(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の表面側から形成されたトレンチ構造を有する熱型赤外線検出器において、
前記トレンチ構造の間の前記基板の表面側に少なくとも１つのセンサ素子が設けられ、
前記センサ素子の断熱中空化のために前記基板の裏面側から形成されたエッチングホールが前記センサ素子の画素エリアの周辺に設けられ、
前記画素エリアの下方に開口部を備え、
前記断熱中空化の後に、セルフアラインに形状が決定された状態で前記トレンチ構造が残存し、画素エリアを支える梁として機能する構造を有する
熱型赤外線検出器。
【請求項２】
前記トレンチ構造は、前記センサ素子と周辺回路とを接続する配線の直下に設けられている
請求項１に記載の熱型赤外線検出器。
【請求項３】
前記トレンチ構造は、内部に高熱伝導率材料を有する
請求項１または２に記載の熱型赤外線検出器。
【請求項４】
前記センサ素子の裏面に設けられた赤外線吸収膜をさらに備える
請求項１から３のいずれか１項に記載の熱型赤外線検出器。
【請求項５】
前記トレンチ構造の側壁に設けられた赤外線反射膜をさらに備える
請求項１から４のいずれか１項に記載の熱型赤外線検出器。
【請求項６】
前記赤外線反射膜を備えた熱型赤外線検出器をパッケージにマウントする際に、
前記パッケージは、最表面に赤外線反射膜を有しており、
前記センサ素子と前記パッケージの上面との光学距離は、検出赤外線波長の略４分の１の奇数倍である
請求項５に記載の熱型赤外線検出器。
【請求項７】
前記センサ素子の形成面と異なる別平面に形成された断熱支持脚と、
前記トレンチ構造の側壁に設けられた赤外線反射膜と
をさらに備える
請求項１から３のいずれか１項に記載の熱型赤外線検出器。
【請求項８】
前記センサ素子の裏面に設けられたプラズモニクス吸収体をさらに備える
請求項７に記載の熱型赤外線検出器。
【請求項９】
前記センサ素子の上部に設けられ、前記センサ素子を透過した赤外線を吸収する赤外線吸収構造をさらに備える
請求項７に記載の熱型赤外線検出器。
【請求項１０】
前記赤外線吸収構造の上部に設けられ、前記センサ素子および前記赤外線吸収構造を透過した赤外線を反射する赤外線反射膜をさらに備え、
前記センサ素子と前記赤外線反射膜との光学距離は、検出赤外線波長の略４分の１の奇数倍である
請求項９に記載の熱型赤外線検出器。
【請求項１１】
前記赤外線吸収構造および前記赤外線反射膜は、前記センサ素子を覆うように曲率が設けられている
請求項１０に記載の熱型赤外線検出器。
【請求項１２】
請求項１に記載の熱型赤外線検出器の製造方法であって、
前記センサ素子の直下の絶縁膜および前記トレンチ構造を、Ｓｉ基板とのエッチング選択比の高い材料を用いて形成する第１工程と、
前記断熱中空化の際に、前記絶縁膜をエッチングストップ層として機能させるとともに、セルフアラインに前記トレンチ構造の形状が決定されるように、前記基板の裏面側からエッチング処理を施すことで、前記センサ素子間に設けられた前記トレンチ構造を、断熱中空化処理後にも前記Ｓｉ基板と接続された状態で残存させ、画素エリアを支える梁として機能させる第２工程と
を有する熱型赤外線検出器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線吸収により生じる熱を電気に変換して検出する熱型赤外線検出器に関し、特に、高感度かつ熱時定数の小さい熱型赤外線検出器、この熱型赤外線検出器を安定して製造するための製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
赤外線を利用した赤外線検出器は、その動作原理により、赤外線のエネルギー吸収による温度変化を利用する熱型赤外線検出器と、赤外線吸収により生じるキャリア励起を利用する量子型赤外線検出器とに大きく分けられる。
【０００３】
後者の量子型赤外検出器は、動作温度が低く、使用する素子自体を冷凍機を用いてマイナス２００℃前後に冷却する必要がある。このため、構造が複雑になるだけでなく、冷凍機のメンテナンスも必要となり、高コストかつ取り扱いづらいという難点がある。
【０００４】
一方、前者の熱型赤外線検出器は、冷却装置が不要で構造が簡単であり、低コストである。このため、熱型赤外線検出器は、汎用的な用途によく用いられる。
【０００５】
熱型赤外線検出器の主な性能指標としては、感度と熱時定数がある。高感度化には、センサ素子の開口率向上、およびセンサ素子の熱抵抗の高抵抗化が重要となる。開口率の向上については、センサ素子がより多くの赤外線を吸収できるように、画素面積に対する赤外線吸収部の割合を大きくしている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
一方、熱抵抗の高抵抗化については、センサ素子において赤外線吸収により生じた熱がセンサ素子以外の周辺部に逃げないように、断熱構造を設けることが行われる。例えば、薄膜化および細線化した断熱支持脚をセンサ素子に備えること（例えば、特許文献２参照）や、センサ素子下方をエッチングしてセンサ素子を断熱中空化させること（例えば、特許文献３参照）で、断熱構造を実現している。
