赤外線撮像素子およびその製造方法
【課題】従来の技術では、支持脚の熱コンダクタンスの低減を図る際に、支持脚配線の微細化に対して、マスクの精度で支持脚配線の微細化が決定され、それ以下のサイズで安定した微細化を図ることが困難であった。
【解決手段】本発明では、支持脚配線の微細化において、支持脚３の断面積を小さくするため、周囲の層間絶縁膜であるＢＰＳＧ１０及びＴＥＯＳ１１に対し、支持脚３に相当する領域のみをエッチングすることにより、支持脚３を低背化することができ、マスクで決定するサイズ立則にとらわれない微細化された支持脚構造を有する赤外線撮像素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明では、支持脚配線の微細化において、支持脚３の断面積を小さくするため、周囲の層間絶縁膜であるＢＰＳＧ１０及びＴＥＯＳ１１に対し、支持脚３に相当する領域のみをエッチングすることにより、支持脚３を低背化することができ、マスクで決定するサイズ立則にとらわれない微細化された支持脚構造を有する赤外線撮像素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線撮像素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
非冷却型（熱型）赤外線センサは、集光した赤外線を赤外線検出部で吸収して、輻射エネルギーを電気信号に変換するデバイスである。赤外線の吸収材と熱電変換素子を有する検出セルが外系と熱的に隔離されていることが特徴である。このような構造を実現するには、表面微細構造あるいはバルク微細構造形成技術が必要される。非冷却型赤外線センサは高価で大きな冷却器を必要とする冷却型赤外線センサとは異なり、安価で小型化が可能という利点がある。
【０００３】
ここで、熱隔離を行うには、検出セルを真空中に設置することと、検出セルと基板を物理的・電気的に接続する支持構造の熱コンダクタンスを低くすることが重要である。支持構造の熱コンダクタンスは構造が微細であればあるほど小さくなるため、上記構造形成プロセスのデザインルールを縮小することが本センサの感度向上につながる。
【０００４】
従来の技術では、支持脚の断熱性の向上を目的とした微細化の際に、これに伴う厳しい合わせ精度要求を回避するため、内部応力による歪みを抑えるようなロバストな支持脚構造が開示されている(例えば、特許文献１参照。)
また、従来の技術では、支持脚配線部の構成材料を多結晶Ｓｉではなく、より熱コンダクタンスの低いチタン／窒可チタン薄膜を用いていることが開示されている。また、支持脚の構造を予め反らしておくことで、支持脚の微細化および薄膜化した場合においても安定したプロセス裕度を提供することが開示されている(例えば、特許文献２参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１７８３２３号公報
【特許文献２】特開２００６−１６２４７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ここで、従来の技術では、上記特許文献1及び2の何れの文献においても、支持脚の熱コンダクタンスの低減を図る際に、何れもマスクの精度で支持脚配線の微細化が決定され、それ以下のサイズで安定した微細化を図ることが困難であった。
【０００７】
そこで、本発明は、上述の課題を鑑み、支持脚配線の微細化において、マスクの精度に依存しないで、より小さいサイズにて、微細化された支持脚構造の赤外線撮像素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明の一態様の赤外線撮像素子は、「基板から離間して設けられ、赤外線を検出して熱に変換する感熱ダイオードと、前記感熱ダイオードの間を分離しているＳＴＩと、を有するＳＯＩと、前記ＳＯＩ上に積層された層間絶縁膜と、前記感熱ダイオードと前記感熱ダイオードの外周部に設けられた垂直信号線に接続され、前記垂直信号線に信号を伝達する配線部と前記配線部を挟み込む層間絶縁膜と、を有するとともに、前記層間絶縁膜の底辺のいずれもが前記ＳＯＩよりも上部に位置している支持脚と、を具備する」ことを特徴としている。
【０００９】
また、本発明の一態様の赤外線撮像素子の製造方法は、「基板上に、赤外線を検出して熱に変換する感熱ダイオードと、酸化膜であるＢＯＸと、前記感熱ダイオードの間を分離しているＳＴＩと、窒化膜であるバリア膜と、を有するＳＯＩ上に、ＢＰＳＧを積層する工程と、前記ＢＰＳＧ上に、層間絶縁膜を積層する工程と、前記層間絶縁膜と前記ＢＰＳＧと前記ＳＯＩをエッチングし、支持脚を形成する工程と、前記基板を異方性エッチングして空洞部を形成する工程と、を具備する」ことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、支持脚配線の微細化において、マスクの精度に依存しないで、より小さいサイズにて、微細化された支持脚構造の赤外線撮像素子およびその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に係る赤外線撮像素子の斜視図である。
【図２】第１の実施形態に係る赤外線撮像素子の断面図である。
【図３】第１の実施形態に係る赤外線撮像素子の製造方法の断面図である。
【図４】第１の実施形態に係る赤外線撮像素子の製造方法の断面図である。
【図５】第１の実施形態に係る赤外線撮像素子の製造方法の断面図である。
【図６】第１の実施形態に係る赤外線撮像素子の製造方法の断面図である。
【図７】第１の実施形態に係る赤外線撮像素子の製造方法の断面図である。
【図８】第２の実施形態に係る赤外線撮像素子の断面図である。
【図９】第２の実施形態に係る赤外線撮像素子の製造方法の断面図である。
【図１０】第２の実施形態に係る赤外線撮像素子の製造方法の断面図である。
【図１１】第２の実施形態に係る赤外線撮像素子の製造方法の断面図である。
【図１２】第２の実施形態に係る赤外線撮像素子の製造方法の断面図である。
【図１３】第２の実施形態に係る赤外線撮像素子の製造方法の断面図である。
【図１４】第２の実施形態に係る赤外線撮像素子の製造方法の断面図である。
【図１５】第３の実施形態に係る赤外線撮像素子の斜視図である。
【図１６】第３の実施形態に係る赤外線撮像素子の断面図である。
【図１７】第３の実施形態に係る赤外線撮像素子の上面図である。
【図１８】第３の実施形態に係る赤外線撮像素子の製造方法の断面図である。
【図１９】第３の実施形態に係る赤外線撮像素子の製造方法の断面図である。
【図２０】第３の実施形態に係る赤外線撮像素子の製造方法の断面図である。
【図２１】第３の実施形態に係る赤外線撮像素子の製造方法の断面図である。
【図２２】第３の実施形態に係る赤外線撮像素子の製造方法の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。
【実施例】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。なお、以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号が付してある。
【００１４】
図1は、本発明の実施の形態に係る赤外線撮像素子の斜視図である。赤外線撮像素子１は、赤外線が可視光よりも煙及び霧に対して透過性が高いという特長を有しているので、防衛分野や監視カメラや火災検知カメラのように広い分野へ応用されている。ここで、非冷却型の赤外線撮像素子１においては、１０μｍ（マイクロメートル）程度の波長の赤外線が熱に変換され、この微弱な熱により生じる温度変化が電気信号に変換される。この電気信号を読み出すことで、赤外線画像情報が得られる。このような赤外線撮像素子１として、例えば、一定の順方向電流を与えることにより温度変化を電圧変化に変換するシリコンｐｎ接合を用いた赤外線センサが挙げられる。
【００１５】
ここで、図1に示すように、赤外線検知層である感熱ダイオード２が、画素を構成する感熱セルの中心に配置されている。また、感熱ダイオード２を支持する支持脚３が感熱ダイオード２の両端に連結されている。さらに感熱ダイオード２は、支持脚３を介して、感熱ダイオード２からの信号を処理する外周部の垂直信号線４、水平信号線５へと連結されている。
【００１６】
具体的には、外周部の垂直信号線４は、それぞれ、水平方向に沿って配列した感熱ダイオード２の一端にそれぞれに接続されている。また、外周部の垂直信号線５は、垂直方向に沿って配列した感熱ダイオード２の他端に接続されている。なお、感熱ダイオード２として、ｐｎ接合を有するｐｎ接合素子が用いられている。よって、垂直信号線４は、このｐｎ接合素子の一端（アノード）に接続され、水平信号線５は、ｐｎ接合素子の他端（カソード）に接続されている。
【００１７】
また、感熱ダイオード２及び支持脚３の下部とシリコン基板７との間には、空洞部６が設けられており、感熱ダイオード２が検出した赤外線の熱成分がシリコン基板７の内部に籠らず、熱容量を小さくしている。
【００１８】
さらに、感熱ダイオード２を支持している支持脚３の内部には、その上下を層間絶縁膜９でサンドイッチされて、熱コンダクタンスの低い電気配線８が設けられている。さらに、電気配線８は、上述した層間絶縁膜９の側壁に対し、僅かに内側に後退していた構造となっている。
【００１９】
ここで、支持脚３内の電気配線８は、電気的に垂直信号線４及び水平信号線５に接続されている。また、感熱ダイオード２にはp-n接合が配置されており、順方向特性の温度依存性を利用し、電流一定の条件下で順方向電圧の変化を読み出している。
【００２０】
ここで、一般的な赤外線撮像素子の感度指標であるNETD(Noise Equivalent Temperature Difference)は、
【数１】
【００２１】
で示される。ここで、ΔTは被写体の温度変化である。つまり、信号のS/Nを向上させることで、感熱ダイオード２の高感度化が実現する。信号成分に相当するVsignalに注目すると、
【数２】
【００２２】
で示される。ここで、Pは照射赤外線エネルギー(W/m2)、Aは感熱ダイオード２の受光面積(m2)、γは感熱ダイオード２の赤外線の吸収係数、(dV/dT)は感熱ダイオード２の熱電変換効率(V/K)、Gthは支持脚３の熱伝導係数をそれぞれ示している。支持脚３の熱コンダクタンスGthは
【数３】
【００２３】
で示される。ここで、kは熱伝導係数、Sは支持脚３の断面積(m2)、Lは支持脚３の長さ(m)をそれぞれ示している。
【００２４】
従って、赤外線撮像素子１のVsignalの向上を実現するには、Gthの値を低減することが望ましい。つまり、支持脚３、特にに電気配線８の断面積低減が有効であることがわかる。
【００２５】
しかしながら、前述したように赤外線検知部である感熱ダイオード２の熱容量を低減させるため、感熱ダイオード２および支持脚３の下部はシリコン基板７から分離され、中空構造である空洞部６になっている。つまり、支持脚３は感熱ダイオード２からの熱を伝導する役割の他に、中空構造となっている感熱ダイオード２を機械的に保持する役割がある。従って支持脚３が細ることにより機械強度が低下する。即ち、熱コンダクタンス低減と機械構造としての強度はトレードオフの関係にある。
【００２６】
また、支持脚３のパターニングは、半導体のリソグラフィ技術で形成されるが、支持脚３を微細化するにあたり、プロセスのデザインルールに立則することとなる。
【００２７】
ここで、デザインルールとはLSI の最小加工長、つまりLSI 上の素子の中でもっとも小さく作られている部分の長さのことを言う。近年の微細化技術の発展により最小寸法が100nm以下の加工も可能になってきている。言い換えれば、デバイスを加工する寸法は、デザインルールで定義されたマスクの寸法で決定する。
【００２８】
従って、電気配線８を含む支持脚３の細線化は、このデザインルールに則り、最小寸法が決定される。また、このルールを微細化することでプロセスコストが高騰し、安価な製品を提供することが難しくなっている。
【００２９】
(第１の実施の形態)
本実施形態では支持脚３の厚みを制御性良く薄層化することで、支持脚３の断面積を低減させ、熱コンダクタンスを低減する構造を提供するものである。
【００３０】
図２は、第１の実施の形態に係る赤外線撮像素子の断面構造を示したものである。
【００３１】
図２に示すように、赤外線撮像素子１は、支持脚３及び感熱ダイオード２の下部とシリコン基板７の間は、中空構造となっており、空洞部６が存在する。また、シリコン基板７上には、空洞部６を介して、感熱ダイオード２、ＢＯＸ１２が設けられている。ここで、ＳＯＩ１４とは、Silicon On Insulatorを意味しており、感熱ダイオード２と後述するＳＴＩ１５を含む層のことをいう。
【００３２】
また、感熱ダイオード２は、Ｐ＋層とＮ＋層がイオン注入されており、ダイオードとして機能する。ここで、波長8〜12μmの赤外線が、感熱ダイオード２で構成された画素アレイに入射されると、上述した波長帯に吸収ピークを持つ感熱ダイオード２上の後述する層間絶縁膜１１によって赤外線が吸収され、感熱ダイオード２の温度が上昇する。よって、感熱ダイオード２は、赤外線が吸収されることによって発生する熱を、電気信号に変換している。
【００３３】
さらに、ＢＯＸ１２は、Barrier Oxideを意味しており、酸化膜のことをいう。ＢＯＸ１２は、ＳＴＩ１５及び感熱ダイオード２の下部に配置されている。
【００３４】
また、ＢＯＸ１２上には、ＳＴＩ１５が積層されている。ここで、ＳＴＩ１５は、Shallow Trench Isolationを意味し、赤外線撮像素子１の感熱ダイオード２を素子分離する役割を果たしている。
【００３５】
また、ＳＴＩ１５上には、バリア膜１６が積層されている。バリア膜１６は、SiNのような窒化物であることから、酸素エッチングした際のバリア膜として機能する。
