(57)【要約】【課題】中空構造部をエッチングすることなく残留物を除去し、赤外線センサ間で特性がばらつくのを防止した赤外線センサの製造方法を提供する。【解決手段】中空構造部を有する赤外線センサの製造方法が、シリコン基板の上に金属配線を含む絶縁層を形成する工程と、絶縁層の上に有機材料からなる犠牲層を形成する工程と、犠牲層の上に、絶縁層の上に支持され、絶縁体からなる赤外線吸収部を形成する工程と、シリコン基板を部分的に除去して中空部を形成するエッチング工程と、犠牲層を選択的に除去するアッシング工程とを含み、アッシング工程は、酸素原子を含むガス、窒素原子を含むガス、およびフッ素原子を含むガスの混合ガスのプラズマを用いたアッシング工程である。【選択図】図２Ｆ
2010127737.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空構造部を有する赤外線センサの製造方法であって、
シリコン基板の上に金属配線を含む絶縁層を形成する工程と、
該絶縁層の上に有機材料からなる犠牲層を形成する工程と、
該犠牲層の上に、該絶縁層の上に支持され、絶縁体からなる赤外線吸収部を形成する工程と、
該シリコン基板を部分的に除去して中空部を形成するエッチング工程と、
該犠牲層を選択的に除去するアッシング工程とを含み、
該アッシング工程は、酸素原子を含むガス、窒素原子を含むガス、およびフッ素原子を含むガスの混合ガスのプラズマを用いたアッシング工程であることを特徴とする赤外線センサの製造方法。
【請求項２】
上記酸素原子を含むガスは、酸素ガスであることを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
【請求項３】
上記フッ素原子を含むガスは、４フッ化炭素ガスであることを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
【請求項４】
上記４フッ化炭素ガスは、１体積％未満であることを特徴とする請求項３に記載の製造方法。
【請求項５】
上記アッシング工程において、更に水素原子を含むガスを添加することを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
【請求項６】
上記水素原子を含むガスは、水ガスであることを特徴とする請求項５に記載の製造方法。
【請求項７】
上記アッシング工程は、表面波プラズマ源、または誘導結合型プラズマ源を用いて行われることを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
【請求項８】
上記エッチング工程は、フッ化キセノンガスのプラズマを用いたプラズマエッチング工程であることを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
【請求項９】
上記赤外線センサがアルミニウムのボンディングパッドを含み、
上記アッシング工程の後に、更に、酸素原子と窒素原子を含みフッ素原子を含まないガスを用いたプラズマで、該ボンディングパッドの表面をアッシングする工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像素子の製造方法に関し、特に、赤外線センサの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の赤外線センサの製造方法では、まず、シリコン基板の上に赤外線検出部と配線部を形成する。続いて、その上に例えば有機材料からなる犠牲層を形成し、その上に傘状の赤外線吸収部を形成する。続いて、例えばフッ化キセノンガスを用いてシリコン基板の一部をエッチングし中空部を形成する。最後に、酸素プラズマアッシングにより犠牲層を形成し、赤外線検出部の上に傘状の赤外線吸収部を形成する。これにより、傘状の赤外線吸収部が配線層により中空部の上に支持された中空構造を備えた赤外線センサが得られる
（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−２９９５９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来の製造方法で形成した赤外線センサでは、例えば筋状の残留物が中空構造部に付着するという問題があった。かかる残留物の発生原因を調べた結果、シリコン基板に中空部を形成する際に、シリコン基板は気体のフッ化シリコンとして除去されるが、このフッ化シリコンガスの一部が有機材料からなる犠牲層に取り込まれ、中空構造部の表面に付着するために発生することがわかった。
【０００４】
これに対して、通常のアッシング工程で用いられる酸素にハロゲン系ガスを加えたエッチングガスを用いて犠牲層を除去することにより残留物の除去が可能となるが、一方で、シリコン酸化物からなる中空構造部（赤外線検出部、配線部、赤外線吸収部等）も同時にエッチングされ、赤外線センサ間で熱容量等の特性がばらつくという問題があった。
