係は、複数個のサーモパイル30aの全てを直列接続する接続関係に限らない。例えば、それぞれ3個のサーモパイル30aの直列回路を並列接続すれば、6個のサーモパイル30aが並列接続されている場合や、各サーモパイル30aごとに出力を取り出す場合に比べて、感度を高めることができる。また、6個のサーモパイル30aの全てが直列接続されている場合に比べて、感温部30の電気抵抗を低くできて熱雑音が低減されるから、S/N比が向上する。
【0027】
ここで、熱型赤外線検出部3では、第2の薄膜構造部3aaごとに、支持部3dと第2の赤外線吸収部33aとを連結する2つの平面視短冊状のブリッジ部3bb,3bbが空洞部11の周方向に離間して形成されている。ここにおいて、赤外線センサ100は、2つのブリッジ部3bb,3bbと第2の赤外線吸収部33aとを空間的に分離し空洞部11に連通する平面視コ字状のスリット14が形成されている。熱型赤外線検出部3のうち、平面視において第1の薄膜構造部3aを囲む部位である支持部3dは、矩形枠状の形状となっている。なお、ブリッジ部3bbは、上述の各スリット13,14により、第2の赤外線吸収部33aおよび支持部3dそれぞれとの連結部位以外の部分が、第2の赤外線吸収部33aおよび支持部3dと空間的に分離されている。ここで、第2の薄膜構造部3aaは、支持部3dからの延長方向の寸法を93μm、この延長方向に直交する幅方向の寸法を75μmとし、各ブリッジ部3bbの幅寸法を23μm、各スリット13,14の幅を5μmに設定してあるが、これらの値は一例であって特に限定するものではない。
【0028】
第1の薄膜構造部3aは、半導体基板1の上記一表面側に形成された第1のシリコン酸化膜31と、第1のシリコン酸化膜31上に形成されたシリコン窒化膜32と、当該シリコン窒化膜32上に形成された感温部30と、シリコン窒化膜32の表面側で感温部30を覆うように形成された層間絶縁膜50と、層間絶縁膜50上に形成されたパッシベーション膜60との積層構造部をパターニングすることにより形成されている。第1のシリコン酸化膜31は、圧縮応力を有し、シリコン窒化膜32は、引張応力を有している。層間絶縁膜50は、BPSG膜により構成してある。また、パッシベーション膜60は、PSG膜と当該PSG膜上に形成されたNSG膜との積層膜により構成してあるが、これに限らず、例えば、シリコン窒化膜により構成してもよい。
【0029】
上述の熱型赤外線検出部3では、シリコン窒化膜32のうち第1の薄膜構造部3aのブリッジ部3bb,3bb以外の部位が第1の赤外線吸収部33を構成している。また、支持部3dは、第1のシリコン酸化膜31とシリコン窒化膜32と層間絶縁膜50とパッシベーション膜60とで構成されている。
【0030】
また、赤外線センサ100は、層間絶縁膜50とパッシベーション膜60との積層膜が、半導体基板1の上記一表面側において、熱型赤外線検出部3の形成予定領域A1とMOSトランジスタ4の形成予定領域A2とに跨って形成されており、この積層膜のうち、熱型赤外線検出部3の形成予定領域A1に形成された部分が赤外線吸収膜70(図1参照)を兼ねている。ここで、赤外線吸収膜70の屈折率をn2、検出対象の赤外線の中心波長をλとするとき、赤外線吸収膜70の厚さt2をλ/4n2に設定するようにしているので、検出対象の波長(例えば、8〜12μm)の赤外線の吸収効率を高めることができ、高感度化を図れる。例えば、n2=1.4、λ=10μmの場合には、t2≒1.8μmとすればよい。なお、本実施形態では、層間絶縁膜50の膜厚を0.8μm、パッシベーション膜60の膜厚を1μm(PSG膜の膜厚を0.5μm、NSG膜の膜厚を0.5μm)としてある。
【0031】
また、各画素部2では、空洞部11の内周形状が矩形状であり、連結片3cは、平面視X字状に形成されており、第2の薄膜構造部3aaの延長方向に交差する斜め方向において隣接する第2の薄膜構造部3aa,3aa同士、第2の薄膜構造部3aaの延長方向において隣接する第2の薄膜構造部3aa,3aa同士、第2の薄膜構造部3aaの延長方向に直交する方向において隣接する第2の薄膜構造部3aa,3aa同士を連結している。
【0032】
サーモパイル30aは、シリコン窒化膜32上で第2の薄膜構造部3aaと支持部3dとに跨って形成されたn形ポリシリコン層34とp形ポリシリコン層35との一端部同士を第2の赤外線吸収部33aの赤外線入射面側で金属材料(例えば、Al−Siなど)からなる接続部36により電気的に接続した複数個(図3に示した例では、9個)の熱電対を有している。また、サーモパイル30aは、半導体基板1の上記一表面側で互いに隣り合う熱電対のn形ポリシリコン層34の他端部とp形ポリシリコン層35の他端部とが金属材料(例えば、Al−Siなど)からなる接続部37により接合され電気的に接続されている。ここで、サーモパイル30aは、n形ポリシリコン層34の上記一端部とp形ポリシリコン層35の上記一端部と接続部36とで温接点T1を構成している。また、サーモパイル30aは、n形ポリシリコン層34の上記他端部とp形ポリシリコン層35の上記他端部と接続部37とで冷接点T2を構成している。要するに、サーモパイル30aの各温接点T1は、熱型赤外線検出部3において空洞部11に重なる領域に形成され、各冷接点T2は、熱型赤外線検出部3において空洞部11に重ならない領域に形成されている。なお、赤外線センサ100は、サーモパイル30aの各n形ポリシリコン層34および各p形ポリシリコン層35それぞれにおいて、上述のブリッジ部3bb,3bbに形成されている部位および半導体基板1の上記一表面側のシリコン窒化膜32上に形成されている部位でも赤外線を吸収することができる。