【００３６】
ここで、バリア膜１６上には、層間絶縁膜(ＢＰＳＧ)１０が積層されている。層間絶縁膜(ＢＰＳＧ)１０には、BPSG（Boron Phosphor Silicate Glass）を用いている。BPSGは、軟化点が低いため、成長レベルで平坦化効果があり（リフロー）、特に、ゲート等段差のある部分を被服するカバレッジ性に優れ、層間絶縁膜として幅広く用いられている材料である。
【００３７】
また、図２を示すように、後述するエッチング工程によって、ＢＯＸ１２、ＳＴＩ１５、バリア膜１６と後述する層間絶縁膜(ＴＥＯＳ)１１の端部より、支持脚３が存在する方向とは逆の方向に、層間絶縁膜(ＢＰＳＧ)１０の端部がエッチングされて後退している。
【００３８】
また、層間絶縁膜(ＢＰＳＧ)１０上には、層間絶縁膜(ＴＥＯＳ)１１が複数段積層されている。ここで、層間絶縁膜(ＴＥＯＳ)１１とは、TEOS（Tetra Ethyl Ortho Silicate）を意味する。
【００３９】
さらに、感熱ダイオード２上と層間絶縁膜(ＴＥＯＳ)１１の間に、Ａｌ配線１３が設けられている。Ａｌ配線１３は、垂直方向のビアと水平方向の配線にて構成され、感熱ダイオード２で赤外線の熱から電気に変換した電気信号を、支持脚３内の電気配線８を介して、外部の垂直信号線４及び水平信号線５に送るために、感熱ダイオード２とコンタクトを形成している。
【００４０】
ここで、図１に示すように、支持脚３を構成する部位の上下層に空洞部６が設けられていることから、支持脚３の断面積の低減が図られていることが分かる。さらに、層間絶縁膜(ＢＰＳＧ)１０の端部が、支持脚３が存在する方向とは逆の方向に、エッチングされて後退していることから、従来、犠牲層の機能を果たしていた層間絶縁膜が、エッチング後も残っていることが分かる。
【００４１】
次に、第１の実施の形態に係る赤外線撮像素子の製造方法について図３〜図７を参照して説明する。
【００４２】
図３(a)では、汎用のCMOSプロセスを用い、感熱ダイオード２にPN接合が形成された後の断面形状を示している。Ｓｉ基板７上に、ＢＯＸ１２が積層されている。また、ＢＯＸ１２上には、感熱ダイオード２、ＳＯＩ１４、ＳＴＩ１５がそれぞれ形成されている。さらに、バリア膜１６が、感熱ダイオード２、ＳＯＩ１４、ＳＴＩ１５を覆うように形成されている。
【００４３】
ここで、ＳＴＩは画素、及びトランジスタの素子分離の機能を果たしているが、支持脚３を形成するパターンで形成され、支持脚３に相当する部位は、Ｓｉにて形成される。
【００４４】
次に、図３(ｂ)では、支持脚３に相当する部位のゲートを保護するＳｉＮ等のバリア膜１６の選択エッチングを行った工程を示している。図3(ｂ)に示すように、支持脚３に相当する部位以外の部分にレジスト２０を塗布し、リソグラフィ技術を用いて、レジスト２０をマスクとしたエッチングを行い、支持脚３に相当する部位のバリア膜１６を開口し、除去している。
【００４５】
次に、図３(ｃ)では、層間絶縁膜であるＢＰＳＧ２１をデポジッション(Deposition)して積層し、その表面を平坦化している。ここで、ＢＰＳＧ２１とは、BPSG（Boron Phosphor Silicate Glass）のことをいう。なお、支持脚３に相当する部位は、図３(ｂ)にてバリア膜１６がエッチングされて除去されているため、当該BPSG２１はSOI１４と界面をなしている。
【００４６】
次に、図３(ｄ)では、BPSG２１上に、第一層間絶縁膜であるTEOS２２を積層し、その表面を平坦化している。
【００４７】
次に、図３(e)では、第一層間絶縁膜であるTEOS２２の上に、レジスト２３を積層した後、リソグラフィ技術を用いて、レジスト２０をマスクとしたエッチングを行い、Ａｌ配線１３に相当する部位のＢＰＳＧ２１、ＴＥＯＳ２２、レジスト２３を除去し、開口であるコンタクト・ホール２４を形成する。
【００４８】
次に、図４(a)では、開口であるコンタクト・ホール２４に、コンタクト２５(以下、Ａｌ配線１３と同等)を埋め込んで形成する。ここで、コンタクト２５には、Ti、TiN、W等が用いられる。コンタクト２５は、SOI１４上に、不純物の注入により形成したデバイス領域に対し、その上に形成した多層配線を電気的につなぐ接続領域であり、感熱ダイオード２の上部とコンタクトを形成し、感熱ダイオード２からの電気信号を外部に伝える機能を果たす。
【００４９】
次に、図4(b)では、下部バリアメタル２６、配線２７、上部バリアメタル２８が順次積層される。ここで、下部バリアメタル２６、上部バリアメタル２８には、Ti、TiNを用いることができる。また、配線２７には、Al-Cuを用いることができる。
【００５０】
ここで、配線２７とコンタクト２５は、電気的にコンタクトしており、感熱ダイオード２からの電気信号が、配線２７を介して外部に伝達されることとなる。
【００５１】
次に、図４(c)では、上部バリアメタル２８上にレジスト２９を積層した後、リソグラフィ技術を用いて、レジスト２９をマスクとしたエッチングを行い、上部バリアメタル２８、配線２７、下部バリアメタル２６をエッチングし、除去している。なお、配線２７のエッチングは、Cl系ガス等を用いる。
【００５２】
次に、図４(d)では、レジスト２９を除去した後、再び、レジスト３０を積層している。なお、ＳＯＩ１４の上部に相当する部位の上部バリアメタル２８、配線２７、下部バリアメタル２６は、レジスト３０が積層されないよう、表面に露出している。
【００５３】
次に、図５(a)では、リソグラフィ技術を用いて、レジスト３０をマスクとしたエッチングを行い、上部バリアメタル２８をエッチングして、除去している。但し、配線２７及び下部バリアメタル２６は、エッチングされずに残っている。
【００５４】
次に、図５(b)では、リソグラフィ技術を用いて、レジスト３０をマスクとしたエッチングを行い、配線２７をエッチングして、除去している。但し、下部バリアメタル２６は、エッチングされずに残っている。
【００５５】
ここで、図５(a)〜(b)の工程を行うのは、支持脚３の配線の熱コンダクタンスを低減することを目的としているためである。(3)式にて説明したように、支持脚３の熱コンダクタンスを低減するには、熱伝導係数の低い配線材料の使用、長支持脚長化、支持脚断面積の低減が有効的である。
【００５６】
第１の実施の形態実では、電気配線８の熱伝導係数を抑制した材料により構成するために、支持脚３の配線に相当する配線２７の上部バリアメタル２８(Ti/TiN)と、その下部の配線２７を選択的にエッチングすることで、電気配線８を構成する材料を下部バリアメタル２８(Ti/TiN)のみで構成することができる。上部バリアメタル２６(Ti/TiN)の選択エッチングには、昇温したH2O2(過酸化水素水)等を用いることができる。また、配線２７の選択エッチングには、CH3COOH (硝酸)、HNO3 (酢酸)およびH3PO4(リン酸)等の混酸を用いることができる。
【００５７】
次に、図５(c)では、レジスト３０を除去した後、第二層間絶縁膜であるＴＥＯＳ３１を２層積層している。ここで、通常のLSIは、配線が垂直方向に多層で構成され、TEOSは層間絶縁膜として、一般的に使われる材料でCVDにより成膜される。
【００５８】
次に、図５(d)では、さらに、第二層間絶縁膜であるＴＥＯＳ３２を２層積層している。
【００５９】
次に、図６(a)では、リソグラフィ技術を用いて、支持脚３に相当する領域を除いた箇所に、レジスト３３を塗布する。このようにレジスト３３を塗布することにより、支持脚３に相当する領域に対するエッチングが可能となる。
【００６０】
次に、図６(b)では、リソグラフィ技術を用いて、RIEによるディープトレンチを行って、ディープトレンチ開口３４を形成している。但し、第一層間絶縁膜であるＴＥＯＳ２１上に残っている下部バリアメタル２６まではエッチングが達していない。
【００６１】
次に、図６(c)では、支持脚３に相当する下部バリアメタル２６について、RIEによるディープトレンチを行っている。但し、第一層間絶縁膜であるＴＥＯＳ２１まではエッチングが達していない。
【００６２】
次に、図７(a)では、ディープトレンチ開口３４の上部のレジスト３３を除去している。このレジスト３３を除去することにより、支持脚３に相当する領域以外の部分についてのエッチングが可能となる。
【００６３】
次に、図７(b)では、リソグラフィ技術を用いて、レジスト３３をマスクとして、RIEによるディープトレンチをさらに行なっている。これにより、ディープトレンチ開口３４が、エッチングにより、シリコン基板７にまで達している。また、エッチバックにより、ディープトレンチ開口３４の上部のＴＥＯＳ３１、３２が除去されている。
【００６４】
最後に、図７(c)では、感熱ダイオード２をシリコン基板７から分離する空洞化工程を行っている。ここでは、エッチング溶液にTMAH(Tetramethyl ammonium hydroxide)を用いる。TMAHはシリコンの異方性エッチングを行うエッチャントとして良く知られている。さらにTMAHは、TEOS等の層間絶縁膜に対し、BPSGの選択比が低く、これによりBPSGのみを選択的に除去することができる。
【００６５】
図７(c)では、図７(b)の工程で、支持脚３と支持脚３の間に貫通孔があり、この貫通穴からTMAHが進行し、その下部のシリコン基板７を逆ピラミッド状にエッチングしている。通常、TMAHはTEOS３１、２２のような酸化膜に選択比があるが、当該工程にて、層間絶縁膜であるBPSG１６が、エッチング・消失し、その端部が後退している。
【００６６】
また、当該工程によって、支持脚３の下層部のSOI１４についても、エッチングが進行するため、下部バリアメタル２６下部のBPSG２１およびSOI１４をエッチングにより消失させることができる。この工程により、感熱ダイオード２及び下部バリアメタル２６の下部とシリコン基板７の間に、空洞部３５が形成される。
【００６７】
図７(c)によって、下部バリアメタル２６及びその上下の層間絶縁膜であるＴＥＯＳ２１、２２が残り、支持脚３を形成することとなる。
【００６８】
以上、第１の実施の形態では、図３〜図７の工程を行うことで、支持脚の熱コンダクタンスを低減させる施策として、支持脚３の断面積を小さくするため、周囲の層間絶縁膜であるＴＥＯＳ２２、３１、３２に対し、支持脚３に相当する領域のみをエッチングすることにより、支持脚３を低背化することができる。
【００６９】
また、第１の実施の形態では、支持脚３上部をエッチバックし、厚みを低減することでより熱コンダクタンスを低減することができる。
【００７０】
さらに、第１の実施の形態では、支持脚３の下層部を除去することで、リソグラフィの加工限界によらず、支持脚３の断面積の低減を図ることが可能になる。
【００７１】
さらに、第１の実施の形態では、支持脚３の下層部の除去に当たっては、汎用のCMOSプロセスで形成される材料のみを使用して行うことができ、特殊な膜を用いることがなく、生産性に優れた素子の提供を図ることができる。
【００７２】
(第２の実施の形態)
また、第２の実施の形態について、以下に説明する。
【００７３】
図８は、第２の実施の形態に係る赤外線撮像素子の断面図である。
【００７４】
図８に示すように、第１の実施の形態と同様に、支持脚３及び感熱ダイオード２の下部とシリコン基板７の間は、中空構造となっており、空洞部６が存在する。また、シリコン基板７上には、空洞部６を介して、感熱ダイオード２、ＳＯＩ１４、ＢＯＸ１２が設けられている。
【００７５】
感熱ダイオード２は、Ｐ＋層とＮ―層がイオン注入されており、ダイオードとして機能する。ＢＯＸ１２は、ＳＴＩ１５及び感熱ダイオード２の下部に配置されている。
【００７６】
さらに、ＢＯＸ１２上には、ＳＴＩ１５が積層されている。また、ＳＴＩ１５上には、バリア膜１６が積層されている。バリア膜１６は、SiNのような窒化物であることから、酸素エッチングした際のバリア膜として機能する。
【００７７】
ここで、バリア膜１６上には、第１の実施形態と同様に、層間絶縁膜(ＢＰＳＧ)１０が積層されている。また、第１の実施の形態と同様に、層間絶縁膜(ＢＰＳＧ)１０の端部は、後述するエッチングプロセスによって、ＢＯＸ１２、ＳＴＩ１５、バリア膜１６と後述する層間絶縁膜(ＴＥＯＳ)１１の端部より、支持脚が存在する方向とは逆方向に、エッチングして後退している。
【００７８】
また、層間絶縁膜(ＢＰＳＧ)１０上には、層間絶縁膜(ＴＥＯＳ)１１が複数段積層されている。さらに、感熱ダイオード２上と層間絶縁膜(ＴＥＯＳ)１１の間に、Ａｌ配線１３が設けられている。
【００７９】
ここで、図８に示すように、支持脚３を構成する部位の上下層に空洞部６が設けられていることから、支持脚３の断面積の低減が図られていることが分かる。さらに、層間絶縁膜(ＢＰＳＧ)１０の端部が、支持脚が存在する方向とは逆方向に、エッチングして後退していることから、従来、犠牲層の機能を果たしていた層間絶縁膜が、エッチング後も残っていることが分かる。
【００８０】
さらに、第２の実施の形態では、支持脚３として、電気配線８及びＴＥＯＳ１１の他に、ＢＯＸ１２、ＳＴＩ１５、バリア膜１６が含まれている。これは、後述する第２の実施の形態の赤外線撮像素子の製造方法によって、バリア膜１６とＴＥＯＳ１１の間に存在していた層間絶縁膜(ＢＰＳＧ)１０がエッチングによって消失し、その下部の層であるＢＯＸ１２、ＳＴＩ１５、バリア膜１６がＴＥＯＳ１１に乾燥工程にてくっついたために、このような構成となっている。
【００８１】
次に、本発明の第２の実施の形態に係る赤外線撮像素子の製造方法について、図９〜図１４を参照して説明する。
【００８２】
図９(a)では、汎用のCMOSプロセスを用い、感熱ダイオード２にPN接合が形成された後の断面形状を示している。Ｓｉ基板７上に、ＢＯＸ１２が積層されている。また、ＢＯＸ１２上には、感熱ダイオード２、ＳＯＩ１４、ＳＴＩ１５がそれぞれ形成されている。さらに、バリア膜１６が、感熱ダイオード２、ＳＯＩ１４、ＳＴＩ１５を覆うように形成されている。ここで、第１の実施形態と異なる点は、支持脚３を形成する領域にＳＯＩ１４を形成せず、支持脚３を形成する領域全てに、ＳＴＩ１５が埋め込まれている点である。
