JP2008051522A - 熱型赤外線検出装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 検出素子の支持体としてマイクロエアブリッジ構造体を有し、感度の向上、特性劣化の改善、チッピング不良の改善を図った熱型赤外線検出装置、およびその製造方法を得る。
【解決手段】 熱型赤外線検出装置のセンサ部は、ＳＯＩ基板２７上にＩＣＰドライエッチングプロセスによってマイクロエアブリッジ構造体１１を形成し、その活性領域１２に複数のｐｎ接合ダイオードからなる半導体ダイオード部１８を形成し、その上面に金属反射膜１５および赤外線吸収層１４を順に設ける。前記金属反射膜１５は、ｐｎ接合ダイオードの特性劣化の改善のためのアニール時の発熱体として用いると共に、照射赤外線を前記赤外線吸収層１３に集光して感度を高める反射膜としても使用する。また前記センサ部を有するウェハの切断線上の配線には基板内部に設けた拡散抵抗配線３３、３４を用い、金属薄膜による配線を追放することで切断時のチッピング不良を解決する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、基板面にシリコン微細加工技術を応用して形成されたマイクロエアブリッジ構造体を有する赤外線検出装置に関するもので、特に前記基板がＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板からなる熱型赤外線検出装置およびその製造方法に関する。

対象物体が発する赤外線を検出する方式の一つに熱型赤外線検出装置があり、この方式では検出素子として半導体ダイオードが用いられる場合が一般的である。同装置の構成、およびその動作原理について以下に説明する。半導体ダイオードを用いた熱型赤外線検出装置は、一般に基板上に形成された半導体ダイオード部に順方向バイアス電流を印加したものである。この半導体ダイオード部を含む領域に外部から赤外線が照射されると、温度依存性を持つ半導体ダイオード部の順方向の抵抗値が、照射光の吸収による温度上昇によって変化する。この変化を利用し、前記バイアス電流の変化を測定することによって、その赤外線照射量を定量的に検出する機器が熱型赤外線検出装置である。

熱型赤外線検出装置においては、半導体ダイオード部が設置される活性領域を周辺領域から熱的に分離することと、この活性領域の熱容量が小さく熱応答性が高いことの２点が重要である。このような構造としては、前記活性領域を周辺領域から溝構造を設けて空中に浮かせ、熱伝導率の低い複数のビームによって支えられた構成が好適であり、このような形状はマイクロエアブリッジ構造体と呼ばれている。このマイクロエアブリッジ構造体は熱応答性に優れているため、熱型赤外線検出装置やガス検知装置、流速センサ等に採用されている。

以下、図６（ａ）および図６（ｂ）に基づき従来の熱型赤外線検出装置について説明する。図６（ａ）は基板面に形成された従来の熱型赤外線検出装置の構成素子の例を上方から見た図であり、図６（ｂ）はそのＸ−Ｘ’における断面図である。図６（ａ）の中央には基板内に設けられ、下部に空隙６３を有する活性領域５２があり、その周囲には計４ヶ所の溝６２が設けられて周辺領域６１から分離されている。活性領域５２は４本のビーム部６０よって支持され、マイクロエアブリッジ構造体５１を構成している。

ここで、前記マイクロエアブリッジ構造体５１には、ｐ型半導体とｎ型半導体とが接合された複数の半導体ダイオード部５８が形成され、前記半導体ダイオード部５８は金属薄膜配線６５によって取り出し電極７２に接続されている。半導体ダイオード部５８の上面には、赤外線吸収層５３（不透明な層であるが、図では透明体として表示）が設けられており、照射する赤外線を熱に変換して半導体ダイオード部５８を昇温させる。この温度変化による半導体ダイオード部５８の順方向抵抗値の変化を周辺回路にて検出する。また、周囲の温度情報が必要な場合には、前記活性領域５２から溝６２を挟んだ外側の周辺領域６１の一部に半導体ダイオード部５９を形成しておき、その最上面に金属遮蔽膜６６を設けて入射する照射赤外光線に対して不感な領域を設定し、前記半導体ダイオード部５９のバイアス電流の順方向抵抗値を計測すればよい。なお前記金属遮蔽膜６６の材質としては金が好適である。

前記基板にマイクロエアブリッジ構造体を形成するためにはＳＯＩ基板の使用、およびＭＥＭＳ技術の採用が適している。図６をもとに説明した従来の熱型赤外線検出装置も、ＳＯＩ基板６７の面内に形成した場合を示したものである。一般に基板内にマイクロエアブリッジ構造を形成するには、ドライエッチング方式もしくはウェットエッチング方式のいずれかが用いられるが、ウェットエッチング方式では基板結晶への格子欠陥によるダメージがほとんど無いという特徴があるものの、基板内に溝や空隙などの高さのある構造を形成するためには、基板の厚さに対して開口面積を大きくしなければならないという問題がある。この結果、基板上に形成する半導体ダイオード部のチップサイズを大きくしなければならず、センサの検出感度を改善するためにビームを細くしたい場合や１つの素子のサイズをより小さくしたい場合にはデザインに制約が生じることになる。

一方、ドライエッチング方式は、シリコン基板の面方位に関わらず垂直微細加工が可能で、かつマスクパターンに忠実な加工が可能である。この場合には、ＳＯＩ基板を用い、さらにＭＥＭＳ技術を応用することで基板ウェハを貫通する溝構造を形成することが可能である。マイクロエアブリッジ構造体を形成する場合には、ＳＯＩ基板のＢＯＸ層をエッチングストップ層として用いることで、活性領域を残存させることができる。このことから、マイクロエアブリッジ構造体の形成にはＳＯＩ基板を用いてドライエッチング方式にて作製し、さらにＭＥＭＳ技術を応用する方法が好適といえる。ドライエッチング方式の中ではＢＯＳＣＨプロセスと呼ばれるＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma：誘導結合プラズマ）ドライエッチングが用いられる。

特許文献１には、ＳＯＩ基板に溝構造を形成し、エッチングストップ層としてのＢＯＸ層（埋め込み絶縁層）を活用してマイクロエアブリッジ構造体を形成し、複数の半導体ダイオード構造を有する熱型赤外線検出装置を構成した場合の例が開示されている。このようなＳＯＩ基板の使用およびＭＥＭＳ技術の応用による熱型赤外線検出装置では、従来より以下の改善が試みられてきた。

