(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤外線受光部と、該赤外線受光部を中空保持する２本の棒状の支持脚とからなるダイヤフラム構造を有する熱型赤外線検出器において、
各々の前記支持脚の長手方向の両端側に、端部から中央に向かって上端側の幅のみが徐々に小さくなるテーパー領域を備えることを特徴とする熱型赤外線検出器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱型赤外線検出器に関し、特に、熱型赤外線検出器の受光部を支持する支持脚の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
熱型赤外線検出器は検出器の冷却を必要とせず、常温で動作し低価格であるため、赤外線検出器の中でも特に注目されている。この熱型赤外線検出器の中で、感熱材料としてチタンボロメータを用いたものについて、図５およびその断面を示す図６を参照して説明すると、赤外線を吸収する受光部７とそれを支える支持脚８からなるダイヤフラム９が、読み出し回路２を含むシリコン基板１の上に、絶縁膜３の島、アルミ配線（Ａ）４ａ、アルミ配線（Ｂ）４ｂ、アルミ配線（Ｃ）４ｃ等を介して形成され、空洞５の上に浮いた形で存在している。
【０００３】
後ほど図６に示すように、受光部７の表面には赤外線吸収膜６が具備され、入射する赤外線を吸収し、基板側への熱の逃げ易さを表す熱伝導度に対応して受光部７の温度が上昇し、受光部７の領域内に具備された感熱材料の一つであるチタンボロメータ１０の抵抗を変化させる。電気的にはチタンボロメータ１０は上記支持脚８の中に内包された導電材料１０ａ（図５ではチタンボロメータ１０と一致する）、アルミ配線（Ａ）４ａ、アルミ配線（Ｂ）４ｂ、アルミ配線（Ｃ）４ｃおよびアルミ配線と導電材料１０ａの電気的接触部であるコンタクト（Ａ）１１、コンタクト（Ｃ）１２を介して下地の読み出し回路２と連結し、信号を読み出し得る構造になっている。
【０００４】
図６は、図５のチタンボロメータ１０に沿ったコンタクト（Ａ）１１の近傍から コンタクト（Ｃ）１２の近傍までの断面図である。このような熱型赤外線検出器のチップは上記受光部７が温度上昇し易いように、実際には真空パッケージ中に収納された使用形態をとっている。また、上記ダイヤフラム９は真空の空洞上に保持されており、受光部７の直下への基板側への熱の逃げを遮断し、受光部７の熱の逃散はすべて支持脚８を通って行われる。その熱伝導度Ｇthを極力小さくすることにより、基板側との熱分離状態の良い熱分離構造を作っている。そして、熱型２次元赤外線検出器においては、この熱分離構造が読み出し走査回路を含む基板上に２次元アレイ状に配列されている。
【０００５】
このような感熱材料の型としてはボロメータ型以外にも焦電型と熱電対型があるが、これら熱型赤外線検出器の赤外線受光感度は、ボロメータ型の場合はボロメータの抵抗温度係数、焦電型である場合は焦電係数、そして熱電対型ボロメータ型の場合はゼーベック係数というように熱電材料の熱電変換係数に比例する。更にこの赤外線受光感度は、受光量に比例し、支持脚の熱伝導度に反比例する。チタンボロメータを用いた上記従来例をより詳しく説明する。
【０００６】
特開平９−２０３６５９号公報「ボロメータ型赤外線検出器」に示すように、金属チタンを熱電変換材料の一種であるボロメータ材料として使用したチタンボロメータ赤外線検出器は、通常のシリコンＩＣラインにおいて製造可能であり、比較的温度分解能も高く、良品歩留まりも高いという利点がある。チタンボロメータ熱型赤外線検出器においては、赤外線の吸収率を高めるために、受光部７の領域内においてダイヤフラム９の断面構造の中で下側に（基板１に近い側に）、金属であるチタンボロメータ１０を赤外線に対するミラーとして、つづらパターン状に設け（図５参照）、ダイヤフラム９の断面の上側に膜厚約１５０Åという極薄の窒化チタンメタルからなる赤外線吸収膜６を対置させ（図６参照）、両者間で赤外線を吸収させるための赤外線の共振キャビティ１８（図６の楕円印）を形成している。このような赤外線吸収機構は図６の断面図に示すように、上記共振キャビティ１８の長さが１μｍ程度以上あり必然的に受光部７のダイヤフラムを厚膜化させ、それに伴って通常、上記支持脚８も厚膜化されるため、支持脚８の熱伝導度が増大し、高い感度を得るには若干不利となる。
【０００７】
