(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に犠牲層を形成する第１の工程と、
前記犠牲層の上に、赤外線を受光する赤外線受光部を形成する第２の工程と、
前記赤外線受光部の温度上昇を検出するサーモパイルの基部となる第１のポリシリコン抵抗膜を形成する第３の工程と、
前記第１のポリシリコン抵抗膜を覆うように前記サーモパイルの保護膜となる第１のシリコン酸化膜を形成する第４の工程と、
前記第１のポリシリコン抵抗膜上の前記第１のシリコン酸化膜を選択的に除去し、前記第１のシリコン酸化膜が除去された前記第１のポリシリコン抵抗膜上に、前記サーモパイルの突起部となる第２のポリシリコン抵抗膜を形成し、断面形状が少なくとも一つ以上の突起部を有するサーモパイルを形成する第５の工程と、
前記第２のポリシリコン抵抗膜を覆うように前記サーモパイルの保護膜となる第２のシリコン酸化膜を形成し、前記第１のシリコン酸化膜と前記第２のシリコン酸化膜を貫通するスリットを形成し、前記半導体基板に対して前記赤外線受光部を支持し、前記サーモパイルを被覆して前記サーモパイルと前記保護膜とで構成された梁を形成する第６の工程と、
前記スリットを介して、前記半導体基板、前記犠牲層を選択的に除去し、前記半導体基板と前記赤外線受光部との間に空間を形成し、前記半導体基板と前記赤外線受光部とを分離する第７の工程と
を有することを特徴とする赤外線検知素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サーモパイルを備えた赤外線検知素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の技術としては、例えば以下に示す文献に記載されたものが知られている（特許文献１参照）。この文献１には、基板上の中央部上面に赤外線吸収部を有し、梁を用いて赤外線吸収部を基板に対して支持し、赤外線吸収部と基板とが熱分離構造となっているサーモパイル型赤外線検知素子が記載されている。
【０００３】
このような赤外線検知素子においては、赤外線吸収部の吸収面に対して垂直方向に衝撃や振動が加わった場合には、赤外線吸収部を支える梁に曲げモーメントやねじりトルクが作用する。そこで、上記従来の技術では、曲げ剛性を強化するため、梁の高さを幅よりも大きく（高さ／幅のアスペクト比が１以上）することで剛性を持たせていた。
【０００４】
図１２はこのような従来の赤外線検知素子の梁の構造を示す図であり、同図（ａ）は斜視図であり、同図（ｂ）は上面図である。図１２において、梁１２０は、サーモパイルとして機能する２本のポリシリコン（Ｓｉ）を備え、ここでは梁１２０の長手方向に平行に形成されたＮ型のポリシリコン１２１とＰ型のポリシリコン１２２で構成されている。このサーモパイルは、シリコン酸化膜等の保護膜１２３で被覆され、梁１２０の形状は長方形となる。
【０００５】
このような梁１２０に、図１２（ｂ）に示すａ−ａ線を中心に曲げの外力が加わった場合には、梁１２０は梁１２０を側面から見た図１３（ａ）に示すように変形し、サーモパイルのポリシリコン１２１，１２２は保護膜１２３のシリコン酸化膜よりも硬いため曲げは殆ど保護膜１２３の部分で生じる。一方、梁１２０に、図１２（ｂ）に示すｂ−ｂ線を中心にねじりの外力が加わった場合には、ねじりによるせん断力で梁１２０は図１３（ｂ）に示すように変形し、基板と赤外線吸収部との間の梁１２０の形状が曲がりくねっている場合には、梁１２０の高さ方向（Ｚ方向）の変位が大きくなってしまう。
【特許文献１】特開２０００−１１１３９６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
以上説明したように、従来の赤外線検知素子で採用された構造では、ねじりの外力に対して曲げ剛性を強化するには至らなかった。
【０００７】
さらに、赤外線検知素子を高感度化するためには、梁の熱抵抗値を上昇させることが必要となり、そのためには梁を薄く細く、その断面積を小さくする必要があり、さらに長いほどよい。このような要件を満足させるためには、例えば梁を曲がりくねった形状に形成することが考えられる。
【０００８】
しかし、梁を薄く細くすることは、機械的強度の減少を招くため、赤外線検知素子に衝撃や振動が加わった場合には、慣性力や共振により梁が損傷に至るおそれがあった。したがって、このように薄く細く曲がりくねった形状の梁では、外力の曲げの他にねじりに対する強度も必要であった。