【0033】
また、赤外線センサ100は、空洞部11の形状が、四角錘状であり、平面視における中央部の方が周部に比べて深さ寸法が大きくなっているので、第1の薄膜構造部3aの中央部に温接点T1が集まるように各画素部2におけるサーモパイル30aの平面レイアウトを設計してある。すなわち、図3の上下方向における真ん中の2つの第2の薄膜構造部3aaでは、図3および図6に示すように、3つの第2の薄膜構造部3aaの並設方向に沿って温接点T1を並べて配置してあるのに対し、当該上下方向における上側の2つの第2の薄膜構造部3aaでは、図3および図7に示すように、3つの第2の薄膜構造部3aaの並設方向において真ん中の第2の薄膜構造部3aaに近い側に温接点T1を集中して配置してあり、当該上下方向における下側の2つの第2の薄膜構造部3aaでは、図3に示すように、3つの第2の薄膜構造部3aaの並設方向において真ん中の第2の薄膜構造部3aaに近い側に温接点T1を集中して配置してある。しかして、赤外線センサ100では、図3の上下方向における上側、下側の第2の薄膜構造部3aaの複数の温接点T1の配置が、真ん中の第2の薄膜構造部3aaの複数の温接点T1の配置と同じである場合に比べて、温接点T1の温度変化を大きくできるので、感度を向上できる。なお、本実施形態では、空洞部11の最深部の深さを所定深さdp(図1参照)とするとき、所定深さdpを200μmに設定してあるが、この値は一例であり、特に限定するものではない。
【0034】
また、第2の薄膜構造部3aaは、シリコン窒化膜32の赤外線入射面側においてサーモパイル30aを形成していない領域に、第2の薄膜構造部3aaの反りを抑制するとともに赤外線を吸収するn形ポリシリコン層からなる赤外線吸収層39が形成されている。また、隣接する第2の薄膜構造部3aa,3aa同士を連結する連結片3cには、当該連結片3cを補強するn形ポリシリコン層からなる補強層39b(図8参照)が設けられている。ここで、補強層39bは、赤外線吸収層39と連続一体に形成されている。しかして、赤外線センサ100では、連結片3cが補強層39bにより補強されているので、使用中の外部の温度変化や衝撃に起因して発生する応力による破損を防止でき、また、製造時の破損を低減でき、製造歩留まりの向上を図れる。なお、本実施形態では、図8に示す連結片3cの長さ寸法L1を24μm、幅寸法L2を5μm、補強層39bの幅寸法L3を1μmに設定してあるが、これらの数値は一例であり、特に限定するものではない。ただし、本実施形態のように半導体基板1としてシリコン基板を用いており、補強層39bがn形ポリシリコン層により形成される場合には、空洞部11の形成時に補強層39bがエッチングされるのを防止するために、補強層39bの幅寸法は、連結片3cの幅寸法よりも小さく設定し、平面視において補強層39bの両側縁が連結片3cの両側縁よりも内側に位置する必要がある。
【0035】
また、赤外線センサ100は、図8および図13(b)に示すように、連結片3cの両側縁と第2の薄膜構造部3aaの側縁との間にそれぞれ面取り部3d,3dが形成され、X字状の連結片3cの略直交する側縁間にも面取り部3eが形成されている。しかして、赤外線センサ100では、図13(a)に示すように面取り部が形成されていない場合に比べて、連結片3cと第2の薄膜構造部3aaとの連結部位での応力集中を緩和でき、製造時に発生する残留応力を低減できるとともに製造時の破損を低減でき、製造歩留まりの向上を図れる。また、赤外線センサ100では、使用中の外部の温度変化や衝撃に起因して発生する応力による破損を防止できる。なお、図8に示した例では、各面取り部3d,3eをR(アール)が3μmのR面取り部としてあるが、R面取り部に限らず、例えば、C面取り部としてもよい。
【0036】
また、赤外線センサ100は、各熱型赤外線検出部3に、支持部3dと一方のブリッジ部3bbと第2の赤外線吸収部33aと他方のブリッジ部3bbと支持部3dとに跨って引き回されたn形ポリシリコン層からなる故障診断用の配線(以下、故障診断用配線と称する)139を設けて、全ての故障診断用配線139を直列接続してある。しかして、m×n個の故障診断用配線139の直列回路へ通電することで、ブリッジ部3bbの折れなどの破損の有無を検出することができる。
【0037】
要するに、赤外線センサ100は、製造途中での検査時や使用時において、m×n個の故障診断用配線139の直列回路への通電の有無によって、ブリッジ部3bbの折れや故障診断用配線139の断線などを検出することができる。また、赤外線センサ100では、上述の検査時や使用時において、m×n個の故障診断用配線139の直列回路へ通電して各感温部30の出力を検出することにより、感温部30の断線の有無や感度のばらつき(感温部30の出力のばらつき)などを検知することが可能となる。ここにおいて、感度のばらつきに関しては、画素部2ごとの感度のばらつきを検知することが可能であり、例えば、第1の薄膜構造部3aの反りや第1の薄膜構造部3aの半導体基板1へのスティッキングなどに起因した感度のばらつきを検知することが可能となる。ここで、本実施形態における赤外線センサ100では、平面視において、故障診断用配線139を複数の温接点T1の群の付近において折り返され蛇行した形状としてある。したがって、故障診断用配線139へ通電することにより発生するジュール熱によって、各温接点T1を効率良く温めることができる。上述の故障診断用配線139は、n形ポリシリコン層34およびp形ポリシリコン層35と同一平面上に同一厚さで形成されている。