通常、導電材料１０ａは、製造工程中のダメージから保護するため、第３シリコン酸化膜１５、第４シリコン酸化膜１６等の絶縁保護膜によって被覆されている。この支持脚８の熱伝導度を可能な限り低減させるため、フォトレジスト法＋選択エッチング法により、製造ラインにおいて可能な導電材料幅２０と製造ラインにおいて可能な必要最小限のマージンを持った支持脚幅２１とで構成されている。
【０００８】
この場合、図６（ａ）のチタンボロメータに沿った断面図の中の支持脚断面位置１９における支持脚断面図を示す図６（ｂ）で見ると、矩形の底辺近くに導電材料１０ａが位置しているため、その上部の絶縁保護膜である第４シリコン酸化膜１６を、図７に示すように、例えば半分ドライエッチング等で切除することによりその断面積を減少させ、熱伝導度を低減する方法がある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このエッチングは、通常異方性ドライエッチングを用いて行われ、支持脚８の中の上記支持脚切除領域２２とその外部の非切除領域との境界（支持脚切除端２３）で絶縁保護膜に急な段差が生じるため、この境界に大きな力学的ストレスが生じ、絶縁保護膜に内包された導電材料１０ａにマイクロクラックが入り易い。これは抵抗増加を伴う欠陥画素を増やし、良品歩留まりを悪化させるという問題を発生させる。
【００１０】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、その主たる目的は、絶縁保護膜に内包された導電材料にストレスを与えることなく、支持脚における熱伝導を抑制することができる熱型赤外線検出器を提供することにある。
【００１１】
【問題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の熱型赤外線検出器は、赤外線受光部と、該赤外線受光部を中空保持する２本の棒状の支持脚とからなるダイヤフラム構造を有する熱型赤外線検出器において、各々の前記支持脚の長手方向の両端側に、端部から中央に向かって断面積が徐々に小さくなるテーパー領域を備えるものである。
【００１２】
また、本発明の熱型赤外線検出器は、赤外線受光部と、該赤外線受光部を中空保持する２本の棒状の支持脚とからなるダイヤフラム構造を有する熱型赤外線検出器において、各々の前記支持脚の長手方向の両端側に、端部から中央に向かって幅の少なくとも一部が徐々に小さくなるテーパー領域を備えるものである。
【００１３】
本発明においては、前記支持脚の上端側の幅のみが徐々に小さくなり、該支持脚の断面が凸形状となる構成とすることができ、前記支持脚が、上下の絶縁保護膜で導電材料を内包するように形成され、前記導電材料上部の前記絶縁保護膜の幅が徐々に小さくなる構成とすることもできる。
【００１４】
また、本発明の熱型赤外線検出器は、赤外線受光部と、該赤外線受光部を中空保持する２本の棒状の支持脚とからなるダイヤフラム構造を有する熱型赤外線検出器において、各々の前記支持脚の長手方向の両端側に、端部から中央に向かって膜厚が徐々に薄くなるテーパー領域を備えるものである。
【００１５】
本発明においては、前記支持脚が、上下の絶縁保護膜で導電材料を内包するように形成され、前記導電材料上部の前記絶縁保護膜の膜厚が徐々に薄くなる構成とすることができる。
【００１７】
このように、本発明の熱型赤外線検出器は、その熱分離構造の支持脚部分を示す図１乃至図４に示すように、支持脚切除端２３で徐々にその幅もしくはその厚さが増大し、断面積が徐々に増大するように支持脚が形成されており、これにより支持脚端部に大きな力学的ストレスが加わることが無く、内包される導電材料におけるマイクロクラックの発生が抑えられ、かつ、幅もしくは厚さが小さい部分で熱抵抗を大きくし、受光部の熱の流出を抑制することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明に係る熱型赤外線検出器は、その好ましい一実施の形態において、受光部と、該受光部を中空保持する支持脚とからなるダイヤフラム構造を有する熱型赤外線検出において、支持脚の長手方向の両端側に、端部から中央に向かって幅又は膜厚が徐々に小さくなるテーパー領域（支持脚切除端）を設け、テーパー領域以外の基部領域の断面積を小さくすることによって受光部と基板との間の熱伝導を抑制し、また、幅又は膜厚を徐々に変化させることによって境界領域にストレスが集中することを防止する。
【００１９】
【実施例】
上記した本発明の実施の形態についてさらに詳細に説明すべく、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
