JP2011149824A - Method of manufacturing infrared sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、赤外線センサの製造方法に関するものである。 The present invention relates to a method for manufacturing an infrared sensor.
従来から、赤外線センサとして、シリコン基板の一表面側に熱型赤外線検出部と当該熱型赤外線検出部に並設され当該熱型赤外線検出部の出力を読み出すためのMOSトランジスタとを有する複数の画素が形成され、シリコン基板における各熱型赤外線検出部それぞれに対応する部位ごとに熱絶縁用の空洞部が形成された赤外線センサが提案されている(例えば、特許文献1)。ここにおいて、上記特許文献1に開示された赤外線センサにおける熱型赤外線検出部は、シリコン基板の上記一表面側に形成された矩形枠状の支持部と、当該支持部の内側に配置される矩形状の赤外線吸収部と、支持部と赤外線吸収部とを連結する2つの梁部とを有している。ここで、赤外線吸収部と各梁部と支持部との構造体は、シリコン基板の上記一表面側に形成された第1のシリコン酸化膜と、第1のシリコン酸化膜上に形成された第2のシリコン酸化膜と、第2のシリコン酸化膜上に形成されたサーモパイルと、第2のシリコン酸化膜における第1のシリコン酸化膜側とは反対側でサーモパイルを覆うように形成された第3のシリコン酸化膜との積層構造部をパターニングすることにより形成されている。
Conventionally, as an infrared sensor, a plurality of pixels having a thermal infrared detector on one surface side of a silicon substrate and a MOS transistor arranged in parallel with the thermal infrared detector and reading the output of the thermal infrared detector An infrared sensor has been proposed in which a cavity for thermal insulation is formed for each portion corresponding to each thermal infrared detector in the silicon substrate (for example, Patent Document 1). Here, the thermal infrared detector in the infrared sensor disclosed in
ところで、上記特許文献1には、MOSトランジスタの製造方法についての説明が省略されているが、赤外線センサの製造方法にあたって、MOSトランジスタのゲート電極を形成した後で、サーモパイルのp形ポリシリコン層およびn形ポリシリコン層を形成することが記載されている。
By the way, although the description about the manufacturing method of a MOS transistor is abbreviate | omitted in the said
また、従来から、赤外線センサの分野において、ポリシリコン層の不純物濃度を1018〜1020cm−3の範囲で適宜設定することにより、検出対象の赤外線の吸収率を高くしつつ赤外線の反射を抑制できることが知られている(例えば、特許文献2参照)。 Also, conventionally, in the field of infrared sensors, by appropriately setting the impurity concentration of the polysilicon layer in the range of 10 18 to 10 20 cm −3 , the infrared ray reflection is improved while increasing the infrared absorption rate of the detection target. It is known that it can be suppressed (see, for example, Patent Document 2).
ところで、上記特許文献1に開示された赤外線センサにおいて、不純物濃度が1018〜1020cm−3の範囲のポリシリコン層からなる赤外線吸収層をサーモパイルの近くに設けることで高感度化を図ることが考えられる。
By the way, in the infrared sensor disclosed in the above-mentioned
このような赤外線センサの製造方法では、シリコン基板の前記一表面側に熱型赤外線検出部のサーモパイルを形成するためのプロセスや、シリコン基板の前記一表面側に赤外線吸収層を形成するためのプロセスが、シリコン基板の前記一表面側にMOSトランジスタを形成するためのプロセスとは別に必要であり、赤外線吸収層を形成する工程の追加に伴い製造コストが増加してしまう。 In such an infrared sensor manufacturing method, a process for forming a thermopile of the thermal infrared detector on the one surface side of the silicon substrate, or a process for forming an infrared absorbing layer on the one surface side of the silicon substrate However, this is necessary separately from the process for forming the MOS transistor on the one surface side of the silicon substrate, and the manufacturing cost increases with the addition of the step of forming the infrared absorption layer.
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、高感度化を図りながらも製造コストの低コスト化を図れる赤外線センサの製造方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above reasons, and an object of the present invention is to provide a method of manufacturing an infrared sensor capable of reducing the manufacturing cost while achieving high sensitivity.
請求項1の発明は、赤外線を吸収して熱に変換する赤外線吸収層およびサーモパイルを有しシリコン基板の一表面側に形成されてシリコン基板に支持された熱型赤外線検出部と、シリコン基板の前記一表面側で熱型赤外線検出部に並設され熱型赤外線検出部の出力を取り出すためのMOSトランジスタとを備え、シリコン基板において熱型赤外線検出部の一部の直下に空洞部が形成され、サーモパイルの熱電対の2種類の導体材料の組み合わせが、p形ポリシリコン−n形ポリシリコン、p形ポリシリコン−金属、n形ポリシリコン−金属のいずれか1つの組み合わせであるとともに、赤外線吸収層の材料が、MOSトランジスタの第1導電形のウェル領域内で離間した第2導電形のソース領域および第2導電形のドレイン領域と同じ第2導電形のポリシリコンであり、ゲート電極の材料が、p形ポリシリコンもしくはn形ポリシリコンである赤外線センサの製造方法であって、シリコン基板の前記一表面側にノンドープのポリシリコン層を形成するポリシリコン層形成工程と、ポリシリコン層形成工程で形成されたノンドープのポリシリコン層のうち少なくとも赤外線吸収層、サーモパイルおよびゲート電極それぞれに対応する部分が残るようにノンドープのポリシリコン層をパターニングするポリシリコン層パターニング工程と、ポリシリコン層パターニング工程の後で赤外線吸収層に対応するノンドープのポリシリコン層へ第2導電形の不純物を注入する第2導電形不純物イオン注入工程とを備え、当該第2導電形不純物イオン注入工程において、少なくとも、赤外線吸収層に対応するノンドープのポリシリコン層への第2導電形の不純物の注入と、シリコン基板へのソース領域・ドレイン領域形成用の第2導電形の不純物の注入とを、同時に行うことを特徴とする。 According to a first aspect of the present invention, there is provided a thermal-type infrared detection unit that is formed on one surface side of a silicon substrate and has an infrared absorption layer that absorbs infrared rays and converts the infrared rays into heat, and is supported on the silicon substrate. A MOS transistor arranged in parallel with the thermal infrared detector on the one surface side for taking out the output of the thermal infrared detector, and a cavity is formed immediately below a part of the thermal infrared detector in the silicon substrate. The combination of two kinds of conductor materials of the thermopile thermocouple is a combination of any one of p-type polysilicon-n-type polysilicon, p-type polysilicon-metal, n-type polysilicon-metal, and infrared absorption The material of the layer is the same as the second conductivity type source region and the second conductivity type drain region which are separated in the well region of the first conductivity type of the MOS transistor. A method of manufacturing an infrared sensor, wherein a material of a gate electrode is p-type polysilicon or n-type polysilicon, wherein a non-doped polysilicon layer is formed on the one surface side of a silicon substrate. Polysilicon for patterning the non-doped polysilicon layer so that at least portions corresponding to the infrared absorption layer, the thermopile, and the gate electrode remain among the non-doped polysilicon layer formed in the silicon layer forming step and the polysilicon layer forming step A layer patterning step, and a second conductivity type impurity ion implantation step for injecting a second conductivity type impurity into the non-doped polysilicon layer corresponding to the infrared absorption layer after the polysilicon layer patterning step. In the process of implanting impurity ions, at least an infrared absorption layer Injection and the corresponding non-doped second conductivity type impurity into the polysilicon layer, and an injection of the second conductivity type impurities for the source region and drain region formed on the silicon substrate, and performing at the same time.