【0038】
上述の赤外線吸収層39および故障診断用配線139は、n形ポリシリコン層34と同じn形不純物(例えば、リンなど)を同じ不純物濃度(例えば、1018〜1020cm−3)で含んでおり、n形ポリシリコン層34と同時に形成されている。また、p形ポリシリコン層35のp形不純物として例えばボロンを採用すればよく、不純物濃度を例えば1018〜1020cm−3程度の範囲で適宜設定すればよい。本実施形態では、n形ポリシリコン層34およびp形ポリシリコン層35それぞれの不純物濃度が1018〜1020cm−3であり、熱電対の抵抗値を低減でき、S/N比の向上を図れる。なお、赤外線吸収層39および故障診断用配線139は、n形ポリシリコン層34と同じn形不純物を同じ不純物濃度でドーピングしてあるが、これに限らず、例えば、p形ポリシリコン層35と同じ不純物を同じ不純物濃度でドーピングしてもよい。
【0039】
ところで、本実施形態では、n形ポリシリコン層34、p形ポリシリコン層35、赤外線吸収層39、および故障診断用配線139の屈折率をn1、検出対象の赤外線の中心波長をλとするとき、n形ポリシリコン層34、p形ポリシリコン層35、赤外線吸収層39、および故障診断用配線139それぞれの厚さt1をλ/4n1に設定するようにしている。しかして、検出対象の波長(例えば、8〜12μm)の赤外線の吸収効率を高めることができ、高感度化を図れる。例えば、n1=3.6、λ=10μmの場合には、t1≒0.69μmとすればよい。
【0040】
また、本実施形態では、n形ポリシリコン層34、p形ポリシリコン層35、赤外線吸収層39、および故障診断用配線139それぞれの不純物濃度が1018〜1020cm−3であるので、赤外線の吸収率を高くしつつ赤外線の反射を抑制することができて、感温部30の出力のS/N比を高めることができる。また、本実施形態では、赤外線吸収層39および故障診断用配線139をn形ポリシリコン層34と同一工程で形成できるから、低コスト化を図れる。
【0041】
ここで、感温部30の接続部36と接続部37とは、半導体基板1の上記一表面側において、層間絶縁膜50によって絶縁分離されている(図9および図10参照)。すなわち、温接点T1側の接続部36は、層間絶縁膜50に形成したコンタクトホール50a1,50a2を通して、両ポリシリコン層34,35の上記各一端部と電気的に接続されている。また、冷接点T2側の接続部37は、層間絶縁膜50に形成されたコンタクトホール50a3,50a4を通して、両ポリシリコン層34,35の上記各他端部と電気的に接続されている。
【0042】
また、MOSトランジスタ4は、上述のように、半導体基板1の上記一表面側においてMOSトランジスタ4の形成予定領域A2に形成されている。
【0043】
MOSトランジスタ4は、図1、図5および図12に示すように、半導体基板1の上記一表面側にp形(p+)のウェル領域41が形成され、ウェル領域41内に、n形(n+)のドレイン領域43とn形(n+)のソース領域44とが離間して形成されている。さらに、ウェル領域41内には、ドレイン領域43とソース領域44とを囲むp形(p++)のチャネルストッパ領域42が形成されている。
【0044】
ウェル領域41においてドレイン領域43とソース領域44との間に位置する部位の上には、シリコン酸化膜(熱酸化膜)からなるゲート絶縁膜45を介してn形ポリシリコン層からなるゲート電極46が形成されている。
【0045】
また、ドレイン領域43上には、金属材料(例えば、Al−Siなど)からなるドレイン電極47が形成され、ソース領域44上には、金属材料(例えば、Al−Siなど)からなるソース電極48が形成されている。
【0046】
ゲート電極46、ドレイン電極47およびソース電極48は、上述の層間絶縁膜50によって絶縁分離されている。ここで、ドレイン電極47は、層間絶縁膜50に形成したコンタクトホール50dを通してドレイン領域43と電気的に接続され、ソース電極48は、層間絶縁膜50に形成したコンタクトホール50eを通してソース領域44と電気的に接続されている。
【0047】
赤外線センサ100の各画素部2では、MOSトランジスタ4のソース電極48と感温部30の一端とが電気的に接続され、感温部30の他端が基準バイアス線5に電気的に接続されている。また、各画素部2では、MOSトランジスタ4のドレイン電極47が、垂直読み出し線7と電気的に接続され、ゲート電極46が、当該ゲート電極46に連続一体に形成されたn形ポリシリコン配線からなる水平信号線6と電気的に接続されている。また、各画素部2では、MOSトランジスタ4のチャネルストッパ領域42上に、金属材料(例えば、Al−Siなど)からなるグラウンド用の電極(以下、グラウンド用電極と称する)49が形成されている。このグラウンド用電極49は、チャネルストッパ領域42をドレイン領域43およびソース領域44よりも低電位にバイアスして素子分離するための共通グラウンド線8と電気的に接続されている。なお、グラウンド用電極49は、層間絶縁膜50に形成したコンタクトホール50fを通してチャネルストッパ領域42と電気的に接続されている。
