(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
配線及び凹部を有する半導体基板と、この半導体基板の凹部の開口を略被覆する絶縁材料からなるダイアフラムと、このダイアフラム上に位置する赤外線検知部を備えた熱型赤外線検出素子において、半導体基板に、ダイアフラムを半導体基板から離して支持する熱良導体からなる突起部を設け、この突起部に、半導体基板の配線と赤外線検知部とを電気的に接続する配線を内蔵したことを特徴とする熱型赤外線検出素子。
【請求項２】
熱良導体をシリコン系の多結晶材料からなるものとした請求項１に記載の熱型赤外線検出素子。
【請求項３】
サーモパイル型，ボロメータ型および焦電型のいずれかである請求項１又は２に記載の熱型赤外線検出素子。
【請求項４】
請求項１又は２に記載の熱型赤外線検出素子を製造するに際して、半導体基板に形成されている絶縁層の一部を除去して異方性エッチング用の開口を設けた後、半導体基板上の絶縁層および異方性エッチング用開口の全体にエッチング犠牲層を積層するのに続いてダイアフラムおよび絶縁層を順次積層し、突起部を形成するべき部位に耐エッチング手段を講じつつダイアフラムおよび絶縁層の各所定位置に設けたエッチング穴からシリコンエッチング液を浸潤させて、突起部を残してエッチング犠牲層をエッチング除去すると共に、エッチング犠牲層の除去で開放された異方性エッチング用開口から浸潤するシリコンエッチング液で半導体基板の一部をエッチング除去して凹部を形成することを特徴とする熱型赤外線検出素子の製造方法。
【請求項５】
請求項１ないし３のいずれかに記載の熱型赤外線検出素子を複数並べて配置してなっていることを特徴とする熱型赤外線検出素子アレイ。
【請求項６】
複数並べて配置した熱型赤外線検出素子のうちの互いに隣接する熱型赤外線検出素子の各突起部を連続させてある請求項５に記載の熱型赤外線検出素子アレイ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、防犯・防災の監視や非接触温度測定などに用いられる熱型赤外線検出素子およびその製造方法ならびに熱型赤外線検出素子アレイに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、上記した熱型赤外線検出素子としては、サーモパイル型や、焦電型や、ボロメータ型があるが、いずれの型の赤外線検出素子においても、赤外線検知部は、感度を向上させるために半導体基板から熱分離させて配置したダイアフラム上に設けられている。
【０００３】
そこで、従来における熱型赤外線検出素子の代表例として、サーモパイル型の熱型赤外線検出素子について説明すると、図７に示すように、この熱型赤外線検出素子１０１は、シリコンマイクロマシニング技術で形成された熱分離構造をなしている。
【０００４】
すなわち、この熱型赤外線検出素子１０１は、半導体基板としてのシリコン基板１０２と、絶縁材料からなるダイアフラム１０３と、このダイアフラム１０３上に位置する赤外線検知部１０４を備えており、シリコン基板１０２には、エッチング穴１０５を通して浸潤させたシリコンエッチング液によりダイアフラム１０３の下方をエッチング除去してなる凹部１０６が設けてあって、ダイヤフラム１０３は、この凹部１０６を介してシリコン基板１０２から熱分離した状態となっている。
【０００５】
ダイアフラム１０３上の赤外線検知部１０４は、互いに対をなすｎ型半導体（例えばｎ型ポリシリコン）１０７およびｐ型半導体（例えばｐ型ポリシリコン）１０８からなる複数の熱電対１０９を並列配置して電気的に直列に接続してなるサーモパイル１１０と、このサーモパイル１１０上に絶縁層１１１を介して積層される熱吸収層１１２を具備しており、熱電対１０９の両端にアルミニウムなどの配線１１３を接続して電気信号を読み出す構成となっていて、図示例では、感度の向上を図るために高熱抵抗の梁構造が用いられている。
【０００６】
