赤外線検出素子
【課題】赤外線センサ感度を低下させることなく、熱容量を低減し、信頼性が高く低コストとすることができる赤外線センサ素子を提供することである。
【解決手段】実施形態の赤外線検出素子によれば、感熱吸収体層に上部が広がった形状の貫通孔を形成することにより、感熱ユニットの熱容量を低減し、赤外線吸収量の低下を防止することができる。
【解決手段】実施形態の赤外線検出素子によれば、感熱吸収体層に上部が広がった形状の貫通孔を形成することにより、感熱ユニットの熱容量を低減し、赤外線吸収量の低下を防止することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、赤外線検出素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
非冷却型（熱型）赤外線センサは、赤外線吸収層によって赤外線を吸収して熱に変換し、熱電変換素子によって熱を電気信号に変換する素子である。非冷却型赤外線センサでは、赤外線吸収層及び熱電変換素子を外系と熱的に隔離するように、表面微細構造またはバルク微細構造形成技術が活用される。冷却型（量子型）赤外線センサが効果で大きな冷却器を必要とするのに対し、非冷却型赤外線センサは小型で安価というメリットがある。
【０００３】
この非冷却型赤外線センサの一画素あたりの感度は、単位面積当たりの入射赤外線パワーをIlight、検出セルの赤外線吸収率をγ、単位画素当たりの赤外線吸収面積をAD、検出セルから半導体基板への熱コンダクタンスをGth、ｐｎ接合の熱電変換係数をdV/dTとすると、熱電変換部の出力信号Vsignalは（１）式で表される。
【０００４】
Vsignal = (IlightADγ/Gth）(dV/dT) ・・・（１）
また、赤外線センサ素子の応答特性は検出セルの熱容量Ｃthと熱コンダクタンスGthを用いると（２）式で表される。
【０００５】
τ = Ｃth / Gth ・・・（２）
（２）式において、τは熱時定数であり、入射信号に対する出力信号変化が最大値の約63%に変化するまでの時間を意味し、応答特性を指標となるものである。
【０００６】
赤外線センサ感度を向上させるためには、（１）式より赤外線吸収面積ADや赤外線吸収率γ、ｐｎ接合の熱電変換係数dV/dTの向上、または熱コンダクタンスGthを低減させれば良い。
【０００７】
しかしながら、ｐｎ接合の熱電変換係数dV/dTはダイオードの個数に比例するものの、個数増加はすなわち駆動電力の増加を意味し、消費電力が増えてしまう。また、ダイオード単体のdV/dT特性は半導体のバンドギャップエネルギーで決定されるため、大幅な増加は期待できない。熱コンダクタンスGthを低減させると、感度は向上するものの、熱時定数が悪化し、応答性低下する。赤外線吸収面積ADの増加も、増加分だけ画素ピッチサイズを増加させてしまい、且つ熱容量増加により応答性が低下する。赤外線吸収率γは単層の場合、吸収率は厚みに対して指数関数的に増加するため、所望の吸収率を得ようとすると、結果的に熱容量が増加し、応答性が低下する。つまり、感度と応答性はトレードオフの関係にあるため、どちらかを特性向上を優先した場合、他方は特性劣化が免れない状況にある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００１−１５６２７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
発明が解決しようとする課題は、赤外線センサ感度を低下させることなく、熱容量を低減し、信頼性が高く低コストとすることができる赤外線センサ素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を達成するために、実施形態の赤外線検出素子は、表面に空洞部が設けられた半導体基板を備える。また、この半導体基板の空洞部を囲む領域に形成された信号配線部を備える。また、この信号配線部に接続され、この信号配線部より内側であってこの半導体基板の空洞部よりも上側に配置された支持部を備える。また、この支持部に接続され、この支持部よりも内側であってこの半導体基板の空洞部よりも上側に支持され、熱電変換部と、吸収層と、が順次積層されている検出セルを備える。また、前記吸収層に、上部が広がった形状である複数の孔を設けている。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施形態に係る赤外線検出素子を示す平面図。
【図２】図１のA−A’線断面図。
【図３】図１のB−B’線断面図。
【図４】図２、図３のC−C’線断面図。
【図５】第１の実施形態に係る赤外線検出素子の断面図。
【図６】第１の実施形態に係る赤外線検出素子の断面図。
【図７】第１の実施形態に係る赤外線検出素子の断面図。
【図８】第１の実施形態に係る赤外線検出素子の平面図。
【図９】第１の実施形態に係る赤外線検出素子の平面図。
【図１０】第１の実施形態に係る赤外線検出素子の平面図。
【図１１】第１の実施形態に係る赤外線検出素子の断面図。
【図１２】第１の実施形態に係る赤外線検出素子の赤外線センサ支持部の断面図。
【図１３】第１の実施形態に係る赤外線検出素子の赤外線センサ支持部の断面図。
【図１４】第１の実施形態に係る赤外線検出素子の赤外線センサ支持部の断面図。
【図１５】第１の実施形態に係る赤外線検出素子の赤外線センサ支持部の断面図。
【図１６】第１の実施形態に係る赤外線検出素子の特性を示すグラフ。
【図１７】第１の実施形態に係る赤外線検出素子の特性を示すグラフ。
【図１８】第２の実施形態に係る赤外線検出素子を示す平面図。
【図１９】図１８のA−A’線断面図。
【図２０】第２の実施形態に係る赤外線検出素子の赤外線センサ支持部の断面図。
【図２１】第２の実施形態に係る赤外線検出素子の赤外線センサ支持部の断面図。
【図２２】第２の実施形態に係る赤外線検出素子の赤外線センサ支持部の断面図。
【図２３】第３の実施形態に係る赤外線検出素子を示す平面図。
【図２４】図２３のA−A’線断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、発明を実施するための形態について、説明する。
【実施例】
【００１３】
(第１の実施の形態)
以下、第１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、第１の実施形態に係る赤外線検出素子の平面図である。図２は、図１のＡ−Ａ’線断面図である。図３は、図１のＢ−Ｂ’線断面図である。
【００１５】
第１の実施形態に係る赤外線検出素子は、後述するように、それぞれが赤外線を吸収して熱に変換する赤外線吸収層である保護絶縁膜８と、当該熱を電気信号に変換する熱電変換部１０と、を有する検出セル１をマトリックス状に多数配置した検出器アレイとして構成している。また、図１に示すように、検出セル１は、ほぼ一定間隔で水平方向に配列した水平アドレス線３ａと、同様にほぼ垂直方向に配列した垂直信号線３ｂに囲まれた領域内に配置されている。また、検出セル１は、１対の支持部２を介して水平アドレス線３ａおよび垂直信号線３ｂに接続している。１対の支持部２は、後述するように、検出セル１を中空に保持する機能も持っている。
【００１６】
さらに、図１では、支持部２の一端が水平アドレス線３ａまたは垂直信号線３ｂと接続されている。ここで、水平アドレス線３ａまたは垂直信号線３ｂにて、信号配線部３が形成されている。また、支持部２の他端が検出セル１と接続しており、検出セル１は支持部２のみによって支えられ中空に浮いた状態となる。さらに、検出セル１には、四角形の検出セル貫通孔１２が規則的に配置されている。
【００１７】
次に、第１の実施形態の赤外線検出素子の全体構成を図２、図３を用いて説明する。
【００１８】
図２に示すように、半導体基板４の表面には空洞部７が設けられている。また、半導体基板４の空洞部７を囲む領域には、信号配線部３とその周囲を被覆する絶縁材料からなる保護絶縁膜８を含む水平アドレス線/垂直信号線が形成されている。ここで、保護絶縁膜８は、赤外線を吸収する吸収層の役割を果たしている。図２、図３では垂直信号線３ｂで示しているが、Ａ−Ａ’線に垂直な断面では信号線は水平アドレス線３ａとなる。
【００１９】
また、この水平アドレス線３ａまたは垂直信号線３ｂには、信号線より内側で半導体基板４の空洞部７上に配置されるように、支持配線部２０とその周囲を被服する絶縁材料からなる保護絶縁膜８を含む支持部２が接続されている。
【００２０】
支持部２には、半導体基板４の空洞部７上に支持されるように、検出セル１が接続されている。この検出セル１は、熱電変換部１０と、検出セル配線部１１とそれらの周囲を被覆する絶縁材料からなる保護絶縁膜８と、保護絶縁膜８にテーパー加工された検出セル貫通孔１２と、を含んでいる。