この発明によれば、シリコン基板の一表面側にノンドープのポリシリコン層を形成するポリシリコン層形成工程と、ポリシリコン層形成工程で形成されたノンドープのポリシリコン層のうち少なくとも赤外線吸収層、サーモパイルおよびゲート電極それぞれに対応する部分が残るようにノンドープのポリシリコン層をパターニングするポリシリコン層パターニング工程と、ポリシリコン層パターニング工程の後で赤外線吸収層に対応するノンドープのポリシリコン層へ第2導電形の不純物を注入する第2導電形不純物イオン注入工程とを備え、当該第2導電形不純物イオン注入工程において、少なくとも、赤外線吸収層に対応するノンドープのポリシリコン層への第2導電形の不純物の注入と、シリコン基板へのソース領域・ドレイン領域形成用の第2導電形の不純物の注入とを、同時に行うので、赤外線吸収層を備えていない場合に比べて工程数を増加することなく赤外線吸収層を形成することができ、高感度化を図りながらも製造コストの低コスト化を図れる。 According to the present invention, a polysilicon layer forming step of forming a non-doped polysilicon layer on one surface side of a silicon substrate, and at least an infrared absorbing layer and a thermopile among the non-doped polysilicon layers formed in the polysilicon layer forming step And a polysilicon layer patterning step of patterning the non-doped polysilicon layer so that a portion corresponding to each of the gate electrodes remains, and after the polysilicon layer patterning step, the second conductive layer is transferred to the non-doped polysilicon layer corresponding to the infrared absorption layer. A second conductivity type impurity ion implantation step for injecting a second type impurity, and in the second conductivity type impurity ion implantation step, at least a second conductivity type impurity to the non-doped polysilicon layer corresponding to the infrared absorption layer And source / drain region shape to silicon substrate Since the second conductivity type impurity implantation is simultaneously performed, the infrared absorption layer can be formed without increasing the number of steps as compared with the case where the infrared absorption layer is not provided, and high sensitivity is achieved. However, the manufacturing cost can be reduced.
請求項2の発明は、請求項1の発明において、前記第1導電形がp形、前記第2導電形がn形であるとともに、前記サーモパイルの前記組み合わせが、p形ポリシリコン−n形ポリシリコン、p形ポリシリコン−金属のいずれかであり、前記ポリシリコン層パターニング工程と前記第2導電形不純物イオン注入工程との間に、前記サーモパイルのp形ポリシリコンにより構成される部分に対応するノンドープのポリシリコン層へ前記第1導電形の不純物を注入する第1導電形不純物イオン注入工程を行うことを特徴とする。
The invention according to
この発明によれば、前記第1導電形がp形、前記第2導電形がn形であるとともに、前記サーモパイルの前記組み合わせが、p形ポリシリコン−n形ポリシリコン、p形ポリシリコン−金属のいずれかである赤外線センサの製造にあたって、前記第2導電形の前記ソース領域および前記第2導電形の前記ドレイン領域の形成後に前記第1導電形不純物イオン注入工程を行う場合に比べて、前記ソース領域および前記ドレイン領域中の前記第2導電形であるn形不純物がチャネル形成領域へ拡散するのを防止できるから、前記MOSトランジスタのチャネル長をより短くすることが可能となるとともに、前記MOSトランジスタをより再現性良く形成することが可能となる。 According to this invention, the first conductivity type is p-type, the second conductivity type is n-type, and the thermopile combination is p-type polysilicon-n-type polysilicon, p-type polysilicon-metal. In the manufacture of the infrared sensor according to any one of the above, the first conductivity type impurity ion implantation step is performed after the formation of the source region of the second conductivity type and the drain region of the second conductivity type. Since the n-type impurity which is the second conductivity type in the source region and the drain region can be prevented from diffusing into the channel formation region, the channel length of the MOS transistor can be further shortened, and the MOS transistor It becomes possible to form the transistor with higher reproducibility.
請求項3の発明は、請求項1の発明において、前記第1導電形がp形、前記第2導電形がn形であるとともに、前記サーモパイルの前記組み合わせが、p形ポリシリコン−n形ポリシリコン、n形ポリシリコン−金属のいずれかであり、前記第2導電形不純物イオン注入工程では、前記サーモパイルのn形ポリシリコンにより構成される部分に対応するノンドープのポリシリコン層への前記第2導電形の不純物の注入も同時に行うことを特徴とする。
The invention according to
この発明によれば、前記第1導電形がp形、前記第2導電形がn形であるとともに、前記サーモパイルの前記組み合わせが、p形ポリシリコン−n形ポリシリコン、n形ポリシリコン−金属のいずれかである赤外線センサの製造にあたって、前記サーモパイルのn形ポリシリコンにより構成される部分に対応するノンドープのポリシリコン層への前記第2導電形の不純物の注入を、前記第2導電形不純物イオン注入工程とは別に行う場合に比べて、工程数を低減でき、製造コストの低コスト化を図れる。 According to the present invention, the first conductivity type is p-type, the second conductivity type is n-type, and the combination of the thermopile is p-type polysilicon-n-type polysilicon, n-type polysilicon-metal. In the manufacture of the infrared sensor of any one of the above, the implantation of the second conductivity type impurity into the non-doped polysilicon layer corresponding to the portion constituted by the n-type polysilicon of the thermopile Compared to the case where the ion implantation process is performed separately, the number of processes can be reduced and the manufacturing cost can be reduced.
請求項4の発明は、請求項1の発明において、前記第1導電形がp形、前記第2導電形がn形であるとともに、前記サーモパイルの前記組み合わせが、p形ポリシリコン−n形ポリシリコンであり、前記ポリシリコン層パターニング工程と前記第2導電形不純物イオン注入工程との間に、前記サーモパイルのp形ポリシリコンにより構成される部分に対応するノンドープのポリシリコン層へ前記第1導電形の不純物を注入する第1導電形不純物イオン注入工程を行うようにし、前記第2導電形不純物イオン注入工程では、前記サーモパイルのn形ポリシリコンにより構成される部分に対応するノンドープのポリシリコン層への前記第2導電形の不純物の注入も同時に行うことを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the first aspect, the first conductivity type is p-type, the second conductivity type is n-type, and the combination of the thermopile is p-type polysilicon-n-type poly The first conductive layer is made of silicon and is transferred between the polysilicon layer patterning step and the second conductivity type impurity ion implantation step to the non-doped polysilicon layer corresponding to the portion of the thermopile formed of p-type polysilicon. In the second conductivity type impurity ion implantation step, a non-doped polysilicon layer corresponding to a portion constituted by n-type polysilicon of the thermopile is performed. The impurity of the second conductivity type is also implanted into the substrate at the same time.
この発明によれば、前記サーモパイルの前記組み合わせが、p形ポリシリコン−n形ポリシリコンである赤外線センサの製造にあたって、前記第2導電形不純物イオン注入工程において前記サーモパイルのn形ポリシリコンにより構成される部分に対応するノンドープのポリシリコン層への前記第2導電形の不純物の注入を、前記赤外線吸収層に対応するノンドープのポリシリコン層への前記第2導電形の不純物の注入、前記シリコン基板への前記ソース領域および前記ドレイン領域形成用の前記第2導電形の不純物の注入と同時に行うので、より一層の低コスト化を図れる。 According to this invention, the thermopile n-type polysilicon is formed in the second conductivity type impurity ion implantation step when the thermopile combination is an infrared sensor that is p-type polysilicon-n-type polysilicon. The implantation of the second conductivity type impurity into the non-doped polysilicon layer corresponding to the portion to be implanted, the implantation of the second conductivity type impurity into the non-doped polysilicon layer corresponding to the infrared absorption layer, the silicon substrate This is performed at the same time as the implantation of the impurity of the second conductivity type for forming the source region and the drain region, so that the cost can be further reduced.
請求項1の発明は、赤外線吸収層を備えていない場合に比べて工程数を増加することなく赤外線吸収層を形成することができ、高感度化を図りながらも製造コストの低コスト化を図れるという効果がある。
The invention of
以下、図1〜図13に基づいて本実施形態の赤外線センサAを説明し、その後で、当該赤外線センサAの製造方法について図14〜図18を参照しながら説明する。 Hereinafter, the infrared sensor A of the present embodiment will be described based on FIGS. 1 to 13, and thereafter, a method for manufacturing the infrared sensor A will be described with reference to FIGS. 14 to 18.