第１の改善点は、熱型赤外線検出装置の感度の向上である。照射赤外線を吸収して熱に変換する赤外線吸収膜は、マイクロエアブリッジ構造体の小熱容量、高熱応答性を実現するために薄くする必要があり、一般に厚さが１μｍ以下もしくは数μｍである。そのため照射した照射赤外線の一部は吸収されずに前記赤外線吸収膜を透過してしまい、検出装置の感度が低下する原因となる。特許文献２には、この解決方法の一例が示されており、これによるとＳＯＩ基板を含む熱型赤外線検出装置の素子全体を反射面を有する金属反射体の上に設置することで、前記素子を透過した照射赤外線を前記反射面にて反射させて、もう一度前記素子に照射させる構成となっている。

第２の改善点は、ウェハ内に多数（例えば６インチウェハを用いる場合には、一般に２０００個程度の素子を一括形成する）形成された熱型赤外線検出装置の素子のダイシング（切り離し）工程において、その切断線を跨いで金属薄膜配線が設けられている場合、ＳＯＩ基板や赤外線吸収膜との物理特性の相違によってその位置でチッピング不良（欠け）が発生し、結果として熱型赤外線検出装置の歩留まりの低下や素子の損傷、剥離したシリコン片の再付着の問題が発生することである。これは、切断時に金属薄膜配線を構成する粘性のある金属がブレード（ダイシング刃）にからみ、その目詰まりを誘発するために生じると考えられている。非特許文献１には、この解決方法が提案されている。この方法は、ウェハ上に形成されるＬＳＩの検査用のプローブの製造時のダイシング工程に関して論じられたものであるが、実質的に本発明の課題である熱型赤外線検出装置の素子のダイシングにも適用可能である。

非特許文献１によると、（１）切断部の金属薄膜配線を薄くする、（２）ブレード（ダイシング刃）の幅を細くする、（３）ブレードの進行速度を遅くする、（４）高粒度のブレードを使用する、という方法により、ダイシング時の不良率を低減することが可能であるとしている。

特開２００３−２５４８２９号公報 特開２０００−３５６５４４号公報 難波入三、根津裕一、「マイクロデバイスのダイシング方法の検討」、電気学会論文誌Ｅ（センサ・マイクロマシン準部門誌）、社団法人電気学会、２００４年２月、Ｖｏｌ.１２４−Ｅ、Ｎｏ.２、Ｐ.３７−４２

熱型赤外線検出装置を作製するためにＩＣＰドライエッチングを用い、さらにＭＥＭＳ技術を応用してＳＯＩ基板に溝構造や空隙を設け、マイクロエアブリッジ構造体を形成する上述の従来の方法においては、以下の３点の課題があった。

第１の課題は、熱型赤外線検出装置の感度のさらなる向上であり、これは特許文献２にて改善が試みられた課題である。特許文献２にて開示された方法では、赤外線吸収膜を透過した照射赤外線が前記マイクロエアブリッジ構造体を形成するＳＯＩ薄膜層やＢＯＸ層を一度透過した後でその下部の空隙を経て前記金属反射体に達し、そこで反射されて再びＢＯＸ層やＳＯＩ薄膜層を透過した後に赤外線吸収膜に至る。しかし、この場合にはＳＯＩ薄膜層やＢＯＸ層において透過した照射赤外線のかなりの割合が減衰してしまうことになり、結果として十分な感度の向上を得ることができなかった。

第２の課題は、熱型赤外線検出装置の特性の劣化の改善である。一般にＩＣＰドライエッチングのプロセスが用いられる場合には、量産時には工程の変動要素による不具合が発生する場合がある。具体的には処理バッチ間のシステムの差異や、装置コンディションの変化、処理条件のプロセスマージン等の要因により、プラズマ照射に起因して素子の特定部位にチャージアップが発生して素子特性に劣化が生じる。この劣化は、温度検出用の半導体ダイオード素子であるｐｎ接合ダイオードにおいては電気特性においてＩ−Ｖ（順電流−バイアス電圧）特性がグラフ上で左方向にシフトする変化として現れる。

図７に、このような特性劣化が生じた場合の半導体ダイオード部の一般的なＩ−Ｖ特性の実測データ例のグラフを示す。ＩＣＰドライエッチングを実施し、マイクロエアブリッジ構造体を形成した状態でのＩ−Ｖ特性では、バイアス電圧が０．９Ｖ以下の領域において２０ｎＡ程度の弱いリーク電流が観測される。一般に、ｐｎ接合ダイオードを整流素子として用いる場合にはこの程度の特性変動は問題にならないが、本発明のように熱電変換素子として用いる場合には、一定の温度の場合に赤外光の入力がない状態での出力値が変わることは、熱電変換素子であるダイオードの順方向バイアス電流における基準点がずれる一因となる。この基準点のずれは、温度換算を行う場合に無視できない要因となるため、Ｉ−Ｖ特性がＩＣＰドライエッチングの実施前と同等程度の直線性を有するように改善する必要がある。

第３の課題は、熱型赤外線検出装置の素子のダイシング工程における、チッピング不良（欠け）の改善であり、非特許文献１にて改善が試みられた課題である。非特許文献１においては、計４項目のダイシング条件の改良方法を組み合わせることによって歩留まりを改善しているが、この中の切断部の金属薄膜配線を薄くする改良は、その配線領域での抵抗値の増加や流すことのできる電流量の制限など、回路のデザインに新たに制約を加えることになるという欠点を有しており、またブレードの幅を細くする、切断時のブレードの進行速度を遅くする、もしくは高粒度のブレードを使用するという改良は、使用するダイシングブレードのコスト増やそれに伴う切断工程の所要時間の増加を招くことにつながる。

本発明の課題は、熱型赤外線検出装置の感度のさらなる向上、半導体ダイオード素子の順方向バイアス電流におけるＩ−Ｖ特性の直線性の改善、およびダイシング工程におけるチッピング不良の改善を実現した熱型赤外線検出装置、およびその製造方法を提供することである。

