(57)【要約】【課題】焦電体の面内均一性に優れ、検出感度の高い赤外線センサを製造することができる方法を提供する。【解決手段】本発明は、半導体基板上１に焦電体（下部電極２１、焦電体膜２２、上部電極２３からなる焦電体本体、及び赤外線吸収体２４）を形成する焦電体形成工程と、半導体基板１の上方が開放されるように、前記焦電体を貫通する複数の貫通孔２５を形成する貫通孔形成工程と、複数の貫通孔２５を介して半導体基板１に等方性エッチングを施し、半導体基板１の上部に部分的に空洞１２を形成することで、空洞１２に隣接し前記焦電体を支持する支持部１３を形成する支持部形成工程とを含むことを特徴とする。【選択図】図９
2015052517.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に焦電体を形成する焦電体形成工程と、
前記半導体基板の上方が開放されるように、前記焦電体を貫通する複数の貫通孔を形成する貫通孔形成工程と、
前記複数の貫通孔を介して前記半導体基板に等方性エッチングを施し、前記半導体基板の上部に部分的に空洞を形成することで、前記空洞に隣接し前記焦電体を支持する支持部を形成する支持部形成工程とを含むことを特徴とする赤外線センサの製造方法。
【請求項２】
前記焦電体形成工程は、前記半導体基板上に焦電体膜を含む焦電体本体を形成する工程と、前記焦電体本体上に赤外線吸収体を形成する工程とを含み、
前記貫通孔形成工程は、前記半導体基板の上方が開放されるように、前記赤外線吸収体及び前記焦電体本体を貫通する複数の貫通孔を形成することを特徴とする請求項１に記載の赤外線センサの製造方法。
【請求項３】
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された焦電体とを備え、
前記焦電体は、前記半導体基板の上方が開放されるように、前記焦電体を貫通する複数の貫通孔を具備し、
前記半導体基板は、その上部に、前記焦電体の複数の貫通孔に連通する空洞と、該空洞に隣接し前記焦電体を支持する上窄まり状の支持部とを具備することを特徴とする赤外線センサ。
【請求項４】
前記焦電体は、前記半導体基板上に形成された焦電体膜を含む焦電体本体と、前記焦電体本体上に形成された赤外線吸収体とを具備し、
前記貫通孔は、前記半導体基板の上方が開放されるように、前記赤外線吸収体及び前記焦電体本体を貫通することを特徴とする請求項３に記載の赤外線センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、焦電体を備えた赤外線センサの製造方法及びこれを用いて製造され得る赤外線センサに関する。特に、本発明は、焦電体の面内均一性に優れ、検出感度の高い赤外線センサを製造することができる方法及びこれを用いて製造され得る赤外線センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、サーモパイル、ボロメータ、焦電センサなどの、いわゆる熱型赤外線センサが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
熱型赤外線センサの検出感度を向上させるには、赤外線検出部の熱容量と、赤外線検出部からの熱損失との双方を小さく設計することが肝要である。
例えば、特許文献１に記載の熱型赤外線センサ（半導体装置）は、薄膜で熱容量の小さい熱検出部８の下方に位置する半導体基板（シリコン酸化膜１）に空洞５を形成し、熱伝導の小さい支持部（空洞５間の隔壁）で熱検出部８を支持することにより、熱容量と熱損失の双方を低下させている（特許文献１の図２等）。
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載の熱型赤外線センサの製造工程は、先に半導体基板１に空洞５を形成した後、熱検出部８を形成する工程である（特許文献１の図１等）。