本実施形態の赤外線センサAは、赤外線アレイセンサであって、熱型赤外線検出部3と画素選択用スイッチング素子であるMOSトランジスタ4とを有する複数の画素部2(図6参照)がベース基板1の一表面側においてアレイ状(ここでは、2次元アレイ状)に配列されている。ここで、ベース基板1は、シリコン基板1aを用いて形成されている。本実施形態では、1つのベース基板1の上記一表面側にm×n個(図6および図13に示した例では、8×8個)の画素部2が形成されているが、画素部2の数や配列は特に限定するものではない。また、本実施形態では、熱型赤外線検出部3の感温部30が、複数個(ここでは、6個)のサーモパイル30a(図2参照)を直列接続することにより構成されており、図13では、熱型赤外線検出部3における感温部30の等価回路を、当該感温部30の熱起電力に対応する電圧源Vsで表してある。なお、本実施形態では、シリコン基板1aが、熱型赤外線検出部3を支持する支持基板を構成している。
The infrared sensor A of the present embodiment is an infrared array sensor, and a plurality of pixel units 2 (see FIG. 6) having a thermal
また、本実施形態の赤外線センサAは、図2、図3および図13に示すように、各列の複数の熱型赤外線検出部3の感温部30の一端が上述のMOSトランジスタ4を介して各列ごとに共通接続された複数の垂直読み出し線7と、各行の熱型赤外線検出部3の感温部30に対応するMOSトランジスタ4のゲート電極46が各行ごとに共通接続された複数の水平信号線6と、各列のMOSトランジスタ4のp+形ウェル領域41が各列ごとに共通接続された複数のグラウンド線8と、各グラウンド線8が共通接続された共通グラウンド線9と、各列の複数個の熱型赤外線検出部3の感温部30の他端が各列ごとに共通接続された複数の基準バイアス線5とを備えており、全ての熱型赤外線検出部3の感温部30の出力を時系列的に読み出すことができるようになっている。要するに、本実施形態の赤外線センサAは、ベース基板1の上記一表面側に熱型赤外線検出部3と当該熱型赤外線検出部3に並設され当該熱型赤外線検出部3の出力を読み出すためのMOSトランジスタ4とを有する複数の画素部2が形成されている。
Further, in the infrared sensor A of the present embodiment, as shown in FIGS. 2, 3 and 13, one end of the
ここで、MOSトランジスタ4は、ゲート電極46が水平信号線6に接続され、ソース電極48が感温部30を介して基準バイアス線5に接続され、各基準バイアス線5が共通基準バイアス線5aに共通接続され、ドレイン電極47が垂直読み出し線7に接続されており、各水平信号線6それぞれが各別の画素選択用パッドVselに電気的に接続され、各垂直読み出し線7それぞれが各別の出力用パッドVoutに電気的に接続され、共通グラウンド線9がグラウンド用パッドGndに電気的に接続され、共通基準バイアス線5aが基準バイアス用パッドVrefと電気的に接続され、シリコン基板1aが基板用パッドVddに電気的に接続されている。
Here, in the
しかして、MOSトランジスタ4が順次オン状態になるように各画素選択用パッドVselの電位を制御することで各画素部2の出力電圧を順次読み出すことができる。例えば、基準バイアス用パッドVrefの電位を1.65、グラウンド用パッドGndの電位を0V、基板用パッドVddの電位を5Vとしておき、画素選択用パッドVselの電位を5Vとすれば、MOSトランジスタ4がオンとなり、出力用パッドVoutから画素部2の出力電圧(1.65V+感温部30の出力電圧)が読み出され、画素選択用パッドVselの電位を0Vとすれば、MOSトランジスタ4がオフとなり、出力用パッドVoutから画素部2の出力電圧は読み出されない。なお、図6では、画素選択用パッドVsel、基準バイアス用パッドVref、グラウンド用パッドGnd、出力用パッドVoutなどを区別せずに全てパッド80として図示してある。
Therefore, the output voltage of each
以下、熱型赤外線検出部3およびMOSトランジスタ4それぞれの構造について説明する。なお、本実施形態では、上述のシリコン基板1aとして、導電形がn形で上記一表面が(100)面の単結晶シリコン基板を用いている。
Hereinafter, the structures of the thermal
熱型赤外線検出部3は、シリコン基板1aの上記一表面側の各画素部2それぞれにおける熱型赤外線検出部3の形成用領域A1に形成されており、MOSトランジスタ4は、シリコン基板1aの上記一表面側の各画素部2それぞれにおけるMOSトランジスタ4の形成用領域A2に形成されている。
The thermal
ところで、各画素部2は、赤外線を吸収する赤外線吸収部33(図1(b)および図2参照)を備えており、各画素部2では、シリコン基板1aに赤外線吸収部33を当該ベース基板1から熱絶縁するための空洞部(掘込部)11が形成され、シリコン基板1aの上記一表面側で平面視において空洞部11の内周線の内側に赤外線吸収部33を有し空洞部11を覆う薄膜構造部3aが形成されている。また、各画素部2では、薄膜構造部3aが複数の線状のスリット13により空洞部11の内周方向に沿って並設されそれぞれ熱型赤外線検出部3において空洞部11を囲む部位(平面視で空洞部11を囲む部位)から内方へ延長された複数(図2に示した例では、6つ)の小薄膜構造部3aaに分離され、各小薄膜構造部3aaごとにサーモパイル30aが設けられるとともに、各サーモパイル30aごとに出力を取り出す場合に比べて温度変化に対する出力変化が大きくなるように全てのサーモパイル30aが直列接続されており、隣接する小薄膜構造部3aa,3aa同士を連結する連結片3cが形成されている。以下では、赤外線吸収部33のうち各小薄膜構造部3aaそれぞれに対応して分割された各部位を分割赤外線吸収部33aと称する。
Each
本実施形態では、薄膜構造部3aに形成された複数のサーモパイル30aの全て、上述の例では、6つ全てのサーモパイル30aを直列接続した接続関係としてあるが、これに限らず、例えば、それぞれ3個のサーモパイル30aの直列回路を並列接続するようにしてもよく、この場合には、6つ全てのサーモパイル30aが並列接続されている場合や各サーモパイル30aごとに出力を取り出す場合に比べて感度を高めることができ、また、6つ全てのサーモパイル30aが直列接続されている場合に比べて、感温部30の電気抵抗を低くできて熱雑音が低減されるから、S/N比が向上する。ここにおいて、薄膜構造部3aにおける小薄膜構造部3aaの数に等しいサーモパイル30aの数は4以上の偶数であればよく、半数のサーモパイル30aを直列接続し、その直列回路を並列接続した接続関係とすれば、同様に感度を高めることができるとともにS/N比を向上できる。
In the present embodiment, all of the plurality of
ここで、画素部2では、小薄膜構造部3aaごとに、熱型赤外線検出部3において空洞部11を囲む部位と分割赤外線吸収部33aとを連結する2つの平面視短冊状のブリッジ部3bb,3bbが空洞部11の内周方向に離間して形成されており、当該2つのブリッジ部3bb,3bbと分割赤外線吸収部33aとを空間的に分離し空洞部11に連通する平面視コ字状のスリット14が形成されている。ここにおいて、熱型赤外線検出部3のうち平面視において薄膜構造部3aを囲む部位は矩形枠状の形状となっている。なお、ブリッジ部3bbは、赤外線吸収部33および熱型赤外線検出部3において空洞部11を囲む部位それぞれとの連結部位以外の部分が上述の各スリット13,14により分割赤外線吸収部33aおよび熱型赤外線検出部3において空洞部11を囲む部位と空間的に分離されている。ここで、小薄膜構造部3aaの熱型赤外線検出部3において空洞部11を囲む部位からの延長方向の寸法を93μm、小薄膜構造部3aaの延長方向に直交する幅方向の寸法を75μm、各ブリッジ部3bbの幅寸法を23μm、各スリット13,14の幅を5μmに設定してあるが、これらの値は一例であって特に限定するものではない。
Here, in the
上述の薄膜構造部3aは、シリコン基板1aの上記一表面側に形成されたシリコン酸化膜1bと、当該シリコン酸化膜1b上に形成されたシリコン窒化膜32と、当該シリコン窒化膜32上に形成された感温部30と、シリコン窒化膜32の表面側で感温部30を覆うように形成されたBPSG膜からなる層間絶縁膜50と、層間絶縁膜50上に形成されたPSG膜と当該PSG膜上に形成されたNSG膜との積層膜からなるパッシベーション膜60との積層構造部をパターニングすることにより形成されている。
The