この場合、犠牲層を利用する表面マイクロマシニング技術を用いた製造方法もあるが、ダイアフラム１０３は、いずれの方法によっても、その熱電対１０９の冷接点部１０９Ｃの下方に位置する部分がシリコン基板１０２上に直接形成されるか、あるいは、シリコン基板１０２上に枠状の層を介して形成される構造をなしている。
【０００７】
このような熱型赤外線検出素子１０１は、図８に示すように、複数並べて配置されて熱型赤外線検出素子アレイ１２０を形成し、この熱型赤外線検出素子アレイ１２０において、熱電対１０９における冷接点部１０９Ｃ以外の基板領域の大半には、配線１２１や素子選択スイッチング機構１２２が配置されるようになっている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記した従来の熱型赤外線検出素子１０１において、ダイアフラム１０３における熱電対１０９の冷接点部１０９Ｃの下方に位置する部分をシリコン基板１０２上に直接形成するか、あるいは、シリコン基板１０２上に枠状の層を介して形成するようにしているので、ダイアフラム１０３をシリコン基板１０２上に直接形成する場合には、熱電対１０９の冷接点部１０９Ｃの領域に、素子に必要な配線１１３が配置されることとなり（熱型赤外線検出素子アレイ１２０では素子選択スイッチング機構１２２が配置されることとなり）、この配線１１３や回路領域は素子の外周部分に位置するため、素子に割り当てられた面積の大半を占めてしまう。
【０００９】
一方、ダイアフラム１０３をシリコン基板１０２上に枠状の層を介して形成する場合には、枠状の層の下部に配線１１３や素子選択スイッチング機構１２２が配置されるが、枠状層の領域のうち冷接点部１０９Ｃ以外と接する領域が多くなることから、上記いずれの場合も、赤外線検出素子１０１に割り当てられた面積に対して、赤外線検出の信号に直接影響する熱吸収層１１２の面積が相対的に狭くなってしまい、すなわち、検出素子の開口率（以下「ｆｆ率：フィルファクター率」と呼ぶ）が低下してしまい、その結果、微弱な赤外線を検出し得ないことがあるという問題を有しており、この問題を解決することが従来の課題となっていた。
【００１０】
【発明の目的】
本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたものであり、ダイアフラムの強度を低下させることなく、フィルファクター率を大きくして熱吸収層の占有面積を拡大することができ、その結果、高感度でしかも出力信号を大きくすることが可能である熱型赤外線検出素子およびその製造方法ならびに熱型赤外線検出素子アレイを提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係わる熱型赤外線検出素子は、請求項１に記載しているように、配線及び凹部を有する半導体基板と、この半導体基板の凹部の開口を略被覆する絶縁材料からなるダイアフラムと、このダイアフラム上に位置する赤外線検知部を備えた熱型赤外線検出素子において、半導体基板に、ダイアフラムを半導体基板から離して支持する熱良導体からなる突起部を設け、この突起部に、半導体基板の配線と赤外線検知部とを電気的に接続する配線を内蔵した構成としたことを特徴としており、この熱型赤外線検出素子の構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。
【００１２】
本発明に係わる熱型赤外線検出素子は、請求項２として、熱良導体をシリコン系の多結晶材料からなるものとした構成とし、請求項３として、サーモパイル型，ボロメータ型および焦電型のいずれかである構成としている。
【００１３】