【0048】
上述の赤外線センサ100によれば、通電されることにより発生するジュール熱によって温接点T1を温める故障診断用配線139を備えているので、故障診断用配線139へ通電してサーモパイル30aの出力を測定することにより、サーモパイル30aの断線などの故障の有無を判断することが可能となって、信頼性の向上を図れる。しかも、上述の赤外線センサ100によれば、故障診断用配線139が、熱型赤外線検出部3において半導体基板1の空洞部11に重なる領域でサーモパイル30aと重ならないように配置されているので、故障診断用配線139によるサーモパイル30aの温接点T1の熱容量の増大を防止でき、感度および応答速度の向上を図れる。
【0049】
ここで、赤外線センサ100は、使用時において自己診断を行わない通常時において、故障診断用配線139も外部からの赤外線を吸収するので、複数の温接点T1の温度の均一化を図れ、感度の向上を図れる。なお、赤外線センサ100では、赤外線吸収層39および補強層39bも外部からの赤外線を吸収するので、複数の温接点T1の温度の均一化を図れ、感度の向上を図れる。また、赤外線センサ100の使用時の自己診断は、赤外線センサ100とは別途に製造されたIC素子(図示せず)に設けられた自己診断回路により定期的に行われるが、必ずしも定期的に行う必要はない。
【0050】
また、赤外線センサ100は、第1の薄膜構造部3aが、複数の線状のスリット13を設けることによって、空洞部11の内周方向に沿って並設されそれぞれ熱型赤外線検出部3において空洞部11を囲む部位である支持部3dから内方へ延長された複数の第2の薄膜構造部3aaに分離され、各第2の薄膜構造部3aaごとにサーモパイル30aの温接点T1が設けられるとともに、各サーモパイル30aごとに出力を取り出す場合に比べて温度変化に対する出力変化が大きくなる接続関係で全てのサーモパイル30aが電気的に接続されているので、応答速度および感度の向上を図れる。しかも、赤外線センサ100は、第1の薄膜構造部3aにおける全ての第2の薄膜構造部3aaに跨って故障診断用配線139が形成されているので、熱型赤外線検出部3の全てのサーモパイル30aを一括して自己診断することが可能となる。また、赤外線センサ100では、隣接する第2の薄膜構造部3aa,3aa同士を連結する連結片3cが形成されていることにより、各第2の薄膜構造部3aaの反りを低減でき、構造安定性の向上を図れ、感度が安定する。
【0051】
また、赤外線センサ100は、n形ポリシリコン層34とp形ポリシリコン層35と赤外線吸収層39と補強層39bと故障診断用配線139とが同一の厚さに設定されているので、第2の薄膜構造部3aaの応力バランスの均一性が向上し、第2の薄膜構造部3aaの反りを抑制することができ、製品ごとの感度のばらつきや、画素部2ごとの感度のばらつきを低減できる。
【0052】
また、赤外線センサ100は、故障診断用配線139が、第1の熱電要素であるn形ポリシリコン層34もしくは第2の熱電要素であるp形ポリシリコン層35と同じ材料により形成されているので、故障診断用配線139を第1の熱電要素もしくは第2の熱電要素と同時に形成することが可能となり、製造プロセスの簡略化による低コスト化を図れる。
【0053】
また、赤外線センサ100は、赤外線吸収部33および故障診断用配線139を備えた複数の画素部2が、半導体基板1の上記一表面側でアレイ状に設けられているので、製造時や使用時の自己診断に際して各画素部2それぞれの故障診断用配線139に通電することにより、各画素部2それぞれの感温部30の感度のばらつきを把握することが可能となる。
【0054】
また、赤外線センサ100は、各画素部2ごとに感温部30の出力を読み出すためのMOSトランジスタ4を有しているので、出力用のパッドVout(図14参照)の数を少なくでき、小型化および低コスト化を図れる。
【0055】
以下、赤外線センサ100の製造方法について図15〜図18を参照しながら説明する。
【0056】
まず、シリコン基板からなる半導体基板1の上記一表面側に第1の所定膜厚(例えば、0.3μm)の第1のシリコン酸化膜31と第2の所定膜厚(例えば、0.1μm)のシリコン窒化膜32との積層膜からなる絶縁層を形成する絶縁層形成工程(第1の工程)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シリコン窒化膜32のうち熱型赤外線検出部3の形成予定領域A1に対応する部分の一部を残してMOSトランジスタ4の形成予定領域A2に対応する部分をドライエッチングにより除去する窒化膜パターニング工程(第2の工程)を行うことによって、図15(a)に示す構造を得る。ここにおいて、第1のシリコン酸化膜31は、半導体基板1を所定温度(例えば、1100℃)で熱酸化することにより形成し、シリコン窒化膜32は、LPCVD法により形成している。
【0057】