【００８３】
次に、図９(ｂ)に示すように、バリア膜１６の全面に、層間絶縁膜であるＢＰＳＧ４１を塗布して成膜している。ここで、第２の実施形態では、第１の実施形態と異なり、BPSG４１の成膜工程にて、支持脚３に相当する領域のバリア膜１６を、リソグラフィ技術を用いて、開口していない。
【００８４】
次に、図９(ｃ)では、BPSG４１上に、第一層間絶縁膜であるTEOS４２を積層し、その表面を平坦化している。
【００８５】
次に、図９(ｄ)では、第一層間絶縁膜であるTEOS４２の上に、レジスト４３を積層した後、リソグラフィ技術を用いて、エッチングを行い、Ａｌ配線１３に相当する部位のＢＰＳＧ４１、ＴＥＯＳ４２、レジスト４３を除去し、開口であるコンタクト・ホール４４を形成している。
【００８６】
次に、図９(e)では、開口であるコンタクト・ホール４４に、コンタクト４５(以下、Ａｌ配線１３と同等)を埋め込んで形成する。ここで、コンタクト４５には、第１の実施形態と同様に、Ti、TiN、W等が用いられる。コンタクト２５は、SOI１４上に不純物インプラにより形成したデバイス領域に対し、その上に形成した多層配線を電気的につなぐ接続領域であり、感熱ダイオード２の上部とコンタクトを形成し、感熱ダイオード２からの電気信号を外部に伝える機能を果たす。
【００８７】
次に、図１０(a)では、下部バリアメタル４６、配線４７、上部バリアメタル４８が順次積層される。ここで、下部バリアメタル４６、上部バリアメタル４８には、第１の実施形態と同様に、Ti、TiNを用いることができる。また、配線４７には、第１の実施形態と同様に、Al-Cuを用いることができる。
【００８８】
次に、図１０(b)では、上部バリアメタル４８上にレジスト４９を積層した後、リソグラフィ技術を用いて、レジスト４９をマスクとしたエッチングを行い、上部バリアメタル４８、配線４７、下部バリアメタル４６をエッチングし、除去している。なお、配線４７のエッチングは、Cl系ガス等を用いる。
【００８９】
次に、図１０(c)では、レジスト４９を除去した後、再び、レジスト５０を積層している。なお、支持脚３の上部に相当する領域の上部バリアメタル４８、配線４７、下部バリアメタル４６は、レジスト５０が積層されないよう、表面に露出している。
【００９０】
次に、図１０(d)では、リソグラフィ技術を用いて、レジスト５０をマスクとしたエッチングを行い、上部バリアメタル４８をエッチングして、除去している。但し、配線４７及び下部バリアメタル４６は、エッチングされずに残っている。
【００９１】
次に、図１１(a)では、リソグラフィ技術を用いて、レジスト５０をマスクとしたエッチングを行い、配線４７をエッチングして、除去している。但し、下部バリアメタル４６は、エッチングされずに残っている。
【００９２】
ここで、図１０(c)、図１１(a)の工程を行うのは、第１の実施形態と同様に、支持脚３の配線の熱コンダクタンスを低減することを目的としているためである。(3)式にて説明したように、支持脚３の熱コンダクタンスを低減するには、熱伝導係数の低い配線材料の使用、長支持脚長化、支持脚断面積の低減が有効的である。
【００９３】
第２の実施の形態では、電気配線８の熱伝導係数を抑制した材料により構成するために、支持脚３の配線に相当する配線４７の上部バリアメタル４８(Ti/TiN)と、その下部の配線４７を選択的にエッチングすることで、電気配線８を構成する材料を下部バリアメタル４８(Ti/TiN)のみで構成することができる。上部バリアメタル４６(Ti/TiN)の選択エッチングには、昇温したH2O2(過酸化水素水)等を用いることができる。また、配線４７の選択エッチングには、CH3COOH (硝酸)、HNO3 (酢酸)およびH3PO4(リン酸)の混酸を用いることができる。
【００９４】
次に、図１１(b)では、レジスト５０を除去した後、第二層間絶縁膜であるＴＥＯＳ５１を２層積層している。
【００９５】
次に、図１１(c)では、さらに、第二層間絶縁膜であるＴＥＯＳ５２を２層積層している。
【００９６】
次に、図１２(a)では、リソグラフィ技術を用いて、支持脚３に相当する領域を除いた箇所に、レジスト５３を塗布する。このようにレジスト５３を塗布することにより、支持脚３に相当する領域に対するエッチングが可能となる。
【００９７】
次に、図１２(b)では、リソグラフィ技術を用いて、RIEによるディープトレンチを行って、ディープトレンチ開口５４を形成している。但し、第一層間絶縁膜であるＴＥＯＳ４２上に残っている下部バリアメタル４６まではエッチングが達していない。
【００９８】
次に、図１２(c)では、支持脚３に相当する下部バリアメタル４６について、RIEによるディープトレンチを行っている。但し、第一層間絶縁膜であるＴＥＯＳ４２まではエッチングが達していない。
【００９９】
次に、図１３(a)では、ディープトレンチ開口５４の上部のレジスト５３を除去している。このレジスト５３を除去することにより、支持脚３に相当する領域以外の部分についてのエッチングが可能となる。
【０１００】
次に、図１３(b)では、リソグラフィ技術を用いて、レジスト５３をマスクとして、RIEによるディープトレンチをさらに行なっている。これにより、ディープトレンチ開口５４が、エッチングにより、シリコン基板７にまで達している。また、エッチバックにより、ディープトレンチ開口５４の上部のＴＥＯＳ５２、５１が除去されている。
【０１０１】
次に、図１３(c)では、感熱ダイオード２をシリコン基板７から分離する空洞化工程を行っている。ここでは、第１の実施の形態と同様に、エッチング溶液にTMAHを用いる。TMAHはシリコンの異方性エッチングを行うエッチャントとして良く知られているが、BPSGについてもエッチングされることが知られている。
【０１０２】
図１３(c)では、図１３(b)の工程で、支持脚３と支持脚３の間に貫通孔があり、この貫通穴からTMAHが進行し、その下部のシリコン基板７を逆ピラミッド状にエッチングしている。通常、TMAHはTEOS５１、４２のような酸化膜に選択比があるが、当該工程にて、層間絶縁膜であるBPSG４１が、エッチング・消失し、その端部が内部に後退している。
【０１０３】
また、第２の実施の形態では、当該工程によって、支持脚３を構成するＴＥＯＳ５１、下部バリアメタル４６、ＴＥＯＳ４２の下部の層であるＢＰＳＧ４１がエッチングにより消失するため、支持脚３を構成するＴＥＯＳ４２と、バリア膜１６との間に空洞部５５が形成されることとなる。さらに、当該工程により、感熱ダイオード２及び下部バリアメタル４６の下部とシリコン基板７の間に、空洞部５６が形成される。
【０１０４】
最後に、図１４(a)では、素子の乾燥工程において、支持脚３の応力により、バリア膜１６及びＳＴＩ１５が、第一層間絶縁膜であるＴＥＯＳ４２に引き付けられて、ＴＥＯＳ４２とバリア膜１６とが結合する。この乾燥工程によって、図１３(c)の工程にて存在していた空洞部５５がなくなっている。
【０１０５】
図１４(a)によって、下部バリアメタル４６及びその上下の層間絶縁膜であるＴＥＯＳ５１、４２、結合されたバリア膜１６、ＳＴＩ１５が残り、それぞれが支持脚３を形成することとなる。
【０１０６】
以上、第２の実施の形態では、図９〜図１４の工程を行うことで、支持脚３の熱コンダクタンスを低減させる施策として、支持脚３の断面積を小さくするため、周囲の層間絶縁膜であるＴＥＯＳ４２、５１、５２に対し、支持脚３に相当する領域のみをエッチングすることにより、支持脚３を低背化することができる。
【０１０７】
また、第２の実施の形態では、支持脚３上部をエッチバックし、厚みを低減することでより熱コンダクタンスを低減することができる。
【０１０８】
さらに、第２の実施の形態では、支持脚３の下層部の除去に当たっては、汎用のCMOSプロセスで形成される材料のみを使用して行うことができ、特殊な膜を用いることがなく、生産性に優れた素子の提供を図ることができる。
【０１０９】
さらに、第２の実施の形態では、予めＢＰＳＧ４１が形成された層に相当する断面積がエッチングにて消失することから、支持脚３の厚み成分が抑制され、支持脚３の断面積が低減され、結果として熱コンダクタンスの低減を実現することができる。
【０１１０】
(第３の実施の形態)
さらに、第３の実施の形態について、以下に説明する。
【０１１１】
図１５は、第３の実施の形態に係る赤外線撮像素子の斜視図、図１６は、第３の実施の形態に係る赤外線撮像素子の断面図、図１７は、第３の実施の形態に係る赤外線撮像素子の上面図である。
【０１１２】
図１５に示すように、第３の実施の形態では、感熱ダイオード２の端部から伸びている支持脚３は、感熱ダイオード２に連結している第１の配線層６１と、第１の配線層６１の垂直方向の上部に存在する第２の配線層６２と、第１の配線層６１と第２の配線層６２とを接合する配線連結部６３から構成されている。
【０１１３】
つまり、第３の実施の形態では、感熱ダイオード２を支持する支持脚３が、垂直方向に対し、第１の配線層６１、第２の配線層６２の２層で構成されている。ここで、(3)式で示したように、支持脚３の熱コンダクタンスは、支持脚３の長さが長くなることで低減を図ることができる。支持脚３の配線長を長くすれば感度の向上が望めるが、これを第１、２の実施の形態のように２次元方向で実現した場合、互いに隣接する感熱ダイオード２のセルピッチが広くなり、結果としてチップ面積の増大、すなわちチップコストの増大に繋がる。しかしながら、第３の実施の形態に示すように、支持脚３を垂直方向に伸ばすことにより、セルピッチを変化させること無く、支持脚３の配線長を長くとることが可能になる。
【０１１４】
また、配線連結部６３は、エッチング前の層間絶縁膜(ＢＰＳＧ)１０であり、後述するエッチング工程により、層間絶縁膜(ＢＰＳＧ)１０が全てエッチングされず、配線連結部６３として機能する部分は、残っている。
【０１１５】
第２の配線層６２は、外部の信号線に連結され、感熱ダイオード２の電気信号を外部の信号に伝達する。
【０１１６】
ここで、配線接続部６４は、第１の配線層６１及び第２の配線層６２にそれぞれ設けられており、配線連結部６３よりも大きな面積を有している。これは、後述するエッチング工程において、層間絶縁膜(ＢＰＳＧ)１０をエッチングした際に、第１の配線層６１と第２の配線層６２を繋ぐ配線連結部６３を構成する層間絶縁膜(ＢＰＳＧ)１０が消失するのを防ぐためである。
【０１１７】
ここで、図１６に示している本発明の第３の実施の形態に係る赤外線撮像素子の断面図を用いて、詳細を説明する。
【０１１８】
図１６に示すように、第３の実施の形態は、第１の実施の形態と同様に、支持脚３及び感熱ダイオード２の下部とシリコン基板７の間は、中空構造となっており、空洞部６が存在する。また、シリコン基板７上には、空洞部６を介して、感熱ダイオード２、ＳＯＩ１４、ＢＯＸ１２が設けられている。
【０１１９】
感熱ダイオード２は、Ｐ＋層とＮ―層がイオン注入されており、ダイオードとして機能する。ＢＯＸ１２は、ＳＴＩ１５及び感熱ダイオード２の下部に配置されている。
【０１２０】
さらに、ＢＯＸ１２上には、ＳＴＩ１５が積層されている。また、ＳＴＩ１５上には、バリア膜１６が積層されている。バリア膜１６は、SiNのような窒化物であることから、酸素エッチングした際のバリア膜として機能する。
【０１２１】
ここで、バリア膜１６上には、第１の実施形態と同様に、層間絶縁膜(ＢＰＳＧ)１０が積層されている。また、第１の実施形態と同様に、層間絶縁膜(ＢＰＳＧ)１０の端部は、後述するエッチングプロセスによって、ＢＯＸ１２、ＳＴＩ１５、バリア膜１６と後述する層間絶縁膜(ＴＥＯＳ)１１の端部より、支持脚３が存在する方向とは逆の方向に、エッチングされて後退している。
【０１２２】
また、層間絶縁膜(ＢＰＳＧ)１０上には、層間絶縁膜(ＴＥＯＳ)１１が複数段積層されている。さらに、感熱ダイオード２上と層間絶縁膜(ＴＥＯＳ)１１の間に、Ａｌ配線１３が設けられている。
【０１２３】
ここで、図１６に示すように、支持脚３を構成する部位の上下層に空洞部６が設けられていることから、支持脚３の断面積の低減が図られていることが分かる。さらに、層間絶縁膜(ＢＰＳＧ)１０の端部が、支持脚３が存在する方向とは逆方向に、エッチングして後退していることから、従来、犠牲層の機能を果たしていた層間絶縁膜が、エッチング後も残っていることが分かる。
【０１２４】
さらに、第３の実施の形態では、支持脚３は、図１５にて説明したように、ＴＥＯＳ１１と電気配線８を有する第２の配線層６２と、ＳＴＩ１５とＢＯＸ１２とバリア膜１６とＰｏｌｙ−Ｓｉ配線７１を有する第１の配線層６２を備えている。Ｐｏｌｙ−Ｓｉ配線７１は、感熱ダイオード２からの電気信号を、配線接続部６３を介して、第２の配線層６２内の電気配線８に伝達する機能を果たしている。この接続関係により、感熱ダイオード２からの電気信号が、第１の配線層６１内のＰｏｌｙ−Ｓｉ配線７１を伝達し、配線接続部６３を介して、第２の配線層６２内の支持脚内配線電気配線８に伝達され、外部の信号線に出力されることとなる。
【０１２５】
さらに、図１７に示している本発明の第３の実施の形態に係る赤外線撮像素子の平面図を用いて、詳細に説明する。
【０１２６】
さらに、図１７に示すように、感熱ダイオード２の電気信号は、第１の配線層６１を介して、配線接続部６４にて配線接続部６３を介して第２の配線層６２に接続されている。また、第２の配線層６２は、それぞれ、垂直信号線４又は水平信号線５に接続されている。このような構成によって、感熱ダイオード２の電気信号は、外部の垂直信号線４、及び水平信号線５に伝達される。
【０１２７】