【０００９】
そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、曲げやねじりに対する機械的強度を向上した赤外線検知素子の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明の課題を解決する手段は、半導体基板上に犠牲層を形成する第１の工程と、前記犠牲層の上に、赤外線を受光する赤外線受光部を形成する第２の工程と、前記赤外線受光部の温度上昇を検出するサーモパイルの基部となる第１のポリシリコン抵抗膜を形成する第３の工程と、前記第１のポリシリコン抵抗膜を覆うように前記サーモパイルの保護膜となる第１のシリコン酸化膜を形成する第４の工程と、前記第１のポリシリコン抵抗膜上の前記第１のシリコン酸化膜を選択的に除去し、前記第１のシリコン酸化膜が除去された前記第１のポリシリコン抵抗膜上に、前記サーモパイルの突起部となる第２のポリシリコン抵抗膜を形成し、断面形状が少なくとも一つ以上の突起部を有するサーモパイルを形成する第５の工程と、前記第２のポリシリコン抵抗膜を覆うように前記サーモパイルの保護膜となる第２のシリコン酸化膜を形成し、前記第１のシリコン酸化膜と前記第２のシリコン酸化膜を貫通するスリットを形成し、前記半導体基板に対して前記赤外線受光部を支持し、前記サーモパイルを被覆して前記サーモパイルと前記保護膜とで構成された梁を形成する第６の工程と、前記スリットを介して、前記半導体基板、前記犠牲層を選択的に除去し、前記半導体基板と前記赤外線受光部との間に空間を形成し、前記半導体基板と前記赤外線受光部とを分離する第７の工程とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、赤外線受光部を支持する梁に突起部を形成することで、赤外線検知の感度を低下させることなく、曲げやねじりに対する強度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を用いて本発明を実施するための最良の実施例を説明する。
【実施例１】
【００１３】
図１は本発明の実施例１に係る赤外線検知素子の構成を示す正面図である。図１に示す赤外線検知素子は、例えばシリコン等からなる基板１と、この基板１の上方側に形成されて赤外線を受光吸収し検知するメンブレンの赤外線吸収部（赤外線受光部）２と、Ｌ字型の梁３を備えて構成されている。
【００１４】
基板１と赤外線吸収部２とは、例えば基板１の上面に形成された四角錘上の空隙（熱分離領域）により熱分離されている。梁３はこの実施例１では赤外線吸収部２の外周に沿って２つ配置形成され、基板１と赤外線吸収部２とを連結し、基板１に対して赤外線吸収部２を分離支持している。梁３はその内部にサーモパイルとして機能する１対のポリシリコンが形成され、このサーモパイルはシリコン酸化膜等からなり梁３の主部材となる保護膜で被覆されている。
【００１５】
赤外線吸収部２は、図１に示すように、赤外線吸収部２を支持する梁３に比べて面積、ならびに体積が格段に大きい。そのため、赤外線吸収部２はあたかも、重りのようにして梁３に作用する。赤外線吸収部２の重心は、図２の赤外線検知素子の斜視図に示すように、赤外線吸収部２の中央（図２の×点）にある。このため、同図に示すＺ方向の加速度や振動等による慣性力が梁３に加わった場合は、梁３には赤外線吸収部２から曲げモーメント、ならびにねじりトルクが作用して応力がかかり、梁３がＺ方向に変形する。このような場合に、梁３の剛性により変形量が決まるので、できるだけ変形が少ない方が共振周波数も高くなり、剛性も強くなる。
【００１６】
図３は図１の梁３の構造を示す斜視図である。図３において、梁３はその内部にサーモパイルとして機能する１対のＮ型のポリシリコン３０とＰ型のポリシリコン３１が並行して配置形成され、１対のポリシリコン３０，３１はシリコン酸化膜からなる保護膜３２で被覆されて構成されている。梁３は、図３に示すように、１対のポリシリコン３０，３１を被覆する保護膜３２の基部（底面部）３２ａのＺ（高さ）方向に突起部（凸部）３２ｂが形成された断面構造を有している。突起部３２ｂは、その高さ（ｈ２）が基部３２ａの高さ（ｈ１）よりも高くなる（ｈ１＜ｈ２）ように形成されている。ただし、梁３の断面積は図１２に示す従来の梁１２０の断面積と同程度に形成されている。