前記第１および第２の課題の解決のために、半導体微細加工技術を用いてＳＯＩ基板上に形成した半導体ダイオード部に所定の一定順方向バイアス電流を印加して、該半導体ダイオード部の順方向特性変化からその温度を知るようにした熱型赤外線検出装置において、赤外線吸収膜の下側、半導体ダイオード部を内部に有するマイクロエアブリッジ構造体の上面に前記半導体ダイオード部とは電気的に絶縁された金属反射膜を設け、前記赤外線吸収膜を透過した照射赤外線がこの金属反射膜にて反射されて再び前記赤外線吸収膜に達する構造とする。前記の従来例とは異なり、下方から赤外線吸収膜に再び入射する照射赤外線は、マイクロエアブリッジ構造体を構成するＳＯＩ薄膜層やＢＯＸ層を透過していないためにそこでの減衰がなく、そのため従来例に比べて赤外線吸収膜による吸収率をより高めて検出感度を更に向上させることができる。

また、この金属反射膜は、前記半導体ダイオード部のアニール処理のために用いることができる。図７をもとに説明したように、ＩＣＰドライエッチングのプロセスにおけるプラズマ照射に起因して素子の特定部位にチャージアップが発生して素子特性に劣化が生じる場合には、一般に拡散炉などを用いた素子のアニール処理を適切に実施することによって特性の改善を図ることができる。本発明では、周辺領域の熱容量と比較して活性領域の熱容量が極めて小さいため局所的に暖め易いというマイクロエアブリッジ構造体の特徴と、その上面に金属反射膜が形成されていることに着目し、前記金属反射膜を金属薄膜配線と見なし、そこに一定量の電流を印加して発熱体とすることで、発生するジュール熱によって前記半導体ダイオード部に対して局所的にアニール処理を行う。

前記金属反射膜は、検出素子である半導体ダイオード部およびその素子に接続される薄膜配線とは電気的に絶縁されているだけではなく、発熱体として作用するための適切な抵抗値を有し、前記ＳＯＩ薄膜層と前記赤外線吸収膜との間の層に形成される。また、活性領域全体への不用意な熱伝導を抑制するために、前記金属反射膜のうちで前記マイクロエアブリッジ構造体の半導体ダイオード部の近傍のみにアニール用の通電領域を設け、それ以外の領域とは絶縁されるように形成してもよい。

さらに、前記の電流印加によるアニール処理において、前記金属反射膜の一部に意図的に高抵抗の領域を形成しておくことで、一定量の電流印加によりこの領域が断線することを利用してアニール処理を自己整合的に終了させることができる。これは、前記金属反射膜の一部に幅の狭い領域を設けることで構成可能である。例えば、アニールの設計配線幅に対して１〜２割程度幅を狭くした高抵抗の配線部を設けるならば、その領域に電圧降下が集中することなく、かつ意図的にその領域に断線を発生させることができる。実際には、マイクロエアブリッジ構造体上での金属反射膜の電流印加による断線は、その部位および形状によって発生する条件が大きく異なるため、意図的に幅を狭くする割合や位置については熱型赤外線検出装置の素子のデザイン毎に実際にサンプルを作成し、実験を重ねて最適な条件を個別に見出す必要がある。

さらに、前記第３の課題の解決のために、本発明の熱型赤外線検出装置の構成素子を切り離すためのダイシング工程において、切断線上に金属薄膜配線を設けずに、その部分の電気配線はＳＯＩ基板内部のＳＯＩ薄膜層に設けた不純物拡散抵抗配線を用いることとする。前記の電流印加によるアニール処理を行うためには基板上の各構成素子を電気的に接続して、一括して規程の電流を各構成素子に通電する方法が好適であるが、そのためには前記切断線を跨いで各構成素子の間を互いに電気的に接続する必要がある。この接続に金属薄膜からなる回路構成を採用すると、チッピングの増加を防ぐために前述のようにダイシングブレードのコスト増や切断工程の所要時間の増加を招くことになるので、金属薄膜配線自体を切断線上から追放することが本発明における解決手段である。なお、不純物拡散抵抗配線の領域の形成は、前記ＳＯＩ薄膜層に半導体ダイオード部を形成する際に同一工程にて実施することが可能であるため、熱型赤外線検出装置の作製において特段の工程増をもたらすものではない。

即ち、本発明は、マイクロエアブリッジ構造体を有する熱型赤外線検出装置において、前記構造体がＳＯＩ基板内部に形成され、前記構造体の上部に複数のｐｎ接合ダイオードからなる半導体ダイオード部が設けられると共に、前記半導体ダイオード部の上面に赤外線吸収層が配置され、前記赤外線吸収層は赤外線吸収膜および金属反射膜からなり、前記金属反射膜は前記半導体ダイオード部とは電気的に絶縁され、前記金属反射膜および前記赤外線吸収膜が、前記半導体ダイオード部の側から順に配置されていることを特徴とする熱型赤外線検出装置である。

また、本発明は、前記金属反射膜の近傍に副反射膜が設けられ、前記副反射膜は前記金属反射膜と電気的に絶縁されており、前記赤外線吸収膜および前記金属反射膜が、前記半導体ダイオード部の側からまず前記金属反射膜および前記副反射膜、次いで前記赤外線吸収膜の順に配置されたことを特徴とする熱型赤外線検出装置である。

さらに、本発明は、前記金属反射膜および／または副反射膜の少なくとも一部が、金属箔による渦巻き状の細線構造からなることを特徴とする熱型赤外線検出装置である。

さらに、本発明は、前記金属反射膜の一部に相対的に抵抗値の高い配線部を形成した構成とすることを特徴とする熱型赤外線検出装置である。

さらに、本発明は、前記金属反射膜および／または前記副反射膜の少なくとも一部の断面における側面の形状が、順テーパー状をなすことを特徴とする熱型赤外線検出装置である。

さらに、本発明は、前記金属反射膜および／または前記副反射膜に用いられる金属材料が純Ａｌ、Ａｌ合金、Ｃｒ、Ａｕ、Ｔｉから選択されてなることを特徴とする熱型赤外線検出装置である。