次に、本発明の第３の実施の形態に係る赤外線撮像素子の製造方法について図１８〜図２２を参照して説明する。
【０１２８】
図１８(a)では、汎用のCMOSプロセスを用い、感熱ダイオード２にPN接合が形成された後の断面形状を示している。Ｓｉ基板７上に、ＢＯＸ１２が積層されている。また、ＢＯＸ１２上には、感熱ダイオード２、ＳＯＩ１４、ＳＴＩ１５がそれぞれ形成されている。さらに、バリア膜１６が、感熱ダイオード２、ＳＯＩ１４、ＳＴＩ１５を覆うように形成されている。ここで、第２の実施の形態と異なる点は、支持脚３に相当する領域に、Ｐｏｌｙ−Ｓｉ７２を埋め込んでいる点である。
【０１２９】
次に、図１８(ｂ)に示すように、バリア膜１６の全面に、層間絶縁膜であるＢＰＳＧ７３を塗布して成膜している。ここで、第３の実施形態では、第２の実施形態と異なり、BPSG７３の成膜工程にて、支持脚３に相当する領域のＰｏｌｙ−Ｓｉ７２とＢＰＳＧ７３が介面を形成している。
【０１３０】
次に、図１８(ｃ)では、BPSG７３上に、第一層間絶縁膜であるTEOS７４を積層し、その表面を平坦化している。
【０１３１】
次に、図１８(ｄ)では、第一層間絶縁膜であるTEOS７４の上に、レジスト７５を積層した後、リソグラフィ技術を用いて、エッチングを行い、Ａｌ配線１３に相当する部位のＢＰＳＧ７３、ＴＥＯＳ７４、レジスト７５を除去し、開口であるコンタクト・ホール７６を形成している。
【０１３２】
次に、図１８(e)では、開口であるコンタクト・ホール７６に、コンタクト７７（以下、Ａｌ配線１３と同等）を埋め込んで形成する。ここで、コンタクト７７には、第１の実施形態と同様に、Ti、TiN、W等が用いられる。コンタクト７７は、SOI１４上に不純物インプラにより形成したデバイス領域に対し、その上に形成した多層配線を電気的につなぐ接続領域であり、感熱ダイオード２の上部とコンタクトを形成し、感熱ダイオード２からの電気信号を外部に伝える機能を果たす。
【０１３３】
次に、図１９(a)では、下部バリアメタル７８、配線７９、上部バリアメタル８０が順次積層される。ここで、下部バリアメタル７８、上部バリアメタル７９には、第１の実施形態と同様に、Ti、TiNを用いることができる。また、配線７８には、第１の実施形態と同様に、Al-Cuを用いることができる。
【０１３４】
次に、図１９(b)では、上部バリアメタル８０上にレジスト８１を積層した後、リソグラフィ技術を用いて、レジスト８１をマスクとしたエッチングを行い、上部バリアメタル８０、配線７９、下部バリアメタル７８をエッチングし、除去している。なお、配線７９のエッチングは、Cl系ガス等を用いる。
【０１３５】
次に、図１９(c)では、レジスト８１を除去した後、再び、レジスト８２を積層している。なお、支持脚３の上部に相当する領域の上部バリアメタル８０、配線７９、下部バリアメタル７８は、レジスト８２が積層されないよう、表面に露出している。
【０１３６】
次に、図１９(d)では、リソグラフィ技術を用いて、レジスト８２をマスクとしたエッチングを行い、上部バリアメタル８０をエッチングして、除去している。但し、配線７９及び下部バリアメタル７８は、エッチングされずに残っている。
【０１３７】
次に、図２０(a)では、リソグラフィ技術を用いて、レジスト８２をマスクとしたエッチングを行い、配線７９をエッチングして、除去している。但し、下部バリアメタル７８は、エッチングされずに残っている。
【０１３８】
ここで、図１９(d)、図２０(a)の工程を行うのは、第１の実施の形態と同様に、支持脚３の配線の熱コンダクタンスを低減することを目的としているためである。(3)式にて説明したように、支持脚３の熱コンダクタンスを低減するには、熱伝導係数の低い配線材料の使用、長支持脚長化、支持脚断面積の低減が有効的である。
【０１３９】
第３の実施の形態では、第１の実施の形態と同様に、電気配線８の熱伝導係数を抑制した材料により構成するために、支持脚３の配線に相当する配線７９の上部バリアメタル８０(Ti/TiN)と、その下部の配線７９を選択的にエッチングすることで、電気配線８を構成する材料を下部バリアメタル７８(Ti/TiN)のみで構成することができる。第１の実施の形態と同様に、上部バリアメタル８０(Ti/TiN)の選択エッチングには、昇温したH2O2(過酸化水素水)等を用いることができる。また、配線７９の選択エッチングには、CH3COOH (硝酸)、HNO3 (酢酸)およびH3PO4(リン酸)の混酸を用いることができる。
【０１４０】
次に、図２０(b)では、レジスト８２を除去した後、第二層間絶縁膜であるＴＥＯＳ８３を２層積層している。
【０１４１】
次に、図２０(c)では、さらに、第二層間絶縁膜であるＴＥＯＳ８４を２層積層している。
【０１４２】
次に、図２１(a)では、リソグラフィ技術を用いて、支持脚３に相当する領域を除いた箇所に、レジスト８５を塗布する。このようにレジスト８５を塗布することにより、支持脚３に相当する領域に対するエッチングが可能となる。
【０１４３】
次に、図２１(b)では、リソグラフィ技術を用いて、RIEによるディープトレンチを行って、ディープトレンチ開口８６を形成している。但し、第一層間絶縁膜であるＴＥＯＳ７４上に残っている下部バリアメタル７８まではエッチングが達していない。
【０１４４】
次に、図２１(c)では、支持脚３に相当する下部バリアメタル７８について、RIEによるディープトレンチを行っている。但し、第一層間絶縁膜であるＴＥＯＳ７４まではエッチングが達していない。
【０１４５】
次に、図２２(a)では、ディープトレンチ開口８６の上部のレジスト８５を除去している。このレジスト８５を除去することにより、支持脚３に相当する領域以外の部分についてのエッチングが可能となる。
【０１４６】
次に、図２２(b)では、リソグラフィ技術を用いて、レジスト８５をマスクとして、RIEによるディープトレンチをさらに行なっている。これにより、ディープトレンチ開口８６が、エッチングにより、シリコン基板７にまで達している。また、エッチバックにより、ディープトレンチ開口８６の上部のＴＥＯＳ８３、８４が除去されている。
【０１４７】
次に、図２２(c)では、感熱ダイオード２をシリコン基板７から分離する空洞化工程を行っている。ここでは、第１の実施の形態と同様に、エッチング溶液にTMAHを用いる。TMAHはシリコンの異方性エッチングを行うエッチャントとして良く知られているが、BPSGについてもエッチングされることが知られている。
【０１４８】
図２２(c)では、図２２(b)の工程で、支持脚３と支持脚３の間に貫通孔があり、この貫通穴からTMAHが進行し、その下部のシリコン基板７を逆ピラミッド状にエッチングしている。通常、TMAHはTEOS８３、７４のような酸化膜に選択比があるが、当該工程にて、層間絶縁膜であるBPSG７３が、エッチング・消失し、その端部が内部に後退している。
【０１４９】
また、第３の実施の形態では、当該工程によって、第２の配線層６２のＴＥＯＳ８３、下部バリアメタル７８、ＴＥＯＳ７４の下部の層であるＢＰＳＧ７３がエッチングにより消失するため、第２の配線層６２を構成するＴＥＯＳ７４と、第１の配線層６１を構成するバリア膜１６との間に空洞部８７が形成されることとなる。さらに、当該工程により、感熱ダイオード２及び下部バリアメタル４６の下部とシリコン基板７の間に、空洞部８８が形成される。
【０１５０】
また、第３の実施の形態では、第１の配線層６１と第２の配線層６２を結合させる配線連結部６３は、第１の配線層６１と第２の配線層６２がそれぞれ備えている配線接合部６４がある程度の大きさを有しているため、図２２(c)の工程によって、配線接合部６４の間のＢＰＳＧ７３は全て消失することなく、一部残っている。よって、配線連結部６３は、当該工程に残ったＢＰＳＧ７３にて構成され、第１の配線層６１と第２の配線層６２を結合することとなる。
【０１５１】
以上、第３の実施の形態では、図１８〜図２２の工程を行うことで、支持脚３の熱コンダクタンスを低減させる施策として、支持脚３の断面積を小さくするため、周囲の層間絶縁膜であるＴＥＯＳ７４、８３、８４に対し、支持脚３に相当する領域のみをエッチングすることにより、支持脚３を低背化することができる。
【０１５２】
また、第３の実施の形態では、支持脚３上部をエッチバックし、厚みを低減することでより熱コンダクタンスを低減することができる。
【０１５３】
さらに、第３の実施の形態では、支持脚３の下層部の除去に当たっては、汎用のCMOSプロセスで形成される材料のみを使用して行うことができ、特殊な膜を用いることがなく、生産性に優れた素子の提供を図ることができる。
【０１５４】
さらに、第３の実施の形態では、感熱ダイオード２を支持する支持脚３が、垂直方向に対し、第１の配線層６１、第２の配線層６２の２層で構成されているため、支持脚３を垂直方向に伸ばすことにより、セルピッチを変化させること無く、支持脚３の配線長を長くとることが可能になる。
【０１５５】
以上説明したように、本発明の実施の形態に係る赤外線撮像素子およびその製造方法においては、マスクの精度に依存しないで、より小さいサイズにて、微細な支持脚配線幅を実現しながら、機械強度を保持した高感度な素子の提供が可能になる。
【０１５６】
なお、本発明は、上記した各実施の形態には限定されず、種々変形して実施できることは言うまでもない。
【０１５７】
要するに、本発明は上記各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記各実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより、種々の形態を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を省略してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【０１５８】
１…赤外線撮像素子
２…感熱ダイオード
３…支持脚
４…垂直信号線
５…水平信号線
６…空洞部
７…シリコン基板
８…電気配線
９…層間絶縁膜
１０…層間絶縁膜(ＢＰＳＧ)
１１…層間絶縁膜(ＴＥＯＳ)
１２…ＢＯＸ
１３…Ａｌ配線
１４…ＳＯＩ
１５…ＳＴＩ
１６…バリア膜
２０…レジスト
２１…ＢＰＳＧ
２２…ＴＥＯＳ
２３…レジスト
２４…コンタクト・ホール
２５…コンタクト
２６…下部バリアメタル
２７…配線
２８…上部バリアメタル
２９…レジスト
３０…レジスト
３１…ＴＥＯＳ
３２…ＴＥＯＳ
３３…レジスト
３４…ディープトレンチ開口
３５…空洞部
４１…ＢＰＳＧ
４２…ＴＥＯＳ
４３…レジスト
４４…コンタクト・ホール
４５…コンタクト
４６…下部バリアメタル
４７…配線
４８…上部バリアメタル
４９…レジスト
５０…レジスト
５１…ＴＥＯＳ
５２…ＴＥＯＳ
５３…レジスト
５４…ディープトレンチ開口
５５…空洞部
６１…第１の配線層
６２…第２の配線層
６３…配線連結部
６４…配線接続部
７１…Ｐｏｌｙ−Ｓｉ配線
７２…Ｐｏｌｙ−Ｓｉ
７３…ＢＰＳＧ
７４…ＴＥＯＳ
７５…レジスト
７６…コンタクト・ホール
７７…コンタクト
７８…下部バリアメタル
７９…配線
８０…上部バリアメタル
８１…レジスト
８２…レジスト
８３…ＴＥＯＳ
８４…ＴＥＯＳ
８５…レジスト
８６…ディープトレンチ開口
８７…空洞部
８８…空洞部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線撮像素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
非冷却型（熱型）赤外線センサは、集光した赤外線を赤外線検出部で吸収して、輻射エネルギーを電気信号に変換するデバイスである。赤外線の吸収材と熱電変換素子を有する検出セルが外系と熱的に隔離されていることが特徴である。このような構造を実現するには、表面微細構造あるいはバルク微細構造形成技術が必要される。非冷却型赤外線センサは高価で大きな冷却器を必要とする冷却型赤外線センサとは異なり、安価で小型化が可能という利点がある。
【０００３】
ここで、熱隔離を行うには、検出セルを真空中に設置することと、検出セルと基板を物理的・電気的に接続する支持構造の熱コンダクタンスを低くすることが重要である。支持構造の熱コンダクタンスは構造が微細であればあるほど小さくなるため、上記構造形成プロセスのデザインルールを縮小することが本センサの感度向上につながる。
【０００４】
従来の技術では、支持脚の断熱性の向上を目的とした微細化の際に、これに伴う厳しい合わせ精度要求を回避するため、内部応力による歪みを抑えるようなロバストな支持脚構造が開示されている(例えば、特許文献１参照。)
また、従来の技術では、支持脚配線部の構成材料を多結晶Ｓｉではなく、より熱コンダクタンスの低いチタン／窒可チタン薄膜を用いていることが開示されている。また、支持脚の構造を予め反らしておくことで、支持脚の微細化および薄膜化した場合においても安定したプロセス裕度を提供することが開示されている(例えば、特許文献２参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１７８３２３号公報
【特許文献２】特開２００６−１６２４７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ここで、従来の技術では、上記特許文献1及び2の何れの文献においても、支持脚の熱コンダクタンスの低減を図る際に、何れもマスクの精度で支持脚配線の微細化が決定され、それ以下のサイズで安定した微細化を図ることが困難であった。
【０００７】