特に、微細構造の赤外線センサが高密度で集積化された高性能の赤外線センサアレイでは、かかる赤外線センサ間のエッチング量のばらつきが、赤外線センサアレイの特性に大きく影響し、問題となっていた。
【０００５】
そこで、本発明は、中空構造部をエッチングすることなく残留物を除去し、赤外線センサ間で特性がばらつくのを防止した赤外線センサの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、中空構造部を有する赤外線センサの製造方法であって、シリコン基板の上に金属配線を含む絶縁層を形成する工程と、絶縁層の上に有機材料からなる犠牲層を形成する工程と、犠牲層の上に、絶縁層の上に支持され、絶縁体からなる赤外線吸収部を形成する工程と、シリコン基板を部分的に除去して中空部を形成するエッチング工程と、犠牲層を選択的に除去するアッシング工程とを含み、アッシング工程は、酸素原子を含むガス、窒素原子を含むガス、およびフッ素原子を含むガスの混合ガスのプラズマを用いたアッシング工程であることを特徴とする赤外線センサの製造方法である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明にかかる赤外線センサの製造方法を用いることにより、中空構造部等をエッチングすることなく残留物を除去でき、高性能で特性のばらつきのない赤外線センサを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態１．
図１は、全体が２００で表される本発明の実施の形態１にかかる熱型の赤外線センサアレイの斜視図である。赤外線センサアレイ２００は、シリコン等の半導体基板１を含み、半導体基板１の上には、マトリックス状に配置された熱型の赤外線センサ１００と、その周囲に設けられた駆動回路等を含む周辺回路２１０とが設けられている。それぞれの赤外線センサ１００で検出された赤外線は、電気信号として周辺回路２０１に送られ、周辺回路２０１は、かかる電気信号を処理して画像データとする。
【０００９】
図２Ｆは、赤外線センサ１００を、図１のＩ−Ｉ方向に見た場合の断面図であり、図２Ａ〜図２Ｆは、その製造工程の断面図を表す。赤外線センサ１００の製造工程は、以下の工程１〜６を含む。
【００１０】
工程１：図２Ａに示すように、まず、シリコン基板１を準備する。次に、シリコン基板１にドライエッチングにより溝を形成し、例えばＣＶＤ法を用いて酸化シリコンを埋め込みエッチングストッパ３０１、３０２を形成する。
【００１１】
続いて、シリコン基板１の表面に、例えば酸化シリコンからなる絶縁膜２、および絶縁膜に埋め込まれた赤外線検知膜１１、および金属配線１３、１４、２５、２６、３３、３４を形成する。赤外線検知膜１１には、酸化バナジウム（ＶＯｘ）等が用いられる。また、金属配線１３、１４、２５、２６、３３、３４にはクロム、チタン、窒化チタン等が用いられる。
【００１２】
工程２：図２Ｂに示すように、絶縁膜２の所定部分をエッチングして、周辺部３２、配線部２４、検出部１２を形成する。続いて、絶縁膜２の上に、例えばポリイミドやフォトレジストのような有機材料からなる犠牲層１１０を形成する。次に、犠牲層１１０を貫通するスルーホールをエッチングで形成した後、スルーホールを酸化シリコンで埋め込み、接合柱１４０を形成する。
【００１３】
工程３：図２Ｃに示すように、例えばＣＶＤ法を用いて、酸化シリコンからなる赤外線吸収部１３０を犠牲層１１０の上に形成する。なお、赤外線吸収部１３０と接合柱１４０とは一つの工程で作製しても構わない。
【００１４】
工程４：図２Ｄに示すように、赤外線吸収部１３０の上に、赤外線吸収部１３０保護用のフォトレジスト層５００を形成する。次に、例えば、反応性イオンエッチングを用いて、赤外線吸収部１３０、接合柱１４０、絶縁膜２を貫通するエッチングホール４０１を形成する。エッチングホール４０１の底部には、シリコン基板１の表面が露出している。
【００１５】
工程５：図２Ｅに示すように、まず、シリコン基板（シリコン犠牲層）１を２フッ化キセノンを用いてエッチングする。２フッ化キセノンの圧力は、１０〜１００Ｐａ程度であり、エッチングホール４０１を通ってシリコン基板１に到達し、これを等方的にエッチングする。２フッ化キセノンは、酸化シリコンやフォトレジストに対して極めて高い選択性を有するため、中空構造部（赤外線検出部、配線部、赤外線吸収部等）にダメージを与えることなく、シリコン基板１のみをエッチングできる。エッチングストッパ３０１、３０２は、横方向のエッチングを抑制し、所定形状の中空部５０が得られる。
このとき、エッチングホール４０１中に露出したシリコン基板１の表面は、フッ化水素酸等で清浄化することが好ましいが、必要であればシリコン基板１の表面以外はフォトレジスト等で被覆してもよい。