【０００７】
熱時定数の低減、すなわち、反応速度の向上には、センサ素子の低熱容量化と、センサ素子周辺部の熱飽和を避けること、が重要となる。センサ素子の低熱容量化については、センサ素子の厚さを薄くして、体積を小さくしている。一方、センサ素子周辺部の熱飽和を避けるためには、基板をヒートシンクとして利用している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第４２２４９４９号公報
【特許文献２】特許第３９４４４６５号公報
【特許文献３】特開２０１４−１９９２５４号公報
【特許文献４】特許第４９６４９３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
このような背景を踏まえ、熱型赤外線検出器の高感度化に関して、特許文献１に記載の従来技術は、センサ素子上部に赤外線吸収構造を設けて開口率の向上を図っている。しかしながら、特許文献１のような構造では、センサ素子の断熱中空化のためのエッチングホールを赤外線吸収構造に設ける必要がある。このため、開口率が低下してしまう課題があった。
【００１０】
さらに、多画素化および画素ピッチの縮小化に対して、特許文献１に記載の構造は、センサ素子と断熱支持脚を同一平面上に設ける構造を採用している。このため、特許文献１は、画素ピッチの縮小化の際に熱抵抗を高めようと断熱支持脚の配線長を長くすると、センサ素子の面積が小さくなってしまう。このため、センサ特性が著しく低下してしまい、赤外線吸収構造を設けて開口率を向上したとしても、高感度化が困難になるという課題があった。
【００１１】
このような課題に対して、特許文献２は、センサ素子と断熱支持脚を別平面に設けることで、熱抵抗の増加とセンサ素子サイズの確保を両立している。しかしながら、特許文献２は、センサ素子上に設けられた断熱支持脚による遮光の影響で、センサ素子の開口率が低下してしまう。このため、特許文献２は、開口率向上のためには、センサ素子上に赤外線吸収構造を形成しなければならないという課題があった。
【００１２】
特許文献３に記載の構造は、開口率の向上を目的として、基板途中でエッチングストップしている第一の開口部を設けている。さらに、特許文献３に記載の構造は、第一の開口部内の画素エリアと回路エリア間にセンサ素子まで貫通している第二の開口部を設けている。
【００１３】
このような構造を有することで、特許文献３は、通常では受光および吸収できないような広角から入射する赤外線をセンサ素子にて吸収可能にして、実効的な開口率を向上することで、高感度化を図っている。しかしながら、アレイ型センサにおいては、画素エリア下方全域をエッチング除去する必要があるため、画素エリアの物理的強度が低下してしまうという課題がある。
【００１４】
さらに、この課題に加え、センサ素子周辺部も中空断熱化されてしまうため、センサ素子周辺部の熱抵抗が高抵抗化してしまう。この結果、ヒートシンクへ熱が逃げずに熱時定数が増加してしまう課題とともに、センサ素子周辺部からの輻射熱によりノイズが大きくなってしまう課題があった。
【００１５】
本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、検出感度向上、熱時定数の低減、および画素エリアの物理的強度の向上を実現できる構造を備えた熱型赤外線検出器および熱型赤外線検出器の製造方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明に係る熱型赤外線検出器は、基板の表面側から形成されたトレンチ構造を有する熱型赤外線検出器において、トレンチ構造の間の基板の表面側に少なくとも１つのセンサ素子が設けられ、センサ素子の断熱中空化のために基板の裏面側から形成されたエッチングホールがセンサ素子の画素エリアの周辺に設けられ、画素エリアの下方に開口部を備え、断熱中空化の後に、セルフアラインに形状が決定された状態でトレンチ構造が残存し、画素エリアを支える梁として機能する構造を有するものである。
【００１７】
また、本発明に係る熱型赤外線検出器の製造方法は、センサ素子の直下の絶縁膜およびトレンチ構造を、Ｓｉ基板とのエッチング選択比の高い材料を用いて形成する第１工程と、断熱中空化の際に、絶縁膜をエッチングストップ層として機能させるとともに、セルフアラインにトレンチ構造の形状が決定されるように、基板の裏面側からエッチング処理を施すことで、センサ素子間に設けられたトレンチ構造を、断熱中空化処理後にもＳｉ基板と接続された状態で残存させ、画素エリアを支える梁として機能させる第２工程とを有するものである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、センサ素子内のエッチングホールが不要となることで開口率を向上できるとともに、センサ素子間に設けられたトレンチ構造が、断熱中空化処理後にも基板と接続された状態で残存し、画素エリアを支える梁として機能する構成を備えている。この結果、検出感度向上、熱時定数の低減、および画素エリアの物理的強度の向上を実現できる構造を備えた熱型赤外線検出器および熱型赤外線検出器の製造方法を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施の形態１による熱型赤外線検出器を示す鳥瞰図である。