本実施形態では、シリコン窒化膜32のうち薄膜構造部3aのブリッジ部3bb,3bb以外の部位が上述の赤外線吸収部33を構成し、シリコン基板1aとシリコン酸化膜1bとシリコン窒化膜32と層間絶縁膜50とパッシベーション膜60とでベース基板1を構成している。また、本実施形態では、層間絶縁膜50とパッシベーション膜60との積層膜が、熱型赤外線検出部3の形成用領域A1とMOSトランジスタ4の形成用領域A2とに跨って形成されているが、熱型赤外線検出部3の形成用領域A1に形成された部分が赤外線吸収膜70(図1(b)参照)を兼ねている。ここで、赤外線吸収膜70の屈折率をn2、検出対象の赤外線の中心波長をλとするとき、赤外線吸収膜70の厚さt2をλ/4n2に設定するようにしているので、検出対象の波長(例えば、8〜12μm)の赤外線の吸収効率を高めることができ、高感度化を図れる。例えば、n2=1.4、λ=10μmの場合には、t2≒1.8μmとすればよい。なお、本実施形態では、層間絶縁膜50の膜厚を0.8μm、パッシベーション膜60の膜厚を1μm(PSG膜の膜厚を0.5μm、NSG膜の膜厚を0.5μm)としてある。また、赤外線吸収膜70は、上述の構成に限らず、例えば、シリコン窒化膜により構成してもよい。
In the present embodiment, portions of the
また、各画素部2では、空洞部11の内周形状が矩形状であり、連結片3cは、平面視十字状に形成されており、小薄膜構造部3aaの延長方向に交差する斜め方向において隣接する小薄膜構造部3aa,3aa同士、小薄膜構造部3aaの延長方向において隣接する小薄膜構造部3aa,3aa同士、小薄膜構造部3aaの延長方向に直交する方向において隣接する小薄膜構造部3aa,3aa同士を連結している。
Further, in each
サーモパイル30aは、シリコン窒化膜32上に形成され小薄膜構造部3aaとベース基板1とに跨って形成された細長のn形ポリシリコン層(第1の熱電要素)34と細長のp形ポリシリコン層(第2の熱電要素)35との一端部同士を分割赤外線吸収部33aの赤外線入射面側で金属材料(例えば、Al−Siなど)からなる第1の接続金属部36により電気的に接続した複数個(図1に示した例では、9個)の熱電対を有しており、ベース基板1の上記一表面側で互いに隣り合う熱電対のn形ポリシリコン層34の他端部とp形ポリシリコン層35の他端部とが金属材料(例えば、Al−Siなど)からなる第2の接続金属部37により接合され電気的に接続されている。ここで、サーモパイル30aは、n形ポリシリコン層34の上記一端部とp形ポリシリコン層35の上記一端部と第1の接続金属部36とで分割赤外線吸収部33a側の温接点T1を構成し、n形ポリシリコン層34の上記他端部とp形ポリシリコン層35の上記他端部と第2の接続金属部37とでベース基板1側の冷接点T2を構成している。要するに、サーモパイル30aの各温接点T1は、熱型赤外線検出部3において空洞部11に重なる領域に形成され、各冷接点T2は、熱型赤外線検出部3において空洞部11に重ならない領域に形成されている。なお、本実施形態の赤外線センサAでは、サーモパイル30aの各n形ポリシリコン層34および各p形ポリシリコン層35それぞれにおいて上述のブリッジ部3bb,3bbに形成されている部位およびベース基板1のシリコン窒化膜32上に形成されている部位でも赤外線を吸収することができる。また、上述の説明から分かるように、サーモパイル30aの各熱電対の2種類の導体材料の組み合わせは、p形ポリシリコン−n形ポリシリコンとなっているが、各熱電対の2種類の導体材料の組み合わせは、p形ポリシリコン−n形ポリシリコン、p形ポリシリコン−金属(例えば、アルミニウムなど)、n形ポリシリコン−金属(例えば、アルミニウムなど)のいずれか1つの組み合わせであればよい。
The
また、本実施形態の赤外線センサAでは、上述の空洞部11の形状が四角錘状であり、平面視における中央部の方が周部に比べて深さ寸法が大きくなっているので、薄膜構造部3aの中央部に温接点T1が集まるように各画素部2におけるサーモパイル30aの平面レイアウトを設計してある。すなわち、図2の上下方向における真ん中の2つの小薄膜構造部3aaでは、図2および図3に示すように、3つの小薄膜構造部3aaの並設方向に沿って温接点T1を並べて配置してあるのに対し、当該上下方向における上側の2つの小薄膜構造部3aaでは、図2および図4に示すように、3つの小薄膜構造部3aaの並設方向において真ん中の小薄膜構造部3aaに近い側に温接点T1を集中して配置してあり、当該上下方向における下側の2つの小薄膜構造部3aaでは、図2に示すように、3つの小薄膜構造部3aaの並設方向において真ん中の小薄膜構造部3aaに近い側に温接点T1を集中して配置してある。しかして、本実施形態の赤外線センサAでは、図2の上下方向における上側、下側の小薄膜構造部3aaの複数の温接点T1の配置が、真ん中の小薄膜構造部3aaの複数の温接点T1の配置と同じである場合に比べて、温接点T1の温度変化を大きくできるので、感度を向上できる。
Further, in the infrared sensor A of the present embodiment, the shape of the
また、小薄膜構造部3aaは、シリコン窒化膜32の赤外線入射面側においてサーモパイル30aを形成していない領域に、小薄膜構造部3aaの反りを抑制するとともに赤外線を吸収するn形ポリシリコン層からなる赤外線吸収層39(図1、図2および図10参照)が形成されている。また、隣接する小薄膜構造部3aa,3aa同士を連結する連結片3cには、当該連結片3cを補強するn形ポリシリコン層からなる補強層39b(図7参照)が設けられている。ここで、補強層39bは、赤外線吸収層39と連続一体に形成されている。しかして、本実施形態の赤外線センサAでは、連結片3cが補強層39bにより補強されているので、使用中の外部の温度変化や衝撃に起因して発生する応力による破損を防止でき、また、製造時の破損を低減でき、製造歩留まりの向上を図れる。なお、本実施形態では、図7に示す連結片3cの長さ寸法L1を24μm、幅寸法L2を5μm、補強層39bの幅寸法L3を1μmに設定してあるが、これらの数値は一例であり、特に限定するものではない。ただし、本実施形態のようにベース基板1がシリコン基板1aを用いて形成され、補強層39bがn形ポリシリコン層により形成される場合には、空洞部11の形成時に補強層39bがエッチングされるのを防止するために、補強層39bの幅寸法は、連結片3cの幅寸法よりも小さく設定し、平面視において補強層39bの両側縁が連結片3cの両側縁よりも内側に位置する必要がある。
Further, the small thin film structure portion 3aa is formed from an n-type polysilicon layer that suppresses the warp of the small thin film structure portion 3aa and absorbs infrared rays in a region where the
また、本実施形態の赤外線センサAは、図7および図12(b)に示すように、連結片3cの両側縁と小薄膜構造部3aaの側縁との間にそれぞれ面取り部3d,3dが形成され、十字状の連結片3cの略直交する側縁間にも面取り部3eが形成されている。しかして、本実施形態の赤外線センサAでは、図12(a)に示すように面取り部が形成されていない場合に比べて連結片3cと小薄膜構造部3aaとの連結部位での応力集中を緩和でき、製造時に発生する残留応力を低減できるとともに製造時の破損を低減でき、製造歩留まりの向上を図れる。また、使用中の外部の温度変化や衝撃に起因して発生する応力による破損を防止できる。なお、図7に示した例では、各面取り部3d,3eをRが3μmのR面取り部としてあるが、R面取り部に限らず、例えば、C面取り部としてもよい。
In addition, as shown in FIGS. 7 and 12B, the infrared sensor A of the present embodiment has chamfered
ところで、本実施形態の赤外線センサAは、通電されることにより発生するジュール熱により温接点T1を温める自己診断用ヒータ部(故障診断用配線)139を備えている。ここにおいて、自己診断用ヒータ部139は、熱型赤外線検出部3においてシリコン基板1aの空洞部11に重なる領域でサーモパイル30aと重ならないように配置されている。ここで、熱型赤外線検出部3は、全ての小薄膜構造部3aaに跨って自己診断用ヒータ部139が形成されている。
By the way, the infrared sensor A of the present embodiment includes a self-diagnosis heater section (fault diagnosis wiring) 139 that warms the hot junction T1 by Joule heat generated by energization. Here, the self-