そこで、本発明は、上述の課題を鑑み、支持脚配線の微細化において、マスクの精度に依存しないで、より小さいサイズにて、微細化された支持脚構造の赤外線撮像素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明の一態様の赤外線撮像素子は、「基板から離間して設けられ、赤外線を検出して熱に変換する感熱ダイオードと、前記感熱ダイオードの間を分離しているＳＴＩと、を有するＳＯＩと、前記ＳＯＩ上に積層された層間絶縁膜と、前記感熱ダイオードと前記感熱ダイオードの外周部に設けられた垂直信号線に接続され、前記垂直信号線に信号を伝達する配線部と前記配線部を挟み込む層間絶縁膜と、を有するとともに、前記層間絶縁膜の底辺のいずれもが前記ＳＯＩよりも上部に位置している支持脚と、を具備する」ことを特徴としている。
【０００９】
また、本発明の一態様の赤外線撮像素子の製造方法は、「基板上に、赤外線を検出して熱に変換する感熱ダイオードと、酸化膜であるＢＯＸと、前記感熱ダイオードの間を分離しているＳＴＩと、窒化膜であるバリア膜と、を有するＳＯＩ上に、ＢＰＳＧを積層する工程と、前記ＢＰＳＧ上に、層間絶縁膜を積層する工程と、前記層間絶縁膜と前記ＢＰＳＧと前記ＳＯＩをエッチングし、支持脚を形成する工程と、前記基板を異方性エッチングして空洞部を形成する工程と、を具備する」ことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、支持脚配線の微細化において、マスクの精度に依存しないで、より小さいサイズにて、微細化された支持脚構造の赤外線撮像素子およびその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に係る赤外線撮像素子の斜視図である。
【図２】第１の実施形態に係る赤外線撮像素子の断面図である。
【図３】第１の実施形態に係る赤外線撮像素子の製造方法の断面図である。
【図４】第１の実施形態に係る赤外線撮像素子の製造方法の断面図である。
【図５】第１の実施形態に係る赤外線撮像素子の製造方法の断面図である。
【図６】第１の実施形態に係る赤外線撮像素子の製造方法の断面図である。
【図７】第１の実施形態に係る赤外線撮像素子の製造方法の断面図である。
【図８】第２の実施形態に係る赤外線撮像素子の断面図である。
【図９】第２の実施形態に係る赤外線撮像素子の製造方法の断面図である。
【図１０】第２の実施形態に係る赤外線撮像素子の製造方法の断面図である。
【図１１】第２の実施形態に係る赤外線撮像素子の製造方法の断面図である。
【図１２】第２の実施形態に係る赤外線撮像素子の製造方法の断面図である。
【図１３】第２の実施形態に係る赤外線撮像素子の製造方法の断面図である。
【図１４】第２の実施形態に係る赤外線撮像素子の製造方法の断面図である。
【図１５】第３の実施形態に係る赤外線撮像素子の斜視図である。
【図１６】第３の実施形態に係る赤外線撮像素子の断面図である。
【図１７】第３の実施形態に係る赤外線撮像素子の上面図である。
【図１８】第３の実施形態に係る赤外線撮像素子の製造方法の断面図である。
【図１９】第３の実施形態に係る赤外線撮像素子の製造方法の断面図である。
【図２０】第３の実施形態に係る赤外線撮像素子の製造方法の断面図である。
【図２１】第３の実施形態に係る赤外線撮像素子の製造方法の断面図である。
【図２２】第３の実施形態に係る赤外線撮像素子の製造方法の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。
【実施例】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。なお、以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号が付してある。
【００１４】
図1は、本発明の実施の形態に係る赤外線撮像素子の斜視図である。赤外線撮像素子１は、赤外線が可視光よりも煙及び霧に対して透過性が高いという特長を有しているので、防衛分野や監視カメラや火災検知カメラのように広い分野へ応用されている。ここで、非冷却型の赤外線撮像素子１においては、１０μｍ（マイクロメートル）程度の波長の赤外線が熱に変換され、この微弱な熱により生じる温度変化が電気信号に変換される。この電気信号を読み出すことで、赤外線画像情報が得られる。このような赤外線撮像素子１として、例えば、一定の順方向電流を与えることにより温度変化を電圧変化に変換するシリコンｐｎ接合を用いた赤外線センサが挙げられる。
【００１５】
ここで、図1に示すように、赤外線検知層である感熱ダイオード２が、画素を構成する感熱セルの中心に配置されている。また、感熱ダイオード２を支持する支持脚３が感熱ダイオード２の両端に連結されている。さらに感熱ダイオード２は、支持脚３を介して、感熱ダイオード２からの信号を処理する外周部の垂直信号線４、水平信号線５へと連結されている。
【００１６】
具体的には、外周部の垂直信号線４は、それぞれ、水平方向に沿って配列した感熱ダイオード２の一端にそれぞれに接続されている。また、外周部の垂直信号線５は、垂直方向に沿って配列した感熱ダイオード２の他端に接続されている。なお、感熱ダイオード２として、ｐｎ接合を有するｐｎ接合素子が用いられている。よって、垂直信号線４は、このｐｎ接合素子の一端（アノード）に接続され、水平信号線５は、ｐｎ接合素子の他端（カソード）に接続されている。
【００１７】
また、感熱ダイオード２及び支持脚３の下部とシリコン基板７との間には、空洞部６が設けられており、感熱ダイオード２が検出した赤外線の熱成分がシリコン基板７の内部に籠らず、熱容量を小さくしている。
【００１８】
さらに、感熱ダイオード２を支持している支持脚３の内部には、その上下を層間絶縁膜９でサンドイッチされて、熱コンダクタンスの低い電気配線８が設けられている。さらに、電気配線８は、上述した層間絶縁膜９の側壁に対し、僅かに内側に後退していた構造となっている。
【００１９】
ここで、支持脚３内の電気配線８は、電気的に垂直信号線４及び水平信号線５に接続されている。また、感熱ダイオード２にはp-n接合が配置されており、順方向特性の温度依存性を利用し、電流一定の条件下で順方向電圧の変化を読み出している。
【００２０】
ここで、一般的な赤外線撮像素子の感度指標であるNETD(Noise Equivalent Temperature Difference)は、
【数１】
【００２１】
で示される。ここで、ΔTは被写体の温度変化である。つまり、信号のS/Nを向上させることで、感熱ダイオード２の高感度化が実現する。信号成分に相当するVsignalに注目すると、
【数２】
【００２２】
で示される。ここで、Pは照射赤外線エネルギー(W/m2)、Aは感熱ダイオード２の受光面積(m2)、γは感熱ダイオード２の赤外線の吸収係数、(dV/dT)は感熱ダイオード２の熱電変換効率(V/K)、Gthは支持脚３の熱伝導係数をそれぞれ示している。支持脚３の熱コンダクタンスGthは
【数３】
【００２３】
で示される。ここで、kは熱伝導係数、Sは支持脚３の断面積(m2)、Lは支持脚３の長さ(m)をそれぞれ示している。
【００２４】
従って、赤外線撮像素子１のVsignalの向上を実現するには、Gthの値を低減することが望ましい。つまり、支持脚３、特にに電気配線８の断面積低減が有効であることがわかる。
【００２５】
しかしながら、前述したように赤外線検知部である感熱ダイオード２の熱容量を低減させるため、感熱ダイオード２および支持脚３の下部はシリコン基板７から分離され、中空構造である空洞部６になっている。つまり、支持脚３は感熱ダイオード２からの熱を伝導する役割の他に、中空構造となっている感熱ダイオード２を機械的に保持する役割がある。従って支持脚３が細ることにより機械強度が低下する。即ち、熱コンダクタンス低減と機械構造としての強度はトレードオフの関係にある。
【００２６】
また、支持脚３のパターニングは、半導体のリソグラフィ技術で形成されるが、支持脚３を微細化するにあたり、プロセスのデザインルールに立則することとなる。
【００２７】
ここで、デザインルールとはLSI の最小加工長、つまりLSI 上の素子の中でもっとも小さく作られている部分の長さのことを言う。近年の微細化技術の発展により最小寸法が100nm以下の加工も可能になってきている。言い換えれば、デバイスを加工する寸法は、デザインルールで定義されたマスクの寸法で決定する。
【００２８】
従って、電気配線８を含む支持脚３の細線化は、このデザインルールに則り、最小寸法が決定される。また、このルールを微細化することでプロセスコストが高騰し、安価な製品を提供することが難しくなっている。
【００２９】
(第１の実施の形態)
本実施形態では支持脚３の厚みを制御性良く薄層化することで、支持脚３の断面積を低減させ、熱コンダクタンスを低減する構造を提供するものである。
【００３０】
図２は、第１の実施の形態に係る赤外線撮像素子の断面構造を示したものである。
【００３１】
図２に示すように、赤外線撮像素子１は、支持脚３及び感熱ダイオード２の下部とシリコン基板７の間は、中空構造となっており、空洞部６が存在する。また、シリコン基板７上には、空洞部６を介して、感熱ダイオード２、ＢＯＸ１２が設けられている。ここで、ＳＯＩ１４とは、Silicon On Insulatorを意味しており、感熱ダイオード２と後述するＳＴＩ１５を含む層のことをいう。
【００３２】
また、感熱ダイオード２は、Ｐ＋層とＮ＋層がイオン注入されており、ダイオードとして機能する。ここで、波長8〜12μmの赤外線が、感熱ダイオード２で構成された画素アレイに入射されると、上述した波長帯に吸収ピークを持つ感熱ダイオード２上の後述する層間絶縁膜１１によって赤外線が吸収され、感熱ダイオード２の温度が上昇する。よって、感熱ダイオード２は、赤外線が吸収されることによって発生する熱を、電気信号に変換している。
【００３３】
さらに、ＢＯＸ１２は、Barrier Oxideを意味しており、酸化膜のことをいう。ＢＯＸ１２は、ＳＴＩ１５及び感熱ダイオード２の下部に配置されている。
【００３４】
また、ＢＯＸ１２上には、ＳＴＩ１５が積層されている。ここで、ＳＴＩ１５は、Shallow Trench Isolationを意味し、赤外線撮像素子１の感熱ダイオード２を素子分離する役割を果たしている。
【００３５】
また、ＳＴＩ１５上には、バリア膜１６が積層されている。バリア膜１６は、SiNのような窒化物であることから、酸素エッチングした際のバリア膜として機能する。
【００３６】
ここで、バリア膜１６上には、層間絶縁膜(ＢＰＳＧ)１０が積層されている。層間絶縁膜(ＢＰＳＧ)１０には、BPSG（Boron Phosphor Silicate Glass）を用いている。BPSGは、軟化点が低いため、成長レベルで平坦化効果があり（リフロー）、特に、ゲート等段差のある部分を被服するカバレッジ性に優れ、層間絶縁膜として幅広く用いられている材料である。
【００３７】
また、図２を示すように、後述するエッチング工程によって、ＢＯＸ１２、ＳＴＩ１５、バリア膜１６と後述する層間絶縁膜(ＴＥＯＳ)１１の端部より、支持脚３が存在する方向とは逆の方向に、層間絶縁膜(ＢＰＳＧ)１０の端部がエッチングされて後退している。
【００３８】
また、層間絶縁膜(ＢＰＳＧ)１０上には、層間絶縁膜(ＴＥＯＳ)１１が複数段積層されている。ここで、層間絶縁膜(ＴＥＯＳ)１１とは、TEOS（Tetra Ethyl Ortho Silicate）を意味する。
【００３９】
さらに、感熱ダイオード２上と層間絶縁膜(ＴＥＯＳ)１１の間に、Ａｌ配線１３が設けられている。Ａｌ配線１３は、垂直方向のビアと水平方向の配線にて構成され、感熱ダイオード２で赤外線の熱から電気に変換した電気信号を、支持脚３内の電気配線８を介して、外部の垂直信号線４及び水平信号線５に送るために、感熱ダイオード２とコンタクトを形成している。
【００４０】
ここで、図１に示すように、支持脚３を構成する部位の上下層に空洞部６が設けられていることから、支持脚３の断面積の低減が図られていることが分かる。さらに、層間絶縁膜(ＢＰＳＧ)１０の端部が、支持脚３が存在する方向とは逆の方向に、エッチングされて後退していることから、従来、犠牲層の機能を果たしていた層間絶縁膜が、エッチング後も残っていることが分かる。
【００４１】
次に、第１の実施の形態に係る赤外線撮像素子の製造方法について図３〜図７を参照して説明する。
【００４２】
図３(a)では、汎用のCMOSプロセスを用い、感熱ダイオード２にPN接合が形成された後の断面形状を示している。Ｓｉ基板７上に、ＢＯＸ１２が積層されている。また、ＢＯＸ１２上には、感熱ダイオード２、ＳＯＩ１４、ＳＴＩ１５がそれぞれ形成されている。さらに、バリア膜１６が、感熱ダイオード２、ＳＯＩ１４、ＳＴＩ１５を覆うように形成されている。
【００４３】
ここで、ＳＴＩは画素、及びトランジスタの素子分離の機能を果たしているが、支持脚３を形成するパターンで形成され、支持脚３に相当する部位は、Ｓｉにて形成される。
【００４４】
次に、図３(ｂ)では、支持脚３に相当する部位のゲートを保護するＳｉＮ等のバリア膜１６の選択エッチングを行った工程を示している。図3(ｂ)に示すように、支持脚３に相当する部位以外の部分にレジスト２０を塗布し、リソグラフィ技術を用いて、レジスト２０をマスクとしたエッチングを行い、支持脚３に相当する部位のバリア膜１６を開口し、除去している。
【００４５】
次に、図３(ｃ)では、層間絶縁膜であるＢＰＳＧ２１をデポジッション(Deposition)して積層し、その表面を平坦化している。ここで、ＢＰＳＧ２１とは、BPSG（Boron Phosphor Silicate Glass）のことをいう。なお、支持脚３に相当する部位は、図３(ｂ)にてバリア膜１６がエッチングされて除去されているため、当該BPSG２１はSOI１４と界面をなしている。
【００４６】
次に、図３(ｄ)では、BPSG２１上に、第一層間絶縁膜であるTEOS２２を積層し、その表面を平坦化している。
【００４７】
次に、図３(e)では、第一層間絶縁膜であるTEOS２２の上に、レジスト２３を積層した後、リソグラフィ技術を用いて、レジスト２０をマスクとしたエッチングを行い、Ａｌ配線１３に相当する部位のＢＰＳＧ２１、ＴＥＯＳ２２、レジスト２３を除去し、開口であるコンタクト・ホール２４を形成する。