【図２】本発明の実施の形態１による熱型赤外線検出器の断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１における熱型赤外線検出器の製造工程を順に示した図である。
【図４】本発明の実施の形態１における熱型赤外線検出器の製造工程を順に示した図である。
【図５】本発明の実施の形態１における熱型赤外線検出器の製造工程を順に示した図である。
【図６】本発明の実施の形態１における熱型赤外線検出器の製造工程を順に示した図である。
【図７】本発明の実施の形態１における熱型赤外線検出器の製造工程を順に示した図である。
【図８】本発明の実施の形態１における熱型赤外線検出器の製造工程を順に示した図である。
【図９】本発明の実施の形態１における熱型赤外線検出器の製造工程を順に示した図である。
【図１０】本発明の実施の形態１における熱型赤外線検出器の製造工程を順に示した図である。
【図１１】本発明の実施の形態２における熱型赤外線検出器の製造工程を順に示した図である。
【図１２】本発明の実施の形態２における熱型赤外線検出器の製造工程を順に示した図である。
【図１３】本発明の実施の形態２における熱型赤外線検出器の製造工程を順に示した図である。
【図１４】本発明の実施の形態２における熱型赤外線検出器の製造工程を順に示した図である。
【図１５】本発明の実施の形態２における熱型赤外線検出器の製造工程を順に示した図である。
【図１６】本発明の実施の形態２における熱型赤外線検出器の製造工程を順に示した図である。
【図１７】本発明の実施の形態２における熱型赤外線検出器の製造工程を順に示した図である。
【図１８】本発明の実施の形態２における熱型赤外線検出器の製造工程を順に示した図である。
【図１９】本発明の実施の形態３における熱型赤外線検出器の製造工程を順に示した図である。
【図２０】本発明の実施の形態３における熱型赤外線検出器の製造工程を順に示した図である。
【図２１】本発明の実施の形態４における熱型赤外線検出器の製造工程を順に示した図である。
【図２２】本発明の実施の形態４における熱型赤外線検出器の製造工程を順に示した図である。
【図２３】本発明の実施の形態４における熱型赤外線検出器の製造工程を順に示した図である。
【図２４】本発明の実施の形態５における熱型赤外線検出器の製造工程を順に示した図である。
【図２５】本発明の実施の形態５における熱型赤外線検出器の製造工程を順に示した図である。
【図２６】本発明の実施の形態５における熱型赤外線検出器の製造工程を順に示した図である。
【図２７】本発明の実施の形態５における熱型赤外線検出器の製造工程を順に示した図である。
【図２８】本発明の実施の形態５における熱型赤外線検出器の製造工程を順に示した図である。
【図２９】本発明の実施の形態５における熱型赤外線検出器の製造工程を順に示した図である。
【図３０】本発明の実施の形態６における熱型赤外線検出器の製造工程を順に示した図である。
【図３１】本発明の実施の形態６における熱型赤外線検出器の製造工程を順に示した図である。
【図３２】本発明の実施の形態６に係る裏面照射型熱型赤外線検出器を偏光検知に応用した場合の説明図である。
【図３３】本発明の実施の形態６に係る裏面照射型熱型赤外線検出器を偏光検知に応用した場合の説明図である。
【図３４】本発明の実施の形態７における熱型赤外線検出器の製造工程を順に示した図である。
【図３５】本発明の実施の形態７における熱型赤外線検出器の製造工程を順に示した図である。
【図３６】本発明の実施の形態７における熱型赤外線検出器の製造工程を順に示した図である。
【図３７】本発明の実施の形態７における熱型赤外線検出器の製造工程を順に示した図である。
【図３８】本発明の実施の形態７における熱型赤外線検出器の製造工程を順に示した図である。
【図３９】本発明の実施の形態８における裏面照射型熱型赤外線検出器の製造工程の一部を示した図である。
【図４０】本発明の実施の形態９における裏面照射型熱型赤外線検出器の製造工程の一部を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の熱型赤外線検出器および熱型赤外線検出器の製造方法の好適な実施の形態につき、図面を用いて説明する。
【００２１】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による熱型赤外線検出器を示す鳥瞰図である。また、図２は、本発明の実施の形態１による熱型赤外線検出器の断面図である。図１および図２に示す熱型赤外線検出器１００は、基板１０１、トレンチ構造１０２、センサ素子１０４、断熱支持脚１０５、配線１０６、および赤外線吸収構造１０９を備えて構成されている。