上述の窒化膜パターニング工程の後、半導体基板1の上記一表面側にp形(p+)のウェル領域41を形成するウェル領域形成工程(第3の工程)を行うことによって、図15(c)に示す構造を得る。ここで、本実施形態では、窒化膜パターニング工程の後であってウェル領域形成工程の前に、シリコン窒化膜32をマスクとして熱酸化を行う選択酸化工程を行うことによって、図15(b)に示す構造を得る。この選択酸化工程では、熱酸化を行うことによって、第1のシリコン酸化膜31のうちMOSトランジスタ4の形成予定領域A2に形成されている部分の膜厚を大きくする。図15(b)では、第1のシリコン酸化膜31のうち膜厚が大きくなった部分(MOSトランジスタ4の形成予定領域A2に形成されている部分)をシリコン酸化膜51としてある。ウェル領域形成工程では、ウェル領域41を形成するためのレジストマスクをフォトリソグラフィ技術を利用して形成した後、シリコン酸化膜51の一部(ウェル領域41の形成予定領域上の部分)をフッ酸系のエッチング液(例えば、BHFなど)を用いたウェットエッチングにより除去することで半導体基板1を露出させ、その後、シリコン酸化膜51をマスクとしてp形不純物(例えば、ボロンなど)のイオン注入(第1のイオン注入)を行ってから、ドライブインを行うことにより、ウェル領域41を形成する。要するに、ウェル領域形成工程では、イオン注入法を利用してウェル領域41を形成する。
【0058】
上述のウェル領域形成工程の後、半導体基板1の上記一表面側におけるウェル領域41内にp形(p++)のチャネルストッパ領域42を形成するチャネルストッパ領域形成工程を行うことによって、図16(a)に示す構造を得る。チャネルストッパ領域形成工程では、半導体基板1の上記一表面側を所定温度で熱酸化することにより第2のシリコン酸化膜(熱酸化膜)52を選択的に形成する。その後、チャネルストッパ領域42を形成するためのマスクを利用し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第2のシリコン酸化膜52をパターニングする。続いて、p形不純物(例えば、ボロンなど)のイオン注入を行ってから、ドライブインを行うことにより、チャネルストッパ領域42を形成する。要するに、チャネルストッパ領域形成工程では、イオン注入法を利用してチャネルストッパ領域42を形成する。
【0059】
上述のチャネルストッパ領域形成工程の後、第2のシリコン酸化膜52をパターニングするためのレジストマスクをフォトリソグラフィ技術を利用して形成し、その後、第2のシリコン酸化膜52の一部をフッ酸系のエッチング液(例えば、BHFなど)を用いたウェットエッチングにより除去することで半導体基板1を露出させ、その後、半導体基板1の上記一表面側に第3のシリコン酸化膜53を熱酸化により形成し、その後、第3のシリコン酸化膜53の一部をフッ酸系のエッチング液(例えば、BHFなど)を用いたウェットエッチングにより除去することで半導体基板1を露出させ、MOSトランジスタ4のしきい値電圧(VT)を制御するためのイオン注入(第2のイオン注入)を行うVTイオン注入工程(第4の工程)を実施する。ここにおいて、VTイオン注入工程では、ウェル領域41と同じ導電形の不純物(例えば、ボロンなどのp形不純物)をイオン注入する。
【0060】
VTイオン注入工程の後、半導体基板1の上記一表面側に熱酸化により所定膜厚(例えば、600Å)のシリコン酸化膜(熱酸化膜)からなるゲート絶縁膜45を形成するゲート絶縁膜形成工程を行う。続いて、半導体基板1の上記一表面側の全面にゲート電極46、水平信号線6(図3参照)、n形ポリシリコン層34、p形ポリシリコン層35、赤外線吸収層39および故障診断用配線139の基礎となる所定膜厚(例えば、0.69μm)のノンドープポリシリコン層をLPCVD法により形成するポリシリコン層形成工程を行う。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上記ノンドープポリシリコン層のうちゲート電極46、水平信号線6、n形ポリシリコン層34、p形ポリシリコン層35、赤外線吸収層39および故障診断用配線139それぞれに対応する部分が残るようにパターニングするポリシリコン層パターニング工程を行う。続いて、上記ノンドープポリシリコン層のうちp形ポリシリコン層35に対応する部分にp形不純物(例えば、ボロンなど)のイオン注入を行ってからドライブインを行うことによりp形ポリシリコン層35を形成するp形ポリシリコン層形成工程を行う。その後、上記ノンドープポリシリコン層のうちn形ポリシリコン層34、赤外線吸収層39、故障診断用配線139、ゲート電極46および水平信号線6に対応する部分にn形不純物(例えば、リンなど)のイオン注入を行ってからドライブインを行うことによりn形ポリシリコン層34、赤外線吸収層39、故障診断用配線139、ゲート電極46および水平信号線6を形成するn形ポリシリコン層形成工程を行うことによって、図16(b)に示す構造を得る。ここで、本実施形態では、n形ポリシリコン層形成工程と同時に、n形(n+)のドレイン領域43およびn形(n+)のソース領域44を形成するドレイン領域・ソース領域形成工程(第5の工程)を行う。このドレイン領域・ソース領域形成工程では、ウェル領域41におけるドレイン領域43およびソース領域44それぞれの形成予定領域にn形不純物(例えば、リンなど)のイオン注入を行ってから、ドライブインを行うことによって、ドレイン領域43およびソース領域44を形成する。ここにおいて、ドレイン領域・ソース領域形成工程では、上記ノンドープポリシリコン層のうちゲート電極46になる部分とシリコン酸化膜53とが、ドレイン領域43およびソース領域44それぞれの形成予定領域にn形不純物をイオン注入する際のマスクを兼ねている。要するに、本実施形態では、ドレイン領域43およびソース領域44を、セルフアライメント技術を利用して形成している。なお、p形ポリシリコン層形成工程とn形ポリシリコン層形成工程との順序は逆でもよい。いずれにしても、p形ポリシリコン層形成工程およびn形ポリシリコン層形成工程は、イオン注入法を利用する。