なお、２フッ化キセノン（ＸｅＦ２）に代えて、ＸｅＦ４、ＸｅＦ６、ＫｒＦ２等を用いても構わない。
【００１６】
なお、中空部５０の形成には、誘導結合型プラズマ源等の高密度プラズマを用いて、圧力が１０Ｐａオーダーの６フッ化硫黄プラズマを用いても良い。６フッ化硫黄プラズマも酸化シリコンやフォトレジストに対して高いエッチング選択性を有し、シリコン基板１のみをエッチングして中空部５０を形成することができる。
【００１７】
続いて、酸素と窒素に、微量の４フッ化炭素を加えたガスのプラズマを用いて、有機材料からなる犠牲層を選択的に除去する。
図３Ａは、窒素（８０体積％）と酸素（２０体積％）からなるガスに、４フッ化炭素を添加した場合の、４フッ化炭素の添加量（体積％）と選択比（犠牲層のエッチング速度／酸化シリコンのエッチング速度）との関係を表す。また図３Ｂは、４フッ化炭素の添加量（体積％）と犠牲層のエッチング速度との関係を示す。ここでは、犠牲層としてポリイミドを用いたが、フォトレジストでも略同様の傾向が得られる。
【００１８】
図３Ａでは、全範囲で残留物が観察されず、選択比１００００程度の高い選択比で、残留物を残さずにエッチング（アッシング）できることがわかる。特に、４フッ化炭素の添加量が１体積％以下で良好なエッチング特性が得られている。
【００１９】
一方、図３Ｂより、犠牲層のエッチング速度は、４フッ化炭素の添加量が１体積％前後でピークとなっており、４フッ化炭素の添加量は、１．５体積％以下、好適には１体積％以下が望ましいことがわかる。
【００２０】
かかるアッシング工程を用いることにより、例えば、膜厚が１０ｎｍオーダーの酸化シリコン薄膜が中空構造部の一部（例えば、赤外線吸収部）に用いられていても、酸化シリコン薄膜を殆どエッチングすることなく犠牲層の除去が可能となる。
【００２１】
なお、上述のように、図３Ａ、図３Ｂでは、窒素と酸素の体積比率を８０％：２０％としたが、体積比率が９５％：５％から１０％：９０％の範囲においても、ほぼ同様の傾向が見られた。
【００２２】
また、４フッ化炭素の代わりに、他の水素原子を持たないフッ化炭素ガスや、６フッ化硫黄、３フッ化窒素等を用いても、略同様の結果が得られた。
【００２３】
工程６：図２Ｆに示すように、例えば有機溶剤を用いて、フォトレジスト層５００を除去する。続いて、例えば４００℃程度の熱処理をすることで、中空構造部や電気回路の安定化を図る。
以上の工程により、図２Ｆに示すような赤外線センサ１００が完成する。
【００２４】
上述のように、従来の製造方法では、シリコン基板がフッ化シリコンガスとして除去される際に、このフッ化シリコンガスの一部が有機材料からなる犠牲層に取り込まれ、中空構造部の表面に金属製の残留物として残る。また、残留物を除去するとい、同時に中空構造部もエッチングされるという問題があった。
これに対して、本実施の形態１にかかる製造方法では、中空構造部をエッチングすることなく、残留物を含む犠牲層のみを選択的に除去することが可能となる。この結果、中空構造部がエッチングされることによる赤外線センサ間での特性のばらつきを防止しつつ、残留物を残すことなく犠牲層の除去が可能となる。
【００２５】
図４は、比較例として、窒素を含まない酸素ガスに、４フッ化炭素を添加した場合の、４フッ化炭素の添加量（体積％）と選択比（犠牲層のエッチング速度／酸化シリコンのエッチング速度）との関係を表す。ここでは、犠牲層としてポリイミドを用いたが、フォトレジスト等の多の有機材料でも略同様の傾向が得られる。圧力は１３０Ｐａ程度で、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を２０ｋＷ／ｍ２照射し、室温から５０℃程度のステージに試料をおいてアッシングを行った。
【００２６】
図４に示すように、酸素に微量の４フッ化炭素を加えてアッシングをしたところ、有機材料からなる犠牲層を１０μｍオーダーで除去し、残留物を生成させないためには、４フッ化炭素量を約３体積％添加する必要があり、選択比は１０００以下となる。即ち、犠牲層を１０μｍオーダーで除去するためには、酸化シリコン膜も数１０ｎｍほどエッチングされてしまう。
【００２７】
赤外線センサ１００では、シリコン酸化膜からなる構造体の膜厚は１００ｎｍ程度である。このため、図４のようにアッシングにより１０ｎｍ程度のエッチングが起きれば、赤外線センサ間において構造体の膜厚に大きなばらつきが生じ、応答速度等の性能や、強度等の機械的な信頼性に問題が発生する。なお、クロム膜は４フッ化炭素流量０．５％近傍ではエッチングされなかったが、それ以外の流量では極僅かであるがエッチングされていた。
【００２８】
実施の形態２．