【００４８】
次に、図４(a)では、開口であるコンタクト・ホール２４に、コンタクト２５(以下、Ａｌ配線１３と同等)を埋め込んで形成する。ここで、コンタクト２５には、Ti、TiN、W等が用いられる。コンタクト２５は、SOI１４上に、不純物の注入により形成したデバイス領域に対し、その上に形成した多層配線を電気的につなぐ接続領域であり、感熱ダイオード２の上部とコンタクトを形成し、感熱ダイオード２からの電気信号を外部に伝える機能を果たす。
【００４９】
次に、図4(b)では、下部バリアメタル２６、配線２７、上部バリアメタル２８が順次積層される。ここで、下部バリアメタル２６、上部バリアメタル２８には、Ti、TiNを用いることができる。また、配線２７には、Al-Cuを用いることができる。
【００５０】
ここで、配線２７とコンタクト２５は、電気的にコンタクトしており、感熱ダイオード２からの電気信号が、配線２７を介して外部に伝達されることとなる。
【００５１】
次に、図４(c)では、上部バリアメタル２８上にレジスト２９を積層した後、リソグラフィ技術を用いて、レジスト２９をマスクとしたエッチングを行い、上部バリアメタル２８、配線２７、下部バリアメタル２６をエッチングし、除去している。なお、配線２７のエッチングは、Cl系ガス等を用いる。
【００５２】
次に、図４(d)では、レジスト２９を除去した後、再び、レジスト３０を積層している。なお、ＳＯＩ１４の上部に相当する部位の上部バリアメタル２８、配線２７、下部バリアメタル２６は、レジスト３０が積層されないよう、表面に露出している。
【００５３】
次に、図５(a)では、リソグラフィ技術を用いて、レジスト３０をマスクとしたエッチングを行い、上部バリアメタル２８をエッチングして、除去している。但し、配線２７及び下部バリアメタル２６は、エッチングされずに残っている。
【００５４】
次に、図５(b)では、リソグラフィ技術を用いて、レジスト３０をマスクとしたエッチングを行い、配線２７をエッチングして、除去している。但し、下部バリアメタル２６は、エッチングされずに残っている。
【００５５】
ここで、図５(a)〜(b)の工程を行うのは、支持脚３の配線の熱コンダクタンスを低減することを目的としているためである。(3)式にて説明したように、支持脚３の熱コンダクタンスを低減するには、熱伝導係数の低い配線材料の使用、長支持脚長化、支持脚断面積の低減が有効的である。
【００５６】
第１の実施の形態実では、電気配線８の熱伝導係数を抑制した材料により構成するために、支持脚３の配線に相当する配線２７の上部バリアメタル２８(Ti/TiN)と、その下部の配線２７を選択的にエッチングすることで、電気配線８を構成する材料を下部バリアメタル２８(Ti/TiN)のみで構成することができる。上部バリアメタル２６(Ti/TiN)の選択エッチングには、昇温したH2O2(過酸化水素水)等を用いることができる。また、配線２７の選択エッチングには、CH3COOH (硝酸)、HNO3 (酢酸)およびH3PO4(リン酸)等の混酸を用いることができる。
【００５７】
次に、図５(c)では、レジスト３０を除去した後、第二層間絶縁膜であるＴＥＯＳ３１を２層積層している。ここで、通常のLSIは、配線が垂直方向に多層で構成され、TEOSは層間絶縁膜として、一般的に使われる材料でCVDにより成膜される。
【００５８】
次に、図５(d)では、さらに、第二層間絶縁膜であるＴＥＯＳ３２を２層積層している。
【００５９】
次に、図６(a)では、リソグラフィ技術を用いて、支持脚３に相当する領域を除いた箇所に、レジスト３３を塗布する。このようにレジスト３３を塗布することにより、支持脚３に相当する領域に対するエッチングが可能となる。
【００６０】
次に、図６(b)では、リソグラフィ技術を用いて、RIEによるディープトレンチを行って、ディープトレンチ開口３４を形成している。但し、第一層間絶縁膜であるＴＥＯＳ２１上に残っている下部バリアメタル２６まではエッチングが達していない。
【００６１】
次に、図６(c)では、支持脚３に相当する下部バリアメタル２６について、RIEによるディープトレンチを行っている。但し、第一層間絶縁膜であるＴＥＯＳ２１まではエッチングが達していない。
【００６２】
次に、図７(a)では、ディープトレンチ開口３４の上部のレジスト３３を除去している。このレジスト３３を除去することにより、支持脚３に相当する領域以外の部分についてのエッチングが可能となる。
【００６３】
次に、図７(b)では、リソグラフィ技術を用いて、レジスト３３をマスクとして、RIEによるディープトレンチをさらに行なっている。これにより、ディープトレンチ開口３４が、エッチングにより、シリコン基板７にまで達している。また、エッチバックにより、ディープトレンチ開口３４の上部のＴＥＯＳ３１、３２が除去されている。
【００６４】
最後に、図７(c)では、感熱ダイオード２をシリコン基板７から分離する空洞化工程を行っている。ここでは、エッチング溶液にTMAH(Tetramethyl ammonium hydroxide)を用いる。TMAHはシリコンの異方性エッチングを行うエッチャントとして良く知られている。さらにTMAHは、TEOS等の層間絶縁膜に対し、BPSGの選択比が低く、これによりBPSGのみを選択的に除去することができる。
【００６５】
図７(c)では、図７(b)の工程で、支持脚３と支持脚３の間に貫通孔があり、この貫通穴からTMAHが進行し、その下部のシリコン基板７を逆ピラミッド状にエッチングしている。通常、TMAHはTEOS３１、２２のような酸化膜に選択比があるが、当該工程にて、層間絶縁膜であるBPSG１６が、エッチング・消失し、その端部が後退している。
【００６６】
また、当該工程によって、支持脚３の下層部のSOI１４についても、エッチングが進行するため、下部バリアメタル２６下部のBPSG２１およびSOI１４をエッチングにより消失させることができる。この工程により、感熱ダイオード２及び下部バリアメタル２６の下部とシリコン基板７の間に、空洞部３５が形成される。
【００６７】
図７(c)によって、下部バリアメタル２６及びその上下の層間絶縁膜であるＴＥＯＳ２１、２２が残り、支持脚３を形成することとなる。
【００６８】
以上、第１の実施の形態では、図３〜図７の工程を行うことで、支持脚の熱コンダクタンスを低減させる施策として、支持脚３の断面積を小さくするため、周囲の層間絶縁膜であるＴＥＯＳ２２、３１、３２に対し、支持脚３に相当する領域のみをエッチングすることにより、支持脚３を低背化することができる。
【００６９】
また、第１の実施の形態では、支持脚３上部をエッチバックし、厚みを低減することでより熱コンダクタンスを低減することができる。
【００７０】
さらに、第１の実施の形態では、支持脚３の下層部を除去することで、リソグラフィの加工限界によらず、支持脚３の断面積の低減を図ることが可能になる。
【００７１】
さらに、第１の実施の形態では、支持脚３の下層部の除去に当たっては、汎用のCMOSプロセスで形成される材料のみを使用して行うことができ、特殊な膜を用いることがなく、生産性に優れた素子の提供を図ることができる。
【００７２】
(第２の実施の形態)
また、第２の実施の形態について、以下に説明する。
【００７３】
図８は、第２の実施の形態に係る赤外線撮像素子の断面図である。
【００７４】
図８に示すように、第１の実施の形態と同様に、支持脚３及び感熱ダイオード２の下部とシリコン基板７の間は、中空構造となっており、空洞部６が存在する。また、シリコン基板７上には、空洞部６を介して、感熱ダイオード２、ＳＯＩ１４、ＢＯＸ１２が設けられている。
【００７５】
感熱ダイオード２は、Ｐ＋層とＮ―層がイオン注入されており、ダイオードとして機能する。ＢＯＸ１２は、ＳＴＩ１５及び感熱ダイオード２の下部に配置されている。
【００７６】
さらに、ＢＯＸ１２上には、ＳＴＩ１５が積層されている。また、ＳＴＩ１５上には、バリア膜１６が積層されている。バリア膜１６は、SiNのような窒化物であることから、酸素エッチングした際のバリア膜として機能する。
【００７７】
ここで、バリア膜１６上には、第１の実施形態と同様に、層間絶縁膜(ＢＰＳＧ)１０が積層されている。また、第１の実施の形態と同様に、層間絶縁膜(ＢＰＳＧ)１０の端部は、後述するエッチングプロセスによって、ＢＯＸ１２、ＳＴＩ１５、バリア膜１６と後述する層間絶縁膜(ＴＥＯＳ)１１の端部より、支持脚が存在する方向とは逆方向に、エッチングして後退している。
【００７８】
また、層間絶縁膜(ＢＰＳＧ)１０上には、層間絶縁膜(ＴＥＯＳ)１１が複数段積層されている。さらに、感熱ダイオード２上と層間絶縁膜(ＴＥＯＳ)１１の間に、Ａｌ配線１３が設けられている。
【００７９】
ここで、図８に示すように、支持脚３を構成する部位の上下層に空洞部６が設けられていることから、支持脚３の断面積の低減が図られていることが分かる。さらに、層間絶縁膜(ＢＰＳＧ)１０の端部が、支持脚が存在する方向とは逆方向に、エッチングして後退していることから、従来、犠牲層の機能を果たしていた層間絶縁膜が、エッチング後も残っていることが分かる。
【００８０】
さらに、第２の実施の形態では、支持脚３として、電気配線８及びＴＥＯＳ１１の他に、ＢＯＸ１２、ＳＴＩ１５、バリア膜１６が含まれている。これは、後述する第２の実施の形態の赤外線撮像素子の製造方法によって、バリア膜１６とＴＥＯＳ１１の間に存在していた層間絶縁膜(ＢＰＳＧ)１０がエッチングによって消失し、その下部の層であるＢＯＸ１２、ＳＴＩ１５、バリア膜１６がＴＥＯＳ１１に乾燥工程にてくっついたために、このような構成となっている。
【００８１】
次に、本発明の第２の実施の形態に係る赤外線撮像素子の製造方法について、図９〜図１４を参照して説明する。
【００８２】
図９(a)では、汎用のCMOSプロセスを用い、感熱ダイオード２にPN接合が形成された後の断面形状を示している。Ｓｉ基板７上に、ＢＯＸ１２が積層されている。また、ＢＯＸ１２上には、感熱ダイオード２、ＳＯＩ１４、ＳＴＩ１５がそれぞれ形成されている。さらに、バリア膜１６が、感熱ダイオード２、ＳＯＩ１４、ＳＴＩ１５を覆うように形成されている。ここで、第１の実施形態と異なる点は、支持脚３を形成する領域にＳＯＩ１４を形成せず、支持脚３を形成する領域全てに、ＳＴＩ１５が埋め込まれている点である。
【００８３】
次に、図９(ｂ)に示すように、バリア膜１６の全面に、層間絶縁膜であるＢＰＳＧ４１を塗布して成膜している。ここで、第２の実施形態では、第１の実施形態と異なり、BPSG４１の成膜工程にて、支持脚３に相当する領域のバリア膜１６を、リソグラフィ技術を用いて、開口していない。
【００８４】
次に、図９(ｃ)では、BPSG４１上に、第一層間絶縁膜であるTEOS４２を積層し、その表面を平坦化している。
【００８５】
次に、図９(ｄ)では、第一層間絶縁膜であるTEOS４２の上に、レジスト４３を積層した後、リソグラフィ技術を用いて、エッチングを行い、Ａｌ配線１３に相当する部位のＢＰＳＧ４１、ＴＥＯＳ４２、レジスト４３を除去し、開口であるコンタクト・ホール４４を形成している。
【００８６】
次に、図９(e)では、開口であるコンタクト・ホール４４に、コンタクト４５(以下、Ａｌ配線１３と同等)を埋め込んで形成する。ここで、コンタクト４５には、第１の実施形態と同様に、Ti、TiN、W等が用いられる。コンタクト２５は、SOI１４上に不純物インプラにより形成したデバイス領域に対し、その上に形成した多層配線を電気的につなぐ接続領域であり、感熱ダイオード２の上部とコンタクトを形成し、感熱ダイオード２からの電気信号を外部に伝える機能を果たす。
【００８７】
次に、図１０(a)では、下部バリアメタル４６、配線４７、上部バリアメタル４８が順次積層される。ここで、下部バリアメタル４６、上部バリアメタル４８には、第１の実施形態と同様に、Ti、TiNを用いることができる。また、配線４７には、第１の実施形態と同様に、Al-Cuを用いることができる。
【００８８】
次に、図１０(b)では、上部バリアメタル４８上にレジスト４９を積層した後、リソグラフィ技術を用いて、レジスト４９をマスクとしたエッチングを行い、上部バリアメタル４８、配線４７、下部バリアメタル４６をエッチングし、除去している。なお、配線４７のエッチングは、Cl系ガス等を用いる。
【００８９】
次に、図１０(c)では、レジスト４９を除去した後、再び、レジスト５０を積層している。なお、支持脚３の上部に相当する領域の上部バリアメタル４８、配線４７、下部バリアメタル４６は、レジスト５０が積層されないよう、表面に露出している。
【００９０】
次に、図１０(d)では、リソグラフィ技術を用いて、レジスト５０をマスクとしたエッチングを行い、上部バリアメタル４８をエッチングして、除去している。但し、配線４７及び下部バリアメタル４６は、エッチングされずに残っている。
【００９１】
次に、図１１(a)では、リソグラフィ技術を用いて、レジスト５０をマスクとしたエッチングを行い、配線４７をエッチングして、除去している。但し、下部バリアメタル４６は、エッチングされずに残っている。
【００９２】
ここで、図１０(c)、図１１(a)の工程を行うのは、第１の実施形態と同様に、支持脚３の配線の熱コンダクタンスを低減することを目的としているためである。(3)式にて説明したように、支持脚３の熱コンダクタンスを低減するには、熱伝導係数の低い配線材料の使用、長支持脚長化、支持脚断面積の低減が有効的である。
【００９３】