上記のように半導体基板に空洞を形成した後に熱検出部を形成する方法では、熱検出部を形成する際に、空洞に起因して半導体基板の温度分布が均一でなくなる。このため、温度分布が不均一な半導体基板上に蒸着等によって形成される熱検出部の面内均一性が悪化するおそれがある。特に、熱検出部が焦電体から構成されている場合、この面内均一性は熱検出部の検出感度に大きな影響を及ぼすことになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３５２３５８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、斯かる従来技術に鑑みてなされたものであり、焦電体を備えた赤外線センサの製造方法及びこれを用いて製造され得る赤外線センサであって、焦電体の面内均一性に優れ、検出感度の高い赤外線センサを製造することができる方法及びこれを用いて製造され得る赤外線センサを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するため、本発明は、半導体基板上に焦電体を形成する焦電体形成工程と、前記半導体基板の上方が開放されるように、前記焦電体を貫通する複数の貫通孔を形成する貫通孔形成工程と、前記複数の貫通孔を介して前記半導体基板に等方性エッチングを施し、前記半導体基板の上部に部分的に空洞を形成することで、前記空洞に隣接し前記焦電体を支持する支持部を形成する支持部形成工程とを含むことを特徴とする赤外線センサの製造方法を提供する。
【０００８】
本発明によれば、支持部形成工程で半導体基板に空洞を形成する前に、焦電体形成工程で半導体基板上に焦電体を形成することになる。すなわち、半導体基板上に焦電体を形成する際には、半導体基板に空洞が形成されていないため、半導体基板の温度分布を均一化し易い。このため、半導体基板上に形成される焦電体の面内均一性に優れることが期待でき、検出感度の高い赤外線センサを製造することが可能である。
また、本発明によれば、貫通孔形成工程で焦電体を貫通する複数の貫通孔を形成し、支持部形成工程で複数の貫通孔を介して半導体基板に等方性エッチングを施することで、半導体基板の上部に部分的に空洞を形成する。半導体基板の上部においてエッチングされなかった、空洞に隣接する部分は、焦電体を支持する支持部を形成することになる。貫通孔を介して半導体基板に等方性エッチングを施すことで形成される空洞は、等方性エッチングの性質上、貫通孔の下端（半導体基板の上端）を中心として略半球面状に拡がる。従って、空洞に隣接する支持部は上窄まり状になる。すなわち、支持部の上部は水平方向の寸法が小さく、下部に向かうに従い水平方向の寸法が大きくなる形状になる。支持部の上部が焦電体を支持するため、焦電体から半導体基板の支持部への熱損失を抑制できると共に、支持部の下部の寸法が大きくなるため、機械的強度を一定以上に保つことも可能である。
さらに、本発明によれば、焦電体に複数の貫通孔が設けられるため、その分だけ焦電体が軽量化し、支持部に対する負荷が軽減して、支持状態が安定化するという利点もある。
【０００９】
好ましくは、前記焦電体形成工程は、前記半導体基板上に焦電体膜を含む焦電体本体を形成する工程と、前記焦電体本体上に赤外線吸収体を形成する工程とを含み、
前記貫通孔形成工程は、前記半導体基板の上方が開放されるように、前記赤外線吸収体及び前記焦電体本体を貫通する複数の貫通孔を形成する。
【００１０】
斯かる好ましい構成によれば、焦電体膜を含む焦電体本体とは別に赤外線吸収体を形成するため、焦電体による赤外線の吸収・検出を確実に行うことが可能である。
【００１１】
また、前記課題を解決するため、本発明は、半導体基板と、前記半導体基板上に形成された焦電体とを備え、前記焦電体は、前記半導体基板の上方が開放されるように、前記焦電体を貫通する複数の貫通孔を具備し、前記半導体基板は、その上部に、前記焦電体の複数の貫通孔に連通する空洞と、該空洞に隣接し前記焦電体を支持する上窄まり状の支持部とを具備することを特徴とする赤外線センサとしても提供される。