また、本発明に係わる熱型赤外線検出素子の製造方法は、請求項４に記載しているように、請求項１又は２に記載の熱型赤外線検出素子を製造するに際して、半導体基板に形成されている絶縁層の一部を除去して異方性エッチング用の開口を設けた後、半導体基板上の絶縁層および異方性エッチング用開口の全体にエッチング犠牲層を積層するのに続いてダイアフラムおよび絶縁層を順次積層し、突起部を形成するべき部位に耐エッチング手段を講じつつダイアフラムおよび絶縁層の各所定位置に設けたエッチング穴からシリコンエッチング液を浸潤させて、突起部を残してエッチング犠牲層をエッチング除去すると共に、エッチング犠牲層の除去で開放された異方性エッチング用開口から浸潤するシリコンエッチング液で半導体基板の一部をエッチング除去して凹部を形成する構成としたことを特徴としており、この熱型赤外線検出素子の製造方法の構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。
【００１４】
さらに、本発明に係わる熱型赤外線検出素子アレイは、請求項５に記載しているように、請求項１ないし３のいずれかに記載の熱型赤外線検出素子を複数並べて配置してなっている構成とし、請求項６において、複数並べて配置した熱型赤外線検出素子のうちの互いに隣接する熱型赤外線検出素子の各突起部を連続させてある構成としている。
【００１５】
【作用】
本発明の請求項１および２に係わる熱型赤外線検出素子において、冷接点部領域の配線を赤外線検知部の下方に配置し、不連続に配置される壁または柱状をなす熱良導体からなる突起部を介してダイアフラム上に位置する赤外線検知部の冷接点部領域と半導体基板とを熱的に接続するようにしているため、ダイアフラムの機械的強度が損なわれることなく熱吸収層に利用し得る面積が広がることとなって、フィルファクター率が格段に大きくなり、その結果、熱吸収エネルギーが増大して、出力信号が大きくなる。
【００１６】
とくに、請求項２に係わる熱型赤外線検出素子において、不連続の壁または柱状をなす熱良導体からなる突起部をシリコン系材料、例えば、ポリシリコンで形成すれば、シリコンの犠牲層エッチングと半導体基板の異方性エッチングが同じエッチング液、例えば、ヒドラジンで一気になされてダイアフラムの下方に凹部が形成されることとなる。
【００１７】
また、本発明の請求項４に係わる熱型赤外線検出素子の製造方法において、凹部の形成を犠牲層エッチングと異方性エッチングとの組み合わせにより行うようにしているので、ダイアフラムと半導体基板とのスティッキング現象が回避されることとなり、そして、このスティッキング現象の回避により、冷接点部領域と半導体基板とを熱的に結合する突起部の高さが低く抑えられることとなる。これは、突起部の熱良導体の熱抵抗を小さくできるということであり、冷接点部と半導体基板との間の温度差を無視可能な程度に小さくすることができる。
【００１８】
さらに、本発明の請求項５に係わる熱型赤外線検出素子アレイにおいて、素子選択スイッチング機構を赤外線検知部の下方に配置し、熱良導体からなる突起部を介してダイアフラム上に位置する赤外線検知部の冷接点部領域と半導体基板とを熱的に接続するようにしているため、ダイアフラムが半導体基板から同じ高さで形成されることとなり、ダイアフラムの機械的強度が損なわれることなくフィルファクター率が大幅にアップすることとなる。
【００１９】
さらにまた、本発明の請求項６に係わる熱型赤外線検出素子アレイでは、上記した構成としているので、素子間の無駄な領域が減って一画素の占有面積の縮小化が図られることとなり、その結果、素子アレイのコストの低減が図られることとなる。
【００２０】
【実施例】
以下、本発明を図面に基づいて説明する。
【００２１】
図１〜図３は本発明に係わる熱型赤外線検出素子の一実施例を示しており、図１（ａ）はサーモパイル型赤外線検出素子の平面図、図１（ｂ）は図１Ａ−Ａ線に基づく断面図である。
【００２２】
図１に示すように、この赤外線検出素子１は、半導体基板としてのシリコン基板２と、絶縁材料であるシリコン窒化膜からなる梁部を有するダイアフラム３と、このダイアフラム３上に位置する赤外線検知部４を備えている。
【００２３】
