JP2012083341A - 熱型赤外線センサー及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】熱型赤外線センサーは、空洞部7によって半導体基板5とは熱的に分離された赤外線吸収膜9と、赤外線吸収膜9の温度変化を検出する温度センサー11とを備えている。赤外線吸収膜9は半導体基板5と対向する面にサブ波長構造9aからなる赤外線反射防止構造を備えている。
【選択図】図1
Description
センサー部101は梁部102によって基板103に対して空洞部104を介して支持されている。このため、センサー部101は基板103に対して熱的に分離されており、赤外線センサーとしての感度が高められている。センサー部101は、赤外線吸収膜105と温度センサー106を備えている。この赤外線センサーは、赤外線が基板103の裏面側から入射する構成となっており、赤外線吸収膜105が基板103に対向して配置されている。この赤外線センサーは、基板103側から入射した赤外線が赤外線吸収膜105で吸収されることによって生じる温度変化を温度センサー106で捉えて赤外線を検出する。温度センサー106からの信号を外部に取り出すために、センサー部101と梁部102に配線107が形成されている。
(A)写真製版技術及びエッチング技術によって、熱型赤外線センサーのセンサー部の形成予定位置の上記半導体基板の表面にサブ波長構造形成用の凹部パターンを形成する工程、
(B)熱酸化処理を施して、上記半導体基板の表面に、上記凹部パターンから形成されたサブ波長構造をもつ酸化シリコン膜からなる上記赤外線吸収膜を形成する工程、
(C)上記赤外線吸収膜上に上記温度センサーを形成する工程、
(D)上記温度センサーの電位をとるために、層間絶縁膜、配線及び保護膜を形成する工程、
(E)上記赤外線吸収膜の直下の上記半導体基板を除去するために、写真製版技術及びエッチング技術によって上記保護膜及び上記層間絶縁膜に上記半導体基板に到達するエッチング用開口部を形成した後、ウェットエッチング技術によって上記エッチング用開口部を介して上記赤外線吸収膜の直下の上記半導体基板を除去して、上記赤外線吸収膜と上記半導体基板との間に上記空洞部を形成する工程。
(A)上記半導体基板上に絶縁膜を介して半導体層を形成した後、写真製版技術及びエッチング技術によって、熱型赤外線センサーのセンサー部の形成予定位置の上記半導体層の表面にサブ波長構造形成用の凹部パターンを形成する工程、
(B)熱酸化処理を施して、上記半導体層の表面に、上記凹部パターンに対応するサブ波長構造をもつ酸化シリコン膜からなる上記赤外線吸収膜を形成する工程、
(C)上記赤外線吸収膜上に上記温度センサーを形成する工程、
(D)上記温度センサーの電位をとるために、層間絶縁膜、配線及び保護膜を形成する工程、
(E)上記赤外線吸収膜の直下の上記半導体層を除去するために、写真製版技術及びエッチング技術によって上記保護膜及び上記層間絶縁膜に上記半導体層に到達するエッチング用開口部を形成した後、ウェットエッチング技術によって上記エッチング用開口部を介して上記赤外線吸収膜の直下の上記半導体層を除去して、上記赤外線吸収膜と上記半導体基板との間に上記空洞部を形成する工程。
サブ波長構造の周期格子は、光波に対して光学素子の基材と周囲の媒質との平均的な屈折率を持った媒質とほぼ等価になる。以下、このような効果によって生じる平均的な屈折率を有効屈折率と称す。つまり、サブ波長構造がない場合には光学素子と周囲の媒質との界面で屈折率の変化が急峻であるのに対して、サブ波長構造を形成した場合には、光学素子と周囲の媒質との界面での屈折率の変化が緩やかになり、反射防止効果が得られる。このように、サブ波長構造をうまく設計することにより、反射防止構造が形成可能となる。
図18に示すように、表面に四角錐様の凹凸201を配列したサブ波長の周期構造202を形成すると、凹凸201が形成される部材203と、周囲の媒質との中間の有効屈折率をもつ薄膜層が存在することと等価となり、この表面での反射が減少する。
また、非特許文献1には、サブ波長構造は赤外線に対しても反射防止効果が得られることが示されている。また、素子表面に形成するサブ波長構造は錐体形状に限らず、柱状形状でも反射防止効果が得られることが示されている。
また、本発明の製造方法の第1局面において、上記半導体基板はSOI基板の支持基板であり、上記工程(B)における熱酸化処理は、上記支持基板表面に上記SOI基板のBOX層を形成する処理でもあり、上記工程(B)と上記工程(C)との間に、上記BOX層の表面を研磨処理によって平坦化し、さらに上記BOX層上に単結晶シリコン層を貼り付けて上記SOI基板の活性層に形成する工程(B’)を含み、上記工程(C)は上記工程(B’)で形成された単結晶シリコン層に上記温度センサーを形成する例を挙げることができる。