【００２１】
ここで、熱電変換部１０と検出セル配線部１１は、電気的に導通しているが、図２、図３では省略している。保護絶縁膜８は、赤外線吸収部の機能を兼ねており、二酸化シリコン、窒化シリコンなどの絶縁材料によって、単層または多層構造で形成されるが、図２、図３では簡略的に保護絶縁膜８としている。
【００２２】
素子全体は真空パッケージされ、検出セル１や支持部２の周囲および空洞部７の雰囲気は真空となっている。このように、半導体基板４から分離された検出セル１を真空中に置くことにより、検出セル１の断熱性を向上させ、感度を高めるようにしている。
【００２３】
熱電変換部１０は、ｐｎ接合を有し、ｐｎ接合の順方向特性の温度依存性を利用し、電流または電圧一定の条件化で順方向電圧または電流の変化を読み出す。
【００２４】
検出セル１の熱電変化部１０と検出セル貫通孔１２の詳細な構成は、図４に示すように、検出セル貫通孔１２は、熱電変化部１０の周辺部の保護絶縁膜８に設けられている。図４は図２、図３の熱電変換部１０を含む層Ｃ−Ｃ’線における平面図である。
【００２５】
次に、第１の実施形態に係る赤外線検出素子の製造工程の手順について説明する。図５〜図１５は、第１の実施形態に係る赤外線検出素子の製造工程を示す断面図である。
【００２６】
まず、図５に示すように、半導体基板４上に保護絶縁膜８を形成し、その上に熱電変換部１０と保護絶縁膜８を互いに隣接して形成する。半導体基板４としてSOI基板を用いた場合には、SOI基板の埋め込み酸化膜を保護絶縁膜８として用いてもよい。熱電変換部１０は、例えば単結晶シリコンを材料とするpnダイオードである。熱電変換部１０に隣接して形成される保護絶縁膜８は、例えば二酸化シリコンを材料とする素子分離領域として作用する。
【００２７】
次に、図６に示すように、半導体基板４に形成された保護絶縁膜８上に、金属膜などの導電性材料を形成してパターニングすることにより、信号配線部３、支持配線部２０、検出セル配線部１１を形成する。なお、図６では、信号配線部３、支持配線部２０、検出配線部１１は同層にて形成しているが、複数の工程に分けてそれぞれ異なる導電性材料や厚みなどにしても構わない。
【００２８】
次に、図７に示すように、半導体基板４の全面に保護絶縁膜８をさらに形成する。この際、保護絶縁膜８は、赤外吸収部の機能も兼ねるため、例えば赤外吸収率の高い材料を選択したり、屈折率の異なる材料による多層構造にしたりしても良い。
【００２９】
次に、図８に示すように、エッチングホール５を形成するためのフォトリソグラフィー工程が行われる。具体的には、フォトレジスト９を保護絶縁膜８上に塗布し、マスクを用いたリソグラフィーにより、フォトレジスト９にパターンを形成する。
【００３０】
このとき、パターニングしたフォトレジスト９に熱処理を加え、リフローさせることで、図８に示すように、フォトレジスト９の断面形状は下部が広がりをもつテーパー形状となる。なお、リフロー処理以外にも、例えばフォトリソグラフィーの露光エネルギーや露光時間、焦点距離などの調整により、レジスト下部が広がりを持った断面形状を形成することができる。
【００３１】
次に、図９に示すように、フォトレジスト９に対して、エッチングホール５のパターンに加え、検出セル貫通孔１２のパターンを形成する。なお、図９は、同工程における図１のＢ−Ｂ’線断面図であり、エッチングホール５と検出セル貫通孔１２のパターニングは同一工程で行われる。
【００３２】
ここで、赤外線が照射される側の保護絶縁膜８の検出セル貫通孔１２の最大直径は、１５μｍ以下が望ましい。検出セル貫通孔１２の最大直径が１５μｍ以上となった場合、赤外線の波長域である８〜１４μｍの波長を保護絶縁膜８が吸収できず、検出セル貫通孔１２を当該赤外線が追加してしまい、吸収感度が低下してしまう。
【００３３】
また、検出セル貫通孔１２の上部が広がった形状のテーパー角は、４５°以上９０°以下が望ましい。当該テーパー角が４５°以下の場合には、RIE等の異方性エッチングによりエッチングする工程にて、保護絶縁膜８の厚さが厚いため、プロセス上困難となる。当該テーパー角が９０°以上の場合には、赤外線を保護絶縁膜８の検出セル貫通孔１２の内部で反射されにくく、当該赤外線の吸収感度が低下してしまう。
【００３４】
さらに、赤外線が照射される面と対面する面の検出セル貫通孔１２の直径は、検出セル貫通孔１２の隣り合う距離よりも大きいことが望ましい。赤外線が照射される面と対面する面の検出セル貫通孔１２の直径は、検出セル貫通孔１２の隣り合う距離よりも小さい場合には、検出セル貫通孔１２と保護絶縁膜８の屈折率の関係から、検出セル貫通孔１２の屈折率が保護絶縁膜８の屈折率よりも影響が大きくなり、赤外線が保護絶縁膜８に吸収されず、吸収感度が低下してしまう。
【００３５】
次に、図１０に示すように、半導体基板４の一部に、例えばRIE等の異方性エッチングによってエッチングホール５を形成し、半導体基板４の表面を露出させる。前述したエッチングにより、検出セル１が形成される領域と、支持部２が形成される領域とが互いに分離して形成される。
【００３６】
次に図１１に示すように、図１０と同様に、導体基板４の一部に、例えばRIE等の異方性エッチングによって検出セル貫通孔１２を形成し、半導体基板４の表面を露出させる。
【００３７】
次に、図１２に示すように、エッチングホール５の底面から半導体基板４を徐々にエッチングし、空洞部７を形成する。この工程に用いられるエッチング液として、例えばTMAHやKOH等の異方性エッチング溶液が用いられる。
【００３８】
ここで、図１３に示すように、支持部２の保護絶縁膜８の一部を深さ方向に、RIE等の異方性エッチングによって削ることで、支持部２の熱コンダクタンスを低減させても良い。
【００３９】
図１３に示す場合には、図１４に示すように、図１２と同様に、エッチングホール５の底面から半導体基板４を徐々にエッチングし、空洞部７を形成する。この工程に用いられるエッチング液として、例えばTMAHやKOH等の異方性エッチング溶液が用いられる。
【００４０】
次に、図１５に示すように、図１１と同様に、導体基板４の一部に、例えばRIE等の異方性エッチングによって検出セル貫通孔１２を形成し、半導体基板４の表面を露出させる。
【００４１】
ここで、第１の実施形態に係る非冷却赤外線素子の赤外線を吸収する役割を持つ保護絶縁膜８は、例えば、二酸化シリコン、窒化シリコン等の絶縁材料が用いられるが、この他に赤外線（８〜１４μｍ）に吸収感度を持つ材料でも良い。
【００４２】
さらに、図１６は、前述した図５〜図１５に記載した製造プロセスを用いて赤外線検出素子を作製し、当該赤外線センサ素子の特性指標となる感度と応答性に関して評価を行った結果を示したグラフである。図１６では、検出セル貫通孔１２は一辺2umの長さの正方形とし、テーパー角７５度となるように作製した。検出セル貫通孔１２の数を変化させることで、検出セル１内における検出セル貫通孔１２が占める割合を変化させている。
【００４３】
ここで、図１６の横軸は、検出セル面積に対する貫通孔が占める割合を表している。また、グラフ中の菱形のプロットは、貫通孔がない従来構造との相対感度比を表しており、グラフ中の丸形プロットは、貫通孔がない従来構造との熱時定数比を示している。
【００４４】
図１６に示すように、感度に関しては、菱形のプロットに示すように、作製した中で最も貫通孔面積の広い占有率0.25においても、感度低下が見られなかった。一方で、丸形のプロットに示すように、貫通孔により検出セルの熱容量は低減されており、熱時定数は占有率に応じて減少傾向となることが確認できた。図１６の実験データを示すグラフから、占有率0％の従来構造の赤外線センサ素子に対して、レイアウト変更のみで感度を低下させることなく、応答特性が25％改善されたことが確認できた。
【００４５】
さらに、これまでの構造と応答特性を同じとした場合には、熱コンダクタンスを低減させ、検出セル１の吸収層である保護絶縁膜８の厚膜化が可能となる。保護絶縁膜８の厚幕化については、膜種の厚みや屈折率や積層順番によって吸収スペクトルが変化するため、一概に感度変化を議論することが難しい。
【００４６】
ここで、図１７に示すように、熱コンダクタンスの変化に関して検証すると、占有率が大きい構造ほど、熱コンダクタンスを小さくすることが可能となっており、占有率0.25において1.35倍の感度向上が得られることが確認できた。
【００４７】
以上から、第１の実施形態の赤外線検出素子では、赤外線検出セル１内にテーパー形状を持つ貫通孔１２を形成することにより、貫通孔を形成しない赤外線検出セルと同等の吸収効率を持ちながら、熱容量を小さくすることが可能となる。
【００４８】