【0061】
上述のp形ポリシリコン層形成工程およびn形ポリシリコン層形成工程が終了した後、半導体基板1の上記一表面側に層間絶縁膜50を形成する層間絶縁膜形成工程を行う。続いて、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50に各コンタクトホール50a1,50a2,50a3,50a4,50d,50e,50f(図9、図10、図12参照)を形成するコンタクトホール形成工程を行うことによって、図16(c)に示す構造を得る。層間絶縁膜形成工程では、半導体基板1の上記一表面側に所定膜厚(例えば、0.8μm)のBPSG膜をCVD法により堆積させてから、所定温度(例えば、800℃)でリフローすることにより平坦化された層間絶縁膜50を形成する。
【0062】
上述のコンタクトホール形成工程の後、半導体基板1の上記一表面側の全面に接続部36,37、ドレイン電極47、ソース電極48、基準バイアス線5、垂直読み出し線7、グラウンド線8、共通グラウンド線9および各パッドVout,Vsel,Vref,Vdd,Gndなど(図14参照)の基礎となる所定膜厚(例えば、2μm)の金属膜(例えば、Al−Si膜)をスパッタ法などにより形成する金属膜形成工程を行う。続いて、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金属膜をパターニングすることで接続部36,37、ドレイン電極47、ソース電極48、基準バイアス線5、垂直読み出し線7、グラウンド線8、共通グラウンド線9および各パッドVout,Vsel,Vref,Vdd,Gndなどを形成する金属膜パターニング工程を行うことによって、図17(a)に示す構造を得る。なお、金属膜パターニング工程におけるエッチングはRIEにより行っている。また、この金属膜パターニング工程を行うことにより、温接点T1および冷接点T2が形成される。
【0063】
上述の金属膜パターニング工程の後、半導体基板1の上記一表面側(つまり、層間絶縁膜50の表面側)に所定膜厚(例えば、0.5μm)のPSG膜と所定膜厚(例えば、0.5μm)のNSG膜との積層膜からなるパッシベーション膜60をCVD法により形成するパッシベーション膜形成工程を行うことによって、図17(b)に示す構造を得る。
【0064】
上述のパッシベーション膜形成工程の後、第1のシリコン酸化膜31、シリコン窒化膜32、層間絶縁膜50、パッシベーション膜60などを備え、感温部30などが埋設された積層構造部をパターニングすることにより、第2の薄膜構造部3aaおよび連結片3cを形成する積層構造部パターニング工程を行うことによって、図18(a)に示す構造を得る。なお、積層構造部パターニング工程において、各スリット13,14を形成している。
【0065】
上述の積層構造部パターニング工程の後、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各パッドVout,Vsel,Vref,Vdd,Gndを露出させる開口部(図示せず)を形成する開口部形成工程を行う。次に、各スリット13,14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1を異方性エッチング(結晶異方性エッチング)することにより半導体基板1に空洞部11を形成する空洞部形成工程を行うことで、図18(b)に示す構造の赤外線センサ100を得る。ここで、開口部形成工程におけるエッチングはRIEにより行っている。また、空洞部形成工程では、エッチング液として所定温度(例えば、85℃)に加熱したTMAH溶液を用いているが、エッチング液はTMAH溶液に限らず、他のアルカリ系溶液(例えば、KOH溶液など)を用いてもよい。なお、空洞部形成工程が終了するまでの全工程はウェハレベルで行うので、空洞部形成工程が終了した後、個々の赤外線センサ100に分離する分離工程を行えばよい。
【0066】
本実施形態の赤外線センサ100では、熱型赤外線検出部3が、第1のシリコン酸化膜31、シリコン窒化膜32、層間絶縁膜50、パッシベーション膜60などを備えており、第1のシリコン酸化膜31が圧縮応力を有する一方で、第2のシリコン窒化膜32が引張応力を有するので、第1のシリコン酸化膜31、シリコン窒化膜32、層間絶縁膜50、パッシベーション膜60などの成膜条件(膜厚、成膜方法、成膜温度など)、特に、第1のシリコン酸化膜31、第2のシリコン窒化膜32の成膜条件を適宜設定することによって、熱型赤外線検出部3の残留応力を略零にすることが可能となり、熱型赤外線検出部3の反りを抑制することができる。