さらに、本発明は、前記マイクロエアブリッジ構造体の外側の周辺領域の一部に半導体ダイオード部を形成し、前記半導体ダイオード部の上面に、金属反射膜、赤外線吸収膜、最上面に金属遮蔽膜による不感領域を順に設けてなる、周囲温度の測定機構を具備したことを特徴とする熱型赤外線検出装置である。

さらに、本発明は、前記マイクロエアブリッジ構造体の上部に設けられた半導体ダイオード部、および前記半導体ダイオード部の上面に設けられた前記金属反射膜には共に配線手段が設けられており、前記配線手段のうち、熱型赤外線検出装置の製作時の前記ＳＯＩ基板を互いに切り離す工程において、前記周辺領域の外縁のダイシング刃が切断するダイシングライン領域を跨いで接続されている部分の前記配線手段が、前記ＳＯＩ基板内部のＳＯＩ薄膜層に形成された不純物拡散抵抗配線により実施されたことを特徴とする熱型赤外線検出装置である。

さらに、本発明は、前記配線手段の中で、前記マイクロエアブリッジ構造体と前記周辺領域とを接続するビーム部に設けられた配線手段が、前記ＳＯＩ基板内部のＳＯＩ薄膜層に形成された不純物拡散抵抗配線、および／または前記ＳＯＩ薄膜層の上面に絶縁手段を介して形成された金属薄膜により実施されたことを特徴とする熱型赤外線検出装置である。

さらに、本発明は、前記マイクロエアブリッジ構造体と前記周辺領域を接続するビーム部に、前記ＳＯＩ基板内部のＳＯＩ薄膜層に形成された不純物拡散抵抗配線と、前記ＳＯＩ薄膜層の上面に絶縁手段を介して形成された金属薄膜の、２種類の電気的配線手段が共に配設されてなることを特徴とする熱型赤外線検出装置である。

さらに、本発明は、ＳＯＩ基板内部のＳＯＩ薄膜層に複数のｐｎ接合ダイオードからなる半導体ダイオード部を形成配置すると共に、前記半導体ダイオード部の上面に、前記半導体ダイオード部とは電気的に絶縁された、赤外線吸収膜および金属反射膜を順に配置してなる赤外線吸収層を各々形成し、前記金属反射膜が、電流印加のための電極、および／または前記ＳＯＩ基板面に設けられた他の金属反射膜と、互いに電気的に接続されるための配線手段を形成し、前記配線手段のうち、少なくとも前記ＳＯＩ基板面の切断時にダイシングラインとなる領域を跨いで電気的に接続する部分の配線手段が、前記ＳＯＩ基板内部のＳＯＩ薄膜層に形成した不純物拡散抵抗配線であり、前記各半導体ダイオード部にはマイクロエアブリッジ構造体を形成することを特徴とする熱型赤外線検出装置の製造方法である。

さらに、本発明は、前記金属反射膜の配線手段として、前記ＳＯＩ基板内部のＳＯＩ薄膜層に不純物拡散抵抗配線を形成する工程を、前記ＳＯＩ基板内部のＳＯＩ薄膜層に複数のｐｎ接合ダイオードからなる半導体ダイオード部を形成配置する工程と同一工程によって実施することを特徴とする熱型赤外線検出装置の製造方法である。

さらに、本発明は、前記金属反射膜の配線手段として、前記ＳＯＩ基板内部のＳＯＩ薄膜層に不純物拡散抵抗配線を形成する工程の後に、追加の不純物拡散工程を設けて前記不純物拡散抵抗配線の濃度の調整を行うことを特徴とする熱型赤外線検出装置の製造方法である。

さらに、本発明は、前記ＳＯＩ基板に形成される、前記マイクロエアブリッジ構造体を有する複数の素子において、前記複数の素子の金属反射膜が、前記配線手段によって、電気的に互いに並列に接続されていることを特徴とする熱型赤外線検出装置の製造方法である。

さらに、本発明は、前記ＳＯＩ基板に形成される、前記マイクロエアブリッジ構造体を有する複数の素子において、前記ＳＯＩ基板内が複数の領域に分割され、各領域内に形成された前記複数の素子の金属反射膜が、前記配線手段によって、電気的に互いに並列に配線されていると共に、各領域間では電気的に互いに独立して電流印加が可能な配線構成であることを特徴とする熱型赤外線検出装置の製造方法である。

さらに、本発明は、前記ＳＯＩ基板内の分割された領域の形状を、複数の同心円状、もしくは各同心円状の領域をさらに複数に分割した形状とすることを特徴とする熱型赤外線検出装置の製造方法。

さらに、本発明は、前記配線手段を用いて前記金属反射膜に電流を印加してジュール熱を発生させ、それにより前記複数の半導体ダイオード部に対し局所的にアニール処理を実施すると共に、前記金属反射膜の一部に予め相対的に抵抗値の高い配線領域を形成しておき、前記配線領域が前記アニール処理の際の所定の通電処理により断線することで、前記アニール処理が自己整合的に完了することを特徴とする熱型赤外線検出装置の製造方法である。

さらに、本発明は、前記ＳＯＩ基板が複数の領域に分割されており、前記領域ごとに異なる電流印加条件を予め設定しておくことにより、前記領域ごとにアニール処理の条件を変更して行うことを特徴とする熱型赤外線検出装置の製造方法である。

さらに、本発明は、前記ＳＯＩ基板が複数の領域に分割されており、前記相対的に抵抗値の高い配線領域の断線条件を前記領域ごとに予め異なる条件に設定しておくことにより、前記領域ごとにアニール処理の条件を変更して行うことを特徴とする熱型赤外線検出装置の製造方法である。

上述したように、本発明のＳＯＩ基板に設けられたマイクロエアブリッジ構造体を有する熱型赤外線検出装置によれば、赤外線吸収層の下部に半導体ダイオード部とは電気的に絶縁された金属薄膜配線を形成する。これにより、赤外線検出素子の作製時のＩＣＰドライエッチングのプロセスにおけるプラズマ照射に起因する、半導体ダイオード部のチャージアップによる素子特性の劣化を回復させるアニール処理を、前記金属薄膜配線に対する電流印加によるジュール熱によって直接施すことができる。同時に、この金属薄膜配線が、赤外線検出の際には照射赤外線の反射膜として機能することで、その上方にある赤外線吸収膜における照射赤外線の吸収効率を高めることが可能である。また、基板ウェハ面内での切断線上には金属薄膜配線を設けずに、代わりにＳＯＩ薄膜層内に不純物拡散抵抗配線を設けた構成とすることにより、ダイシング工程におけるチッピング不良の改善を実現することができる。