【００２２】
本実施の形態１に係る熱型赤外線検出器１００は、赤外線吸収構造１０９にエッチングホールを設けずに、断熱中空化処理がなされている。このため、熱型赤外線検出器１００は、特許文献１に記載された熱型赤外線検出器に対して開口率が高く、熱型赤外線検出器の感度を向上させることができる。
【００２３】
また、断熱中空化処理後も、センサ素子間のトレンチ構造１０２が残存して基板１０１とつながり、トレンチ構造１０２が梁として機能する。このため、熱型赤外線検出器１００は、特許文献３に記載された熱型赤外線検出器に対して、画素エリアの物理的強度を向上させることができる。
【００２４】
次に、実施の形態１にかかる熱型赤外線検出器の製造工程について、図３〜図１０を用いて順を追って説明する。図３〜図１０は、本発明の実施の形態１における熱型赤外線検出器の製造工程を順に示した図である。熱型赤外線検出器１００は、ＬＳＩ等の半導体製造工程と同様の工程により、Ｓｉ基板上に製造される。
【００２５】
まず、図３に示すように、例えば、Ｓｉ基板やＳＯＩ基板などの基板１０１において、単位画素毎の所定の箇所にドライエッチングにより開口が形成される。さらに、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等により絶縁膜１０３としてのＳｉＯ２膜を形成することで、周辺回路領域と接続されたトレンチ構造１０２が形成される。
【００２６】
ここでは、トレンチ構造１０２および絶縁膜１０３に用いる材料としてＳｉＯ２膜を挙げた。しかしながら、センサ素子とＳｉ基板の絶縁が確保され、Ｓｉ基板とのエッチング選択比の高い材料であれば、この材料は、ＳｉＯ２膜に限定されるものではない。
【００２７】
その後、ＣＭＰ法等によって基板１０１の表面上のＳｉＯ２膜を除去して平坦化し、絶縁膜１０３を形成した後に、センサ素子１０４および図示しない周辺回路を形成する。センサ素子１０４としては、検知した熱を電圧値の変化による電気信号に変換するダイオードなどの温度特性を有する半導体素子、金属膜素子等が用いられる。
【００２８】
次に、図４に示すように、基板１０１の表面において断熱支持脚１０５を形成する。断熱支持脚１０５は、ＴｉＮ、Ｔｉ、Ｃｏ化合物、Ｐｔ化合物、ＷＳｉまたはこれらの積層構造であることが好ましい。
【００２９】
次に、トレンチ構造１０２上にＡｌおよびその化合物で形成される配線１０６を形成し、さらに、配線１０６の上にＳｉＯ２膜、ＳｉＮ膜等による絶縁膜を形成する。次に、一般的な写真製版技術、エッチング技術を用いて、所望の形状に加工される。
【００３０】
この一連の工程を経て、センサ素子１０４は、断熱支持脚１０５を介して配線１０６と接続される。合わせて、配線１０６は、基板１０１側の周辺回路と接続される。
【００３１】
次に、図５に示すように、基板１０１の表面において、赤外線吸収構造１０９を形成するための犠牲層１０７を形成し、さらに、パターニングにより支柱開口部１０８を形成する。なお、犠牲層１０７の材料としては、ポリイミド等の有機材料を用いることができる。
【００３２】
次に、図６に示すように、上述した状態の基板１０１において、犠牲層１０７上に赤外線吸収構造１０９を形成するために、化学的気相法等によりＳｉＯ２膜、ＳｉＮ膜等からなる絶縁膜を成膜する。続いて、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｏ化合物およびこれらの窒化物または酸化物からなる赤外線吸収膜を成膜する。最後に、ＳｉＯ２膜、ＳｉＮ膜などからなる絶縁膜を成膜する。
【００３３】
そして、所望の形状に加工することで、赤外線吸収構造１０９を得る。この際、例えば、特許文献１等に記載されている赤外線吸収構造１０９上のエッチングホールは、不要となる。
【００３４】
次に、図７に示すように、基板１０１におけるセンサ素子１０４の形成面を表面として、一般的なコーターデベロッパにより、表面保護のための表面レジスト１１０を形成する。
【００３５】
続いて、基板１０１の裏面において、一般的な写真製版技術により、裏面レジスト１１１を塗布し、画素エリアにおいて裏面開口部１１２を所望の形状に形成する。さらに、裏面よりエッチングを実施し、センサ素子の断熱中空化を行うことで、図８に示した構造を得る。
【００３６】
裏面からのエッチング手法は、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ  Ｃｏｕｐｌｉｎｇ  Ｐｌａｓｍａ）−ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）装置等を用いたエッチング手法でもよいし、ＸｅＦ２、ＣｌＦ３、ＢｒＦ３等のガスを用いたエッチング手法でもよい。
【００３７】
また、図９に示す熱型赤外線検出器の上面図のように、画素エリア外周部に表面開口部１１３を設け、表面開口部より、上述したいずれかのエッチング手法を採用することで、図８と同じ構造の熱型赤外線検出器を得ることができる。