【0067】
ところで、MOSトランジスタ4のしきい値電圧はチャネル濃度で決まるが、MOSトランジスタ4の形成予定領域A2に形成されている第1のシリコン酸化膜31をドライエッチングにより除去すると、ロット間やウェハ間だけでなく、ウェハ面内でもウェル領域41の表面濃度がばらつきやすく、結果的にMOSトランジスタ4のしきい値電圧のばらつきが大きくなってしまう。
【0068】
これに対して、本実施形態の赤外線センサ100の製造方法は、上述のように、半導体基板1の上記一表面側の全体に亘って第1のシリコン酸化膜31とシリコン窒化膜32との積層膜を形成する第1の工程と、第1の工程の後でシリコン窒化膜32のうち半導体基板1における熱型赤外線検出部3の形成予定領域A1に対応する部分を残して半導体基板1におけるMOSトランジスタ4の形成予定領域A2に対応する部分をドライエッチングにより除去する第2の工程と、第2の工程の後で半導体基板1の上記一表面側に第1のイオン注入を行ってウェル領域41を形成する第3の工程と、第3の工程の後でMOSトランジスタ4のしきい値電圧を制御するための第2のイオン注入を行う第4の工程と、第4の工程の後でMOSトランジスタ4のドレイン領域43およびソース領域44を形成する第5の工程とを備え、第3の工程では、第1のシリコン酸化膜31のうちMOSトランジスタ4の形成予定領域A2に形成されている部分の一部をウェットエッチングにより除去してから、第1のシリコン酸化膜31をマスクとして第1のイオン注入を行う。
【0069】
しかして、本実施形態の赤外線センサ100の製造方法によれば、ロット間やウェハ間だけでなく、ウェハ面内でも、赤外線センサ100におけるMOSトランジスタ4のしきい値のばらつきを小さくすることが可能となる。その結果、MOSトランジスタ4のオン抵抗のばらつきを小さくすることが可能となるとともに、製造歩留まりの向上による低コスト化が可能となる。
【0070】
ここで、本実施形態の赤外線センサ100の製造方法においては、第2の工程の後であって第3の工程の前に、シリコン窒化膜32をマスクとして熱酸化を行うことによって第1のシリコン酸化膜31のうちMOSトランジスタ4の形成予定領域A2に形成されている部分の膜厚を大きくする選択酸化工程を行うようにしているので、MOSトランジスタ4の形成予定領域A2の第1のシリコン酸化膜31であるシリコン酸化膜51をウェットエッチングによりパターニングすることにより、シリコン酸化膜51を、第3の工程においてウェル領域41を形成するためのイオン注入のマスクとして利用することができる。
【0071】
ただし、第1の工程で成膜する第1のシリコン酸化膜31の膜厚が、第3の工程においてウェル領域41を形成するためのイオン注入のマスクとして利用することが可能な膜厚であれば、第2の工程の後であって第3の工程の前に選択酸化工程を必ずしも設ける必要はない。ここで、イオン注入のマスクとして利用することが可能な膜厚については、イオン注入で用いる不純物の種類および加速電圧によって規定される。例えば、不純物がボロン、加速電圧が50keVの場合、マスクとして利用することが可能な膜厚は3500Å以上であり、不純物がリン、加速電圧が50keVの場合、マスクとして利用することが可能な膜厚は1500Å以上である。本実施形態の赤外線センサ100の製造方法においては、上述の選択酸化工程をなくすことによって、工程数の削減による低コスト化を図ることが可能となる。しかしながら、熱型赤外線検出部3における第1のシリコン酸化膜31の膜厚については、熱容量を小さくして応答速度を速くするという観点からは小さいほうが好ましい。要するに、本実施形態の赤外線センサ100の製造方法においては、第2の工程の後であって第3の工程の前に、シリコン窒化膜32をマスクとして熱酸化を行うことによって第1のシリコン酸化膜31のうちMOSトランジスタ4の形成予定領域A2に形成されている部分の膜厚を大きくする選択酸化工程を行うようにすれば、応答速度の高速化を図りつつ、MOSトランジスタ4のしきい値のばらつきを小さくすることが可能となる。
【0072】
上述の赤外線センサ100では、半導体基板1として上記一表面が(100)面の単結晶のシリコン基板を用いて、エッチング速度の結晶面方位依存性を利用した異方性エッチングにより形成する空洞部11を四角錘状の形状としてあるが、四角錘状の形状に限らず、四角錘台状の形状でもよい。また、半導体基板1の上記一表面の面方位は特に限定するものではなく、例えば、半導体基板1として上記一表面が(110)面の単結晶シリコン基板を用いてもよい。
【0073】
また、赤外線センサ100は、必ずしも画素部2をアレイ状に備えた赤外線アレイセンサチップである必要はなく、少なくとも1つの熱型赤外線検出部3を備えたものであればよい。また、半導体基板1における空洞部11は、半導体基板1の厚み方向に貫通する形で形成してもよく、この場合は、空洞部11を形成する空洞部形成工程において、半導体基板1の上記一表面とは反対の他表面側から、半導体基板1における空洞部11の形成予定領域を、例えば誘導結合プラズマ(ICP)型のドライエッチング装置を用いた異方性エッチング技術を利用して形成すればよい。
【符号の説明】
【0074】
1 半導体基板
3 熱型赤外線検出部
4 MOSトランジスタ