また、第１の実施形態の赤外線検出素子では、従来と同感度を持ちながらセンサの応答速度の高速化が可能となり、さらに、従来と同じ応答速度を持ちながら赤外線吸収層の厚膜化による吸収率の向上や、支持脚のスリム化による熱コンダクタンスの向上による感度増加が可能となる。
【００４９】
また、第１の実施形態の赤外線検出素子では、従来のエッチングホール形成時のマスクパターン変更のみで対応できることから、コスト増加や歩留まり低下の懸念がない。
【００５０】
また、第１の実施形態の赤外線検出素子では、空洞化を形成する際に、検出セル貫通孔１２を設けることで、従来は検出セル１の周辺部のエッチングホール５より半導体基板４のエッチングが進行していたものに対し、検出セル貫通孔１２からもエッチングが進行するため、エッチング処理時間を大幅に短縮することができ、空洞化不良の低減やコスト低下も得られる。
【００５１】
(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。
【００５２】
図１８は、第２の実施形態に係る赤外線検出素子の平面図である。また、図１９は図１８のＡ−Ａ’線断面図である。
【００５３】
まず、第２の実施形態の赤外線検出素子の全体の構成について、図１８を用いて説明する。
【００５４】
図１９に示すように、半導体基板４の表面には、空洞部７が設けられている。半導体基板４の空洞部７を囲む領域には、信号配線部３とその周囲を被覆する絶縁材料からなる保護絶縁膜８を含む水平アドレス線/垂直信号線が形成されている。図１９では垂直信号線３ｂで示しているが、Ａ−Ａ’線に垂直な断面では信号線は水平アドレス線３ａとなる。この水平アドレス線３ａまたは垂直信号線３ｂには、信号線より内側で半導体基板４の空洞部７上に配置されるように、支持配線部２０とその周囲を被服する絶縁材料からなる保護絶縁膜８を含む支持部２が接続されている。
【００５５】
また、支持部２には、半導体基板４の空洞部７上に支持されるように、検出セル１が接続されている。この検出セル１は、熱電変換部１０と、検出セル配線部１１と、それらの周囲を被覆する絶縁材料からなる保護絶縁膜８と、保護絶縁膜８にテーパー加工された検出セルトレンチ１３と、を含む。
【００５６】
具体的には、熱電変換部１０と検出セル配線部１１は電気的に導通しているが、図１９では省略している。保護絶縁膜８は、赤外線吸収部の機能を兼ねており、二酸化シリコン、窒化シリコンなどの絶縁材料によって、単層または多層構造で形成されるが、図１８では簡略的に保護絶縁膜８としている。
【００５７】
素子全体は真空パッケージされ、検出セル１や支持部２の周囲および空洞部７の雰囲気は真空となっている。このように、半導体基板４から分離された検出セル１を真空中に置くことにより検出セル１の断熱性を向上させ、感度を高めるようにしている。
【００５８】
熱電変換部１０はｐｎ接合を有し、ｐｎ接合の順方向特性の温度依存性を利用し、電流または電圧一定の条件化で順方向電圧または電流の変化を読み出す。
【００５９】
次に、第２の実施形態の赤外線検出素子の製造工程の手順について、図２０〜図２２を示して説明する。なお、第１の実施形態の赤外線検出素子の製造工程を示す図５〜図７、図１２と同様の製造工程の部分については、図面を省略する。
【００６０】
まず、図５と同様に、半導体基板４上に保護絶縁膜８を形成し、その上に熱電変換部１０と保護絶縁膜８を互いに隣接して形成する。半導体基板４としてSOI基板を用いた場合には、SOI基板の埋め込み酸化膜を保護絶縁膜８として用いてもよい。熱電変換部１０は、例えば単結晶シリコンを材料とするpnダイオードである。熱電変換部１０に隣接して形成される保護絶縁膜８は、例えば二酸化シリコンを材料とする素子分離領域として作用する。
【００６１】
次に、図６と同様に、基板前面に保護絶縁膜８を形成し、その上に金属膜などの導電性材料を形成してパターニングすることにより、信号配線部３、支持配線部２０、検出セル配線部１１を形成する。図２０では信号配線部３、支持配線部２０、検出配線部１１は同層にて形成しているが、複数の工程に分けてそれぞれ異なる導電性材料や厚みなどにしても構わない。
【００６２】
次に、図７と同様に、半導体基板４基板上に保護絶縁膜８を形成するが、この際、保護絶縁膜８は赤外吸収部の機能も兼ねるため、例えば赤外吸収率の高い材料を選択したり、屈折率の異なる材料による多層構造にしたりしても良い。赤外線吸収部は、例えば、二酸化シリコン、窒化シリコン等の絶縁材料が用いられるが、この他に赤外線（８〜１４μｍ）に吸収感度を持つ材料でも良い。
【００６３】
次に、図２０に示すように、半導体基板４の一部に、例えばRIE等の異方性エッチングによってエッチングホール５を形成し、半導体基板４の表面を露出させる。前述したエッチングにより、検出セル１が形成される領域と、支持部２が形成される領域とが互いに分離して形成される。ここで、図２０では、エッチングホール５をテーパーレスの断面形状で記載しているが、本発明の第１の実施形態のように、テーパー加工しても構わない。
【００６４】
次に、図２１に示すように、支持部２の保護絶縁膜８の一部を深さ方向に、RIE等の異方性エッチングによって削り、支持部２の熱コンダクタンスを低減させるためのパターニングをフォトリソグラフィー工程により行う。このとき図２１のように、検出セル１上にテーパーを持つフォトレジスト９を形成する。
【００６５】
次に、図２２に示すように、RIE等の異方性エッチングを行うと、支持部２は、深さ方向に削られ、検出セル１の上面にテーパーを有する検出セルトレンチ１３が形成される。
【００６６】
次に、図１２と同様に、エッチングホール５の底面から半導体基板４を徐々にエッチングし、空洞部７を形成する。この工程に用いられるエッチング液として、例えばTMAHやKOH等の異方性エッチング溶液が用いられる。
【００６７】
ここで、第１の実施形態の赤外線検出素子では、検出セル貫通孔１２を設けていたのに対し、第２の実施形態の赤外線検出素子では検出セルトレンチ１３を設けている。
【００６８】
これは、第１の実施形態の赤外線検出素子の検出セル貫通孔１２の場合には、検出セルに設けられている熱電変換部１０や検出セル配線部１１を考慮したパターニングが必要であるのに対し、第２の実施形態の赤外線検出素子では、保護絶縁膜８領域のパターニングのみのため、レイアウトの制約が一切無くなり、目的に沿った光学的な作用を容易に作製可能となる。
【００６９】
以上、第２の実施形態の赤外線検出素子では、赤外線検出セル１の上部にテーパー形状を持つトレンチ１３を形成することにより、トレンチを形成しない赤外線検出セルと同等の吸収効率を持ちながら、熱容量を小さくすることが可能となる。
【００７０】
また、第２の実施形態の赤外線検出素子では、従来と同感度を持ちながらセンサの応答速度の高速化が可能となり、さらに、従来と同じ応答速度を持ちながら赤外線吸収層の厚膜化による吸収率の向上や、支持脚のスリム化による熱コンダクタンスの向上による感度増加が可能となる。
【００７１】
また、第２の実施形態の赤外線検出素子では、従来のエッチングホール形成時のマスクパターン変更のみで対応できることから、コスト増加や歩留まり低下の懸念がない。
【００７２】
(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。
【００７３】
図２３は、第３の実施形態に係る赤外線検出素子の平面図である。図２４は、図２３のＡ−Ａ’線断面図である。
【００７４】
まず、第３の実施形態の赤外線検出素子の全体の構成について、図２３、図２４を用いて説明する。
【００７５】
図２４に示すように、半導体基板４の表面には空洞部７が設けられている。半導体基板４の空洞部７を囲む領域には、信号配線部３とその周囲を被覆する絶縁材料からなる保護絶縁膜８を含む水平アドレス線/垂直信号線が形成されている。図２４では、水平アドレス線３ａで示しているが、Ａ−Ａ’線に垂直な断面では信号線は垂直信号線３ｂとなる。
【００７６】
この水平アドレス線３ａまたは垂直信号線３ｂには、信号線より内側で半導体基板４の空洞部７上に配置されるように、支持配線部２０とその周囲を被服する絶縁材料からなる保護絶縁膜８を含む支持部２が接続されている。
【００７７】
支持部２には半導体基板４の空洞部７上に支持されるように、検出セル１が接続されている。この検出セル１は、熱電変換部１０と、検出セル配線部１１と、それらの周囲を被覆する絶縁材料からなる保護絶縁膜８と、保護絶縁膜８にテーパー加工された検出セル貫通孔１２と、を含む。
【００７８】
具体的には、熱電変換部１０と検出セル配線部１１は、電気的に導通しているが、図２４では省略している。保護絶縁膜８は、赤外線吸収部の機能を兼ねており、二酸化シリコン、窒化シリコンなどの絶縁材料によって、単層または多層構造で形成されるが、図２４では簡略的に保護絶縁膜８とする。
【００７９】