【００３８】
最後に、図８に対して、等方性アッシング等のレジスト除去技術により犠牲層１０７、表面レジスト１１０、および裏面レジスト１１１をエッチングすることで、図１０に示す熱型赤外線検出器が完成する。図１０に示した熱型赤外線検出器をアレイ化することで、熱型赤外線検出器１００を得る。
【００３９】
ここで、配線１０６とトレンチ構造１０２の位置関係については、どのように配置してもよい。ただし、本実施の形態１に記載したように、配線１０６の直下にトレンチ構造１０２を形成することで、配線による遮光を受けないことに加えて、センサ素子１０４および断熱支持脚１０５の形成領域を広く確保でき、面積効率が良くなる。この結果、熱型赤外線検出器の感度を向上させることができる。
【００４０】
以上のように、本実施の形態１における熱型赤外線検出器は、裏面または画素エリア外周部よりエッチングを行うため、センサ素子内のエッチングホールが不要となる。この結果、開口率が向上し、熱型赤外線検出器の感度が向上する。
【００４１】
加えて、センサ素子間に設けられたトレンチ構造が、断熱中空化処理後にも基板と接続された状態で残存し、画素エリアを支える梁として機能する。このため画素エリアの物理的強度が向上する。
【００４２】
本実施の形態１における熱型赤外線検出器の製造方法では、センサ素子の断熱中空化の際に、センサ素子裏面の絶縁膜がエッチングストップ層として働くだけでなく、セルフアラインにトレンチ構造の形状が決定される。このため、特許文献１〜３において必要となる高精度な写真製版技術およびエッチング技術が不要となる。この結果、製造ばらつきが少なく、製造ロバストに優れた熱型赤外線検出器の製造が可能となる。
【００４３】
実施の形態２．
本発明の実施の形態２では、トレンチ構造２０３に高熱伝導材料２０２を埋め込むことで、センサ素子と周辺回路を接続するための配線１０６の熱抵抗を低減でき、熱時定数を低減することのできる熱型赤外線検出器について説明する。
【００４４】
実施の形態２に係る熱型赤外線検出器の製造工程について、図１１〜図１８を用いて順を追って説明する。図１１〜図１８は、本発明の実施の形態２における熱型赤外線検出器の製造工程を順に示した図である。
【００４５】
なお、図１３から図１８は、先の実施の形態１と同様の工程であり、詳細な説明を省略する。よって、以下に説明する本実施の形態２は、本実施の形態２特有の構造と、それに起因する効果についてのみ記載し、その他は、先の実施の形態１と同様であるために省略する。
【００４６】
図１１に示すように、例えば、Ｓｉ基板やＳＯＩ基板などの基板１０１において、単位画素毎の所定の箇所にドライエッチングにより開口が形成される。さらに、ＣＶＤ法等により絶縁膜１０３としてのＳｉＯ２膜を形成することで、トレンチ開口部２０１が形成される。
【００４７】
次に、図１２に示すように、ＣＶＤ法等により基板１０１上に高熱伝導材料２０２を成膜する。その後、ＣＭＰ法等によって基板１０１の表面上の高熱伝導材料２０２を除去して平坦化した後に、ＳｉＯ２膜等の絶縁膜１０３を形成することで、高熱伝導材料２０２が埋め込まれたトレンチ構造２０３が形成される。
【００４８】
高熱伝導材料２０２は、ＳｉＯ２膜よりも熱伝導率の高い材料であればよい。具体的には、例えば、Ａｌおよびその化合物、Ｃｕおよびその化合物等の一般的な金属膜やＳｉＣ、Ｓｉが高熱伝導材料２０２として挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【００４９】
また、図１８に示すように、高熱伝導材料２０２として、Ｓｉ基板とのエッチング選択比の高い材料を用いる場合には、図１１に示したようなトレンチ側壁へのＳｉＯ２膜の形成は不要となる。
【００５０】
図１８の場合には、ドライエッチングにより基板１０１を開口し、ＣＶＤ法等により高熱伝導材料２０２を成膜し、さらに、ＣＭＰ法等により平坦化した後に、ＳｉＯ２膜等の絶縁膜１０３を形成すればよい。
【００５１】
図１２の説明に戻り、次に、基板１０１上に絶縁膜１０３を形成した後に、センサ素子１０４および図示しない周辺回路を形成する。以降は、図１３〜図１７に示すように、先の実施の形態１と同様の製造工程を施すことで、図１７に示すような、高熱伝導材料２０２が埋め込まれたトレンチ構造２０３を備えた熱型赤外線検出器が完成する。
【００５２】
以上のように、本実施の形態２における熱型赤外線検出器は、先の実施の形態１と同様に、断熱支持脚によるセンサ素子の断熱がなされている。このため、先の実施の形態１と同じ効果を奏する。
【００５３】
さらに、本実施の形態２における熱型赤外線検出器は、高熱伝導材料を基板（ヒートシンク）と繋がったトレンチ構造に用いることで、センサ素子周辺部の熱抵抗を下げることができる。このため、熱型赤外線検出器の熱時定数を低減できるだけでなく、センサ素子周辺部からの輻射熱の影響を低減できる。この結果、ノイズが低減され、熱型赤外線検出器のＳ／Ｎ比を向上させることができる。