シリコン基板２には、シリコン酸化膜の複合層またはシリコン酸化膜とシリコン窒化膜との複合層などから構成される絶縁層５で保護された配線６が設けてあると共に、エッチング穴７を通して浸潤させたシリコンエッチング液によりエッチング除去してなる凹部８が設けてあって、ダイヤフラム３は、柱状をなす熱良導体からなる突起部９を介してシリコン基板２の凹部８から熱分離した状態となっている。
【００２４】
ダイアフラム３上の赤外線検知部４は、互いに対をなすｎ型半導体（例えばｎ型ポリシリコン）１０およびｐ型半導体（例えばｐ型ポリシリコン）１１からなる複数の熱電対１２を並列配置して電気的に直列に接続してなるサーモパイル１３と、このサーモパイル１３上に絶縁層１４を介して積層される熱吸収膜としての金黒膜１５を具備しており、この際、金黒膜１５の下側に金との密着性に優れたニッケルなどの層を形成しても良い。
【００２５】
シリコン基板２側に形成されている高融点金属材料、例えば、Ｍｏ，Ｗ，Ｔｉなどやそのシリコン化合物などからなる配線６および熱電対１２の冷接点１６は、ダイアフラム３および突起部９を貫通する連通孔１８を通るアルミニウム配線１９を介して電気的に接続してあり、この連通孔１８内のアルミニウム配線１９はダイアフラム３および熱電対１２間に設けた絶縁層２０で被覆され、熱電対１２の冷接点１６および温接点１７は上記絶縁層１４および熱電対１２上の絶縁層２１で被覆されている。
【００２６】
上記赤外線検出素子１を製造するに際しては、図２（ａ）に示すように、まず、シリコン基板２の配線６を保護している絶縁層５の一部を除去して、シリコン基板２の異方性エッチングを行うための異方性エッチング用開口部２ａを形成する。
【００２７】
配線６は、高融点金属材料、例えば、Ｍｏ，Ｗ，Ｔｉなどやそのシリコン化合物などから形成されるが、この後のプロセスの温度に耐えられるのであれば、ここに挙げている材料以外の材料でも良い。また、絶縁層５は、シリコン酸化膜の複合層やシリコン酸化膜とシリコン窒化膜との複合層などからなるものとしているが、配線６や回路を保護できる層であれば、この限りではない。
【００２８】
次いで、図２（ｂ）に示すように、シリコン基板２の全体に突起部９およびエッチング犠牲層となるポリシリコン層２２を、例えば、ＣＶＤ法を用いて形成する。この状態において、異方性エッチング用開口部２ａでは、多結晶シリコンとシリコン基板２の単結晶シリコンが直に接触している。
【００２９】
次に、この後の犠牲エッチング層のエッチング工程時に突起部９がエッチングされるのを防ぐために、図２（ｃ）に示すように、耐エッチング手段を施す、すなわち、Ｂ＋などの不純物を高濃度にドープするｐ型半導体にするのに続いて、この突起部９およびポリシリコン層２２の上側にシリコン窒化膜からなるダイアフラム３を、例えば、低圧ＣＶＤ法を用いて形成する。
【００３０】
なお、上記不純物を高濃度にドープする方法以外に、ポリシリコンのエッチング液に耐性のある材料、例えば、シリコン酸化膜を突起部９の周囲に形成する方法を採用しても良い。また、突起部９を構成する熱良導体が金属、例えば、ニッケルあるいはチタニウムなどの後のプロセスに問題とならない材料の場合には、この金属エッチング液とシリコンエッチング液の両方に耐性のある材料、例えば、シリコン酸化膜を突起部９の周囲に形成する。
【００３１】
この後、図２（ｄ）に示すように、ダイアフラム３および突起部９に、冷接点１６となる部位とシリコン基板２の配線６とを連通させる連通孔１８を設け、この連通孔１８を含めたダイアフラム３上に絶縁層２０（例えばシリコン酸化膜）を形成するのに続いてポリシリコンを形成し、このポリシリコンに不純物をドープしてｎ型ポリシリコン１０とｐ型ポリシリコン１１からなる熱電対１２を形成した後、再度、絶縁層２１を形成する。なお、この実施例では、ｎ型ポリシリコン１０およびｐ型ポリシリコン１１からなる熱電対１２を複数対接続してサーモパイル１３としているが、熱電対が他の組み合わせ、例えば、金属と半導体などの組み合わせであっても良い。
【００３２】