素子全体は真空パッケージされ、検出セル１や支持部２の周囲および空洞部７の雰囲気は真空となっている。このように、半導体基板４から分離された検出セル１を真空中に置くことにより検出セル１の断熱性を向上させ、感度を高めるようにしている。
【００８０】
熱電変換部１０はｐｎ接合を有し、ｐｎ接合の順方向特性の温度依存性を利用し、電流または電圧一定の条件化で順方向電圧または電流の変化を読み出す。
【００８１】
次に、第３の実施形態の赤外線検出素子の製造工程の手順について説明する。なお、第１の実施形態の赤外線検出素子の製造工程を示す図５〜図７、図１２、第２の実施形態の赤外線検出素子の製造工程を示す図２１〜図２２と同様の製造工程の部分については、図面を省略する。
【００８２】
まず、図５に示すように、半導体基板４上に保護絶縁膜８を形成し、その上に熱電変換部１０と保護絶縁膜８を互いに隣接して形成する。半導体基板４としてSOI基板を用いた場合には、SOI基板の埋め込み酸化膜を保護絶縁膜８として用いてもよい。熱電変換部１０は、例えば単結晶シリコンを材料とするｐｎダイオードである。熱電変換部１０に隣接して形成される保護絶縁膜８は、例えば二酸化シリコンを材料とする素子分離領域として作用する。
【００８３】
次に、図６に示すように、基板前面に保護絶縁膜８を形成し、その上に金属膜などの導電性材料を形成してパターニングすることにより、信号配線部３、支持配線部２０、検出セル配線部１１を形成する。図６では信号配線部３、支持配線部２０、検出配線部１１は同層にて形成しているが、複数の工程に分けてそれぞれ異なる導電性材料や厚みなどにしても構わない。
【００８４】
次に、図７に示すように、半導体基板４上に保護絶縁膜８を形成する。この際、保護絶縁膜８は赤外吸収部の機能も兼ねるため、例えば赤外吸収率の高い材料を選択したり、屈折率の異なる材料による多層構造にしたりしても良い。赤外線吸収材料は、例えば、二酸化シリコン、窒化シリコン等の絶縁材料が用いられるが、この他に赤外線（８〜１４μｍ）に吸収感度を持つ材料でも良い。
【００８５】
次に、図８、図９に示すように、エッチングホール５を形成するためのフォトリソグラフィー工程が行われる。このときパターニングしたフォトレジスト９に熱処理を加えリフローさせることで、断面形状は下部に広がりをもつテーパー形状となる。リフロー処理以外にも、例えばフォトリソグラフィーの露光エネルギーや露光時間、焦点距離などの調整により、レジスト下部が広がりを持った断面形状を形成することが出来る。エッチングホール５と検出セル貫通孔１２のパターニングは同一工程で行われる。
【００８６】
次に、図１０、図１１に示すように、基板の一部に例えばRIE等の異方性エッチングによってエッチングホール５及び、検出セル貫通孔１２を形成し、半導体基板４の表面を露出させる。上記エッチングにより、検出セル１が形成される領域と、支持部２が形成される領域とが互いに分離して形成される。
【００８７】
次に、図２１、図２２に示すように、支持部２の熱コンダクタンスを低減させるためと検出セルトレンチ１３を形成するためのパターニングを行い、RIE等の異方性エッチングを行うと、支持部２は深さ方向に削られ、検出セル１の上面にテーパーを有する検出セルトレンチ１３が形成される。
【００８８】
次に、図１２に示すように、エッチングホール５の底面から半導体基板４を徐々にエッチングし、空洞部７を形成する。この工程に用いられるエッチング液として、例えばTMAHやKOH等の異方性エッチング溶液が用いられる。
【００８９】
ここで、第３の実施形態の赤外線検出素子では、検出セル貫通孔１２と検出セルトレンチ１３を併用して作製することで、検出セル１の熱容量の大幅な低減が可能となる。
【００９０】
また、第３の実施形態の赤外線検出素子では、熱容量が大幅に低減され、例えば支持部２の熱コンダクタンスを大幅に低減することが可能となり、感度を大幅に向上させることができる。
【００９１】
以上、第３の実施形態の赤外線検出素子では、赤外線検出セル内にテーパー形状を持つ貫通孔とトレンチを形成することにより、従来の赤外線検出セルと同等の吸収効率を持ちながら、熱容量を小さくすることが可能となる。
【００９２】
また、第３の実施形態の赤外線検出素子では、従来と同感度を持ちながらセンサの応答速度の高速化が可能となり、さらに、従来と同じ応答速度を持ちながら赤外線吸収層の厚膜化による吸収率の向上や、支持脚のスリム化による熱コンダクタンスの向上による感度増加が可能となる。
【００９３】
また、第３の実施形態の赤外線検出素子では、従来のエッチングホール形成時のマスクパターン変更のみで対応できることから、コスト増加や歩留まり低下の懸念が無い。
【００９４】
さらに、第３の実施形態に係る赤外線検出素子では、空洞化を形成する際に、検出セル貫通孔１２を設けることで、従来は検出セル１の周辺部のエッチングホール５より半導体基板のエッチングが進行していたものに対し、検出セル貫通孔１２からもエッチングが進行するため、エッチング処理時間を大幅に短縮することができ、空洞化不良の低減やコスト低下も得られる。
【００９５】
以上述べた少なくともひとつの実施形態の赤外線検出素子によれば、犠牲層等の複雑な工程を必要としない従来構造の赤外線センサ素子に比べ、プロセス工程の追加をせずに、赤外線センサ素子の熱容量を低減できる。このとき、実施形態の検出セル構造にすることで、赤外線センサ素子の感度低下を回避できるため、応答特性の高速化が実現できる。また、応答特性の低下を懸念して実施不可だった熱コンダクタンスの低減が本発明の検出セル構造によって可能となり、応答特性の低下なく、感度向上が実現できる。
【００９６】
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。例えば、各実施の形態では、検出セル貫通孔や検出セルトレンチは四角形で表記しているが、円形や三角形等の半導体プロセスにて作製可能な範囲であれば形状は問わない。また、各実施の形態では、検出セル貫通孔や検出セルトレンチは規則的な配置にて表記しているが、アレイ状に配置された赤外線センサ素子の全てのパターンが同一であれば、検出セル貫通孔や検出セルトレンチは不規則なパターンでも構わない。
【００９７】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００９８】
１…検出セル
２…支持部
３…信号線配線部
３a…水平アドレス線
３b…垂直信号線
４…半導体基板
５…エッチングホール
７…空洞部
８…保護絶縁膜
９…フォトレジスト
１０…熱電変換部
１１…検出セル配線部
１２…検出セル貫通孔
１３…検出セルトレンチ
２０…支持配線部
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、赤外線検出素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
非冷却型（熱型）赤外線センサは、赤外線吸収層によって赤外線を吸収して熱に変換し、熱電変換素子によって熱を電気信号に変換する素子である。非冷却型赤外線センサでは、赤外線吸収層及び熱電変換素子を外系と熱的に隔離するように、表面微細構造またはバルク微細構造形成技術が活用される。冷却型（量子型）赤外線センサが効果で大きな冷却器を必要とするのに対し、非冷却型赤外線センサは小型で安価というメリットがある。
【０００３】
この非冷却型赤外線センサの一画素あたりの感度は、単位面積当たりの入射赤外線パワーをIlight、検出セルの赤外線吸収率をγ、単位画素当たりの赤外線吸収面積をAD、検出セルから半導体基板への熱コンダクタンスをGth、ｐｎ接合の熱電変換係数をdV/dTとすると、熱電変換部の出力信号Vsignalは（１）式で表される。
【０００４】
Vsignal = (IlightADγ/Gth）(dV/dT) ・・・（１）
また、赤外線センサ素子の応答特性は検出セルの熱容量Ｃthと熱コンダクタンスGthを用いると（２）式で表される。
【０００５】
τ = Ｃth / Gth ・・・（２）
（２）式において、τは熱時定数であり、入射信号に対する出力信号変化が最大値の約63%に変化するまでの時間を意味し、応答特性を指標となるものである。
【０００６】
赤外線センサ感度を向上させるためには、（１）式より赤外線吸収面積ADや赤外線吸収率γ、ｐｎ接合の熱電変換係数dV/dTの向上、または熱コンダクタンスGthを低減させれば良い。
【０００７】