【００１７】
このような断面形状を有する梁３に、図２に示すＺ方向の変位により曲げモーメントが加わった場合には、図４（ａ）の梁３の断面図に示すように、基部３２ａに対して突起部３２ｂの高さが高いために、梁３に同じモーメントが掛かっても図１２に示す断面構造が長方形の従来例に比べて変形量を小さくすることができる。これは曲げに対する剛性が強化されたことになる。
【００１８】
一方、赤外線吸収部２に対するＺ方向の変位によりねじりトルクが梁３に加わった場合には、図４（ｂ）の梁３の断面図に示すように、梁３の基部３２ａに対して高さが高い突起部３２ｂが傾くように変形する。これにより、梁３の全体がねじれることが抑制され、梁３の基部３２ａはねじれず、従来に比べてねじりによるＺ方向の変位量を小さくすることが可能となる。また、この突起部３２ｂの高さが高いほどねじりに対して梁３の変形量が少なくなり、剛性を強化することができる。
【００１９】
さらに、突起部３２ｂは梁３の赤外線吸収部２の重心に近い側に配置形成することで、突起部３２ｂ以外の梁３の基部３２ａにねじり応力や曲げ応力がかかることを防ぐことができる。
【００２０】
以上説明したように、この実施例１で採用した構造の梁３では、図１２に示すような断面構造が長方形の従来の梁１２０に比べて、突起部３２ｂにより梁３の剛性が向上する。その結果、梁３の断面積を変化させることなく、すなわち赤外線検知素子の感度を保ったまま、梁３の剛性を強化することができる。これにより、振動する物体、例えば車両等に本実施例１の赤外線検知素子を設置した場合には、赤外線検知素子が損傷するおそれを低減することができ、信頼性を向上することができる。
【００２１】
突起部３２ｂの高さは高いほどよく梁３の幅をｗ、梁３の基部３２ａの底面から突起部３２ｂの頂点までの高さをｈ（ｈ１＋ｈ２）とすると、ｈ＞ｗの関係を満たすことで梁３をより一層強化することができる。
【００２２】
なお、この実施例１に示す赤外線検知素子では、梁３は図１に示すように２本からなり曲がりくねっているが、何本でも構わない。また、サーモパイルもＮ型のポリシリコン３０とＰ型のポリシリコン３１との２本で構成されているが、本数はこれに限定されるものではない。  
次に、図５の製造工程を示す断面図を参照して、図３に示す赤外線検知素子の製造方法について説明する。図５に示す素子の断面は、図１のａ−ａ線に沿った断面を表している。
【００２３】
先ず、シリコン等からなる基板１の主表面に、ポリシリコンエッチングの犠牲層５０を形成し、赤外線吸収部２と基板１とを熱分離する熱分離用の空隙の範囲を決定するエッチングストッパー５１を形成する（図５（ａ））。
【００２４】
次に、先の構成で形成された犠牲層５０ならびにエッチングストッパー５１上に、赤外線吸収部２となる窒化膜５２を形成し、さらにこの窒化膜５２上にサーモパイルの抵抗膜となるＮ型のポリシリコン３０およびＰ型のポリシリコン３１をパターニングにより形成する（図５（ｂ））。
【００２５】
次に、サーモパイルのポリシリコン３０，３１を覆うように保護膜３２となる絶縁膜のシリコン酸化膜５３を堆積形成した後、Ｎ型のポリシリコン３０とＰ型のポリシリコン３１を直列に接続するためのアルミ配線５４を形成する。さらに、ポリシリコン３０，３１上の梁３となる部分のシリコン酸化膜５３を選択的にエッチング除去し、梁３の基部３２ａの部分の保護膜３２を形成する（図５（ｃ））。
【００２６】
次に、シリコン酸化膜５３を選択的にエッチング除去し、溝（スリット）５４を形成する。このスリット５４により梁３となるシリコン酸化膜５３と赤外線吸収部２の窒化膜５２と分離する。これにより、基部３２ａ上に突起部３２ｂを有する断面構造の梁３が形成される（図５（ｄ））。
【００２７】
最後に、先の工程で形成されたスリット５４を介して、ヒドラジンなどのエッチング液を用いて結晶性異方性エッチングを行い、窒化膜５２、犠牲層５０ならびに基板１をエッチング除去して空隙５５を形成し、図１に示す赤外線検知素子が完成する（図５（ｅ））。
【００２８】
このような製造工程により、赤外線検知素子にサーモパイルを含むＬ字型の梁３を容易に形成することが可能となる。
【実施例２】
【００２９】