【００１２】
本発明によれば、空洞に隣接する支持部は上窄まり状である。すなわち、支持部の上部は水平方向の寸法が小さく、下部に向かうに従い水平方向の寸法が大きくなる形状になる。支持部の上部が焦電体を支持するため、焦電体から半導体基板の支持部への熱損失を抑制できると共に、支持部の下部が寸法が大きくなるため、機械的強度を一定以上に保つことも可能である。
また、本発明によれば、焦電体に複数の貫通孔が設けられるため、その分だけ焦電体が軽量化し、支持部に対する負荷が軽減して、支持状態が安定化するという利点もある。
【００１３】
好ましくは、前記焦電体は、前記半導体基板上に形成された焦電体膜を含む焦電体本体と、前記焦電体本体上に形成された赤外線吸収体とを具備し、前記貫通孔は、前記半導体基板の上方が開放されるように、前記赤外線吸収体及び前記焦電体本体を貫通する。
【００１４】
斯かる好ましい構成によれば、焦電体膜を含む焦電体本体とは別に赤外線吸収体を具備するため、焦電体による赤外線の吸収・検出を確実に行うことが可能である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、焦電体の面内均一性に優れ、検出感度の高い赤外線センサを得ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る赤外線センサの製造方法を説明する図である。
【図２】図２は、本発明の一実施形態に係る赤外線センサの製造方法を説明する図である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態に係る赤外線センサの製造方法を説明する図である。
【図４】図４は、本発明の一実施形態に係る赤外線センサの製造方法を説明する図である。
【図５】図５は、本発明の一実施形態に係る赤外線センサの製造方法を説明する図である。
【図６】図６は、本発明の一実施形態に係る赤外線センサの製造方法を説明する図である。
【図７】図７は、本発明の一実施形態に係る赤外線センサの製造方法を説明する図である。
【図８】図８は、本発明の一実施形態に係る赤外線センサの製造方法を説明する図である。
【図９】図９は、本発明の一実施形態に係る赤外線センサの製造方法を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、添付図面を適宜参照しつつ、本発明の一実施形態について説明する。
図１〜図９は、本発明の一実施形態に係る赤外線センサの製造方法を説明する図である。各図の（ａ）、（ｂ）の上側に示す図は平面図を、下側に示す図は上側に示す図のＡＡ線断面図である。
本実施形態に係る赤外線センサ１００の製造方法は、半導体基板１上に焦電体（焦電体本体及び赤外線吸収体２４）を形成する焦電体形成工程と、半導体基板１の上方が開放されるように、前記焦電体を貫通する複数の貫通孔２５を形成する貫通孔形成工程と、複数の貫通孔２５を介して半導体基板１に等方性エッチングを施し、半導体基板１の上部に部分的に空洞１２を形成することで、空洞１２に隣接し前記焦電体を支持する支持部１３を形成する支持部形成工程とを含むことを特徴とする。
具体的には、前記焦電体形成工程は、半導体基板１上に焦電体膜２２を含む焦電体本体（下部電極２１、焦電体膜２２、上部電極２３）を形成する工程と、前記焦電体本体上に赤外線吸収体２４を形成する工程とを含む。また、前記貫通孔形成工程は、半導体基板１の上方が開放されるように、赤外線吸収体２４及び前記焦電体本体を貫通する複数の貫通孔２５を形成する。
【００１８】
以下、図１〜図９を参照しつつ、本実施形態に係る赤外線センサ１００の製造方法について、焦電体形成工程、貫通孔形成工程、支持部形成工程の順に、より具体的に説明する。
【００１９】
＜焦電体形成工程＞