また、本発明によれば、温度検出用のｐｎ接合ダイオードである半導体ダイオード素子部の、順方向バイアス電流のＩ−Ｖ特性において電気特性を改善し、照射赤外線の検出感度を高め、同時に製造工程において不良発生を減少させる改善を実現した熱型赤外線検出装置の製造方法を提供することができる。

本発明の実施の形態による熱型赤外線検出装置およびその製造方法について、図１〜図５に基づいて説明する。

図１は、本発明における熱型赤外線検出装置の素子の構成を示す図で、ウェハ上の赤外線検出素子のチップの１単位分を上方から見た図である。図１において、ＳＯＩ基板２７の中央部に配設されたマイクロエアブリッジ構造体１１の上面に赤外線の受光領域である活性領域１２が設定され、同領域には赤外線吸収膜１４および金属反射膜１５からなる赤外線吸収層１３が設けられている。その下方には、層間絶縁膜１７を挟んで前記マイクロエアブリッジ構造体１１の内部に半導体ダイオード部１８が形成されている。半導体ダイオード部１８を構成する検出素子である複数のｐｎ接合ダイオードと、前記金属反射膜１５とは、前記層間絶縁膜１７によって電気的に絶縁されている。ここで、赤外線吸収膜１４は一般に不透明であるが、図１ではその下方に存在する金属反射膜１５等を表示するために透明体として記載している。

また、図２は、図１に示される実施例において、図１におけるＸ−Ｘ’、Ｙ−Ｙ’、Ｚ−Ｚ’の３ヶ所での断面図をそれぞれ示したものである。図２（ａ）に図１のＸ−Ｘ’、図２（ｂ）に図１のＹ−Ｙ’、図２（ｃ）に図１のＺ−Ｚ’の断面図をそれぞれ示す。図２（ａ）、図２（ｃ）において、マイクロエアブリッジ構造体１１の下方には空隙２３、両側方には溝２２が設けられており、また、図２（ｂ）に示すように、同領域は周辺領域２１からビーム部２０によって支持されている。

これらの構造は、ＳＯＩ基板２７に対してＩＣＰドライエッチング工程を実施することで作製され、マイクロエアブリッジ構造体１１は基板層３０をエッチングし、ＢＯＸ層である絶縁層２９がストップ層となることで形成される。層間絶縁膜１７の下部の一部、ビーム部２０上および周辺領域２１の一部には金属薄膜配線２５が形成され、ｐｎ接合を有する半導体ダイオード部１８、１９の接続に用いられている。ここで取り出し電極３２は、赤外線検出素子による実際の照射赤外線量の測定時に、半導体ダイオード部１８、１９に流れるバイアス電流の変化を検出するための端子である。なお、図１の周辺には、後述の拡散抵抗配線（Ｈｉｇｈ線）３３、および接地線である拡散抵抗配線（Ｌｏｗ線）３４を記載しているが、これら配線は、実際には層間絶縁膜１７などがその上に形成されているために上方からは見えない。

図１および図２において、前記金属反射膜１５は半導体ダイオード部１８のアニールのために適当な有限の抵抗値を有する必要があるため、一般には一様に広がる金属膜（ベタ膜）では不適当であり、図１では、このために適当な一例である渦巻き状の細線とした場合について図示している。この場合、金属反射膜１５は、その膜種、膜質等により決定される比抵抗ρ、および膜厚、線幅から決定される断面積と配線長さにより決まる有限の抵抗値を有する。ここで、半導体ダイオード部１８の温度上昇量は、雰囲気気体への発生ジュール熱の逃げを無視した場合には、印加電流と金属反射膜１５の抵抗値により決まる発熱量と、構造体の熱容量、熱コンダクタンスの値をもとに熱伝導方程式を解くことによってその概算値が求められる。しかし、実際には、アニールによる半導体ダイオード部１８のＩ−Ｖ特性の回復量と印加条件（印加電流、印加時間）との相間を実験的に調べ、求められた最適条件によるアニールを実施する方法が適当である。また、金属反射膜１５の一部には高抵抗配線部３５が設けられ、一定量の電流印加によるジュール熱の発生の後にこの部分が自己整合的に断線し、アニール処理を自動的に終了させることのできる構成としている。

金属反射膜１５の形状と配置については、少なくとも１本の直列配線抵抗が活性領域１２の領域に形成されていればよく、その幾何学的形状については規定されない。ただし、金属反射膜１５が赤外線吸収膜１４を透過した照射赤外線を上方に反射する役割を持つことを考慮すれば、活性領域１２の面積に対する金属反射膜１５の面積の合計（占有率）は高いほうが望ましいので、アニール処理には寄与しない副反射膜１６を挿入して反射膜の設けられている領域の面積を増加させることは、熱型赤外線検出装置の感度の向上のために有効である。

また、金属反射膜１５および副反射膜１６の断面における側面の形状は、必ずしもマイクロエアブリッジ構造体１１に対して垂直である必要はなく、むしろ順テーパーの形状の方が好ましい。順テーパーを形成する斜面に入射した垂直入射光は、斜め方向に反射することになるので、結果として赤外線吸収膜１４内における光路長が長くなるからである。金属反射膜１５や副反射膜１６に用いられる金属材料としては金属薄膜であれば概ね機能するが、一般にＡｌ系薄膜（材質は純Ａｌ、Ａｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系のいずれでも可）が好適であり、他にＣｒ薄膜やＡｕ薄膜、Ｔｉ薄膜等を用いてもよい。金属反射膜１５として上記Ａｌ系材料によるＡｌスパッタ薄膜を採用する場合は一般的な半導体のドライエッチングプロセスを適用できるため、例えばＬ／Ｓ（ラインアンドスペース）パターンピッチとして、Ｌ＝１．５μｍ、Ｓ＝０．５μｍ、厚さ＝Ｔｙｐ．０．３μｍの金属反射膜１５を容易に形成可能である。