具体的には、本実施形態の赤外線センサAは、各画素部2に、熱型赤外線検出部3において空洞部11を囲む部位と一方のブリッジ部3bbと分割赤外線吸収部33aと他方のブリッジ部3bbと熱型赤外線検出部3において空洞部11を囲む部位とに跨るように引き回された自己診断用ヒータ部139を設けて、全ての自己診断用ヒータ部139を直列接続してある。しかして、本実施形態の赤外線センサAでは、製造途中での検査時や使用時において、m×n個の自己診断用ヒータ部139の直列回路への通電の有無によって、ブリッジ部3bbの折れや自己診断用ヒータ部139の断線などを検出することができる。また、本実施形態の赤外線センサでは、上述の検査時や使用時において、m×n個の自己診断用ヒータ部139の直列回路へ通電して各感温部30の出力を検出することにより、感温部30の断線の有無や感度のばらつき(感温部30の出力のばらつき)などを検知することが可能となる。ここにおいて、感度のばらつきに関しては、画素部2ごとの感度のばらつきを検知することが可能であり、例えば、薄膜構造部3aの反りや薄膜構造部3aのシリコン基板1aへのスティッキングなどに起因した感度のばらつきを検知することが可能となる。ここで、本実施形態の赤外線センサAでは、平面視において、自己診断用ヒータ部139を複数の温接点T1の群の付近において折り返され蛇行した形状としてあるので、自己診断用ヒータ部139へ通電することにより発生するジュール熱によって、各温接点T1を効率良く温めることができる。ここにおいて、自己診断用ヒータ部139は、n形ポリシリコン層34およびp形ポリシリコン層35と同一平面上に同一厚さで形成されている。
Specifically, the infrared sensor A of the present embodiment includes, in each
上述の赤外線吸収層39、補強層39bおよび自己診断用ヒータ部139は、第1の熱電要素であるn形ポリシリコン層34と同じn形不純物(例えば、リンなど)を同じ不純物濃度(例えば、1×1018cm−3)で含んでおり、n形ポリシリコン層34に同時に形成されている。また、p形ポリシリコン層35のp形不純物として例えばボロンを採用すればよく、不純物濃度を例えば1×1018程度に設定すればよい。本実施形態では、n形ポリシリコン層34およびp形ポリシリコン層35それぞれの不純物濃度が1×1018cm−3であり、熱電対の抵抗値を低減でき、S/N比の向上を図れる。なお、赤外線吸収層39、補強層39bおよび自己診断用ヒータ部139は、n形ポリシリコン層34と同じn形不純物を同じ不純物濃度でドーピングしてあるが、これに限らず、例えば、第2の熱電要素であるp形ポリシリコン層35と同じ不純物を同じ不純物濃度でドーピングするようにしてもよい。
The infrared absorbing
ところで、本実施形態では、n形ポリシリコン層34、p形ポリシリコン層35、赤外線吸収層39、補強層39bおよび自己診断用ヒータ部139の屈折率をn1、検出対象の赤外線の中心波長をλとするとき、n形ポリシリコン層34、p形ポリシリコン層35、赤外線吸収層39、補強層39bおよび自己診断用ヒータ部139それぞれの厚さt1をλ/4n1に設定するようにしているので、検出対象の波長(例えば、8〜12μm)の赤外線の吸収効率を高めることができ、高感度化を図れる。例えば、n1=3.6、λ=10μmの場合には、t1≒0.69μmとすればよい。
By the way, in this embodiment, the refractive index of the n-
また、本実施形態では、n形ポリシリコン層24、p形ポリシリコン層35、赤外線吸収層39、補強層39bおよび自己診断用ヒータ部139それぞれの不純物濃度が1×1018cm−3であるので、赤外線の吸収率を高くしつつ赤外線の反射を抑制することができて、感温部30の出力のS/N比を高めることができ、また、赤外線吸収層39、補強層39bおよび自己診断用ヒータ部139をn形ポリシリコン層34と同一工程で形成できるから、低コスト化を図れる。
In the present embodiment, the impurity concentration of each of the n-type polysilicon layer 24, the p-
ここで、感温部30の第1の接続金属部36と第2の接続金属部37とは、シリコン基板1aの上記一表面側において上述の層間絶縁膜50により絶縁分離されている(図8および図9参照)。すなわち、温接点T1側の第1の接続金属部36は、層間絶縁膜50に形成したコンタクトホール50a1,50a2を通して両ポリシリコン層34,35の上記各一端部と電気的に接続され、冷接点T2側の第2の接続金属部37は、層間絶縁膜50に形成されたコンタクトホール50a3,50a4を通して両ポリシリコン層34,35の上記各他端部と電気的に接続されている。
Here, the first
また、MOSトランジスタ4は、上述のように、シリコン基板1aの上記一表面側における各画素部2それぞれにおけるMOSトランジスタ4の形成用領域A2に形成されている。ここで、MOSトランジスタ4は、図1および図11に示すように、シリコン基板1aの上記一表面側にp形(p+)のウェル領域(以下、p+形ウェル領域と称する)41が形成され、p+形ウェル領域41内に、n形(n+)のドレイン領域(以下、n+形ドレイン領域と称する)43とn形(n+)のソース領域(以下、n+形ソース領域と称する)44とが離間して形成されている。また、p+形ウェル領域41内には、n+形ドレイン領域43とn+形ソース領域44とを囲むp形(p++)のチャネルストッパ領域(以下、p++形チャネルストッパ領域)42が形成されている。また、p+形ウェル領域41においてn+形ドレイン領域43とn+形ソース領域44との間に位置する部位の上には、シリコン酸化膜(熱酸化膜)からなるゲート絶縁膜45を介してn形のポリシリコン層からなるゲート電極46が形成されている。また、n+形ドレイン領域43上には金属材料(例えば、Al−Siなど)からなるドレイン電極47が形成され、n+形ソース領域44上には金属材料(例えば、Al−Siなど)からなるソース電極48が形成されている。ここで、ゲート電極46、ドレイン電極47およびソース電極48は、上述の層間絶縁膜50により絶縁分離されている。すなわち、ドレイン電極47は、層間絶縁膜50に形成したコンタクトホール50dを通してn+形ドレイン領域43と電気的に接続され、ソース電極48は、層間絶縁膜50に形成したコンタクトホール50eを通してn+形ソース領域44と電気的に接続されている。
Further, as described above, the
ところで、本実施形態の赤外線センサAの各画素部2では、MOSトランジスタ4のソース電極48と感温部30の一端とが電気的に接続され、感温部30の他端が基準バイアス線5に電気的に接続されている。また、本実施形態の赤外線センサAの各画素部2では、MOSトランジスタ4のドレイン電極47が垂直読み出し線7と電気的に接続され、ゲート電極46が当該ゲート電極46と連続一体に形成されたn形ポリシリコン配線からなる水平信号線6と電気的に接続されている。また、各画素部2では、MOSトランジスタ4のp++形チャネルストッパ領域42上に金属材料(例えば、Al−Siなど)からなるグラウンド用電極49が形成されており、当該グラウンド用電極49が、当該p++形チャネルストッパ領域42をn+形ドレイン領域43およびn+形ソース領域44よりも低電位にバイアスして素子分離するための共通グラウンド線8と電気的に接続されている。なお、グラウンド用電極49は、層間絶縁膜50に形成したコンタクトホール50fを通してp++形チャネルストッパ領域42と電気的に接続されている。
By the way, in each
以上説明した本実施形態の赤外線センサAによれば、赤外線吸収層39も外部からの赤外線を吸収するので、複数の温接点T1の温度の均一化を図れ、感度の向上を図れる。
According to the infrared sensor A of the present embodiment described above, since the
また、本実施形態の赤外線センサAによれば、通電されることにより発生するジュール熱により温接点T1を温める自己診断用ヒータ部139を備えているので、自己診断用ヒータ部139へ通電してサーモパイル30aの出力を測定することにより、サーモパイル30aの断線などの故障の有無を判断することが可能となって、信頼性の向上を図れ、しかも、自己診断用ヒータ部139は、熱型赤外線検出部3において支持基板であるシリコン基板1aの空洞部11に重なる領域でサーモパイル30aと重ならないように配置されているので、自己診断用ヒータ部139によるサーモパイル30aの温接点T1の熱容量の増大を防止でき、感度および応答速度の向上を図れる。
Further, according to the infrared sensor A of the present embodiment, since the self-
ここにおいて、本実施形態の赤外線センサAは、使用時において自己診断を行わない通常時は、自己診断用ヒータ部139も外部からの赤外線を吸収するので、複数の温接点T1の温度の均一化を図れ、感度の向上を図れる。なお、本実施形態の赤外線センサAの使用時の自己診断は、別途の信号処理ICチップ(図示せず)に設けられた自己診断回路(図示せず)により定期的に行われるが、必ずしも定期的に行う必要はない。