本工程では、まず最初に、図１（ａ）に示すように、半導体基板１としてのＳｉウエハを用意する。Ｓｉウエハとしては、例えば、５インチで、厚みが約６２５μｍのものを例示できる。そして、図１（ｂ）に示すように、半導体基板１に熱酸化処理を施し、表面に酸化膜１１を形成する。酸化膜１１の厚みは、例えば、約１００ｎｍとされる。なお、以下の図面では、便宜上、酸化膜１１の表示を省略する。
【００２０】
次に、図２（ａ）に示すように、半導体基板１上に下部電極２１を成膜する。成膜方法としては、例えば、スパッタリングが用いられる。下部電極２１としては、例えば、ＰｔとＴｉの積層電極であって、Ｐｔの厚みが約１００ｎｍ、Ｔｉの厚みが約２０ｎｍのものを例示できる。
【００２１】
次に、図２（ｂ）に示すように、下部電極２１上に焦電体膜２２を成膜する。成膜方法としては、例えば、スパッタリングが用いられる。焦電体膜２２としては、例えば、ＰＺＴが用いられ、その厚みが約３μｍのものを例示できる。
【００２２】
次に、図３（ａ）に示すように、焦電体膜２２上にレジストＲを塗布し、フォトリソグラフィによってレジストＲを所定のパターンに形成する。次いで、図３（ｂ）に示すように、所定のパターンに形成されたレジストＲを介して、焦電体膜２２にエッチングを施す。エッチング方法としては、例えば、ウエットエッチングが用いられる。
【００２３】
次に、図４（ａ）に示すように、レジストＲを除去した後、図４（ｂ）に示すように、焦電体膜２２上又は下部電極２１上に上部電極２３を成膜する。成膜方法としては、例えば、スパッタリングが用いられる。上部電極２３としては、例えば、ＡｕとＴｉの積層電極であって、Ａｕの厚みが約３００ｎｍ、Ｔｉの厚みが約２０ｎｍのものを例示できる。
【００２４】
次に、図５（ａ）に示すように、上部電極２３上にレジストＲを塗布し、フォトリソグラフィによってレジストＲを所定のパターンに形成する。次いで、図５（ｂ）に示すように、所定のパターンに形成されたレジストＲを介して、上部電極２３と焦電体膜２２の一部にエッチングを施す。エッチング方法としては、例えば、イオンビームエッチングが用いられる。
【００２５】
次に、図６（ａ）に示すように、レジストＲを除去した後、図６（ｂ）に示すように、上部電極２３上、焦電体膜２２上又は下部電極２１上にレジストＲを塗布し、フォトリソグラフィによってレジストＲを所定のパターンに形成する。このレジストＲのパターンは、後述する貫通孔２５に応じたパターンとされる。なお、図６（ｂ）に示すレジストＲは、断面矩形上に図示しているが、実際には上部の寸法が下部の寸法よりも大きいリフトオフレジストとされている。
【００２６】
次に、図７（ａ）に示すように、レジストＲ上又は上部電極２３上に赤外線吸収体２４を成膜する。成膜方法としては、例えば、真空蒸着が用いられる。赤外線吸収体２４としては、例えば、Ａｕ又はＡｌを主成分とする金属膜であり、表面を粗化したり、膜自体を多孔とすることで、赤外線の吸収率を向上したものを例示できる。次いで、図７（ｂ）に示すように、レジストＲをその上に成膜された赤外線吸収体２４と共に除去する。
【００２７】
以上のようにして、半導体基板１上に焦電体（下部電極２１、焦電体膜２２、上部電極２３からなる焦電体本体、及び赤外線吸収体２４）を形成する焦電体形成工程が実行される。
【００２８】
＜貫通孔形成工程＞
本工程では、図８（ａ）に示すように、赤外線吸収体２４上、上部電極２３上、焦電体膜２２上又は下部電極２１上にレジストＲを塗布し、フォトリソグラフィによってレジストＲを所定のパターンに形成する。具体的には、後述する貫通孔２５に対応する部分を除いた部分にレジストＲが積層されるようにパターンが形成される。次いで、図８（ｂ）に示すように、所定のパターンに形成されたレジストＲを介して、上部電極２３、焦電体膜２２及び下部電極２１にエッチングを施す。エッチング方法としては、例えば、イオンビームエッチングが用いられる。
【００２９】