しかしながら、ｐｎ接合の熱電変換係数dV/dTはダイオードの個数に比例するものの、個数増加はすなわち駆動電力の増加を意味し、消費電力が増えてしまう。また、ダイオード単体のdV/dT特性は半導体のバンドギャップエネルギーで決定されるため、大幅な増加は期待できない。熱コンダクタンスGthを低減させると、感度は向上するものの、熱時定数が悪化し、応答性低下する。赤外線吸収面積ADの増加も、増加分だけ画素ピッチサイズを増加させてしまい、且つ熱容量増加により応答性が低下する。赤外線吸収率γは単層の場合、吸収率は厚みに対して指数関数的に増加するため、所望の吸収率を得ようとすると、結果的に熱容量が増加し、応答性が低下する。つまり、感度と応答性はトレードオフの関係にあるため、どちらかを特性向上を優先した場合、他方は特性劣化が免れない状況にある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００１−１５６２７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
発明が解決しようとする課題は、赤外線センサ感度を低下させることなく、熱容量を低減し、信頼性が高く低コストとすることができる赤外線センサ素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を達成するために、実施形態の赤外線検出素子は、表面に空洞部が設けられた半導体基板を備える。また、この半導体基板の空洞部を囲む領域に形成された信号配線部を備える。また、この信号配線部に接続され、この信号配線部より内側であってこの半導体基板の空洞部よりも上側に配置された支持部を備える。また、この支持部に接続され、この支持部よりも内側であってこの半導体基板の空洞部よりも上側に支持され、熱電変換部と、吸収層と、が順次積層されている検出セルを備える。また、前記吸収層に、上部が広がった形状である複数の孔を設けている。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施形態に係る赤外線検出素子を示す平面図。
【図２】図１のA−A’線断面図。
【図３】図１のB−B’線断面図。
【図４】図２、図３のC−C’線断面図。
【図５】第１の実施形態に係る赤外線検出素子の断面図。
【図６】第１の実施形態に係る赤外線検出素子の断面図。
【図７】第１の実施形態に係る赤外線検出素子の断面図。
【図８】第１の実施形態に係る赤外線検出素子の平面図。
【図９】第１の実施形態に係る赤外線検出素子の平面図。
【図１０】第１の実施形態に係る赤外線検出素子の平面図。
【図１１】第１の実施形態に係る赤外線検出素子の断面図。
【図１２】第１の実施形態に係る赤外線検出素子の赤外線センサ支持部の断面図。
【図１３】第１の実施形態に係る赤外線検出素子の赤外線センサ支持部の断面図。
【図１４】第１の実施形態に係る赤外線検出素子の赤外線センサ支持部の断面図。
【図１５】第１の実施形態に係る赤外線検出素子の赤外線センサ支持部の断面図。
【図１６】第１の実施形態に係る赤外線検出素子の特性を示すグラフ。
【図１７】第１の実施形態に係る赤外線検出素子の特性を示すグラフ。
【図１８】第２の実施形態に係る赤外線検出素子を示す平面図。
【図１９】図１８のA−A’線断面図。
【図２０】第２の実施形態に係る赤外線検出素子の赤外線センサ支持部の断面図。
【図２１】第２の実施形態に係る赤外線検出素子の赤外線センサ支持部の断面図。
【図２２】第２の実施形態に係る赤外線検出素子の赤外線センサ支持部の断面図。
【図２３】第３の実施形態に係る赤外線検出素子を示す平面図。
【図２４】図２３のA−A’線断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、発明を実施するための形態について、説明する。
【実施例】
【００１３】
(第１の実施の形態)
以下、第１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、第１の実施形態に係る赤外線検出素子の平面図である。図２は、図１のＡ−Ａ’線断面図である。図３は、図１のＢ−Ｂ’線断面図である。
【００１５】
第１の実施形態に係る赤外線検出素子は、後述するように、それぞれが赤外線を吸収して熱に変換する赤外線吸収層である保護絶縁膜８と、当該熱を電気信号に変換する熱電変換部１０と、を有する検出セル１をマトリックス状に多数配置した検出器アレイとして構成している。また、図１に示すように、検出セル１は、ほぼ一定間隔で水平方向に配列した水平アドレス線３ａと、同様にほぼ垂直方向に配列した垂直信号線３ｂに囲まれた領域内に配置されている。また、検出セル１は、１対の支持部２を介して水平アドレス線３ａおよび垂直信号線３ｂに接続している。１対の支持部２は、後述するように、検出セル１を中空に保持する機能も持っている。
【００１６】
さらに、図１では、支持部２の一端が水平アドレス線３ａまたは垂直信号線３ｂと接続されている。ここで、水平アドレス線３ａまたは垂直信号線３ｂにて、信号配線部３が形成されている。また、支持部２の他端が検出セル１と接続しており、検出セル１は支持部２のみによって支えられ中空に浮いた状態となる。さらに、検出セル１には、四角形の検出セル貫通孔１２が規則的に配置されている。
【００１７】
次に、第１の実施形態の赤外線検出素子の全体構成を図２、図３を用いて説明する。
【００１８】
図２に示すように、半導体基板４の表面には空洞部７が設けられている。また、半導体基板４の空洞部７を囲む領域には、信号配線部３とその周囲を被覆する絶縁材料からなる保護絶縁膜８を含む水平アドレス線/垂直信号線が形成されている。ここで、保護絶縁膜８は、赤外線を吸収する吸収層の役割を果たしている。図２、図３では垂直信号線３ｂで示しているが、Ａ−Ａ’線に垂直な断面では信号線は水平アドレス線３ａとなる。
【００１９】
また、この水平アドレス線３ａまたは垂直信号線３ｂには、信号線より内側で半導体基板４の空洞部７上に配置されるように、支持配線部２０とその周囲を被服する絶縁材料からなる保護絶縁膜８を含む支持部２が接続されている。
【００２０】
支持部２には、半導体基板４の空洞部７上に支持されるように、検出セル１が接続されている。この検出セル１は、熱電変換部１０と、検出セル配線部１１とそれらの周囲を被覆する絶縁材料からなる保護絶縁膜８と、保護絶縁膜８にテーパー加工された検出セル貫通孔１２と、を含んでいる。
【００２１】
ここで、熱電変換部１０と検出セル配線部１１は、電気的に導通しているが、図２、図３では省略している。保護絶縁膜８は、赤外線吸収部の機能を兼ねており、二酸化シリコン、窒化シリコンなどの絶縁材料によって、単層または多層構造で形成されるが、図２、図３では簡略的に保護絶縁膜８としている。
【００２２】
素子全体は真空パッケージされ、検出セル１や支持部２の周囲および空洞部７の雰囲気は真空となっている。このように、半導体基板４から分離された検出セル１を真空中に置くことにより、検出セル１の断熱性を向上させ、感度を高めるようにしている。
【００２３】
熱電変換部１０は、ｐｎ接合を有し、ｐｎ接合の順方向特性の温度依存性を利用し、電流または電圧一定の条件化で順方向電圧または電流の変化を読み出す。
【００２４】
検出セル１の熱電変化部１０と検出セル貫通孔１２の詳細な構成は、図４に示すように、検出セル貫通孔１２は、熱電変化部１０の周辺部の保護絶縁膜８に設けられている。図４は図２、図３の熱電変換部１０を含む層Ｃ−Ｃ’線における平面図である。
【００２５】
次に、第１の実施形態に係る赤外線検出素子の製造工程の手順について説明する。図５〜図１５は、第１の実施形態に係る赤外線検出素子の製造工程を示す断面図である。
【００２６】
まず、図５に示すように、半導体基板４上に保護絶縁膜８を形成し、その上に熱電変換部１０と保護絶縁膜８を互いに隣接して形成する。半導体基板４としてSOI基板を用いた場合には、SOI基板の埋め込み酸化膜を保護絶縁膜８として用いてもよい。熱電変換部１０は、例えば単結晶シリコンを材料とするpnダイオードである。熱電変換部１０に隣接して形成される保護絶縁膜８は、例えば二酸化シリコンを材料とする素子分離領域として作用する。
【００２７】
次に、図６に示すように、半導体基板４に形成された保護絶縁膜８上に、金属膜などの導電性材料を形成してパターニングすることにより、信号配線部３、支持配線部２０、検出セル配線部１１を形成する。なお、図６では、信号配線部３、支持配線部２０、検出配線部１１は同層にて形成しているが、複数の工程に分けてそれぞれ異なる導電性材料や厚みなどにしても構わない。
【００２８】
次に、図７に示すように、半導体基板４の全面に保護絶縁膜８をさらに形成する。この際、保護絶縁膜８は、赤外吸収部の機能も兼ねるため、例えば赤外吸収率の高い材料を選択したり、屈折率の異なる材料による多層構造にしたりしても良い。
【００２９】
次に、図８に示すように、エッチングホール５を形成するためのフォトリソグラフィー工程が行われる。具体的には、フォトレジスト９を保護絶縁膜８上に塗布し、マスクを用いたリソグラフィーにより、フォトレジスト９にパターンを形成する。
【００３０】