そして、図２（ｅ）に示すように、突起部９の連通孔１８にアルミニウム配線１９を設けると共に、ｎ型ポリシリコン１０とｐ型ポリシリコン１１にそれぞれコンタクトホールを形成してアルミニウム配線１９をパターン化して設置した後、絶縁層１４を形成し、これに続いて、エッチング穴７を形成する領域の絶縁層１４，２１，２２およびダイアフラム３を除去する。
【００３３】
次に、エッチング穴７からシリコンエッチング液、例えば、ヒドラジン液を浸潤させて、エッチング犠牲層としてのポリシリコン層２２とシリコン基板２の一部を順次エッチング除去すると、図１に示すように、梁部があるダイアフラム３が形成されることとなり、最後に、熱吸収膜（望ましくは必要な波長での吸収率が高いもの）を必要な領域に形成すると、赤外線検出素子１が完成することとなる。例えば、１０μｍ帯の長波長赤外線の場合には、本実施例で用いた金黒膜１５が高い赤外線吸収能を発揮する。
【００３４】
図３は、上記赤外線検出素子１を画素として多数を同じ向きに２次元配置して形成した素子アレイ３０の概要を示している。なお、従来例の図８と比較するため、図３において外周に位置するエッチング穴７の中心位置の寸法と図８における異方性エッチングの寸法とを同じにしている。お互いの赤外線検出素子１はエッチング穴７で分離されており、冷接点１６の下方に突起部９が形成されている。また、素子アレイ３０に必要な配線３１や素子選択スイッチング機構（図示省略）がシリコン基板２内に形成されている。
【００３５】
図４は、本発明に係わる赤外線検出素子の他の実施例を示しており、この実施例では、本発明に係わる赤外線検出素子がボロメータ型の赤外線検出素子である場合を示している。
【００３６】
図４に示す赤外線検出素子４１が先の実施例における赤外線検出素子１と異なるところは、赤外線検出材料の電気抵抗が温度変化に依存して変化する抵抗体４２から形成され、コンタクト４３に配線４４で接続されている点にある。この抵抗体４２は、例えば、チタニウムなどの金属膜やＶＯ２などの酸化物半導体の温度によって電気抵抗が変化する材料であればよい。この抵抗体４２が配線４４を通してシリコン基板２の配線６に接続されている。
【００３７】
図５は、本発明に係わる赤外線検出素子のさらに他の実施例を示しており、この実施例では、本発明に係わる赤外線検出素子が焦電型の赤外線検出素子である場合を示している。
【００３８】
図５に示す赤外線検出素子５１が図４に示したボロメータ型の赤外線検出素子４１と異なるところは、コンタクト４３にダイアフラム３上に形成されたＰｔ／ＴｉＮ／ＴｉやＩｒ／ＴｉＮ／Ｔｉなどからなる下部電極５２が形成され、この上にＰｂＴｉＯ３やＰＺＴなどの焦電材料５３が形成され、さらに、前述の電極材料やアルミニウムなどからなる上部電極５４および熱吸収層１５が形成された点にある。ここで、上部電極として熱吸収効率が比較的高いＮｉＣｒなどを利用すれば、別途考えている熱吸収層１５は不要になる。また、焦電材料を成膜するとき、ダイアフラム３の上の下地膜としてＭｇＯなどの酸化膜が形成すると、Ｃ軸配向した膜が形成し易くなる。下部電極としては、焦電材料がＣ軸配向し易いものであればなんでも良い。また、焦電材料としては、前述以外のものでも良い。
【００３９】
図６は、本発明に係わる赤外線検出素子アレイの他の実施例を示しており、この実施例の赤外線検出素子アレイ６０が先の実施例における赤外線検出素子アレイ３０と異なるところは、互いに隣接する熱型赤外線検出素子１の各突起部９を連続させてある点にある。
【００４０】
図６では、２個の突起部９を連続させる場合を示しているが、隣接する３個の熱型赤外線検出素子１が各々の突起部９を連続させる場合や、隣接する４個の熱型赤外線検出素子１が各々の突起部９を連続させる場合であってもよく、連続のさせ方が入り交じっていても良い。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の請求項１〜３に係わる熱型赤外線検出素子によれば、上記した構成としているので、ダイアフラムの機械的強度を損なうことなくフィルファクター率を大幅に高めることができ、その結果、出力信号を大きくすることが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。