なお、システム設計上、周囲の温度情報が必要な場合には、活性領域１２から溝２２を挟んで外側の周辺領域２１の一部に半導体ダイオード部１９を形成しておき、その最上面に金属遮蔽膜２６（金が好適）を別工程にて成膜して、入射する照射赤外光線に対して不感な領域を設け、前記半導体ダイオード部１９のバイアス電流の順方向抵抗値を計測することで測定が可能である。この場合に前記金属反射膜１５をこの周辺領域に設けておけば、この装置はＳＯＩ基板２７の下方から侵入する赤外線（迷光）を赤外線吸収膜１４に対して下方に反射する機能を持つことになり、結果として赤外線吸収膜１４はその両側から前記金属遮蔽膜２６と前記金属反射膜１５とにより包み込まれることになるので、周囲温度の検出精度も副次的に向上することとなる。

図２（ａ）および図２（ｂ）に示されるように、不純物拡散プロセスにより、赤外線検出素子の周辺領域２１のＳｉからなるＳＯＩ薄膜層２８に埋め込み形成された拡散抵抗配線（Ｈｉｇｈ線）３３、および接地線である拡散抵抗配線（Ｌｏｗ線）３４は、金属反射膜１５から伸びてビーム部２０およびアニール電極３１を経由する金属薄膜配線２５にそれぞれ接続される。ここで、２本の拡散抵抗配線３３、３４は、複数のｐｎ接合ダイオードからなる半導体ダイオード部１８を作製する工程において、同一処理により形成することが好適であるが、この工程の後に追加の不純物拡散工程を設けてその濃度を調整することとしてもよい。また、その極性と濃度には留意する必要があり、Ｈｉｇｈ線とＬｏｗ線では互いに反対の極性（ｎ型とｐ型）を有する高濃度拡散抵抗とすることが理想ではあるが、同一極性とした場合でも適用可能である。なお製造時のアニールのための各赤外線検出素子への実際の電流印加は主に拡散抵抗配線３３、３４を用いて一括して行うために、前記アニール電極３１はアニール工程においてはとくに必要ではない。この電極は、各赤外線検出素子の切り離しの後でアニール処理の自己整合的な断線による終了が実際に行われているかどうかを検査する等の目的のために設けられている。

また、図に示した抵抗配線領域の全てを拡散抵抗のみで形成する必要は必ずしもなく、ダイシングブレードが実際に配線と交差するダイシングライン領域のみを拡散抵抗にて形成し、その他の部分は金属薄膜配線にて接続しても構わない。また、図１においては、計４ヶ所のビーム部を赤外線吸収膜１４のアニールの配線と半導体ダイオード部１８の結線のための配線に各々使い分けているが、そのいずれかを拡散抵抗配線とすることで、１本のビーム部に２種類の配線ラインを上下に分離して設けることも可能である。なお、本発明において、熱電変換素子である半導体ダイオード部１８を構成する多直列ｐｎ接合ダイオードを実際に形成する手段については、一般的な方法で行えば良い。例えば、特許文献１に記載されている方法を採用すれば良い。

図３は、図１に示した本発明による赤外線検出素子のチップをＳＯＩウェハ全面に配置した場合に、個々の金属薄膜配線２５を並列に接続するための方法を示したものである。例として、３×２の配列の場合を図示しているが、実際にはウェハの全面に相当数のチップが配置されている。この例では、不純物拡散プロセスにより形成された拡散抵抗配線３３、３４がダイシングライン領域の全域に配置されているが、ダイシング時にチッピングを防止して歩留まりを向上させるためには、少なくともウェハ内にてダイシングライン領域と交差する箇所については全て不純物拡散抵抗配線とするべきである。

また、ウェハ内に配置された各赤外線検出素子のチップどうしの結線については、全素子を互いに並列に接続しても構わないが、そうせずに任意の複数の領域に分割した上で、その内部の検出素子のチップどうしを互いに並列に接続すると共に、領域間では独立して電流印加が可能な構成としても良い。その場合は、領域ごとに検出素子のチップのアニールを独立に行うこととなる。例えば６インチウェハを用い、検出素子のチップが１ウェハあたり２０００チップ配置されているマスクデザインの場合には、前記２０００チップをすべて並列に接続しても構わないし、任意の複数の領域に分割した上で結線してもよい。

後者の場合は、アニール条件をウェハ内の領域ごとに変えて実施することができるが、このことは従来行われていたウェハ単位のアニール処理では実現不可能であった、本発明の利点の一つである。具体的には、ＩＣＰドライエッチングプロセスにおけるエッチングレートのウェハ面内でのばらつきにより、アニール処理条件を面内で変更したい場合などに有効である。なお、ウェハ内でのアニール処理条件の変更は、拡散抵抗配線を形成する際に用いられるマスク１枚のデザインを変更すればよいので、容易に変更可能である点も有利である。なお拡散抵抗配線部の抵抗値をさらに低抵抗化したい場合には、検出素子のチップの形成時に不純物拡散工程をさらに追加実施してもよい。

アニール処理においては適切な電源を用意し、並列接続された複数のチップに対してウェハ内の領域ごとに、もしくは複数領域に対して同時に電流を印加すればよい。その際の各チップにおける半導体ダイオード部の温度上昇量は、設計されたマイクロエアブリッジ構造体の熱容量と熱コンダクタンス、および周囲雰囲気によって決定されるため、印加する電流値を調整することによってその処理温度の制御が可能である。印加電流はＤＣ電流、ＡＣ電流、パルス電流のいずれでもよい。通常はＩＣＰドライエッチングプロセスにおける照射損傷の程度はウェハの半径方向に変化する傾向が強く、逆に円周方向にはあまり変化しないため、前記アニール処理のためのウェハ内での領域分割はウェハの半径方向に対して行うように設定し、この方向にアニール処理条件を変化させることが好適である。