このとき、パターニングしたフォトレジスト９に熱処理を加え、リフローさせることで、図８に示すように、フォトレジスト９の断面形状は下部が広がりをもつテーパー形状となる。なお、リフロー処理以外にも、例えばフォトリソグラフィーの露光エネルギーや露光時間、焦点距離などの調整により、レジスト下部が広がりを持った断面形状を形成することができる。
【００３１】
次に、図９に示すように、フォトレジスト９に対して、エッチングホール５のパターンに加え、検出セル貫通孔１２のパターンを形成する。なお、図９は、同工程における図１のＢ−Ｂ’線断面図であり、エッチングホール５と検出セル貫通孔１２のパターニングは同一工程で行われる。
【００３２】
ここで、赤外線が照射される側の保護絶縁膜８の検出セル貫通孔１２の最大直径は、１５μｍ以下が望ましい。検出セル貫通孔１２の最大直径が１５μｍ以上となった場合、赤外線の波長域である８〜１４μｍの波長を保護絶縁膜８が吸収できず、検出セル貫通孔１２を当該赤外線が追加してしまい、吸収感度が低下してしまう。
【００３３】
また、検出セル貫通孔１２の上部が広がった形状のテーパー角は、４５°以上９０°以下が望ましい。当該テーパー角が４５°以下の場合には、RIE等の異方性エッチングによりエッチングする工程にて、保護絶縁膜８の厚さが厚いため、プロセス上困難となる。当該テーパー角が９０°以上の場合には、赤外線を保護絶縁膜８の検出セル貫通孔１２の内部で反射されにくく、当該赤外線の吸収感度が低下してしまう。
【００３４】
さらに、赤外線が照射される面と対面する面の検出セル貫通孔１２の直径は、検出セル貫通孔１２の隣り合う距離よりも大きいことが望ましい。赤外線が照射される面と対面する面の検出セル貫通孔１２の直径は、検出セル貫通孔１２の隣り合う距離よりも小さい場合には、検出セル貫通孔１２と保護絶縁膜８の屈折率の関係から、検出セル貫通孔１２の屈折率が保護絶縁膜８の屈折率よりも影響が大きくなり、赤外線が保護絶縁膜８に吸収されず、吸収感度が低下してしまう。
【００３５】
次に、図１０に示すように、半導体基板４の一部に、例えばRIE等の異方性エッチングによってエッチングホール５を形成し、半導体基板４の表面を露出させる。前述したエッチングにより、検出セル１が形成される領域と、支持部２が形成される領域とが互いに分離して形成される。
【００３６】
次に図１１に示すように、図１０と同様に、導体基板４の一部に、例えばRIE等の異方性エッチングによって検出セル貫通孔１２を形成し、半導体基板４の表面を露出させる。
【００３７】
次に、図１２に示すように、エッチングホール５の底面から半導体基板４を徐々にエッチングし、空洞部７を形成する。この工程に用いられるエッチング液として、例えばTMAHやKOH等の異方性エッチング溶液が用いられる。
【００３８】
ここで、図１３に示すように、支持部２の保護絶縁膜８の一部を深さ方向に、RIE等の異方性エッチングによって削ることで、支持部２の熱コンダクタンスを低減させても良い。
【００３９】
図１３に示す場合には、図１４に示すように、図１２と同様に、エッチングホール５の底面から半導体基板４を徐々にエッチングし、空洞部７を形成する。この工程に用いられるエッチング液として、例えばTMAHやKOH等の異方性エッチング溶液が用いられる。
【００４０】
次に、図１５に示すように、図１１と同様に、導体基板４の一部に、例えばRIE等の異方性エッチングによって検出セル貫通孔１２を形成し、半導体基板４の表面を露出させる。
【００４１】
ここで、第１の実施形態に係る非冷却赤外線素子の赤外線を吸収する役割を持つ保護絶縁膜８は、例えば、二酸化シリコン、窒化シリコン等の絶縁材料が用いられるが、この他に赤外線（８〜１４μｍ）に吸収感度を持つ材料でも良い。
【００４２】
さらに、図１６は、前述した図５〜図１５に記載した製造プロセスを用いて赤外線検出素子を作製し、当該赤外線センサ素子の特性指標となる感度と応答性に関して評価を行った結果を示したグラフである。図１６では、検出セル貫通孔１２は一辺2umの長さの正方形とし、テーパー角７５度となるように作製した。検出セル貫通孔１２の数を変化させることで、検出セル１内における検出セル貫通孔１２が占める割合を変化させている。
【００４３】
ここで、図１６の横軸は、検出セル面積に対する貫通孔が占める割合を表している。また、グラフ中の菱形のプロットは、貫通孔がない従来構造との相対感度比を表しており、グラフ中の丸形プロットは、貫通孔がない従来構造との熱時定数比を示している。
【００４４】
図１６に示すように、感度に関しては、菱形のプロットに示すように、作製した中で最も貫通孔面積の広い占有率0.25においても、感度低下が見られなかった。一方で、丸形のプロットに示すように、貫通孔により検出セルの熱容量は低減されており、熱時定数は占有率に応じて減少傾向となることが確認できた。図１６の実験データを示すグラフから、占有率0％の従来構造の赤外線センサ素子に対して、レイアウト変更のみで感度を低下させることなく、応答特性が25％改善されたことが確認できた。
【００４５】
さらに、これまでの構造と応答特性を同じとした場合には、熱コンダクタンスを低減させ、検出セル１の吸収層である保護絶縁膜８の厚膜化が可能となる。保護絶縁膜８の厚幕化については、膜種の厚みや屈折率や積層順番によって吸収スペクトルが変化するため、一概に感度変化を議論することが難しい。
【００４６】
ここで、図１７に示すように、熱コンダクタンスの変化に関して検証すると、占有率が大きい構造ほど、熱コンダクタンスを小さくすることが可能となっており、占有率0.25において1.35倍の感度向上が得られることが確認できた。
【００４７】
以上から、第１の実施形態の赤外線検出素子では、赤外線検出セル１内にテーパー形状を持つ貫通孔１２を形成することにより、貫通孔を形成しない赤外線検出セルと同等の吸収効率を持ちながら、熱容量を小さくすることが可能となる。
【００４８】
また、第１の実施形態の赤外線検出素子では、従来と同感度を持ちながらセンサの応答速度の高速化が可能となり、さらに、従来と同じ応答速度を持ちながら赤外線吸収層の厚膜化による吸収率の向上や、支持脚のスリム化による熱コンダクタンスの向上による感度増加が可能となる。
【００４９】
また、第１の実施形態の赤外線検出素子では、従来のエッチングホール形成時のマスクパターン変更のみで対応できることから、コスト増加や歩留まり低下の懸念がない。
【００５０】
また、第１の実施形態の赤外線検出素子では、空洞化を形成する際に、検出セル貫通孔１２を設けることで、従来は検出セル１の周辺部のエッチングホール５より半導体基板４のエッチングが進行していたものに対し、検出セル貫通孔１２からもエッチングが進行するため、エッチング処理時間を大幅に短縮することができ、空洞化不良の低減やコスト低下も得られる。
【００５１】
(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。
【００５２】
図１８は、第２の実施形態に係る赤外線検出素子の平面図である。また、図１９は図１８のＡ−Ａ’線断面図である。
【００５３】
まず、第２の実施形態の赤外線検出素子の全体の構成について、図１８を用いて説明する。
【００５４】
図１９に示すように、半導体基板４の表面には、空洞部７が設けられている。半導体基板４の空洞部７を囲む領域には、信号配線部３とその周囲を被覆する絶縁材料からなる保護絶縁膜８を含む水平アドレス線/垂直信号線が形成されている。図１９では垂直信号線３ｂで示しているが、Ａ−Ａ’線に垂直な断面では信号線は水平アドレス線３ａとなる。この水平アドレス線３ａまたは垂直信号線３ｂには、信号線より内側で半導体基板４の空洞部７上に配置されるように、支持配線部２０とその周囲を被服する絶縁材料からなる保護絶縁膜８を含む支持部２が接続されている。
【００５５】
また、支持部２には、半導体基板４の空洞部７上に支持されるように、検出セル１が接続されている。この検出セル１は、熱電変換部１０と、検出セル配線部１１と、それらの周囲を被覆する絶縁材料からなる保護絶縁膜８と、保護絶縁膜８にテーパー加工された検出セルトレンチ１３と、を含む。
【００５６】
具体的には、熱電変換部１０と検出セル配線部１１は電気的に導通しているが、図１９では省略している。保護絶縁膜８は、赤外線吸収部の機能を兼ねており、二酸化シリコン、窒化シリコンなどの絶縁材料によって、単層または多層構造で形成されるが、図１８では簡略的に保護絶縁膜８としている。
【００５７】
素子全体は真空パッケージされ、検出セル１や支持部２の周囲および空洞部７の雰囲気は真空となっている。このように、半導体基板４から分離された検出セル１を真空中に置くことにより検出セル１の断熱性を向上させ、感度を高めるようにしている。
【００５８】