Here, in the infrared sensor A of the present embodiment, the self-
また、本実施形態の赤外線センサAでは、薄膜構造部3aが、複数の線状のスリット13により空洞部11の内周方向に沿って並設されそれぞれ熱型赤外線検出部3において空洞部11を囲む部位から内方へ延長された複数の小薄膜構造部3aaに分離され、各小薄膜構造部3aaごとにサーモパイル30aの温接点T1が設けられるとともに、各サーモパイル30aごとに出力を取り出す場合に比べて温度変化に対する出力変化が大きくなる接続関係で全てのサーモパイル30aが電気的に接続されているので、応答速度および感度の向上を図れ、しかも、全ての小薄膜構造部3aaに跨って自己診断用ヒータ部139が形成されているので、熱型赤外線検出部3の全てのサーモパイル30aを一括して自己診断することが可能となる。また、本実施形態の赤外線センサAでは、隣接する小薄膜構造部3aa,3aa同士を連結する連結片3cが形成されていることにより、各小薄膜構造部3aaの反りを低減でき、構造安定性の向上を図れ、感度が安定する。
Further, in the infrared sensor A of the present embodiment, the thin
また、本実施形態の赤外線センサAでは、n形ポリシリコン層34とp形ポリシリコン層35と赤外線吸収層39と補強層39bと自己診断用ヒータ部139とが同一の厚さに設定されているので、小薄膜構造部3aaの応力バランスの均一性が向上し、小薄膜構造部3aaの反りを抑制することができ、製品ごとの感度のばらつきや、画素部2ごとの感度のばらつきを低減できる。
In the infrared sensor A of the present embodiment, the n-
また、本実施形態の赤外線センサAは、自己診断用ヒータ部139が、第1の熱電要素であるn形ポリシリコン層34もしくは第2の熱電要素であるp形ポリシリコン層35と同じ材料により形成されているので、自己診断用ヒータ部139を第1の熱電要素もしくは第2の熱電要素と同時に形成することが可能となり、製造プロセスの簡略化による低コスト化を図れる。
Further, in the infrared sensor A of the present embodiment, the heater for self-
また、本実施形態の赤外線センサAは、赤外線吸収部33および自己診断用ヒータ部139を備えた複数の画素部2が支持基板であるシリコン基板1aの上記一表面側でアレイ状に設けられているので、製造時や使用時の自己診断に際して各画素部2それぞれの自己診断用ヒータ部139に通電することにより各画素部2それぞれの感温部30の感度のばらつきを把握することが可能となる。
Further, in the infrared sensor A of the present embodiment, a plurality of
また、本実施形態の赤外線センサAは、各画素部2ごとに感温部30の出力を読み出すためのMOSトランジスタ4を有しているので、出力用パッドVoutの数を少なくでき、小型化および低コスト化を図れる。
In addition, since the infrared sensor A of the present embodiment includes the
以下、本実施形態の赤外線センサAの製造方法について図14〜図18を参照しながら簡説明する。 Hereinafter, the manufacturing method of the infrared sensor A of the present embodiment will be briefly described with reference to FIGS.
まず、シリコン基板1aの上記一表面側に第1の所定膜厚(例えば、0.3μm)の第1のシリコン酸化膜31と第2の所定膜厚(例えば、0.1μm)のシリコン窒化膜32との積層膜からなる絶縁層を形成する絶縁層形成工程を行い、その後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して当該絶縁層のうち熱型赤外線検出部3の形成用領域A1に対応する部分の一部を残してMOSトランジスタ4の形成用領域A2に対応する部分をエッチング除去する絶縁層パターニング工程を行うことによって、図14(a)に示す構造を得る。ここにおいて、シリコン酸化膜31は、シリコン基板1aを所定温度(例えば、1100℃)で熱酸化することにより形成し、シリコン窒化膜32は、LPCVD法により形成している。
First, a first
上述の絶縁層パターニング工程の後、シリコン基板1aの上記一表面側にp+形ウェル領域41を形成するウェル領域形成工程を行い、続いて、シリコン基板1の上記一表面側におけるp+形ウェル領域41内にp++形チャネルストッパ領域42を形成するチャネルストッパ領域形成工程を行うことによって、図14(b)に示す構造を得る。ここで、ウェル領域形成工程では、シリコン基板1aの上記一表面側の露出部位を所定温度で熱酸化することにより第2のシリコン酸化膜(熱酸化膜)51を選択的に形成し、その後、p+形ウェル領域41を形成するためのマスクを利用したフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用してシリコン酸化膜51をパターニングし、続いて、p形不純物(例えば、ボロンなど)を所定の加速電圧(例えば、50keV)および所定のドーズ量(例えば、4×1013cm−2)でイオン注入してから、ドライブインを行うことにより、p+形ウェル領域41を形成する。また、チャネルストッパ領域形成工程では、シリコン基板1aの上記一表面側を所定温度で熱酸化することにより第3のシリコン酸化膜(熱酸化膜)52を選択的に形成し、その後、p++形チャネルストッパ領域42を形成するためのマスクを利用したフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して第3のシリコン酸化膜52をパターニングし、続いて、p形不純物(例えば、ボロンなど)を所定の加速電圧(例えば、50keV)および所定のドーズ量(例えば、3×1012cm−2)でイオン注入してから、ドライブインを行うことにより、p++形チャネルストッパ領域42を形成する。なお、第1のシリコン酸化膜31と第2のシリコン酸化膜51と第3のシリコン酸化膜52とでシリコン基板1aの上記一表面側のシリコン酸化膜1bを構成している。
After the above-described insulating layer patterning step, a well region forming step for forming a p + -type well region 41 on the one surface side of the
上述のチャネルストッパ領域形成工程の後、シリコン基板1aの上記一表面側に熱酸化により所定膜厚(例えば、600Å)のシリコン酸化膜(熱酸化膜)からなるゲート絶縁膜45を形成するゲート絶縁膜形成工程を行い、続いて、シリコン基板1aの上記一表面側の全面にゲート電極46、水平信号線6(図2参照)、n形ポリシリコン層34、p形ポリシリコン層35、赤外線吸収層39、補強層39bおよび自己診断用ヒータ部139の基礎となる所定膜厚(例えば、0.69μm)のノンドープのポリシリコン層38をLPCVD法により形成するポリシリコン層形成工程を行い、その後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用してノンドープのポリシリコン層38のうちゲート電極46、水平信号線6、n形ポリシリコン層34、p形ポリシリコン層35、赤外線吸収層39、補強層39bおよび自己診断用ヒータ部139それぞれに対応する部分が残るようにパターニングするポリシリコン層パターニング工程を行い、続いて、ノンドープのポリシリコン層38のうちp形ポリシリコン層35に対応する部分にp形不純物(例えば、ボロンなど)を所定の加速電圧(例えば、60keV)および所定のドーズ量(例えば、7.5×1015cm−2)でイオン注入してから、ドライブを行うことによりp形ポリシリコン層35を形成するp形ポリシリコン層形成工程を行うことによって、図15(a)に示す構造を得る。なお、この例では、p形が第1導電形、n形が第2導電形であり、p形ポリシリコン層形成工程が、サーモパイル30aのp形ポリシリコンにより構成される部分に対応するノンドープのポリシリコン層へ第1導電形の不純物を注入する第1導電形不純物注入工程を構成している。また、本実施形態では、p形ポリシリコン層35の不純物濃度を1×1018cm−3に設定してあるが、この数値は一例であり、特に限定するものではなく、1×1018〜1×1020cm−3程度の範囲で適宜設定すればよい。
After the above-described channel stopper region forming step, a