なお、前記のアニール処理用電源としては、定電流印加が可能な方式のものが好適である。定電圧電源も使用可能であるが、一般に金属薄膜はその抵抗値に負の温度係数を持つことから、その場合は熱暴走に対する注意が必要である。また、アニール処理中の雰囲気は任意に選択可能であり、窒素もしくはアルゴン雰囲気が適当であるが、大気中でも実施可能である。完成後に赤外線検出素子として動作する際には、この金属薄膜は照射赤外線の金属反射膜として作用する。また、前述のように断線によるアニール処理の自動終了を実現する目的で金属薄膜の一部には意図的に高抵抗の領域が設けられている。この構成は金属反射膜の中にその幅を他の細線部より更に１〜２割狭くした細線部を設けることで実現可能であるが、実際の形状や部位などの実施条件は実験を重ねて決定する必要がある。

また、図４は、本発明の基本駆動検出回路の一例であり、定電圧駆動で動作する。線源を図示しない照射赤外線４１の入射によって活性領域の温度が変化すると、図にＲと記した複数のｐｎ接合ダイオード４３ａ、４３ｂからなる半導体ダイオード部４３の順方向抵抗値が変動する。これにより電源４２から供給される電流値が自然対数的に変化することを固定抵抗４４を備えたオペアンプ４５にて検出し、電圧出力４６を得る。なおオペアンプ４５を定電流駆動させる場合には、その電圧値により１次式的な変化が得られる。

さらに、図５は、本発明におけるウェハ内に形成された半導体ダイオード部のＩ−Ｖ（順電流−バイアス電圧）特性が前記アニール処理によって回復することを示すグラフである。図７に示したように、ｐｎ接合ダイオードのＩ−Ｖ特性はＳＯＩ基板内にマイクロエアブリッジ構造体を形成するために施すＩＣＰドライエッチングプロセスなどにより大きく劣化するが、金属薄膜配線に電流を印加してジュール熱を発生させるアニール処理によって、ごく一部の低電流領域を除いてほぼ完全に回復することがこのグラフから分かる。これは従来の拡散炉等によるアニール処理と同等の熱処理効果を有するものであり、熱型赤外線検出装置の赤外線検出素子としては十分な特性である。

本発明の熱型赤外線検出装置は、非接触体温計や人体の検出、防犯装置、安全システム等、赤外線を検出する用途に利用できる。

本発明の実施の形態における熱型赤外線検出装置の素子の構成を示し、ウェハ上の赤外線検出素子のチップの１単位分を上方から見た図。 本発明の実施の形態における熱型赤外線検出装置の素子の構成を示す図、図２（ａ）は、図１におけるＸ−Ｘ’断面図、図２（ｂ）は、図１におけるＹ−Ｙ’断面図、図２（ｃ）は、図１におけるＺ−Ｚ’断面図。 本発明の実施の形態のウェハ面内における赤外線検出素子のチップのレイアウトの例を示す図。 本発明の実施の形態における検出装置の基本駆動検出回路の一例を示す図。 本発明の実施の形態におけるウェハ内に形成された半導体ダイオード部におけるＩ−Ｖ（順電流−バイアス電圧）特性の、アニール処理の前後での変化を示すグラフ。 図６（ａ）は従来の熱型赤外線検出装置における一例の構成素子を上方から見た図、図６（ｂ）は図６（ａ）におけるＸ−Ｘ’断面図。 一般的な熱型赤外線検出装置の構成素子の半導体ダイオード部におけるＩ−Ｖ（順電流−バイアス電圧）特性の、ＩＣＰドライエッチングプロセスの前後での変化を示すグラフ。

符号の説明

１１ マイクロエアブリッジ構造体
１２ 活性領域
１３ 赤外線吸収層
１４ 赤外線吸収膜
１５ 金属反射膜
１６ 副反射膜
１７ 層間絶縁膜
１８、１９ 半導体ダイオード部
２０ ビーム部
２１ 周辺領域
２２ 溝
２３ 空隙
２５ 金属薄膜配線
２６ 金属遮蔽膜
２７ ＳＯＩ基板
２８ ＳＯＩ薄膜層
２９ 絶縁層
３０ 基板層
３１ アニール電極
３２ 取り出し電極
３３ 拡散抵抗配線（Ｈｉｇｈ線）
３４ 拡散抵抗配線（Ｌｏｗ線）
３５ 高抵抗配線部
４１ 照射赤外線
４２ 電源
４３ 半導体ダイオード部
４３ａ、４３ｂ ｐｎ接合ダイオード
４４ 固定抵抗
４５ オペアンプ
４６ 電圧出力
５１ マイクロエアブリッジ構造体
５２ 活性領域
５３ 赤外線吸収層
５８、５９ 半導体ダイオード部
６０ ビーム部
６１ 周辺領域
６２ 溝
６３ 空隙
６５ 金属薄膜配線
６６ 金属遮蔽膜
６７ ＳＯＩ基板
６８ ＳＯＩ薄膜層
６９ 絶縁層
７０ 基板層
７２ 取り出し電極

Claims (19)