図６は本発明の実施例２に係る赤外線検知素子の構成を示す正面図である。図６に示す実施例２の特徴とするところは、図１に示す実施例１に比べて、実施例１では梁３が赤外線吸収部２の外周に沿って配置形成されているのに対して、基板１と赤外線吸収部２との対向する外周辺に対して直交するように、対向する四辺に１つずつ計４つの梁６０が基板１と赤外線吸収部２とを連結して配置形成されていることにある。
【００３０】
このように配置形成された４つの梁６０で赤外線吸収部２を基板１に対して支持することで、赤外線吸収部２がＺ方向に振動しても梁６０にはねじりが掛からない。したがって、このような配置構成では、先の実施例１と同様に梁６０の基部上に形成される突起部は基部上のいずれに形成されていても構わない。例えば突起部６０ｂは、図６の断面図に示すように、梁６０のサーモパイルを被覆する基部６０ａの中央上部（同図（ａ））、基部６０ａのＸ（短辺）方向の両端部（同図（ｂ））、もしくは基部６０ａの中央上部であって段差形状であってもよい。
【００３１】
このような配置構成の梁６０を採用することで、赤外線検知素子に曲げやねじりが加わった場合には、先の実施例１と同様にやはり突起部６０ｂが変形することで梁６０の基部６０ａにかかる応力を軽減することが可能となる。これにより、梁６０全体としての変形を小さくすることができ、先の実施例１と同様の効果を得ることができる。
【実施例３】
【００３２】
図８は本発明の実施例３に係る赤外線検知素子の構成を示す正面図であり、図９は図８に示す梁８０の構成を示す図であり、図９（ａ）は正面図、同図（ｂ），（ｃ）、（ｄ），（ｅ）は同図（ａ）の対応するｂ−ｂ線、ｃ−ｃ線、ｄ−ｄ線、ｅ−ｅ線に沿った断面図である。図８ならびに図９に示す実施例３の特徴とするところは、先の実施例１に比べて、基板１に対して赤外線吸収部２を支持する梁８０に含まれるサーモパイルのポリシリコンの断面形状をＬ字型とし、サーモパイルを被覆する保護膜の断面形状は先の図１２に示す従来と同様に矩形状としたことにある。
【００３３】
サーモパイルは、Ｎ型のポリシリコン８１とＰ型のポリシリコン８２とで構成され、サーモパイルを被覆する保護膜８３はシリコン酸化膜で形成されている。サーモパイルを構成するポリシリコンは保護膜８３を構成するシリコン酸化膜よりも３倍程度以上ヤング率が大きく硬い。したがって、この実施例３ではこのことを利用して、保護膜８３の強度を強化する代わりに、サーモパイルを構成するポリシリコン８１，８２の強度を曲げ、ねじりに対して強化している。
【００３４】
図８に示すように、ポリシリコン８１，８２の断面をＬ字型に形成し、かつ赤外線吸収部２の重心（図８の×で示す）に近い側にポリシリコン８１のＬ字型の突起部８１ａを配置し、ポリシリコン８２の突起部８２ａを形成するすることで、梁８０の剛性を強化することができる。
【００３５】
このように、保護膜８３のシリコン酸化膜よりも硬いポリシリコン８１，８２をＬ字型として突起部８１ａ，８２ａを形成することで、梁８０にかかる曲げの力に対してポリシリコン８１，８２の高さが高くなり変形しにくくなり、梁８０全体がが強化されたことになる。また、ねじりに対しても梁８０にかかるせん断力の大部分をポリシリコン８１，８２が吸収することになるので、梁８０の変形は少なくなり強化されたことになる。
【００３６】
なお望ましくは、梁８０の突起部の高さが高い程剛性が強くなるので、サーモパイルの幅をＷ、高さをＨとすると、Ｈ＞Ｗの関係を満足させることで剛性をより一層強化することができる。
【００３７】
また、本実施例３では、サーモパイルを構成するＬ字型のＮ型のポリシリコン８１とＰ型のポリシリコン８２の並行した配置は、突起部８１ａ，８２ａが赤外線吸収部２の重心側に配置形成される図９（ｂ）〜（ｅ）に示すものに限ることはない。例えば図１０（ａ）〜（ｄ）に示すように並行配置してもよく、また断面形状はＬ字型に限ることはなく、例えば同図（ｅ）〜（ｆ）に示すようにＴ字型、同図（ｇ）〜（ｈ）に示すようにコの字型、同図（ｉ）に示す十字型であってもよい。また、図１０（ｊ）に示すように、サーモパイルを構成する双方のポリシリコンを従来と同様に矩形状に形成し、そのいずれか一方のポリシリコンのアスペクト比（高さ／幅）を１以上とするようにしてもよい。
【００３８】
次に、図１１の製造工程断面図を参照して、図８ならびに図９に示す梁８０を備えた赤外線検知素子の製造方法について説明する。図１１に示す素子の断面は、図８のａ−ａ線に沿った断面を表している。
【００３９】