上述のp形ポリシリコン層形成工程の後、ノンドープのポリシリコン層38のうちn形ポリシリコン層34、赤外線吸収層39、補強層39b、自己診断用ヒータ部139、ゲート電極46および水平信号線6に対応する部分にn形不純物(例えば、リンなど)を所定の加速電圧(例えば、60keV)および所定のドーズ量(例えば、1×1016cm−2)でイオン注入してからドライブを行うことによりn形ポリシリコン層34、赤外線吸収層39、補強層39b、自己診断用ヒータ部139、ゲート電極46および水平信号線6を形成するn形ポリシリコン層形成工程を行うことによって、図15(b)に示す構造を得る。ここにおいて、本実施形態では、n形ポリシリコン層形成工程において、シリコン基板1aへのn+形ドレイン領域43およびn+形ソース領域44の形成を同時に行っている。要するに、この例では、p形が第1導電形、n形が第2導電形であり、n形ポリシリコン層形成工程が、赤外線吸収層39に対応するノンドープのポリシリコン層38へ第2導電形の不純物を注入する第2導電形不純物イオン注入工程を構成しており、当該第2導電形不純物イオン注入工程において、少なくとも、赤外線吸収層39に対応するノンドープのポリシリコン層38への第2導電形の不純物の注入と、シリコン基板1aへのソース領域44・ドレイン領域43形成用の第2導電形の不純物の注入とを、同時に行うようにしている。また、この第2導電形不純物イオン注入工程では、赤外線吸収層39に対応するノンドープのポリシリコン層38だけでなく、n形ポリシリコン層34、補強層39b、自己診断用ヒータ部139、ゲート電極46および水平信号線6に対応するノンドープのポリシリコン層38への第2導電形の不純物の注入を行っている。なお、本実施形態では、n形ポリシリコン層34の不純物濃度を1×1018cm−3に設定し、n+形ソース領域44およびn+形ドレイン領域43を1×1018cm−3に設定してあるが、これらの数値は一例であり、特に限定するものではなく、前者は例えば1×1018〜1×1020cm−3程度の範囲で設定すればよく、後者は例えば1×1017〜1×1019cm−3程度の範囲で設定すればよい。
After the above-described p-type polysilicon layer forming step, the n-
上述のp形ポリシリコン層形成工程およびn形ポリシリコン層形成工程が終了した後、シリコン基板1aの上記一表面側に層間絶縁膜50を形成する層間絶縁膜形成工程を行い、続いて、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して層間絶縁膜50に上記各コンタクトホール50a1,50a2,50a3,50a4,50d,50e,50f(図8、図9および図11参照)を形成するコンタクトホール形成工程を行うことによって、図16(a)に示す構造を得る。ここで、層間絶縁膜形成工程では、シリコン基板1aの上記一表面側に所定膜厚(例えば、0.8μm)のBPSG膜をCVD法により堆積させてから、所定温度(例えば、800℃)でリフローすることにより平坦化された層間絶縁膜50を形成する。
After the p-type polysilicon layer forming step and the n-type polysilicon layer forming step are completed, an interlayer insulating film forming step for forming an
上述のコンタクトホール形成工程の後、シリコン基板1aの上記一表面側の全面に第1の接続金属部36、第2の接続金属部37、ドレイン電極47、ソース電極48、基準バイアス線5、垂直読み出し線7、グラウンド線8、共通グラウンド線9および各パッドVout,Vsel,Vref,Vdd,Gndなど(図13参照)の基礎となる所定膜厚(例えば、2μm)の金属膜(例えば、Al−Si膜)をスパッタ法などにより形成する金属膜形成工程を行い、続いて、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して金属膜をパターニングすることで第1の接続金属部36、第2の接続金属部37、ドレイン電極47、ソース電極48、基準バイアス線5、垂直読み出し線7、グラウンド線8、共通グラウンド線9および各パッドVout,Vsel,Vref,Vdd,Gndなどを形成する金属膜パターニング工程を行うことによって、図16(b)に示す構造を得る。なお、金属膜パターニング工程におけるエッチングはRIEにより行っている。また、この金属膜パターニング工程を行うことにより、温接点T1および冷接点T2が形成される。
After the contact hole forming step, the first
上述の金属膜パターニング工程の後、シリコン基板1aの上記一表面側(つまり、層間絶縁膜50の表面側)に所定膜厚(例えば、0.5μm)のPSG膜と所定膜厚(例えば、0.5μm)のNSG膜との積層膜からなるパッシベーション膜60をCVD法により形成するパッシベーション膜形成工程を行うことによって、図17(a)に示す構造を得る。なお、パッシベーション膜60は、PSG膜とNSG膜との積層膜に限らず、例えば、シリコン窒化膜でもよい。
After the metal film patterning step, a PSG film having a predetermined film thickness (for example, 0.5 μm) and a predetermined film thickness (for example, 0 μm) are formed on the one surface side of the
上述のパッシベーション膜形成工程の後、シリコン酸化膜31とシリコン窒化膜32との積層膜からなる熱絶縁層と、当該熱絶縁層上に形成された感温部30と、熱絶縁層の表面側で感温部30を覆うように形成された層間絶縁膜50と、層間絶縁膜50上に形成されたパッシベーション膜60との積層構造部をパターニングすることにより上述の小薄膜構造部3aaを形成する積層構造部パターニング工程を行うことによって、図17(b)に示す構造を得る。なお、積層構造部パターニング工程において、上述の各スリット13,14を形成している。
After the above-described passivation film forming step, a thermal insulating layer composed of a laminated film of the
上述の積層構造部パターニング工程の後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して各パッドVout,Vsel,Vref,Vdd,Gndを露出させるパッド用開口部(図示せず)を形成するパッド用開口部形成工程を行い、続いて、上述の各スリット13,14をエッチャント導入孔として所定のエッチャントを導入してシリコン基板1aを異方性エッチングすることによりシリコン基板1aに空洞部11を形成する空洞部形成工程を行うことによって、図18に示す構造の画素部2が2次元アレイ状に配列された赤外線センサAを得る。ここで、パッド用開口部形成工程におけるエッチングはRIEにより行っている。また、空洞部形成工程では、上記所定のエッチャントとして所定温度(例えば、85℃)に加熱したTMAH水溶液を用いているが、上記エッチャントはTMAH水溶液に限らず、他のアルカリ系溶液(例えば、EDP水溶液など)を用いてもよい。なお、空洞部形成工程が終了するまでの全工程はウェハレベルで行うので、空洞部形成工程が終了した後、個々の赤外線センサAに分離する分離工程を行えばよい。また、上述の説明から分かるように、MOSトランジスタ4の製造方法に関してみれば、周知の一般的なMOSトランジスタの製造方法を採用しており、熱酸化による熱酸化膜の形成、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術による熱酸化膜のパターニング、不純物のイオン注入、ドライブイン(不純物を拡散させるアニール)の基本工程を繰り返すことにより、p+形ウェル領域41、p++形チャネルストッパ領域42、n+形ドレイン領域43とn+形ソース領域44を形成している。
After the laminated structure patterning step described above, a pad opening for forming a pad opening (not shown) for exposing the pads Vout, Vsel, Vref, Vdd, and Gnd using a photolithography technique and an etching technique. Next, a cavity is formed by forming a