ただし、本発明の熱型赤外線センサー及びその製造方法において、半導体基板は、SOI基板に限定されるものではなく、バルク半導体基板であってもよい。
また、本発明の熱型赤外線センサーにおいて、赤外線吸収膜は、BOX層からなるものに限定されるものではなく、酸化シリコン膜や窒化シリコン膜、窒化シリコン膜と酸化シリコン膜の積層膜など、赤外線を吸収して温度変化を生じる膜であれば、どのような膜であってもよい。
また、本発明の熱型赤外線センサー及びその製造方法において、温度センサーは、単結晶シリコン層に形成されたものに限定されるものではなく、PNダイオード、MOSFET、サーミスタ、ボロメータ、サーモパイル、焦電体など、赤外線吸収膜の温度変化を検出できるセンサーであれば、どのような方式のものであってもよい。
赤外線センサーとCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)回路のモノシリック化を考慮すると、赤外線センサー部とCMOS回路部は同時に形成されなければならないため、赤外線センサー部の下層に通常のCMOSプロセスで使用される材料以外の材料で反射防止膜を形成することは好ましくない。また、このような構成の赤外線センサーでは、赤外線吸収膜として酸化シリコン膜や窒化シリコン膜を使用することが多く、これらの材料に対して有効な反射防止膜となる材料は通常のCMOSプロセスで使用される材料の中にはない。
本発明の熱型赤外線センサーは、赤外線吸収膜の半導体基板と対向する面にサブ波長構造からなる赤外線反射防止構造を備え、CMOSプロセスで使用される材料以外の材料で赤外線吸収膜の裏面(半導体基板と対向する面)に反射防止膜を形成する必要はないので、CMOS回路のモノシリック化が容易である。
また、本発明の製造方法の第1局面において、半導体基板はSOI基板の支持基板であり、工程(B)における熱酸化処理は、支持基板表面にSOI基板のBOX層を形成する処理でもあり、工程(B)と工程(C)との間に、BOX層上に単結晶シリコン層を貼り付けてSOI基板の活性層に形成する工程(B’)を含み、工程(C)は工程(B’)で形成された単結晶シリコン層に温度センサーを形成するようにしてもよい。
これにより、温度センサーをポリシリコンに形成する場合に比べて、熱型赤外線センサーのS/N比(信号量と雑音量の比)の改善や安定性、均一性の向上を図ることができる。
センサー部1は梁部3によってシリコン基板(半導体基板)5に対して空洞部7を介して支持されている。センサー部1に赤外線吸収膜9、温度センサー11、配線13、層間絶縁膜15、保護膜17が形成されている。梁部3には、赤外線吸収膜9、配線13、層間絶縁膜15、保護膜17が形成されている。
図4(A),(B)では、正四角錐の凹部パターン9bが格子状に配置されている。図5(A),(B)では、正四角錐台の凹部パターン9bが格子状に配置されている。図6(A),(B)では、底面が正方形の直方体の凹部パターン9bが千鳥状に配置されている。図7(A),(B)では、円錐の凹部パターン9bが千鳥状に配置されている。
(2)熱酸化処理を施して、シリコン基板5の表面に酸化シリコン膜19を形成する。酸化シリコン膜19とシリコン基板5の界面には、凹部パターン9bからサブ波長構造9aが形成される。この実施例では、センサー部1及び梁部3の酸化シリコン膜19は赤外線吸収膜9を構成する(図4(C)、図5(C)、図6(C)及び図7(C)も参照。)。
この実施例では、エッチング用開口部21がセンサー部1の中央に形成されている。温度センサー11はエッチング用開口部21に露出しないようにパターニングされている。空洞部7はエッチング用開口部21を用いて等方性ドライエッチングによって形成されたものである。空洞部7の平面形状は略円形である。梁部3は空洞部7の周縁部の赤外線吸収膜9、層間絶縁膜15及び保護膜17によって形成されている。この実施例でも、赤外線吸収膜9の裏面にサブ波長構造9aが形成されている。
この実施例では、シリコン基板からなる支持基板23、酸化シリコン膜からなるBOX層25、及び単結晶シリコン層をもつSOI基板27が用いられている。温度センサー29はSOI基板の単結晶シリコン層に形成されている。温度センサー29は、SOI基板の単結晶シリコン層に形成されたPN接合ダイオードによって形成されている。温度センサー29の形成位置とは異なる位置のSOI基板の単結晶シリコン層は、素子分離のために例えばLOCOS(Local Oxidation of Silicon)法によって酸化されて、素子分離酸化膜31が形成されている。