先ず、シリコン等からなる基板１の主表面に、ポリシリコンエッチングの犠牲層１１０を形成し、赤外線吸収部２と基板１とを熱分離する熱分離用の空隙の範囲を決定するエッチングストッパー１１１を形成する（図１１（ａ））。
【００４０】
次に、先の構成で形成された犠牲層１１０ならびにエッチングストッパー１１１上に、赤外線吸収部２となる窒化膜１１２を形成し、さらにこの窒化膜１１２上にサーモパイルの抵抗膜となるＮ型のポリシリコン８１およびＰ型のポリシリコン８２の基部をパターニングにより形成する（図１１（ｂ））。
【００４１】
次に、サーモパイルのポリシリコン８１，８２の基部を覆うように保護膜８３となるシリコン酸化膜１１３ａを堆積形成した後、ＲＩＥ法などの異方性エッチングによりサーモパイルの突起部なる部分のシリコン酸化膜１１３ａを選択的にエッチング除去し、スリット１１４を形成する（図１１（ｃ））。
【００４２】
次に、全面にポリシリコンを堆積形成し、先の工程で形成されたスリット１１４にポリシリコンを埋め込む。その後、先の工程で堆積形成されたシリコン酸化膜１１３ａの表面が露出されるまでエッチバックしてポリシリコンを除去する。これにより、Ｎ型のポリシリコン８１の上面とＰ型のポリシリコン８２の上面のそれぞれにポリシリコンの突起部を形成する。続いて、このポリシリコンの突起部にイオン注入によりボロンやリンなどの不純物を添加する。これにより、Ｎ型のポリシリコン８１に同型の突起部８１ａが形成され、Ｐ型のポリシリコン８２に同型の突起部８２ａが形成される。その後、両ポリシリコン８１，８２を覆うように保護膜８３となるシリコン酸化膜１１３ｂを形成し、引き続いて両ポリシリコン８１，８２を接続するアルミ配線１１５を形成する（図１１（ｄ））。
【００４３】
次に、エッチング等によりシリコン酸化膜１１３ａ、１１３ｂを選択的に除去して窒化膜１１２に達するスリット１１６を形成する。これにより、赤外線吸収部２から梁８０の保護膜８３となるシリコン酸化膜１１３ａ，１１３ｂを分離する（図１１（ｅ））。
【００４４】
最後に、先の工程で形成されたスリット１１６を介して、ヒドラジンなどのエッチング液を用いて結晶性異方性エッチングを行い、窒化膜１１２、犠牲層１１０ならびに基板１をエッチング除去して空隙１１７を形成し、図１に示す赤外線検知素子が完成する（図１１（ｆ））。
【００４５】
このような製造工程により、赤外線検知素子にＬ字型のサーモパイルを含む梁８０を容易に形成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の実施例１に係る赤外線検知素子の構成を示す正面図である。
【図２】本発明の実施例１に係る赤外線検知素子の構成を示す斜視図である。
【図３】本発明の実施例１に係る赤外線検知素子の梁の構成を示す斜視図である。
【図４】本発明の実施例１に係る赤外線検知素子の梁の変形の様子を示す断面図である。
【図５】本発明の実施例１に係る赤外線検知素子の製造方法を示す工程断面図である。
【図６】本発明の実施例２に係る赤外線検知素子の構成を示す正面図である。
【図７】本発明の実施例２に係る赤外線検知素子の梁の構成を示す断面図である。
【図８】本発明の実施例３に係る赤外線検知素子の構成を示す正面図である。
【図９】本発明の実施例３に係る赤外線検知素子の梁の構成を示す図である。
【図１０】本発明の実施例３に係る赤外線検知素子の梁の他の構成を示す断面図である。
【図１１】本発明の実施例３に係る赤外線検知素子の製造方法を示す工程断面図である。
【図１２】従来の赤外線検知素子の梁の構成を示す図である。
【図１３】図１２に示す構成の梁の変形の様子を示す図である。
【符号の説明】
【００４７】
１…基板
２…赤外線吸収部
３，６０，８０，１２０…梁
３０，３１，８１，８２，１２１，１２２…ポリシリコン
３２，８３，１２３…保護膜
３２ａ，６０ａ…基部
３２ｂ，６０ｂ，８１ａ，８２ａ…突起部
５０，１１０…犠牲層
５１，１１１…エッチングストッパー
５２，１１２…窒化膜
５３，１１３ａ，１１３ｂ…シリコン酸化膜
５４，１１５…アルミ配線
５４，１１４，１１６…スリット
５５，１１７…空隙
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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