熱電変換部１０はｐｎ接合を有し、ｐｎ接合の順方向特性の温度依存性を利用し、電流または電圧一定の条件化で順方向電圧または電流の変化を読み出す。
【００５９】
次に、第２の実施形態の赤外線検出素子の製造工程の手順について、図２０〜図２２を示して説明する。なお、第１の実施形態の赤外線検出素子の製造工程を示す図５〜図７、図１２と同様の製造工程の部分については、図面を省略する。
【００６０】
まず、図５と同様に、半導体基板４上に保護絶縁膜８を形成し、その上に熱電変換部１０と保護絶縁膜８を互いに隣接して形成する。半導体基板４としてSOI基板を用いた場合には、SOI基板の埋め込み酸化膜を保護絶縁膜８として用いてもよい。熱電変換部１０は、例えば単結晶シリコンを材料とするpnダイオードである。熱電変換部１０に隣接して形成される保護絶縁膜８は、例えば二酸化シリコンを材料とする素子分離領域として作用する。
【００６１】
次に、図６と同様に、基板前面に保護絶縁膜８を形成し、その上に金属膜などの導電性材料を形成してパターニングすることにより、信号配線部３、支持配線部２０、検出セル配線部１１を形成する。図２０では信号配線部３、支持配線部２０、検出配線部１１は同層にて形成しているが、複数の工程に分けてそれぞれ異なる導電性材料や厚みなどにしても構わない。
【００６２】
次に、図７と同様に、半導体基板４基板上に保護絶縁膜８を形成するが、この際、保護絶縁膜８は赤外吸収部の機能も兼ねるため、例えば赤外吸収率の高い材料を選択したり、屈折率の異なる材料による多層構造にしたりしても良い。赤外線吸収部は、例えば、二酸化シリコン、窒化シリコン等の絶縁材料が用いられるが、この他に赤外線（８〜１４μｍ）に吸収感度を持つ材料でも良い。
【００６３】
次に、図２０に示すように、半導体基板４の一部に、例えばRIE等の異方性エッチングによってエッチングホール５を形成し、半導体基板４の表面を露出させる。前述したエッチングにより、検出セル１が形成される領域と、支持部２が形成される領域とが互いに分離して形成される。ここで、図２０では、エッチングホール５をテーパーレスの断面形状で記載しているが、本発明の第１の実施形態のように、テーパー加工しても構わない。
【００６４】
次に、図２１に示すように、支持部２の保護絶縁膜８の一部を深さ方向に、RIE等の異方性エッチングによって削り、支持部２の熱コンダクタンスを低減させるためのパターニングをフォトリソグラフィー工程により行う。このとき図２１のように、検出セル１上にテーパーを持つフォトレジスト９を形成する。
【００６５】
次に、図２２に示すように、RIE等の異方性エッチングを行うと、支持部２は、深さ方向に削られ、検出セル１の上面にテーパーを有する検出セルトレンチ１３が形成される。
【００６６】
次に、図１２と同様に、エッチングホール５の底面から半導体基板４を徐々にエッチングし、空洞部７を形成する。この工程に用いられるエッチング液として、例えばTMAHやKOH等の異方性エッチング溶液が用いられる。
【００６７】
ここで、第１の実施形態の赤外線検出素子では、検出セル貫通孔１２を設けていたのに対し、第２の実施形態の赤外線検出素子では検出セルトレンチ１３を設けている。
【００６８】
これは、第１の実施形態の赤外線検出素子の検出セル貫通孔１２の場合には、検出セルに設けられている熱電変換部１０や検出セル配線部１１を考慮したパターニングが必要であるのに対し、第２の実施形態の赤外線検出素子では、保護絶縁膜８領域のパターニングのみのため、レイアウトの制約が一切無くなり、目的に沿った光学的な作用を容易に作製可能となる。
【００６９】
以上、第２の実施形態の赤外線検出素子では、赤外線検出セル１の上部にテーパー形状を持つトレンチ１３を形成することにより、トレンチを形成しない赤外線検出セルと同等の吸収効率を持ちながら、熱容量を小さくすることが可能となる。
【００７０】
また、第２の実施形態の赤外線検出素子では、従来と同感度を持ちながらセンサの応答速度の高速化が可能となり、さらに、従来と同じ応答速度を持ちながら赤外線吸収層の厚膜化による吸収率の向上や、支持脚のスリム化による熱コンダクタンスの向上による感度増加が可能となる。
【００７１】
また、第２の実施形態の赤外線検出素子では、従来のエッチングホール形成時のマスクパターン変更のみで対応できることから、コスト増加や歩留まり低下の懸念がない。
【００７２】
(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。
【００７３】
図２３は、第３の実施形態に係る赤外線検出素子の平面図である。図２４は、図２３のＡ−Ａ’線断面図である。
【００７４】
まず、第３の実施形態の赤外線検出素子の全体の構成について、図２３、図２４を用いて説明する。
【００７５】
図２４に示すように、半導体基板４の表面には空洞部７が設けられている。半導体基板４の空洞部７を囲む領域には、信号配線部３とその周囲を被覆する絶縁材料からなる保護絶縁膜８を含む水平アドレス線/垂直信号線が形成されている。図２４では、水平アドレス線３ａで示しているが、Ａ−Ａ’線に垂直な断面では信号線は垂直信号線３ｂとなる。
【００７６】
この水平アドレス線３ａまたは垂直信号線３ｂには、信号線より内側で半導体基板４の空洞部７上に配置されるように、支持配線部２０とその周囲を被服する絶縁材料からなる保護絶縁膜８を含む支持部２が接続されている。
【００７７】
支持部２には半導体基板４の空洞部７上に支持されるように、検出セル１が接続されている。この検出セル１は、熱電変換部１０と、検出セル配線部１１と、それらの周囲を被覆する絶縁材料からなる保護絶縁膜８と、保護絶縁膜８にテーパー加工された検出セル貫通孔１２と、を含む。
【００７８】
具体的には、熱電変換部１０と検出セル配線部１１は、電気的に導通しているが、図２４では省略している。保護絶縁膜８は、赤外線吸収部の機能を兼ねており、二酸化シリコン、窒化シリコンなどの絶縁材料によって、単層または多層構造で形成されるが、図２４では簡略的に保護絶縁膜８とする。
【００７９】
素子全体は真空パッケージされ、検出セル１や支持部２の周囲および空洞部７の雰囲気は真空となっている。このように、半導体基板４から分離された検出セル１を真空中に置くことにより検出セル１の断熱性を向上させ、感度を高めるようにしている。
【００８０】
熱電変換部１０はｐｎ接合を有し、ｐｎ接合の順方向特性の温度依存性を利用し、電流または電圧一定の条件化で順方向電圧または電流の変化を読み出す。
【００８１】
次に、第３の実施形態の赤外線検出素子の製造工程の手順について説明する。なお、第１の実施形態の赤外線検出素子の製造工程を示す図５〜図７、図１２、第２の実施形態の赤外線検出素子の製造工程を示す図２１〜図２２と同様の製造工程の部分については、図面を省略する。
【００８２】
まず、図５に示すように、半導体基板４上に保護絶縁膜８を形成し、その上に熱電変換部１０と保護絶縁膜８を互いに隣接して形成する。半導体基板４としてSOI基板を用いた場合には、SOI基板の埋め込み酸化膜を保護絶縁膜８として用いてもよい。熱電変換部１０は、例えば単結晶シリコンを材料とするｐｎダイオードである。熱電変換部１０に隣接して形成される保護絶縁膜８は、例えば二酸化シリコンを材料とする素子分離領域として作用する。
【００８３】
次に、図６に示すように、基板前面に保護絶縁膜８を形成し、その上に金属膜などの導電性材料を形成してパターニングすることにより、信号配線部３、支持配線部２０、検出セル配線部１１を形成する。図６では信号配線部３、支持配線部２０、検出配線部１１は同層にて形成しているが、複数の工程に分けてそれぞれ異なる導電性材料や厚みなどにしても構わない。
【００８４】
次に、図７に示すように、半導体基板４上に保護絶縁膜８を形成する。この際、保護絶縁膜８は赤外吸収部の機能も兼ねるため、例えば赤外吸収率の高い材料を選択したり、屈折率の異なる材料による多層構造にしたりしても良い。赤外線吸収材料は、例えば、二酸化シリコン、窒化シリコン等の絶縁材料が用いられるが、この他に赤外線（８〜１４μｍ）に吸収感度を持つ材料でも良い。
【００８５】
次に、図８、図９に示すように、エッチングホール５を形成するためのフォトリソグラフィー工程が行われる。このときパターニングしたフォトレジスト９に熱処理を加えリフローさせることで、断面形状は下部に広がりをもつテーパー形状となる。リフロー処理以外にも、例えばフォトリソグラフィーの露光エネルギーや露光時間、焦点距離などの調整により、レジスト下部が広がりを持った断面形状を形成することが出来る。エッチングホール５と検出セル貫通孔１２のパターニングは同一工程で行われる。
【００８６】
次に、図１０、図１１に示すように、基板の一部に例えばRIE等の異方性エッチングによってエッチングホール５及び、検出セル貫通孔１２を形成し、半導体基板４の表面を露出させる。上記エッチングにより、検出セル１が形成される領域と、支持部２が形成される領域とが互いに分離して形成される。