センサー部1及び梁部3の形成位置のBOX層25は赤外線吸収膜9を構成する。赤外線吸収膜9の裏面(支持基板23に対向する面)にサブ波長構造9aが形成されている。
(1)写真製版技術及びエッチング技術により、熱型赤外線センサーのセンサー部1の形成予定位置の支持基板23の表面に、後記工程(2)での熱酸化処理を考慮してサブ波長構造形成用の凹部パターン9bを形成する。この実施例では、梁部3の形成予定位置にも凹部パターン9bを形成する。
(6)図9を参照して説明する。図3を参照して説明した上記工程(6)と同様にして、結晶異方性ウェットエッチング技術によってエッチング用開口部21を介して赤外線吸収膜9の直下の支持基板23を除去して、赤外線吸収膜9と支持基板23との間に空洞部7を形成する。なお、図8を参照して説明した等方性ドライエッチングによる空洞部7の形成も、この実施例に適用できる。
この実施例は、シリコン基板5にCMOS回路部37をさらに備えている。CMOS回路部37はPチャネルMOSFET39とNチャネルMOSFET41を備えている。例えばシリコン基板5がP型シリコン基板の場合、PチャネルMOSFET39はシリコン基板5に形成されたN型ウエル43に形成され、NチャネルMOSFET41はシリコン基板5又はシリコン基板5に形成されたP型ウエル(図示は省略)に形成される。MOSFET39,41の形成位置は例えばLOCOS酸化膜からなる素子分離用の酸化シリコン膜19によって画定されている。
NチャネルMOSFET41は、シリコン基板5に形成された、ソース及びドレインを構成する2つのN型不純物拡散層49,49と、N型不純物拡散層49,49の間のシリコン基板5上にゲート酸化膜(図示は省略)を介して形成されたポリシリコンゲート電極51を備えている。
この実施例は、SOI基板27にCMOS回路部37をさらに備えている。CMOS回路部37はPチャネルMOSFET39とNチャネルMOSFET41を備えている。PチャネルMOSFET39はSOI基板27の単結晶シリコン層に形成されたN型単結晶シリコン層57に形成され、NチャネルMOSFET41はSOI基板27の単結晶シリコン層に形成されたP型単結晶シリコン層59に形成されている。MOSFET39,41の形成位置は、SOI基板27の単結晶シリコン層に形成された、例えばLOCOS酸化膜からなる素子分離用の酸化シリコン膜31によって画定されている。
NチャネルMOSFET41は、P型単結晶シリコン層59に形成された、ソース及びドレインを構成する2つのN型不純物拡散層49,49と、N型不純物拡散層49,49の間のP型単結晶シリコン層59上にゲート酸化膜(図示は省略)を介して形成されたポリシリコンゲート電極51を備えている。
シリコン基板5の表面に、例えばLOCOS酸化膜からなる素子分離用の酸化シリコン膜(絶縁膜)61が形成されている。酸化シリコン膜61上にセンサー部1及び梁部3が形成されている。
センサー部1は梁部3によってシリコン基板5に対して空洞部7を介して支持されている。センサー部1に赤外線吸収膜9、温度センサー11、配線13、層間絶縁膜15、保護膜17が形成されている。梁部3には、赤外線吸収膜9、配線13、層間絶縁膜15、保護膜17が形成されている。
(1)例えばLOCOS法により、シリコン基板5表面に素子分離用の酸化シリコン膜61を形成する。CVD法により、酸化シリコン膜61上にポリシリコン膜を形成する。そのポリシリコン膜を写真製版技術及びエッチング技術によりパターニングして、熱型赤外線センサーのセンサー部1の形成予定位置の酸化シリコン膜61上にポリシリコン膜パターン(半導体層)63を形成する。
ポリシリコン膜パターン63のエッチングは、シリコンと酸化シリコン膜との選択比が大きい方式であることが好ましい。また、層間絶縁膜15又は保護膜17とポリシリコン膜パターン63とのエッチング選択比が小さい場合は、エッチング用開口部21の側面と保護膜17の表面にエッチング保護用のハードマスク(窒化シリコン膜)を形成する必要がある。
また、サーモパイルは複数本のN+ポリシリコンと複数本のP+ポリシリコンを備えていてもよい。この場合、各ポリシリコンはセンサー部1から梁部3を介して酸化シリコン膜19上にわたって配置される。さらに、金属配線13a,13b,13cによって、N+ポリシリコンとP+ポリシリコンが交互に直列に接続される。