【００５４】
また、本実施の形態２は、断熱支持脚１０５の熱飽和を考慮した熱抵抗の設計にも有効である。ただし、この場合には、センサ素子の熱量を考慮する必要がある。
【００５５】
実施の形態３．
本発明の実施の形態３では、センサ素子の裏面側に赤外線吸収膜がさらに形成された熱型赤外線検出器について説明する。
【００５６】
実施の形態３に係る熱型赤外線検出器の製造工程において新たに追加される工程について、図１９、図２０を用いて順を追って説明する。図１９、図２０は、本発明の実施の形態３における熱型赤外線検出器の製造工程を順に示した図である。
【００５７】
図１９に示すように、先の実施の形態１で説明した図８の工程、あるいは先の実施の形態２で説明した図１６の工程の後に、ウエハ裏面より、ＣＶＤ法等によりバナジウム、チタン、クロム、Ｃｏ系化合物、およびこれらの窒化物または酸化物からなる赤外線吸収膜３０１を形成する。
【００５８】
次に、写真製版技術とエッチング技術を用いて、センサ素子１０４の領域外の赤外線吸収膜３０１を除去する。この工程以降は、先の実施の形態１あるいは実施の形態２と同様の工程を施すことで、図２０に示す熱型赤外線検出器が形成される。
【００５９】
以上のように、本実施の形態３における熱型赤外線検出器は、先の実施の形態１および実施の形態２と同じ効果を奏することは言うまでもない。さらに、本実施の形態３における熱型赤外線検出器は、センサ素子裏面に形成された赤外線吸収膜により、赤外線吸収効率が向上するため、熱型赤外線検出器の感度を向上させることができる。
【００６０】
なお、本実施の形態３による赤外線吸収膜を備えた構造は、後述する実施の形態４に対しても適用可能であり、上記した効果と同等の効果が得られることは言うまでもない。
【００６１】
実施の形態４．
本発明の実施の形態４では、トレンチ構造内部に赤外線反射膜がさらに形成された熱型赤外線検出器について説明する。
【００６２】
実施の形態４に係る熱型赤外線検出器の製造工程において新たに追加される工程について、図２１〜図２３を用いて順を追って説明する。図２１〜図２３は、本発明の実施の形態４における熱型赤外線検出器の製造工程を順に示した図である。
【００６３】
図２１に示すように、先の実施の形態１で説明した図８の工程、あるいは先の実施の形態２で説明した図１６の工程の後に、トレンチ構造内部にＣＶＤ法等により、赤外線反射膜４０１を形成する。
【００６４】
金属全般の赤外線反射率は、熱型赤外線検出器の主な吸収波長である８〜１４μｍにおいて高い。このため、赤外線反射膜４０１の材料としては、金属全般であればよい。赤外線反射膜４０１の材料の具体例としては、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｐｔなどが挙げられる。なお、反射効率を上げるために、これらを多層膜化して用いても構わない。
【００６５】
次に、写真製版技術とエッチング技術を用いてトレンチ側壁以外の赤外線反射膜４０１を除去する。この工程以降は、先の実施の形態１あるいは実施の形態２と同様の工程を施すことで、図２２に示す熱型赤外線検出器が形成される。
【００６６】
トレンチ構造側壁に赤外線反射膜４０１を備えた熱型赤外線検出器をパッケージ４０２にマウントする場合を考える。この場合、パッケージ最表面に赤外線反射膜４０１を形成することで、図２３に示すトレンチ構造側壁およびパッケージ最表面に赤外線反射膜４０１を備えた熱型赤外線検出器が完成する。
【００６７】
なお、先の図１８に示したように、図４において、ＳｉＯ２膜を用いず、Ｓｉ基板とのエッチング選択比が高いことに加えて、高熱伝導性を持ち、赤外線反射率の高い材料（例えば、Ａｌおよびその化合物、Ｃｕおよびその化合物、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ等またはこれらの多層膜）をトレンチ構造に用いると、先の実施の形態３に記載の効果も同時に得ることができる。
【００６８】
以上のように、本実施の形態４における熱型赤外線検出器は、先の実施の形態１および実施の形態２と同じ効果を奏することは言うまでもない。さらに、本実施の形態４における熱型赤外線検出器は、赤外線吸収構造およびセンサ素子を透過した赤外線をトレンチ側壁およびパッケージ表面に形成された赤外線反射膜において多重反射させ、再度赤外線吸収構造およびセンサ素子で吸収させることができる。このため、熱型赤外線検出器の感度を向上させることができる。
【００６９】
なお、センサ素子１０４および赤外線吸収構造１０９と、パッケージ上面の赤外線反射膜４０１の光学距離は、検出赤外線波長の略４分の１の奇数倍（すなわち、検出赤外線波長をλとしたとき、λ／４＋ｍλ／２：ｍ＝０、１、２、・・・）とすることが望ましい。これにより、センサ素子１０４および赤外線吸収構造１０９と、パッケージ上面の赤外線反射膜４０１との間で共振構造を形成することができ、赤外線吸収効率を高めることができる。このため、熱型赤外線検出器の感度を向上させることができる。