図５Ａは、窒素（８０体積％）と酸素（２０体積％）からなるガスに、水ガスを５体積％添加したガスを用いて、これに４フッ化炭素を加えた場合の、４フッ化炭素の添加量（体積％）と選択比（犠牲層のエッチング速度／酸化シリコンのエッチング速度）との関係を表す。また図５Ｂは、４フッ化炭素の添加量（体積％）と犠牲層のエッチング速度との関係を示す。
ここでは、犠牲層としてポリイミドを用いたが、フォトレジストでも略同様の傾向が得られる。また、エッチング条件は、実施の形態１と同様に、圧力１３０Ｐａ程度、マイクロ波電力２０ｋＷ／ｍ２とした。
【００２９】
図５Ａに示すように、４フッ化炭素の添加量が約５体積％より大きな領域で、残留物の生成がなく犠牲像のエッチングが可能となっている。特に、４フッ化炭素の添加量が約５．５体積％で、選択比が約９０００で最大となっている。
【００３０】
一方、図５Ｂに示すように、４フッ化炭素の添加量が約５体積％以下の領域では、犠牲像は殆どエッチングできない。
【００３１】
従って、４フッ化炭素の添加量は、好ましくは約５体積％から約６．５体積％であり、更に好ましくは約５．５体積％から約６体積％である。
【００３２】
なお、かかるエッチング（アッシング）ガスを用いた場合、熱酸化膜のエッチング量は数ｎｍ程度であり、クロム膜のエッチング量は触針式段差計の測定誤差以下となり、殆どエッチングされない。
【００３３】
このように、本実施の形態２にかかるガスを、実施の形態１で述べた製造方法の工程５（残留物のアッシング工程）に適用した場合、例えばクロムからなる配線層や、熱酸化膜を殆どエッチングすることなく、残留物の除去が可能となる。
【００３４】
また、例えばセンサ信号取り出し用に、アルミニウムからなるボンディングパッドを用いるが、稀にアルミニウム表面の荒れが生じる場合がある。かかる場合、本実施の形態２で用いたフッ素添加ガスを用いたアッシング工程後、フッ素を含まないガスでアッシングすることにより、アルミニウム表面の荒れを低減できる。
【００３５】
実施の形態３．
本実施の形態２では、アッシング装置として、汎用的なバレル型の装置を用い、圧力は１３０Ｐａ程度で、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を２０ｋＷ／ｍ２照射した。本実施の形態３では、かかるアッシング装置に代えて横型石英バレル装置を用い、酸素ガス、窒素ガス、水ガス、４フッ化炭素ガスを流して、圧力を約１２０Ｐａとし、バレル装置の上下に配置した電極に１３．５６ＭＨｚの高周波を印加してアッシングを行った。
【００３６】
アッシングを行った結果、表面波プラズマ源装置を用いた場合と同様に、残留物は無く、かつ、酸化シリコンのエッチング量が２ｎｍ程度のアッシングが確認できた。ここでも、非加工物となる半導体装置はダイシングされた１ｃｍオーダーのサイズのものを用いて効果の確認ができた。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる赤外線アレイの斜視図である。
【図２Ａ】本発明の実施の形態１かかる赤外線センサの製造工程の断面図である。
【図２Ｂ】本発明の実施の形態１かかる赤外線センサの製造工程の断面図である。
【図２Ｃ】本発明の実施の形態１かかる赤外線センサの製造工程の断面図である。
【図２Ｄ】本発明の実施の形態１かかる赤外線センサの製造工程の断面図である。
【図２Ｅ】本発明の実施の形態１かかる赤外線センサの製造工程の断面図である。
【図２Ｆ】本発明の実施の形態１かかる赤外線センサの製造工程の断面図である。
【図３Ａ】本発明の実施の形態１にかかるアッシング特性を示すグラフである。
【図３Ｂ】本発明の実施の形態１にかかるアッシング特性を示すグラフである。
【図４】比較例にかかるアッシング特性を示すグラフである。
【図５Ａ】本発明の実施の形態２にかかるアッシング特性を示すグラフである。
【図５Ｂ】本発明の実施の形態２にかかるアッシング特性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３８】
１  シリコン基板、１１  赤外線検知膜、１２  検出部、２４  配線部、３２  周辺部、５０  中空部、１００  赤外線センサ、１１０  犠牲層、１３０  赤外線吸収部、１４０  接合柱。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
2010127737.tif 000007
【図２Ｅ】
2010127737.tif 000008
【図２Ｆ】
2010127737.tif 000009
【図３Ａ】
2010127737.tif 000010
【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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