1. マイクロエアブリッジ構造体を有する熱型赤外線検出装置において、前記構造体がＳＯＩ基板内部に形成され、前記構造体の上部に複数のｐｎ接合ダイオードからなる半導体ダイオード部が設けられると共に、前記半導体ダイオード部の上面に赤外線吸収層が配置され、
   前記赤外線吸収層は赤外線吸収膜および金属反射膜からなり、前記金属反射膜は前記半導体ダイオード部とは電気的に絶縁され、
   前記金属反射膜および前記赤外線吸収膜が、前記半導体ダイオード部の側から順に配置されていることを特徴とする熱型赤外線検出装置。
2. 前記金属反射膜の近傍に副反射膜が設けられ、
   前記副反射膜は前記金属反射膜と電気的に絶縁されており、
   前記赤外線吸収膜および前記金属反射膜が、前記半導体ダイオード部の側からまず前記金属反射膜および前記副反射膜、次いで前記赤外線吸収膜の順に配置されたことを特徴とする、請求項１に記載の熱型赤外線検出装置。
3. 前記金属反射膜および／または副反射膜の少なくとも一部が、金属箔による渦巻き状の細線構造からなることを特徴とする、請求項１または２のいずれか１項に記載の熱型赤外線検出装置。
4. 前記金属反射膜の一部に相対的に抵抗値の高い配線部を形成した構成とすることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の熱型赤外線検出装置。
5. 前記金属反射膜および／または前記副反射膜の少なくとも一部の断面における側面の形状が、順テーパー状をなすことを特徴とする、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の熱型赤外線検出装置。
6. 前記金属反射膜および／または前記副反射膜に用いられる金属材料が純Ａｌ、Ａｌ合金、Ｃｒ、Ａｕ、Ｔｉから選択されてなることを特徴とする、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の熱型赤外線検出装置。
7. 前記マイクロエアブリッジ構造体の外側の周辺領域の一部に半導体ダイオード部を形成し、
   前記半導体ダイオード部の上面に、金属反射膜、赤外線吸収膜、最上面に金属遮蔽膜による不感領域を順に設けてなる、周囲温度の測定機構を具備したことを特徴とする、請求項１ないし６のいずれか１項に記載の熱型赤外線検出装置。
8. 前記マイクロエアブリッジ構造体の上部に設けられた半導体ダイオード部、および前記半導体ダイオード部の上面に設けられた前記金属反射膜には共に配線手段が設けられており、
   前記配線手段のうち、熱型赤外線検出装置の製作時の前記ＳＯＩ基板を互いに切り離す工程において、前記周辺領域の外縁のダイシング刃が切断するダイシングライン領域を跨いで接続されている部分の前記配線手段が、前記ＳＯＩ基板内部のＳＯＩ薄膜層に形成された不純物拡散抵抗配線により実施されたことを特徴とする、請求項１ないし７のいずれか１項に記載の熱型赤外線検出装置。
9. 前記配線手段の中で、前記マイクロエアブリッジ構造体と前記周辺領域とを接続するビーム部に設けられた配線手段が、前記ＳＯＩ基板内部のＳＯＩ薄膜層に形成された不純物拡散抵抗配線、および／または前記ＳＯＩ薄膜層の上面に絶縁手段を介して形成された金属薄膜により実施されたことを特徴とする、請求項８に記載の熱型赤外線検出装置。
10. 前記マイクロエアブリッジ構造体と前記周辺領域を接続するビーム部に、
    前記ＳＯＩ基板内部のＳＯＩ薄膜層に形成された不純物拡散抵抗配線と、前記ＳＯＩ薄膜層の上面に絶縁手段を介して形成された金属薄膜の、２種類の電気的配線手段が共に配設されてなることを特徴とする、請求項９に記載の熱型赤外線検出装置。
11. ＳＯＩ基板内部のＳＯＩ薄膜層に複数のｐｎ接合ダイオードからなる半導体ダイオード部を形成配置すると共に、
    前記半導体ダイオード部の上面に、前記半導体ダイオード部とは電気的に絶縁された、赤外線吸収膜および金属反射膜を順に配置してなる赤外線吸収層を各々形成し、
    前記金属反射膜が、電流印加のための電極、および／または前記ＳＯＩ基板面に設けられた他の金属反射膜と、互いに電気的に接続されるための配線手段を形成し、
    前記配線手段のうち、少なくとも前記ＳＯＩ基板面の切断時にダイシングラインとなる領域を跨いで電気的に接続する部分の配線手段が、前記ＳＯＩ基板内部のＳＯＩ薄膜層に形成した不純物拡散抵抗配線であり、
    前記各半導体ダイオード部にはマイクロエアブリッジ構造体を形成することを特徴とする熱型赤外線検出装置の製造方法。
12. 前記金属反射膜の配線手段として、前記ＳＯＩ基板内部のＳＯＩ薄膜層に不純物拡散抵抗配線を形成する工程を、
    前記ＳＯＩ基板内部のＳＯＩ薄膜層に複数のｐｎ接合ダイオードからなる半導体ダイオード部を形成配置する工程と同一工程によって実施することを特徴とする、請求項１１に記載の熱型赤外線検出装置の製造方法。
13. 前記金属反射膜の配線手段として、前記ＳＯＩ基板内部のＳＯＩ薄膜層に不純物拡散抵抗配線を形成する工程の後に、
    追加の不純物拡散工程を設けて前記不純物拡散抵抗配線の濃度の調整を行うことを特徴とする、請求項１１または１２のいずれか１項に記載の熱型赤外線検出装置の製造方法。
14. 前記ＳＯＩ基板に形成される、前記マイクロエアブリッジ構造体を有する複数の素子において、
    前記複数の素子の金属反射膜が、前記配線手段によって、電気的に互いに並列に接続されていることを特徴とする、請求項１１ないし１３のいずれか１項に記載の熱型赤外線検出装置の製造方法。
15. 前記ＳＯＩ基板に形成される、前記マイクロエアブリッジ構造体を有する複数の素子において、
    前記ＳＯＩ基板内が複数の領域に分割され、各領域内に形成された前記複数の素子の金属反射膜が、前記配線手段によって、電気的に互いに並列に配線されていると共に、
    各領域間では電気的に互いに独立して電流印加が可能な配線構成であることを特徴とする、請求項１１ないし１３のいずれか１項に記載の熱型赤外線検出装置の製造方法。
16. 前記ＳＯＩ基板内の分割された領域の形状を、複数の同心円状、もしくは各同心円状の領域をさらに複数に分割した形状とすることを特徴とする、請求項１５に記載の熱型赤外線検出装置の製造方法。
17. 前記配線手段を用いて前記金属反射膜に電流を印加してジュール熱を発生させ、それにより前記複数の半導体ダイオード部に対し局所的にアニール処理を実施すると共に、
    前記金属反射膜の一部に予め相対的に抵抗値の高い配線領域を形成しておき、前記配線領域が前記アニール処理の際の所定の通電処理により断線することで、前記アニール処理が自己整合的に完了することを特徴とする、請求項１１ないし１６のいずれか１項に記載の熱型赤外線検出装置の製造方法。
18. 前記ＳＯＩ基板が複数の領域に分割されており、前記領域ごとに異なる電流印加条件を予め設定しておくことにより、前記領域ごとにアニール処理の条件を変更して行うことを特徴とする、請求項１７に記載の熱型赤外線検出装置の製造方法。
19. 前記ＳＯＩ基板が複数の領域に分割されており、前記相対的に抵抗値の高い配線領域の断線条件を前記領域ごとに予め異なる条件に設定しておくことにより、前記領域ごとにアニール処理の条件を変更して行うことを特徴とする、請求項１７に記載の熱型赤外線検出装置の製造方法。

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