【００８７】
次に、図２１、図２２に示すように、支持部２の熱コンダクタンスを低減させるためと検出セルトレンチ１３を形成するためのパターニングを行い、RIE等の異方性エッチングを行うと、支持部２は深さ方向に削られ、検出セル１の上面にテーパーを有する検出セルトレンチ１３が形成される。
【００８８】
次に、図１２に示すように、エッチングホール５の底面から半導体基板４を徐々にエッチングし、空洞部７を形成する。この工程に用いられるエッチング液として、例えばTMAHやKOH等の異方性エッチング溶液が用いられる。
【００８９】
ここで、第３の実施形態の赤外線検出素子では、検出セル貫通孔１２と検出セルトレンチ１３を併用して作製することで、検出セル１の熱容量の大幅な低減が可能となる。
【００９０】
また、第３の実施形態の赤外線検出素子では、熱容量が大幅に低減され、例えば支持部２の熱コンダクタンスを大幅に低減することが可能となり、感度を大幅に向上させることができる。
【００９１】
以上、第３の実施形態の赤外線検出素子では、赤外線検出セル内にテーパー形状を持つ貫通孔とトレンチを形成することにより、従来の赤外線検出セルと同等の吸収効率を持ちながら、熱容量を小さくすることが可能となる。
【００９２】
また、第３の実施形態の赤外線検出素子では、従来と同感度を持ちながらセンサの応答速度の高速化が可能となり、さらに、従来と同じ応答速度を持ちながら赤外線吸収層の厚膜化による吸収率の向上や、支持脚のスリム化による熱コンダクタンスの向上による感度増加が可能となる。
【００９３】
また、第３の実施形態の赤外線検出素子では、従来のエッチングホール形成時のマスクパターン変更のみで対応できることから、コスト増加や歩留まり低下の懸念が無い。
【００９４】
さらに、第３の実施形態に係る赤外線検出素子では、空洞化を形成する際に、検出セル貫通孔１２を設けることで、従来は検出セル１の周辺部のエッチングホール５より半導体基板のエッチングが進行していたものに対し、検出セル貫通孔１２からもエッチングが進行するため、エッチング処理時間を大幅に短縮することができ、空洞化不良の低減やコスト低下も得られる。
【００９５】
以上述べた少なくともひとつの実施形態の赤外線検出素子によれば、犠牲層等の複雑な工程を必要としない従来構造の赤外線センサ素子に比べ、プロセス工程の追加をせずに、赤外線センサ素子の熱容量を低減できる。このとき、実施形態の検出セル構造にすることで、赤外線センサ素子の感度低下を回避できるため、応答特性の高速化が実現できる。また、応答特性の低下を懸念して実施不可だった熱コンダクタンスの低減が本発明の検出セル構造によって可能となり、応答特性の低下なく、感度向上が実現できる。
【００９６】
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。例えば、各実施の形態では、検出セル貫通孔や検出セルトレンチは四角形で表記しているが、円形や三角形等の半導体プロセスにて作製可能な範囲であれば形状は問わない。また、各実施の形態では、検出セル貫通孔や検出セルトレンチは規則的な配置にて表記しているが、アレイ状に配置された赤外線センサ素子の全てのパターンが同一であれば、検出セル貫通孔や検出セルトレンチは不規則なパターンでも構わない。
【００９７】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００９８】
１…検出セル
２…支持部
３…信号線配線部
３a…水平アドレス線
３b…垂直信号線
４…半導体基板
５…エッチングホール
７…空洞部
８…保護絶縁膜
９…フォトレジスト
１０…熱電変換部
１１…検出セル配線部
１２…検出セル貫通孔
１３…検出セルトレンチ
２０…支持配線部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に空洞部が設けられた半導体基板と、
前記半導体基板の前記空洞部を囲む領域に形成された信号配線部と、
前記信号配線部に接続され、前記信号配線部より内側であって前記空洞部よりも上側に配置された支持部と、
前記支持部に接続され、前記支持部よりも内側であって前記半導体基板の前記空洞部よりも上側に支持され、熱電変換部と、吸収層と、が順次積層されている検出セルと、を備え、
前記吸収層に、上部が広がった形状である複数の孔を設けた
ことを特徴とする赤外線検出素子。
【請求項２】
前記孔の一部は、前記吸収層を貫通していることを特徴とする請求項１記載の赤外線検出素子。
【請求項３】
前記孔の一部が前記吸収層を非貫通であって、前記孔の底部が、前記吸収層内の前記信号配線部の上部に位置することを特徴とする請求項１記載の赤外線検出素子。
【請求項４】
前記孔は、貫通している第１の孔と、底部が前記吸収層内の前記信号配線部の上部に位置している第２の孔と、をそれぞれ有することを特徴とする請求項１記載の赤外線検出素子。
【請求項５】
前記支持部の高さが、前記信号配線部又は前記検出セルの高さよりも低いことを特徴とする請求項１記載の赤外線検出素子。
【請求項６】
前記孔の上部の直径が、１５μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項５記載の赤外線検出素子。
【請求項７】
前記孔の上部に広がった形状のテーパー角が、４５°以上９０°以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項５記載の赤外線検出素子。
【請求項８】
前記孔の下部の直径が、前記孔が隣り合う距離よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至請求項５記載の赤外線検出素子。
【請求項１】
表面に空洞部が設けられた半導体基板と、
前記半導体基板の前記空洞部を囲む領域に形成された信号配線部と、
前記信号配線部に接続され、前記信号配線部より内側であって前記空洞部よりも上側に配置された支持部と、
前記支持部に接続され、前記支持部よりも内側であって前記半導体基板の前記空洞部よりも上側に支持され、熱電変換部と、吸収層と、が順次積層されている検出セルと、を備え、
前記吸収層に、上部が広がった形状である複数の孔を設けた
ことを特徴とする赤外線検出素子。
【請求項２】
前記孔の一部は、前記吸収層を貫通していることを特徴とする請求項１記載の赤外線検出素子。
【請求項３】
前記孔の一部が前記吸収層を非貫通であって、前記孔の底部が、前記吸収層内の前記信号配線部の上部に位置することを特徴とする請求項１記載の赤外線検出素子。
【請求項４】
前記孔は、貫通している第１の孔と、底部が前記吸収層内の前記信号配線部の上部に位置している第２の孔と、をそれぞれ有することを特徴とする請求項１記載の赤外線検出素子。
【請求項５】
前記支持部の高さが、前記信号配線部又は前記検出セルの高さよりも低いことを特徴とする請求項１記載の赤外線検出素子。
【請求項６】
前記孔の上部の直径が、１５μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項５記載の赤外線検出素子。
【請求項７】
前記孔の上部に広がった形状のテーパー角が、４５°以上９０°以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項５記載の赤外線検出素子。
【請求項８】
前記孔の下部の直径が、前記孔が隣り合う距離よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至請求項５記載の赤外線検出素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【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２３】
【図２４】
【公開番号】特開２０１２−５８２１２（Ｐ２０１２−５８２１２Ａ）
【公開日】平成２４年３月２２日（２０１２．３．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２０４７９８（Ｐ２０１０−２０４７９８）
【出願日】平成２２年９月１３日（２０１０．９．１３）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月２２日（２０１２．３．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月１３日（２０１０．９．１３）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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