第２の実施の形態では、電気配線８の熱伝導係数を抑制した材料により構成するために、支持脚３の配線に相当する配線４７の上部バリアメタル４８(Ti/TiN)と、その下部の配線４７を選択的にエッチングすることで、電気配線８を構成する材料を下部バリアメタル４８(Ti/TiN)のみで構成することができる。上部バリアメタル４６(Ti/TiN)の選択エッチングには、昇温したH2O2(過酸化水素水)等を用いることができる。また、配線４７の選択エッチングには、CH3COOH (硝酸)、HNO3 (酢酸)およびH3PO4(リン酸)の混酸を用いることができる。
【００９４】
次に、図１１(b)では、レジスト５０を除去した後、第二層間絶縁膜であるＴＥＯＳ５１を２層積層している。
【００９５】
次に、図１１(c)では、さらに、第二層間絶縁膜であるＴＥＯＳ５２を２層積層している。
【００９６】
次に、図１２(a)では、リソグラフィ技術を用いて、支持脚３に相当する領域を除いた箇所に、レジスト５３を塗布する。このようにレジスト５３を塗布することにより、支持脚３に相当する領域に対するエッチングが可能となる。
【００９７】
次に、図１２(b)では、リソグラフィ技術を用いて、RIEによるディープトレンチを行って、ディープトレンチ開口５４を形成している。但し、第一層間絶縁膜であるＴＥＯＳ４２上に残っている下部バリアメタル４６まではエッチングが達していない。
【００９８】
次に、図１２(c)では、支持脚３に相当する下部バリアメタル４６について、RIEによるディープトレンチを行っている。但し、第一層間絶縁膜であるＴＥＯＳ４２まではエッチングが達していない。
【００９９】
次に、図１３(a)では、ディープトレンチ開口５４の上部のレジスト５３を除去している。このレジスト５３を除去することにより、支持脚３に相当する領域以外の部分についてのエッチングが可能となる。
【０１００】
次に、図１３(b)では、リソグラフィ技術を用いて、レジスト５３をマスクとして、RIEによるディープトレンチをさらに行なっている。これにより、ディープトレンチ開口５４が、エッチングにより、シリコン基板７にまで達している。また、エッチバックにより、ディープトレンチ開口５４の上部のＴＥＯＳ５２、５１が除去されている。
【０１０１】
次に、図１３(c)では、感熱ダイオード２をシリコン基板７から分離する空洞化工程を行っている。ここでは、第１の実施の形態と同様に、エッチング溶液にTMAHを用いる。TMAHはシリコンの異方性エッチングを行うエッチャントとして良く知られているが、BPSGについてもエッチングされることが知られている。
【０１０２】
図１３(c)では、図１３(b)の工程で、支持脚３と支持脚３の間に貫通孔があり、この貫通穴からTMAHが進行し、その下部のシリコン基板７を逆ピラミッド状にエッチングしている。通常、TMAHはTEOS５１、４２のような酸化膜に選択比があるが、当該工程にて、層間絶縁膜であるBPSG４１が、エッチング・消失し、その端部が内部に後退している。
【０１０３】
また、第２の実施の形態では、当該工程によって、支持脚３を構成するＴＥＯＳ５１、下部バリアメタル４６、ＴＥＯＳ４２の下部の層であるＢＰＳＧ４１がエッチングにより消失するため、支持脚３を構成するＴＥＯＳ４２と、バリア膜１６との間に空洞部５５が形成されることとなる。さらに、当該工程により、感熱ダイオード２及び下部バリアメタル４６の下部とシリコン基板７の間に、空洞部５６が形成される。
【０１０４】
最後に、図１４(a)では、素子の乾燥工程において、支持脚３の応力により、バリア膜１６及びＳＴＩ１５が、第一層間絶縁膜であるＴＥＯＳ４２に引き付けられて、ＴＥＯＳ４２とバリア膜１６とが結合する。この乾燥工程によって、図１３(c)の工程にて存在していた空洞部５５がなくなっている。
【０１０５】
図１４(a)によって、下部バリアメタル４６及びその上下の層間絶縁膜であるＴＥＯＳ５１、４２、結合されたバリア膜１６、ＳＴＩ１５が残り、それぞれが支持脚３を形成することとなる。
【０１０６】
以上、第２の実施の形態では、図９〜図１４の工程を行うことで、支持脚３の熱コンダクタンスを低減させる施策として、支持脚３の断面積を小さくするため、周囲の層間絶縁膜であるＴＥＯＳ４２、５１、５２に対し、支持脚３に相当する領域のみをエッチングすることにより、支持脚３を低背化することができる。
【０１０７】
また、第２の実施の形態では、支持脚３上部をエッチバックし、厚みを低減することでより熱コンダクタンスを低減することができる。
【０１０８】
さらに、第２の実施の形態では、支持脚３の下層部の除去に当たっては、汎用のCMOSプロセスで形成される材料のみを使用して行うことができ、特殊な膜を用いることがなく、生産性に優れた素子の提供を図ることができる。
【０１０９】
さらに、第２の実施の形態では、予めＢＰＳＧ４１が形成された層に相当する断面積がエッチングにて消失することから、支持脚３の厚み成分が抑制され、支持脚３の断面積が低減され、結果として熱コンダクタンスの低減を実現することができる。
【０１１０】
(第３の実施の形態)
さらに、第３の実施の形態について、以下に説明する。
【０１１１】
図１５は、第３の実施の形態に係る赤外線撮像素子の斜視図、図１６は、第３の実施の形態に係る赤外線撮像素子の断面図、図１７は、第３の実施の形態に係る赤外線撮像素子の上面図である。
【０１１２】
図１５に示すように、第３の実施の形態では、感熱ダイオード２の端部から伸びている支持脚３は、感熱ダイオード２に連結している第１の配線層６１と、第１の配線層６１の垂直方向の上部に存在する第２の配線層６２と、第１の配線層６１と第２の配線層６２とを接合する配線連結部６３から構成されている。
【０１１３】
つまり、第３の実施の形態では、感熱ダイオード２を支持する支持脚３が、垂直方向に対し、第１の配線層６１、第２の配線層６２の２層で構成されている。ここで、(3)式で示したように、支持脚３の熱コンダクタンスは、支持脚３の長さが長くなることで低減を図ることができる。支持脚３の配線長を長くすれば感度の向上が望めるが、これを第１、２の実施の形態のように２次元方向で実現した場合、互いに隣接する感熱ダイオード２のセルピッチが広くなり、結果としてチップ面積の増大、すなわちチップコストの増大に繋がる。しかしながら、第３の実施の形態に示すように、支持脚３を垂直方向に伸ばすことにより、セルピッチを変化させること無く、支持脚３の配線長を長くとることが可能になる。
【０１１４】
また、配線連結部６３は、エッチング前の層間絶縁膜(ＢＰＳＧ)１０であり、後述するエッチング工程により、層間絶縁膜(ＢＰＳＧ)１０が全てエッチングされず、配線連結部６３として機能する部分は、残っている。
【０１１５】
第２の配線層６２は、外部の信号線に連結され、感熱ダイオード２の電気信号を外部の信号に伝達する。
【０１１６】
ここで、配線接続部６４は、第１の配線層６１及び第２の配線層６２にそれぞれ設けられており、配線連結部６３よりも大きな面積を有している。これは、後述するエッチング工程において、層間絶縁膜(ＢＰＳＧ)１０をエッチングした際に、第１の配線層６１と第２の配線層６２を繋ぐ配線連結部６３を構成する層間絶縁膜(ＢＰＳＧ)１０が消失するのを防ぐためである。
【０１１７】
ここで、図１６に示している本発明の第３の実施の形態に係る赤外線撮像素子の断面図を用いて、詳細を説明する。
【０１１８】
図１６に示すように、第３の実施の形態は、第１の実施の形態と同様に、支持脚３及び感熱ダイオード２の下部とシリコン基板７の間は、中空構造となっており、空洞部６が存在する。また、シリコン基板７上には、空洞部６を介して、感熱ダイオード２、ＳＯＩ１４、ＢＯＸ１２が設けられている。
【０１１９】
感熱ダイオード２は、Ｐ＋層とＮ―層がイオン注入されており、ダイオードとして機能する。ＢＯＸ１２は、ＳＴＩ１５及び感熱ダイオード２の下部に配置されている。
【０１２０】
さらに、ＢＯＸ１２上には、ＳＴＩ１５が積層されている。また、ＳＴＩ１５上には、バリア膜１６が積層されている。バリア膜１６は、SiNのような窒化物であることから、酸素エッチングした際のバリア膜として機能する。
【０１２１】
ここで、バリア膜１６上には、第１の実施形態と同様に、層間絶縁膜(ＢＰＳＧ)１０が積層されている。また、第１の実施形態と同様に、層間絶縁膜(ＢＰＳＧ)１０の端部は、後述するエッチングプロセスによって、ＢＯＸ１２、ＳＴＩ１５、バリア膜１６と後述する層間絶縁膜(ＴＥＯＳ)１１の端部より、支持脚３が存在する方向とは逆の方向に、エッチングされて後退している。
【０１２２】
また、層間絶縁膜(ＢＰＳＧ)１０上には、層間絶縁膜(ＴＥＯＳ)１１が複数段積層されている。さらに、感熱ダイオード２上と層間絶縁膜(ＴＥＯＳ)１１の間に、Ａｌ配線１３が設けられている。
【０１２３】
ここで、図１６に示すように、支持脚３を構成する部位の上下層に空洞部６が設けられていることから、支持脚３の断面積の低減が図られていることが分かる。さらに、層間絶縁膜(ＢＰＳＧ)１０の端部が、支持脚３が存在する方向とは逆方向に、エッチングして後退していることから、従来、犠牲層の機能を果たしていた層間絶縁膜が、エッチング後も残っていることが分かる。
【０１２４】
さらに、第３の実施の形態では、支持脚３は、図１５にて説明したように、ＴＥＯＳ１１と電気配線８を有する第２の配線層６２と、ＳＴＩ１５とＢＯＸ１２とバリア膜１６とＰｏｌｙ−Ｓｉ配線７１を有する第１の配線層６２を備えている。Ｐｏｌｙ−Ｓｉ配線７１は、感熱ダイオード２からの電気信号を、配線接続部６３を介して、第２の配線層６２内の電気配線８に伝達する機能を果たしている。この接続関係により、感熱ダイオード２からの電気信号が、第１の配線層６１内のＰｏｌｙ−Ｓｉ配線７１を伝達し、配線接続部６３を介して、第２の配線層６２内の支持脚内配線電気配線８に伝達され、外部の信号線に出力されることとなる。
【０１２５】
さらに、図１７に示している本発明の第３の実施の形態に係る赤外線撮像素子の平面図を用いて、詳細に説明する。
【０１２６】
さらに、図１７に示すように、感熱ダイオード２の電気信号は、第１の配線層６１を介して、配線接続部６４にて配線接続部６３を介して第２の配線層６２に接続されている。また、第２の配線層６２は、それぞれ、垂直信号線４又は水平信号線５に接続されている。このような構成によって、感熱ダイオード２の電気信号は、外部の垂直信号線４、及び水平信号線５に伝達される。
【０１２７】
次に、本発明の第３の実施の形態に係る赤外線撮像素子の製造方法について図１８〜図２２を参照して説明する。
【０１２８】
図１８(a)では、汎用のCMOSプロセスを用い、感熱ダイオード２にPN接合が形成された後の断面形状を示している。Ｓｉ基板７上に、ＢＯＸ１２が積層されている。また、ＢＯＸ１２上には、感熱ダイオード２、ＳＯＩ１４、ＳＴＩ１５がそれぞれ形成されている。さらに、バリア膜１６が、感熱ダイオード２、ＳＯＩ１４、ＳＴＩ１５を覆うように形成されている。ここで、第２の実施の形態と異なる点は、支持脚３に相当する領域に、Ｐｏｌｙ−Ｓｉ７２を埋め込んでいる点である。
【０１２９】
次に、図１８(ｂ)に示すように、バリア膜１６の全面に、層間絶縁膜であるＢＰＳＧ７３を塗布して成膜している。ここで、第３の実施形態では、第２の実施形態と異なり、BPSG７３の成膜工程にて、支持脚３に相当する領域のＰｏｌｙ−Ｓｉ７２とＢＰＳＧ７３が介面を形成している。
【０１３０】
次に、図１８(ｃ)では、BPSG７３上に、第一層間絶縁膜であるTEOS７４を積層し、その表面を平坦化している。
【０１３１】
次に、図１８(ｄ)では、第一層間絶縁膜であるTEOS７４の上に、レジスト７５を積層した後、リソグラフィ技術を用いて、エッチングを行い、Ａｌ配線１３に相当する部位のＢＰＳＧ７３、ＴＥＯＳ７４、レジスト７５を除去し、開口であるコンタクト・ホール７６を形成している。
【０１３２】
次に、図１８(e)では、開口であるコンタクト・ホール７６に、コンタクト７７（以下、Ａｌ配線１３と同等）を埋め込んで形成する。ここで、コンタクト７７には、第１の実施形態と同様に、Ti、TiN、W等が用いられる。コンタクト７７は、SOI１４上に不純物インプラにより形成したデバイス領域に対し、その上に形成した多層配線を電気的につなぐ接続領域であり、感熱ダイオード２の上部とコンタクトを形成し、感熱ダイオード２からの電気信号を外部に伝える機能を果たす。
【０１３３】
次に、図１９(a)では、下部バリアメタル７８、配線７９、上部バリアメタル８０が順次積層される。ここで、下部バリアメタル７８、上部バリアメタル７９には、第１の実施形態と同様に、Ti、TiNを用いることができる。また、配線７８には、第１の実施形態と同様に、Al-Cuを用いることができる。
【０１３４】
次に、図１９(b)では、上部バリアメタル８０上にレジスト８１を積層した後、リソグラフィ技術を用いて、レジスト８１をマスクとしたエッチングを行い、上部バリアメタル８０、配線７９、下部バリアメタル７８をエッチングし、除去している。なお、配線７９のエッチングは、Cl系ガス等を用いる。
【０１３５】
次に、図１９(c)では、レジスト８１を除去した後、再び、レジスト８２を積層している。なお、支持脚３の上部に相当する領域の上部バリアメタル８０、配線７９、下部バリアメタル７８は、レジスト８２が積層されないよう、表面に露出している。
【０１３６】
次に、図１９(d)では、リソグラフィ技術を用いて、レジスト８２をマスクとしたエッチングを行い、上部バリアメタル８０をエッチングして、除去している。但し、配線７９及び下部バリアメタル７８は、エッチングされずに残っている。
【０１３７】
次に、図２０(a)では、リソグラフィ技術を用いて、レジスト８２をマスクとしたエッチングを行い、配線７９をエッチングして、除去している。但し、下部バリアメタル７８は、エッチングされずに残っている。
【０１３８】
ここで、図１９(d)、図２０(a)の工程を行うのは、第１の実施の形態と同様に、支持脚３の配線の熱コンダクタンスを低減することを目的としているためである。(3)式にて説明したように、支持脚３の熱コンダクタンスを低減するには、熱伝導係数の低い配線材料の使用、長支持脚長化、支持脚断面積の低減が有効的である。