以上のようにして、半導体基板１の上方が開放されるように、焦電体（下部電極２１、焦電体膜２２、上部電極２３及び赤外線吸収体２４）を貫通する複数の貫通孔２５を形成する貫通孔形成工程が実行される。
【００３０】
＜支持部形成工程＞
本工程では、図９（ａ）に示すように、複数の貫通孔２５を介して半導体基板１に等方性エッチングを施し、半導体基板１の上部に部分的に空洞１２を形成することで、空洞１２に隣接し、焦電体（下部電極２１、焦電体膜２２、上部電極２３及び赤外線吸収体２４）を支持する支持部１３を形成する。等方性エッチングとしては、例えば、ニフッ化キセノン（ＸｅＦ２）ガスを利用したドライエッチングが用いられる。エッチング時間、貫通孔２５のピッチ、ニフッ化キセノンガスの圧力等を適宜制御することにより、所望する空洞１２の形状、ひいては所望する支持部１３の形状を得ることができる。空洞１２の深さは、例えば、５０〜１００μｍ程度とされる。最後に、図９（ｂ）に示すように、レジストＲを除去することで、赤外線センサ１００が得られる。図９（ｂ）に示す赤外線センサ１００において、赤外線吸収体２４で赤外線が吸収されて発熱し、その熱が焦電体膜２２に伝導することで電荷が発生し、上部電極２３Ａ（下部電極２１と導通する電極）と、上部電極２３Ｂとから出力されることで、赤外線を検出可能である。
【００３１】
以上に説明した本実施形態に係る赤外線センサ１００の製造方法によれば、支持部形成工程で半導体基板１に空洞１２を形成する前に、焦電体形成工程で半導体基板１上に焦電体を形成することになる。すなわち、半導体基板上１に焦電体を形成する際には、半導体基板１に空洞１２が形成されていないため、半導体基板１の温度分布を均一化し易い。このため、半導体基板１上に形成される焦電体の面内均一性に優れることが期待でき、検出感度の高い赤外線センサ１００を製造することが可能である。
【００３２】
また、本実施形態に係る赤外線センサ１００の製造方法によれば、貫通孔形成工程で焦電体を貫通する複数の貫通孔２５を形成し、支持部形成工程で複数の貫通孔２５を介して半導体基板１に等方性エッチングを施することで、半導体基板１の上部に部分的に空洞１２を形成する。半導体基板１の上部においてエッチングされなかった、空洞２５に隣接する部分は、焦電体を支持する支持部１３を形成することになる。貫通孔２５を介して半導体基板１に等方性エッチングを施すことで形成される空洞１２は、等方性エッチングの性質上、貫通孔２５の下端（半導体基板１の上端）を中心として略半球面状に拡がる。従って、図９に示すように、空洞２５に隣接する支持部１３は上窄まり状になる。すなわち、支持部１３の上部は水平方向の寸法が小さく、下部に向かうに従い水平方向の寸法が大きくなる形状になる。支持部１３の上部が焦電体を支持するため、焦電体から半導体基板１の支持部１３への熱損失を抑制できると共に、支持部１３の下部の寸法が大きくなるため、機械的強度を一定以上に保つことも可能である。
【００３３】
さらに、本実施形態に係る赤外線センサ１００の製造方法によれば、焦電体に複数の貫通孔２５が設けられるため、その分だけ焦電体が軽量化し、支持部１３に対する負荷が軽減して、支持状態が安定化するという利点もある。
【符号の説明】
【００３４】
１・・・半導体基板
１２・・・空洞
１３・・・支持部
２１・・・下部電極
２２・・・焦電体膜
２３・・・上部電極
２４・・・赤外線吸収体
１００・・・赤外線センサ
Ｒ・・・レジスト
【図１】
2015052517.tif 000003
【図２】
2015052517.tif 000004
【図３】
2015052517.tif 000005
【図４】
2015052517.tif 000006
【図５】
2015052517.tif 000007
【図６】
2015052517.tif 000008
【図７】
2015052517.tif 000009
【図８】
2015052517.tif 000010
【図９】
2015052517.tif 000011