【００４２】
とくに、請求項２に係わる熱型赤外線検出素子では、上記した構成としたから、ダイアフラムの形成の歩留まり低下を回避することができる。
【００４３】
また、本発明の請求項４に係わる熱型赤外線検出素子の製造方法において、上記した構成としたため、シリコンの犠牲層エッチングと異方性エッチングを連続して行うことができ、この際、ダイアフラムと半導体基板との間隔が大きく取れるため、スティッキングの現象を回避して、突起部の高さを低く抑えることが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。
【００４４】
さらに、本発明の請求項５に係わる熱型赤外線検出素子アレイにおいて、上記した構成としたから、熱型赤外線検出素子個々のフィルファクター率が大幅にアップすることで、画素の占有面積を小さくでき、したがって、素子アレイ全体の面積の縮小を実現可能であり、加えて、素子アレイのアドレス用配線を突起部下方の半導体基板に形成することで、画素間の無駄な領域を少なくすることができ、その結果、素子アレイ面積のより一層の縮小化およびこれに伴う素子アレイのコストの低減を実現することが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。
【００４５】
さらにまた、本発明の請求項６に係わる熱型赤外線検出素子アレイでは、上記した構成としたため、素子間の無駄な領域が減って一画素の占有面積のより一層縮小化が図られることとなり、その結果、素子アレイのコストのさらなる低減を実現することができるという非常に優れた効果がもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる熱型赤外線検出素子の一実施例を示す平面説明図（ａ）および図１（ａ）Ａ−Ａ線位置に基づく断面説明図（ｂ）である。
【図２】図１に示した熱型赤外線検出素子の製造工程説明図（ａ）〜（ｅ）である。
【図３】図１に示した熱型赤外線検出素子を複数並べて配置してなる熱型赤外線検出素子アレイの平面説明図である。
【図４】本発明に係わる熱型赤外線検出素子の他の実施例を示す平面説明図（ａ）および図４（ａ）Ｂ−Ｂ線位置に基づく断面説明図（ｂ）である。
【図５】本発明に係わる熱型赤外線検出素子のさらに他の実施例を示す平面説明図（ａ）および図５（ａ）Ｃ−Ｃ線位置に基づく断面説明図（ｂ）である。
【図６】図３の熱型赤外線検出素子アレイにおける素子の他の配置例を示す平面説明図である。
【図７】従来の赤外線検出素子を示す平面説明図（ａ）および図７（ａ）Ｄ−Ｄ線位置に基づく断面説明図（ｂ）である。
【図８】図７に示した従来の熱型赤外線検出素子を複数並べて配置してなる熱型赤外線検出素子アレイの平面説明図である。
【符号の説明】
１  熱型赤外線検出素子
２  シリコン基板（半導体基板）
２ａ  異方性エッチング用の開口
３  ダイアフラム
４  赤外線検知部
６  配線
７  エッチング穴
８  凹部
９  突起部
１４，２０，２１  絶縁層
１９  アルミニウム配線
２２  ポリシリコン層（エッチング犠牲層）
４１  ボロメータ型赤外線検出素子
５１  焦電型赤外線検出素子
３０，６０  熱型赤外線検出素子アレイ
【図１】
0003604130.tif 000002
【図２】
0003604130.tif 000003
【図３】
0003604130.tif 000004
【図４】
0003604130.tif 000005
【図５】
0003604130.tif 000006
【図６】
0003604130.tif 000007
【図７】
0003604130.tif 000008
【図８】
0003604130.tif 000009