【００７０】
実施の形態５．
本発明の実施の形態５では、開口率が向上することで高感度となる熱型赤外線検出器について説明する。
【００７１】
後述する図２９に示すように、本実施の形態５における裏面照射型熱型赤外線検出器は、センサ素子１０４と断熱支持脚１０５を別平面に形成して、センサ素子１０４の受光および吸収エリアを広げているだけでなく、断熱中空化の際に画素領域下方の基板を完全にエッチングして裏面側より赤外線を入射する構造としている。この結果、断熱支持脚１０５による遮光効果を受けないため、開口率が向上し、高感度の熱型赤外線検出器が得られる。
【００７２】
また、センサ素子１０４と断熱支持脚１０５を別平面に作製することで、断熱支持脚１０５の形成可能エリアが増える。この結果、センサ素子の熱抵抗を高抵抗化することができ、これによる感度向上の効果も得られる。
【００７３】
加えて、通常は、トレンチ構造や基板に吸収されてしまうためセンサ素子では吸収できない広角側から入射される赤外線も、トレンチ構造側壁に設けられた赤外線反射膜４０１を用いた多重反射により、センサ素子１０４で受光および吸収ができる。この結果、実効的な開口率が向上し、熱型赤外線検出器の感度が向上する。
【００７４】
次に、実施の形態５に係る熱型赤外線検出器の製造工程について、図２４〜図２９を用いて順を追って説明する。図２４〜図２９は、本発明の実施の形態５における熱型赤外線検出器の製造工程を順に示した図である。
【００７５】
なお、図２７から図２９は、先の実施の形態２および実施の形態４と同様の工程であり、詳細な説明を省略する。よって、以下に説明する本実施の形態５は、本実施の形態５特有の構造と、それに起因する効果についてのみ記載し、その他は、先の実施の形態２および実施の形態４と同様であるため、説明を省略する。
【００７６】
初めに、図２４に示すように、先の実施の形態２の図４と同様の方法で、基板１０１上にトレンチ構造２０３、絶縁膜１０３を形成した後に、センサ素子１０４、配線１０６を形成する。
【００７７】
なお、この際に、図１８に示したように、図４において、ＳｉＯ２膜を用いず、Ｓｉ基板とのエッチング選択比が高いことに加えて、高熱伝導性を持ち、赤外線反射率の高い材料（例えば、Ａｌおよびその化合物、Ｃｕおよびその化合物、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ等またはこれらの多層膜）をトレンチ構造に用いてもよい。
【００７８】
次に、図２５に示すように、基板１０１の表面において、断熱支持脚１０５を形成するための犠牲層１０７を形成し、さらにパターニングによりセンサ素子１０４上部および配線１０６上部を開口する。なお、犠牲層１０７の材料には、先の実施の形態１と同様、ポリイミド等の有機材料を用いることができる。
【００７９】
次に、図２６に示すように、基板１０１の表面において断熱支持脚１０５を形成する。断熱支持脚１０５は、ＴｉＮ、Ｔｉ、Ｃｏ化合物、Ｐｔ化合物、ＷＳｉ、またはこれらの積層構造であることが好ましい。
【００８０】
次に、断熱支持脚１０５の上にＳｉＯ２膜、ＳｉＮ膜等による絶縁膜を形成する。次に、一般的な写真製版技術、エッチング技術を用いて所望の形状に加工する。この一連の工程を経て、センサ素子１０４は、断熱支持脚１０５を介して配線１０６と電気的かつ物理的に接続される。
【００８１】
以降は、図２７〜図２９に示すように、先の実施の形態３および実施の形態４と同様の製造工程を施すことで、図２９に示すセンサ素子１０４と、センサ素子１０４とは別平面に形成された、断熱支持脚１０５、配線１０６、およびトレンチ構造側壁に形成された赤外線反射膜４０１を備えた裏面照射型熱型赤外線検出器が完成する。
【００８２】
以上のように、本実施の形態５における裏面照射型熱型赤外線検出器は、センサ素子と断熱支持脚を別平面に形成して、センサ素子の受光および吸収エリアを広げている。さらに、本実施の形態５における裏面照射型熱型赤外線検出器は、この構造に加えて、断熱中空化の際に、画素領域下方の基板を完全にエッチングして裏面側より赤外線を入射する構造を備えている。この構造を有することにより、断熱支持脚による遮光効果を受けないため、開口率が向上し、高感度の熱型赤外線検出器が得られる。
【００８３】
また、センサ素子と断熱支持脚を同一平面上に設ける構造と比較して、センサ素子と断熱支持脚を別平面に作製することで、多画素化および画素ピッチの縮小化の際には、断熱支持脚の形成可能エリアを増やすことができる。このため、センサ素子の熱抵抗を高抵抗化することができ、感度向上の効果も得られる。
【００８４】
加えて、通常は、トレンチ構造や基板に吸収されてしまうためセンサ素子では受光および吸収できない広角側から入射される赤外線も、トレンチ構造側壁に設けられた赤外線反射膜を用いた多重反射により、センサ素子で受光および吸収ができる。このため、実効的な開口率が向上し、熱型赤外線検出器の感度を向上させることができる。
【００８５】
実施の形態６．