【００２０】
［実施例１］
まず、本発明の第１の実施例に係る熱型赤外線検出器について、図１及び図２を参照して説明する。図１は第１の実施例に係る熱型赤外線検出器の支持脚部分を拡大した斜視図であり、図２はその断面図である。本実施例は、熱型赤外線検出器の熱分離構造の支持脚を構成する絶縁保護膜の厚さを支持脚部の大半で受光部の絶縁保護膜の厚さより薄くし、かつ、支持脚の端部領域において支持脚の長さ方向に向かってテーパ状に徐々に厚くなっていることを特徴としている。
【００２１】
以下、チタンボロメータ赤外線検出器を例にとって説明する。図１及び図２に示すように、第１の実施例は従来例である図７の支持脚切除端２３の形状を変えるものであり、それ以外は従来例と全く同じ構成で成っている。この支持脚切除端２３において、支持脚８の長手方向の両端で絶縁保護膜の厚さが徐々に厚くなるようなテーパ部を設ける。
【００２２】
図２（ａ）は支持脚８の長さ方向に沿った断面図を表し、厚さ約１０００Åの第１の絶縁保護膜すなわち第３シリコン酸化膜１５の上に形成された厚さ約１０００Å、幅約１μｍのチタンメタルからなる導電材料１０ａ（ここではチタンボロメータ１０と同じ）の細線上に、厚さ約１μｍの第２の絶縁保護膜すなわち第４シリコン酸化膜１６を設けた後、支持脚８の大半（支持脚切除領域２２）をフォトレジスト法により形成されたレジストマスクの開口部をバッファード弗酸液等の等方性のウェットエッチング法を用いて、例えば第４シリコン酸化膜１６の膜厚の半分程度、すなわち約５５００Å除去し、支持脚切除領域２２（薄膜部）とその外側で元の厚さの部分（厚膜部）の境界（支持脚切除端２３）でテーパ状の段差を設けている。
【００２３】
このようにエッチングすると、支持脚切除領域２２の大半は、絶縁保護膜の全体の断面積が絶縁保護膜を切除する前の断面積の約半分となる。この場合、絶縁保護膜厚の最も薄いところとテーパ部の接続の仕方は、図２（ａ）のチタンボロメータに沿った支持脚断面図の破線に示すように完全に滑らかにすれば、上記厚膜部と薄膜部の境界である支持脚切除端２３でのストレスを低減するために更に望ましいと言える。なお、支持脚切除端２３でテーパ状の段差を設ける方法としては、レジストのサイドエッチングを伴うドライエッチングもしくは等方性ドライエッチング法によっても可能である。
【００２４】
支持脚８の熱伝導度は、絶縁保護膜が担う熱伝導度とチタンメタルが担う熱伝導度の和である。本実施例の場合、図１に示すように支持脚８の大半の厚さを受光部７の厚さの約半分に薄くした結果、絶縁保護膜の断面積が約半分に減少するため、支持脚８の全体の熱伝導度が約７５％に低減し、それに伴い上記チタンボロメータ赤外線検出器の感度を約１．３倍以上に向上させることができた。
【００２５】
これは、元々、支持脚８の上記各寸法を有する断面形状においては、支持脚切除前の断面積が大きく熱伝導率の小さい絶縁保護膜の熱伝導度と、断面積が小さく熱伝導率の大きい導電材料であるチタンの熱伝導度とが同等程度であり、そのうちの絶縁保護膜の断面積が支持脚切除後ほぼ半減した結果である。支持脚８の長手方向に見たとき、上記薄膜領域の両端の厚さが変わる境界では保護膜の厚さが徐々に厚くなっており急な段差ではないためストレスが減少し、保護膜に内包された導電材料１０ａにマイクロクラックが入ることも抑制されるため、従来生じていた抵抗増加による欠陥画素の増大という問題も解決することができる。
【００２６】
［実施例２］
次に、本発明の第２の実施例に係る熱型赤外線検出器について、図３及び図４を参照して説明する。図３は第２の実施例に係る熱型赤外線検出器の支持脚部分を拡大した斜視図であり、図４はその断面図である。
【００２７】
第２の実施例は、従来例である図７の支持脚８の形状を変えたことを特徴とするものであり、それ以外は従来例と全く同じ構成で成っていることは前記した第１の実施例と同じである。具体的には、第２の実施例は、支持脚８の断面が凸型になるように支持脚の幅方向で両肩を選択エッチングで除去し、支持脚切除端２３においては支持脚８の長手方向にはこの凸型の上端の幅を徐々に広げる形状としている。
【００２８】