【０１３９】
第３の実施の形態では、第１の実施の形態と同様に、電気配線８の熱伝導係数を抑制した材料により構成するために、支持脚３の配線に相当する配線７９の上部バリアメタル８０(Ti/TiN)と、その下部の配線７９を選択的にエッチングすることで、電気配線８を構成する材料を下部バリアメタル７８(Ti/TiN)のみで構成することができる。第１の実施の形態と同様に、上部バリアメタル８０(Ti/TiN)の選択エッチングには、昇温したH2O2(過酸化水素水)等を用いることができる。また、配線７９の選択エッチングには、CH3COOH (硝酸)、HNO3 (酢酸)およびH3PO4(リン酸)の混酸を用いることができる。
【０１４０】
次に、図２０(b)では、レジスト８２を除去した後、第二層間絶縁膜であるＴＥＯＳ８３を２層積層している。
【０１４１】
次に、図２０(c)では、さらに、第二層間絶縁膜であるＴＥＯＳ８４を２層積層している。
【０１４２】
次に、図２１(a)では、リソグラフィ技術を用いて、支持脚３に相当する領域を除いた箇所に、レジスト８５を塗布する。このようにレジスト８５を塗布することにより、支持脚３に相当する領域に対するエッチングが可能となる。
【０１４３】
次に、図２１(b)では、リソグラフィ技術を用いて、RIEによるディープトレンチを行って、ディープトレンチ開口８６を形成している。但し、第一層間絶縁膜であるＴＥＯＳ７４上に残っている下部バリアメタル７８まではエッチングが達していない。
【０１４４】
次に、図２１(c)では、支持脚３に相当する下部バリアメタル７８について、RIEによるディープトレンチを行っている。但し、第一層間絶縁膜であるＴＥＯＳ７４まではエッチングが達していない。
【０１４５】
次に、図２２(a)では、ディープトレンチ開口８６の上部のレジスト８５を除去している。このレジスト８５を除去することにより、支持脚３に相当する領域以外の部分についてのエッチングが可能となる。
【０１４６】
次に、図２２(b)では、リソグラフィ技術を用いて、レジスト８５をマスクとして、RIEによるディープトレンチをさらに行なっている。これにより、ディープトレンチ開口８６が、エッチングにより、シリコン基板７にまで達している。また、エッチバックにより、ディープトレンチ開口８６の上部のＴＥＯＳ８３、８４が除去されている。
【０１４７】
次に、図２２(c)では、感熱ダイオード２をシリコン基板７から分離する空洞化工程を行っている。ここでは、第１の実施の形態と同様に、エッチング溶液にTMAHを用いる。TMAHはシリコンの異方性エッチングを行うエッチャントとして良く知られているが、BPSGについてもエッチングされることが知られている。
【０１４８】
図２２(c)では、図２２(b)の工程で、支持脚３と支持脚３の間に貫通孔があり、この貫通穴からTMAHが進行し、その下部のシリコン基板７を逆ピラミッド状にエッチングしている。通常、TMAHはTEOS８３、７４のような酸化膜に選択比があるが、当該工程にて、層間絶縁膜であるBPSG７３が、エッチング・消失し、その端部が内部に後退している。
【０１４９】
また、第３の実施の形態では、当該工程によって、第２の配線層６２のＴＥＯＳ８３、下部バリアメタル７８、ＴＥＯＳ７４の下部の層であるＢＰＳＧ７３がエッチングにより消失するため、第２の配線層６２を構成するＴＥＯＳ７４と、第１の配線層６１を構成するバリア膜１６との間に空洞部８７が形成されることとなる。さらに、当該工程により、感熱ダイオード２及び下部バリアメタル４６の下部とシリコン基板７の間に、空洞部８８が形成される。
【０１５０】
また、第３の実施の形態では、第１の配線層６１と第２の配線層６２を結合させる配線連結部６３は、第１の配線層６１と第２の配線層６２がそれぞれ備えている配線接合部６４がある程度の大きさを有しているため、図２２(c)の工程によって、配線接合部６４の間のＢＰＳＧ７３は全て消失することなく、一部残っている。よって、配線連結部６３は、当該工程に残ったＢＰＳＧ７３にて構成され、第１の配線層６１と第２の配線層６２を結合することとなる。
【０１５１】
以上、第３の実施の形態では、図１８〜図２２の工程を行うことで、支持脚３の熱コンダクタンスを低減させる施策として、支持脚３の断面積を小さくするため、周囲の層間絶縁膜であるＴＥＯＳ７４、８３、８４に対し、支持脚３に相当する領域のみをエッチングすることにより、支持脚３を低背化することができる。
【０１５２】
また、第３の実施の形態では、支持脚３上部をエッチバックし、厚みを低減することでより熱コンダクタンスを低減することができる。
【０１５３】
さらに、第３の実施の形態では、支持脚３の下層部の除去に当たっては、汎用のCMOSプロセスで形成される材料のみを使用して行うことができ、特殊な膜を用いることがなく、生産性に優れた素子の提供を図ることができる。
【０１５４】
さらに、第３の実施の形態では、感熱ダイオード２を支持する支持脚３が、垂直方向に対し、第１の配線層６１、第２の配線層６２の２層で構成されているため、支持脚３を垂直方向に伸ばすことにより、セルピッチを変化させること無く、支持脚３の配線長を長くとることが可能になる。
【０１５５】
以上説明したように、本発明の実施の形態に係る赤外線撮像素子およびその製造方法においては、マスクの精度に依存しないで、より小さいサイズにて、微細な支持脚配線幅を実現しながら、機械強度を保持した高感度な素子の提供が可能になる。
【０１５６】
なお、本発明は、上記した各実施の形態には限定されず、種々変形して実施できることは言うまでもない。
【０１５７】
要するに、本発明は上記各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記各実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより、種々の形態を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を省略してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【０１５８】
１…赤外線撮像素子
２…感熱ダイオード
３…支持脚
４…垂直信号線
５…水平信号線
６…空洞部
７…シリコン基板
８…電気配線
９…層間絶縁膜
１０…層間絶縁膜(ＢＰＳＧ)
１１…層間絶縁膜(ＴＥＯＳ)
１２…ＢＯＸ
１３…Ａｌ配線
１４…ＳＯＩ
１５…ＳＴＩ
１６…バリア膜
２０…レジスト
２１…ＢＰＳＧ
２２…ＴＥＯＳ
２３…レジスト
２４…コンタクト・ホール
２５…コンタクト
２６…下部バリアメタル
２７…配線
２８…上部バリアメタル
２９…レジスト
３０…レジスト
３１…ＴＥＯＳ
３２…ＴＥＯＳ
３３…レジスト
３４…ディープトレンチ開口
３５…空洞部
４１…ＢＰＳＧ
４２…ＴＥＯＳ
４３…レジスト
４４…コンタクト・ホール
４５…コンタクト
４６…下部バリアメタル
４７…配線
４８…上部バリアメタル
４９…レジスト
５０…レジスト
５１…ＴＥＯＳ
５２…ＴＥＯＳ
５３…レジスト
５４…ディープトレンチ開口
５５…空洞部
６１…第１の配線層
６２…第２の配線層
６３…配線連結部
６４…配線接続部
７１…Ｐｏｌｙ−Ｓｉ配線
７２…Ｐｏｌｙ−Ｓｉ
７３…ＢＰＳＧ
７４…ＴＥＯＳ
７５…レジスト
７６…コンタクト・ホール
７７…コンタクト
７８…下部バリアメタル
７９…配線
８０…上部バリアメタル
８１…レジスト
８２…レジスト
８３…ＴＥＯＳ
８４…ＴＥＯＳ
８５…レジスト
８６…ディープトレンチ開口
８７…空洞部
８８…空洞部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板から離間して設けられ、赤外線を検出して熱に変換する感熱ダイオードと、前記感熱ダイオードの間を分離しているＳＴＩと、を有するＳＯＩと、
前記ＳＯＩ上に積層された層間絶縁膜と、
前記感熱ダイオードと前記感熱ダイオードの外周部に設けられた垂直信号線に接続され、前記垂直信号線に信号を伝達する配線部と前記配線部を挟み込む層間絶縁膜と、を有するとともに、前記層間絶縁膜の底辺のいずれもが前記ＳＯＩよりも上部に位置している支持脚と、
を具備することを特徴とする赤外線撮像素子。
【請求項２】
基板から離間して設けられ、赤外線を検出して熱に変換する感熱ダイオードと、前記感熱ダイオードの間を分離しているＳＴＩと、を有するＳＯＩと、
前記ＳＯＩ上に積層されたＢＰＳＧと、
前記ＢＰＳＧ上に積層された層間絶縁膜と、
前記感熱ダイオードと前記感熱ダイオードの外周部に設けられた垂直信号線に接続され、前記垂直信号線に信号を伝達する配線部と前記配線部を挟み込む層間絶縁膜と、を有する支持脚と、を備えた赤外線撮像素子であって、
前記ＢＰＳＧの端部は、前記支持脚の前記層間絶縁膜の端部より、前記支持脚が存在する方向とは逆方向に後退している
ことを具備することを特徴とする赤外線撮像素子。
【請求項３】
前記支持脚は、酸化膜であるＢＯＸと、前記感熱ダイオードの間を分離しているＳＴＩと、窒化膜であるバリア膜と、をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の赤外線撮像素子。
【請求項４】
前記支持脚は、
窒化膜であるバリア膜と、前記バリア膜内に設けられた第１の配線と、前記ＳＴＩと、酸化膜であるＢＯＸと、を有する第１の配線層と、
前記第１の配線層の上部に位置し、前記層間絶縁膜と、前記信号線に信号を伝達する第２の配線と、を有する第２の配線層と、
前記第１の配線層の前記第１の配線と、前記第２の配線層の前記第２の配線と、を結合する配線連結部と、
を具備することを請求項１又は２記載の赤外線撮像素子。
【請求項５】
基板上に、赤外線を検出して熱に変換する感熱ダイオードと、酸化膜であるＢＯＸと、前記感熱ダイオードの間を分離しているＳＴＩと、窒化膜であるバリア膜と、を有するＳＯＩ上に、ＢＰＳＧを積層する工程と、
前記ＢＰＳＧ上に、層間絶縁膜を積層する工程と、
前記層間絶縁膜と前記ＢＰＳＧと前記ＳＯＩをエッチングし、支持脚を形成する工程と、
前記基板を異方性エッチングして空洞部を形成する工程と、
を具備することを特徴とする赤外線撮像素子の製造方法。
【請求項１】
基板から離間して設けられ、赤外線を検出して熱に変換する感熱ダイオードと、前記感熱ダイオードの間を分離しているＳＴＩと、を有するＳＯＩと、
前記ＳＯＩ上に積層された層間絶縁膜と、
前記感熱ダイオードと前記感熱ダイオードの外周部に設けられた垂直信号線に接続され、前記垂直信号線に信号を伝達する配線部と前記配線部を挟み込む層間絶縁膜と、を有するとともに、前記層間絶縁膜の底辺のいずれもが前記ＳＯＩよりも上部に位置している支持脚と、
を具備することを特徴とする赤外線撮像素子。
【請求項２】
基板から離間して設けられ、赤外線を検出して熱に変換する感熱ダイオードと、前記感熱ダイオードの間を分離しているＳＴＩと、を有するＳＯＩと、
前記ＳＯＩ上に積層されたＢＰＳＧと、
前記ＢＰＳＧ上に積層された層間絶縁膜と、
前記感熱ダイオードと前記感熱ダイオードの外周部に設けられた垂直信号線に接続され、前記垂直信号線に信号を伝達する配線部と前記配線部を挟み込む層間絶縁膜と、を有する支持脚と、を備えた赤外線撮像素子であって、
前記ＢＰＳＧの端部は、前記支持脚の前記層間絶縁膜の端部より、前記支持脚が存在する方向とは逆方向に後退している
ことを具備することを特徴とする赤外線撮像素子。
【請求項３】
前記支持脚は、酸化膜であるＢＯＸと、前記感熱ダイオードの間を分離しているＳＴＩと、窒化膜であるバリア膜と、をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の赤外線撮像素子。
【請求項４】
前記支持脚は、
窒化膜であるバリア膜と、前記バリア膜内に設けられた第１の配線と、前記ＳＴＩと、酸化膜であるＢＯＸと、を有する第１の配線層と、
前記第１の配線層の上部に位置し、前記層間絶縁膜と、前記信号線に信号を伝達する第２の配線と、を有する第２の配線層と、
前記第１の配線層の前記第１の配線と、前記第２の配線層の前記第２の配線と、を結合する配線連結部と、
を具備することを請求項１又は２記載の赤外線撮像素子。
【請求項５】
基板上に、赤外線を検出して熱に変換する感熱ダイオードと、酸化膜であるＢＯＸと、前記感熱ダイオードの間を分離しているＳＴＩと、窒化膜であるバリア膜と、を有するＳＯＩ上に、ＢＰＳＧを積層する工程と、
前記ＢＰＳＧ上に、層間絶縁膜を積層する工程と、
前記層間絶縁膜と前記ＢＰＳＧと前記ＳＯＩをエッチングし、支持脚を形成する工程と、
前記基板を異方性エッチングして空洞部を形成する工程と、
を具備することを特徴とする赤外線撮像素子の製造方法。
【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２１】
【図２２】
【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２１】
【図２２】
【公開番号】特開２０１１−２１５０３２（Ｐ２０１１−２１５０３２Ａ）
【公開日】平成２３年１０月２７日（２０１１．１０．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−８４３２７（Ｐ２０１０−８４３２７）
【出願日】平成２２年３月３１日（２０１０．３．３１）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月２７日（２０１１．１０．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月３１日（２０１０．３．３１）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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