以上説明した本実施形態の赤外線センサAの製造方法によれば、シリコン基板1aの上記一表面側にノンドープのポリシリコン層38を形成するポリシリコン層形成工程と、ポリシリコン層形成工程で形成されたノンドープのポリシリコン層38のうち少なくとも赤外線吸収層39、サーモパイル3aおよびゲート電極46それぞれに対応する部分が残るようにノンドープのポリシリコン層38をパターニングするポリシリコン層パターニング工程と、ポリシリコン層パターニング工程の後で赤外線吸収層39に対応するノンドープのポリシリコン層38へ第2導電形の不純物を注入する第2導電形不純物イオン注入工程とを備え、当該第2導電形不純物イオン注入工程において、少なくとも、赤外線吸収層39に対応するノンドープのポリシリコン層38への第2導電形の不純物の注入と、シリコン基板1aへのソース領域44・ドレイン領域43形成用の第2導電形の不純物の注入とを、同時に行うので、赤外線吸収層39を備えていない場合に比べて工程数を増加することなく赤外線吸収層39を形成することができ、高感度化を図りながらも製造コストの低コスト化を図れる。なお、上述の例では、サーモパイル30aの熱電対の2種類の導体材料の組み合わせが、p形ポリシリコン−n形ポリシリコンの組み合わせであるとともに、赤外線吸収層39の材料が、MOSトランジスタ4の第1導電形のウェル領域41内で離間した第2導電形のソース領域44および第2導電形のドレイン領域43と同じ第2導電形のポリシリコンであり、ゲート電極46の材料が、n形ポリシリコンである場合について説明したが、これに限らず、サーモパイル30aの熱電対の2種類の導体材料の組み合わせが、p形ポリシリコン−n形ポリシリコン、p形ポリシリコン−金属、n形ポリシリコン−金属のいずれか1つの組み合わせであるとともに、赤外線吸収層39の材料が、MOSトランジスタ4の第1導電形のウェル領域41内で離間した第2導電形のソース領域44および第2導電形のドレイン領域43と同じ第2導電形のポリシリコンであり、ゲート電極46の材料が、p形ポリシリコンもしくはn形ポリシリコンであればよい。
According to the manufacturing method of the infrared sensor A of the present embodiment described above, it is formed by the polysilicon layer forming step of forming the
また、上述の赤外線センサAの製造方法では、第1導電形がp形、第2導電形がn形であるとともに、サーモパイル30aの組み合わせが、p形ポリシリコン−n形ポリシリコンであり、ポリシリコン層パターニング工程と第2導電形不純物イオン注入工程との間に、サーモパイル30aのp形ポリシリコンにより構成される部分に対応するノンドープのポリシリコン層38へ第1導電形の不純物を注入する第1導電形不純物イオン注入工程を行うようにしているので、赤外線センサAの製造にあたって、第2導電形のソース領域44および第2導電形のドレイン領域43の形成後に第1導電形不純物イオン注入工程を行う場合に比べて、ソース領域44およびドレイン領域43中の第2導電形であるn形不純物が、第2導電形のソース領域44および第2導電形のドレイン領域43の形成後の熱工程(例えば、ドライブイン)でウェル領域41におけるソース領域44・ドレイン領域43間のチャネル形成領域へ拡散するのを防止できるから、MOSトランジスタ4のチャネル長をより短くすることが可能となるとともに、MOSトランジスタ4をより再現性良く形成することが可能となる。ここで、サーモパイル30aの組み合わせが、p形ポリシリコン−n形ポリシリコンに限らず、p形ポリシリコン−金属の場合にも、ポリシリコン層パターニング工程と第2導電形不純物イオン注入工程との間に、サーモパイル30aのp形ポリシリコンにより構成される部分に対応するノンドープのポリシリコン層38へ第1導電形の不純物を注入する第1導電形不純物イオン注入工程を行うようにしても、同様の効果が得られる。
Further, in the manufacturing method of the infrared sensor A described above, the first conductivity type is p-type, the second conductivity type is n-type, and the combination of the
また、上述の赤外線センサAの製造方法では、第1導電形がp形、第2導電形がn形であるとともに、サーモパイル30aの組み合わせが、p形ポリシリコン−n形ポリシリコンであり、第2導電形不純物イオン注入工程において、サーモパイル30aのn形ポリシリコンにより構成される部分に対応するノンドープのポリシリコン層38への第2導電形の不純物の注入も同時に行うようにしているので、サーモパイル30aのn形ポリシリコンにより構成される部分に対応するノンドープのポリシリコン層38への第2導電形の不純物の注入を、第2導電形不純物イオン注入工程とは別に行う場合に比べて、工程数を低減でき、製造コストの低コスト化を図れる。ここで、サーモパイル30aの組み合わせが、p形ポリシリコン−n形ポリシリコンに限らず、n形ポリシリコン−金属の場合にも、第2導電形不純物イオン注入工程において、サーモパイル30aのn形ポリシリコンにより構成される部分に対応するノンドープのポリシリコン層38への第2導電形の不純物の注入も同時に行うようにすれば、同様の効果が得られる。
In the method of manufacturing the infrared sensor A described above, the first conductivity type is p-type, the second conductivity type is n-type, and the combination of the
また、上述の赤外線センサの製造方法では、第1導電形がp形、第2導電形がn形であるとともに、サーモパイル30aの組み合わせが、p形ポリシリコン−n形ポリシリコンであり、ポリシリコン層パターニング工程と第2導電形不純物イオン注入工程との間に、サーモパイル30aのp形ポリシリコンにより構成される部分に対応するノンドープのポリシリコン層38へ第1導電形の不純物を注入する第1導電形不純物イオン注入工程を行うようにし、第2導電形不純物イオン注入工程では、サーモパイル30aのn形ポリシリコンにより構成される部分に対応するノンドープのポリシリコン層38への第2導電形の不純物の注入も同時に行うようにしているので、より一層の低コスト化を図れる。
In the above infrared sensor manufacturing method, the first conductivity type is p-type, the second conductivity type is n-type, and the combination of the
ところで、本実施形態の赤外線センサAでは、シリコン窒化膜32の赤外線入射面側に、n形ポリシリコン層34およびp形ポリシリコン層35の他に、赤外線吸収層39、補強層39b、自己診断用ヒータ部139が形成されているので、n形ポリシリコン層34およびp形ポリシリコン層35の形成時にシリコン窒化膜32がエッチングされて薄くなるのを抑制する(ここでは、上述のポリシリコン層パターニング工程でn形ポリシリコン層34およびp形ポリシリコン層35の基礎となるノンドープポリシリコン層38をエッチングする際のオーバーエッチング時にシリコン窒化膜32がエッチングされて薄くなるのを抑制する)ことができるとともに薄膜構造部3aの応力バランスの均一性を高めることができ、赤外線吸収部33の薄膜化を図りながらも小薄膜構造部3aaの反りを防止することが可能となり、感度の向上を図れる。ここで、n形ポリシリコン層34、p形ポリシリコン層35、赤外線吸収層39、補強層39b、自己診断用ヒータ部139は、上述の空洞部形成工程において用いるエッチング液(例えば、TMAH水溶液など)によりエッチングされるのを防止するため、スリット13,14の内側面に露出しないように平面視形状を設計する必要がある。
By the way, in the infrared sensor A of this embodiment, in addition to the n-
なお、赤外線センサAは、必ずしも画素部2をアレイ状に備えた赤外線アレイセンサである必要はなく、少なくとも、熱型赤外線検出部3とMOSトランジスタ4との組を1組備えたものであればよい。
The infrared sensor A does not necessarily have to be an infrared array sensor having the
1a シリコン基板
3 熱型赤外線検出部
4 MOSトランジスタ
11 空洞部
30a サーモパイル
34 n形ポリシリコン層(n形ポリシリコン細線)
35 n形ポリシリコン層(p形ポリシリコン細線)
36 第1の接続金属部
37 第2の接続金属部
38 ノンドープのポリシリコン層
39 赤外線吸収層
41 ウェル領域
43 ドレイン領域
44 ソース領域
46 ゲート電極
T1 温接点
T2 冷接点
DESCRIPTION OF
35 n-type polysilicon layer (p-type polysilicon wire)
36 First
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