図４の（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、各々幅約２μｍの支持脚８の長さ方向に沿った正面図、側面図および（ｂ）側面図中のＸ１、Ｘ２、Ｘ３の位置での各断面図を表しており、厚さ約１０００Åの第１の絶縁保護膜すなわち第３シリコン酸化膜１５の上に形成された厚さ約１０００Å、幅約１μｍのチタンメタルからなる導電材料１０ａの細線上に厚さ約１μｍの第２の絶縁保護膜すなわち第４シリコン酸化膜１６を設けた後、フォトレジスト法および異方性のドライエッチング法を用いて凸型断面形状にしている。例えば、第４シリコン酸化膜１６の上から４分の３程度まで、すなわち約７５００Å、片方の肩幅分約０．７μｍずつ支持脚の両側を切除しているが、支持脚切除端２３においてテーパ状の拡幅部を設けている。
【００２９】
支持脚切除領域２２の大半は絶縁保護膜の全体の断面積が絶縁保護膜を切除する前の断面積の約半分となる。この場合、絶縁保護膜厚の最も狭窄した領域とテーパ部はある角度をもって接続している。一方、同図波線のように滑らかな接続の仕方にすれば、上記拡幅部でのストレスを低減するために更に望ましいと言える。これはフォトレジストマスクパターンの微調整によって可能である。
【００３０】
図４に示すように、支持脚の大半で第１の絶縁保護膜１３の上部の幅が狭窄されており、絶縁保護膜の断面積が約半分に減少するため熱伝導度が元の値の約４分の３に低減し、感度を約３分の４に向上させることができる。また、支持脚の長手方向に見たとき、上記切除領域の両端では第１の絶縁保護膜において上部の幅が徐々に広がっており、上記切除領域の両端で急激な断面積の変化はないため、この境界に大きなストレスがかからず、保護膜に内包された導電材料にマイクロクラックが入ることがない。このため抵抗増加による欠陥画素が少なく良品歩留まりを高く維持できる。
【００３１】
また、本実施例では、前記した第１の実施例のように支持脚８の厚さを均一に薄くするのではなく、角部のみを削り取って凸形状にしているため、断面積が小さくなっても強度の低下を抑えることができる。なお、断面形状は凸形状に限定されるものではなく、片側のみを削り取ったＬ字形状や中央部を削り取った凹形状等、任意の形状とすることができる。
【００３２】
また、上記各実施例では、チタンボロメータ熱型赤外線検出器を例にとって説明したが、支持脚の絶縁保護膜の厚さが充分厚い場合にも一般的に適用できることは言うまでもない。また、同様の考え方で支持脚の薄い場合にその両端でその幅を徐々に広げることによりストレスの集中を緩和し、支持脚内の導電材料のマイクロクラックによる抵抗増加欠陥を抑制できることも言うまでもない。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の熱型赤外線検出器によれば、支持脚の一部を切除することにより、絶縁保護膜の断面積が減少するために熱伝導度が低減し、感度の向上を図ることができる。また、支持脚の切除領域の境界で絶縁保護膜に急な段差が生じないため、この境界に大きなストレスが生じず保護膜に内包された導電材料にマイクロクラックが入ることなく、抵抗欠陥の少ない２次元熱型赤外線検出器を歩留まりよく得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例に係る熱型赤外線検出器の支持脚部分を示す斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施例に係る熱型赤外線検出器の支持脚部分を示す断面図である。
【図３】本発明の第２の実施例に係る熱型赤外線検出器の支持脚部分を示す斜視図である。
【図４】本発明の第２の実施例に係る熱型赤外線検出器の支持脚部分を示す断面図である。
【図５】熱型赤外線検出器の構造を示す斜視図である。
【図６】従来の熱型赤外線検出器の支持脚部分を示す断面図である。
【図７】従来の熱型赤外線検出器の支持脚部分を示す図である。
【符号の説明】
１  基板
２  読み出し回路
３  絶縁膜
４ａ  アルミ配線（Ａ）
４ｂ  アルミ配線（Ｂ）
４ｃ  アルミ配線（Ｃ）
５  空洞
６  赤外線吸収層
７  受光部
８  支持脚
９  ダイヤフラム
１０  チタンボロメータ
１０ａ  導電材料
１１  コンタクト（Ａ）
１２  コンタクト（Ｃ）
１３  スリット
１４  第２シリコン酸化膜
１５  第３シリコン酸化膜
１６  第４シリコン酸化膜
１７  スリット
１８  共振キャビティ
１９  支持脚断面位置
２０  導電材料幅
２１  支持脚幅
２２  支持脚切除領域
２３  支持脚切除端
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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