例えば、上記実施例では、単体の赤外線センサーの形状に関して説明したが、赤外線センサーを一次元アレイ状に形成した赤外線ラインセンサーや、二次元アレイ状に形成した赤外線二次元アレイセンサー、赤外線イメージセンサーにも本発明を適用可能である。
3 梁部
5 シリコン基板(半導体基板)
7 空洞部
9 赤外線吸収膜
9a サブ波長構造
9b サブ波長構造形成用の凹部パターン
11 温度センサー
13 配線
15 層間絶縁膜
17 保護膜
21 エッチング用開口部
23 支持基板
25 BOX層
27 SOI基板
29 温度センサー
33 SOI基板の単結晶シリコン層
37 CMOS回路部
61 酸化シリコン膜(絶縁膜)
63 ポリシリコン膜パターン(半導体層)
Claims (6)
- 空洞部によって半導体基板とは熱的に分離された赤外線吸収膜と、赤外線吸収膜の温度変化を検出する温度センサーとを備えた熱型赤外線センサーにおいて、
前記赤外線吸収膜は前記半導体基板と対向する面にサブ波長構造からなる赤外線反射防止構造を備えていることを特徴とする熱型赤外線センサー。 - 前記半導体基板はSOI基板であり、前記赤外線吸収膜は前記SOI基板のBOX層によって形成されており、前記温度センサーは前記SOI基板の単結晶シリコン層に形成されている請求項1に記載の熱型赤外線センサー。
- 前記半導体基板上にCMOS回路をさらに備えている請求項1又は2に記載の熱型赤外線センサー。
- 空洞部によって半導体基板とは熱的に分離された赤外線吸収膜と、赤外線吸収膜の温度変化を検出する温度センサーとを備えた熱型赤外線センサーの製造方法において、以下の工程(A)から(E)をその順に含む熱型赤外線センサーの製造方法。
(A)写真製版技術及びエッチング技術によって、熱型赤外線センサーのセンサー部の形成予定位置の前記半導体基板の表面にサブ波長構造形成用の凹部パターンを形成する工程、
(B)熱酸化処理を施して、前記半導体基板の表面に、前記凹部パターンから形成されたサブ波長構造をもつ酸化シリコン膜からなる前記赤外線吸収膜を形成する工程、
(C)前記赤外線吸収膜上に前記温度センサーを形成する工程、
(D)前記温度センサーの電位をとるために、層間絶縁膜、配線及び保護膜を形成する工程、
(E)前記赤外線吸収膜の直下の前記半導体基板を除去するために、写真製版技術及びエッチング技術によって前記保護膜及び前記層間絶縁膜に前記半導体基板に到達するエッチング用開口部を形成した後、ウェットエッチング技術によって前記エッチング用開口部を介して前記赤外線吸収膜の直下の前記半導体基板を除去して、前記赤外線吸収膜と前記半導体基板との間に前記空洞部を形成する工程。 - 前記半導体基板はSOI基板の支持基板であり、
前記工程(B)における熱酸化処理は、前記支持基板表面に前記SOI基板のBOX層を形成する処理でもあり、
前記工程(B)と前記工程(C)との間に、前記BOX層の表面を研磨処理によって平坦化し、さらに前記BOX層上に単結晶シリコン層を貼り付けて前記SOI基板の単結晶シリコン層に形成する工程(B’)を含み、
前記工程(C)は前記工程(B’)で形成された単結晶シリコン層に前記温度センサーを形成する請求項4に記載の熱型赤外線センサー。 - 空洞部によって半導体基板とは熱的に分離された赤外線吸収膜と、赤外線吸収膜の温度変化を検出する温度センサーとを備えた熱型赤外線センサーの製造方法において、以下の工程(A)から(E)をその順に含む熱型赤外線センサーの製造方法。
(A)前記半導体基板上に絶縁膜を介して半導体層を形成した後、写真製版技術及びエッチング技術によって、熱型赤外線センサーのセンサー部の形成予定位置の前記半導体層の表面にサブ波長構造形成用の凹部パターンを形成する工程、
(B)熱酸化処理を施して、前記半導体層の表面に、前記凹部パターンに対応するサブ波長構造をもつ酸化シリコン膜からなる前記赤外線吸収膜を形成する工程、
(C)前記赤外線吸収膜上に前記温度センサーを形成する工程、
(D)前記温度センサーの電位をとるために、層間絶縁膜、配線及び保護膜を形成する工程、
(E)前記赤外線吸収膜の直下の前記半導体層を除去するために、写真製版技術及びエッチング技術によって前記保護膜及び前記層間絶縁膜に前記半導体層に到達するエッチング用開口部を形成した後、ウェットエッチング技術によって前記エッチング用開口部を介して前記赤外線吸収膜の直下の前記半導体層を除去して、前記赤外線吸収膜と前記半導体基板との間に前記空洞部を形成する工程。
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