31 第1のシリコン酸化膜(シリコン酸化膜)
32 シリコン窒化膜
41 ウェル領域
43 ドレイン領域
44 ソース領域
51 シリコン酸化膜
100 赤外線センサ
A1 熱型赤外線検出部の形成予定領域
A2 MOSトランジスタの形成予定領域
【特許請求の範囲】
【請求項1】
半導体基板の一表面側に形成されたシリコン酸化膜と当該シリコン酸化膜上のシリコン窒化膜との積層膜を有し前記半導体基板に支持された熱型赤外線検出部と、前記半導体基板の前記一表面側において前記熱型赤外線検出部に並設され前記熱型赤外線検出部の出力を取り出すためのMOSトランジスタとを備えた赤外線センサの製造方法であって、前記半導体基板の前記一表面側の全体に亘って前記シリコン酸化膜と前記シリコン窒化膜との積層膜を形成する第1の工程と、前記第1の工程の後で前記シリコン窒化膜のうち前記半導体基板における前記熱型赤外線検出部の形成予定領域に対応する部分を残して前記半導体基板における前記MOSトランジスタの形成予定領域に対応する部分をドライエッチングにより除去する第2の工程と、前記第2の工程の後で前記半導体基板の前記一表面側に第1のイオン注入を行ってウェル領域を形成する第3の工程と、前記第3の工程の後で前記MOSトランジスタのしきい値電圧を制御するための第2のイオン注入を行う第4の工程と、前記第4の工程の後で前記MOSトランジスタのドレイン領域およびソース領域を形成する第5の工程とを備え、前記第3の工程では、前記シリコン酸化膜のうち前記MOSトランジスタの形成予定領域に形成されている部分の一部をウェットエッチングにより除去してから、前記シリコン酸化膜をマスクとして前記第1のイオン注入を行うことを特徴とする赤外線センサの製造方法。
【請求項2】
前記第2の工程の後であって前記第3の工程の前に、前記シリコン窒化膜をマスクとして熱酸化を行うことによって前記シリコン酸化膜のうち前記MOSトランジスタの形成予定領域に形成されている部分の膜厚を大きくすることを特徴とする請求項1記載の赤外線センサの製造方法。
【請求項1】
半導体基板の一表面側に形成されたシリコン酸化膜と当該シリコン酸化膜上のシリコン窒化膜との積層膜を有し前記半導体基板に支持された熱型赤外線検出部と、前記半導体基板の前記一表面側において前記熱型赤外線検出部に並設され前記熱型赤外線検出部の出力を取り出すためのMOSトランジスタとを備えた赤外線センサの製造方法であって、前記半導体基板の前記一表面側の全体に亘って前記シリコン酸化膜と前記シリコン窒化膜との積層膜を形成する第1の工程と、前記第1の工程の後で前記シリコン窒化膜のうち前記半導体基板における前記熱型赤外線検出部の形成予定領域に対応する部分を残して前記半導体基板における前記MOSトランジスタの形成予定領域に対応する部分をドライエッチングにより除去する第2の工程と、前記第2の工程の後で前記半導体基板の前記一表面側に第1のイオン注入を行ってウェル領域を形成する第3の工程と、前記第3の工程の後で前記MOSトランジスタのしきい値電圧を制御するための第2のイオン注入を行う第4の工程と、前記第4の工程の後で前記MOSトランジスタのドレイン領域およびソース領域を形成する第5の工程とを備え、前記第3の工程では、前記シリコン酸化膜のうち前記MOSトランジスタの形成予定領域に形成されている部分の一部をウェットエッチングにより除去してから、前記シリコン酸化膜をマスクとして前記第1のイオン注入を行うことを特徴とする赤外線センサの製造方法。
【請求項2】
前記第2の工程の後であって前記第3の工程の前に、前記シリコン窒化膜をマスクとして熱酸化を行うことによって前記シリコン酸化膜のうち前記MOSトランジスタの形成予定領域に形成されている部分の膜厚を大きくすることを特徴とする請求項1記載の赤外線センサの製造方法。
【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15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【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15】
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【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【公開番号】特開2012−112666(P2012−112666A)
【公開日】平成24年6月14日(2012.6.14)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−259260(P2010−259260)
【出願日】平成22年11月19日(2010.11.19)
【出願人】(000005821)パナソニック株式会社 (73,050)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成24年6月14日(2012.6.14)
【国際特許分類】
【出願日】平成22年11月19日(2010.11.19)
【出願人】(000005821)パナソニック株式会社 (73,050)
【Fターム(参考)】
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