本発明の実施の形態６では、センサ素子の裏面側にプラズモニクス吸収体がさらに形成された熱型赤外線検出器について説明する。
【００８６】
センサ素子１０４の裏面側に、例えば、特許文献４に記載されているようなプラズモニクス吸収体を形成することで、波長選択性、偏光検知性等の機能を有する裏面照射型熱型赤外線検出器が得られる。
【００８７】
実施の形態６に係る熱型赤外線検出器の製造工程において新たに追加される工程について、図３０、図３１を用いて順を追って説明する。図３０、図３１は、本発明の実施の形態６における熱型赤外線検出器の製造工程を順に示した図である。
【００８８】
図３０に示すように、図２８の工程後に、ウエハ裏面よりＣＶＤ法等により、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ等の金属膜を形成し、写真製版技術とエッチング技術を用いて、金属膜を表面プラズモンが誘起される周期的な構造に加工する。金属膜厚および周期的な構造は、センサ素子１０４に付加させたい機能により異なる。
【００８９】
次に、写真製版技術とエッチング技術を用いて、センサ素子領域外の金属膜を除去する。以降は、先の実施の形態５と同様の工程を施すことで、図３１に示すように、センサ素子裏面に対して、プラズモニクス吸収体７０１（すなわち、波長選択性または偏光検知性）を備えた裏面照射型熱型赤外線検出器が完成する。
【００９０】
以上のように、本実施の形態６における裏面照射型熱型赤外線検出器は、プラズモニクス吸収体を形成することで、波長選択性、偏光検知性等の機能を有する。これにより、センサ素子のサイズを、センサ素子の配線近傍まで大きくすることでき、プラズモニクス吸収体の配置数を増加させることができる。この結果、プラズモニクス吸収体の加工形状のばらつきに起因した出力ばらつきが均一化され、画素毎の特性ばらつきが少ない裏面照射型熱型赤外線検出器が得られる。
【００９１】
本実施の形態６に係る裏面照射型熱型赤外線検出器を、偏光検知に応用する例について、次に説明する。図３２、図３３は、本発明の実施の形態６に係る裏面照射型熱型赤外線検出器を偏光検知に応用した場合の説明図である。
【００９２】
図３２に示す裏面照射型熱型赤外線検出器は、０度偏光検知センサ素子７０２、４５度偏光検知センサ素子７０３、１３５度偏光検知センサ素子７０４、９０度偏光検知センサ素子７０５を備えている。そして、４つの偏光検知センサ素子７０２〜７０５をひとまとまりとした構造が、周期的に配置されている。
【００９３】
偏光検知センサ素子７０２〜７０５は、所望の偏光角度を検知可能なプラズモニクス吸収体が形成されている。偏光角度を吸収するプラズモニクス吸収体の形状は、例えば、特許文献４に記載されているように、楕円でも長方形でもよい。
【００９４】
また、画素領域の物理的強度が十分であれば、トレンチ構造１０２は、単画素毎でなく、図３２に示すように数画素を一単位として配置しても構わない。
【００９５】
図３２のＡ−Ａ’断面図が、図３３に相当する。図３３に示すように、配線７０６は、トレンチ構造を備えていない配線である。このように偏光検知センサ素子７０２〜７０５を配置することで、画素毎に異なる偏光角度の検知が可能な裏面照射型熱型赤外線検出器が得られる。
【００９６】
加えて、この製造方法をとることで、センサ素子１０４を作製後に、プラズモニクス吸収体を作製できる。このため、下地膜質、ラフネスに起因したセンサ素子の特性劣化や信頼性の低下を防ぐことができる。
【００９７】
また、プラズモニクス吸収体７０１の代わりに、センサ素子１０４の裏面に対して、先の実施の形態３のように、赤外線吸収膜３０１を形成してもよい。この場合、実施の形態３と同様の効果が得られる。
【００９８】
実施の形態７．
本発明の実施の形態７では、赤外線吸収構造１０９を備えた裏面照射型熱型赤外線検出器について説明する。
【００９９】
実施の形態７に係る裏面照射型熱型赤外線検出器の製造工程において新たに追加される工程について、図３４〜図３８を用いて順を追って説明する。図３４〜図３８は、本発明の実施の形態７における熱型赤外線検出器の製造工程を順に示した図である。
【０１００】
図３４に示すように、図２６の工程後に、第二犠牲層８０１を形成する。なお、第二犠牲層８０１の材料には、ポリイミド等の有機材料を用いることができる。その後、パターニングにより、支柱開口部１０８をさらに形成する。
【０１０１】
以降は、図３５〜図３８に示すように、先の実施の形態１または実施の形態２と同様の工程を施すことで、図３８に示す赤外線吸収構造１０９を備えた裏面照射型熱型赤外線検出器が完成する。
【０１０２】
以上のように、本実施の形態７における裏面照射型熱型赤外線検出器は、実施の形態５と同じ効果を奏することは言うまでもない。さらに、本実施の形態７における裏面照射型熱型赤外線検出器は、センサ素子を透過した赤外線を赤外線吸収構造で吸収させることができる。このため、熱型赤外線検出器の感度を向上させることができる。
【０１０３】
実施の形態８．
本発明の実施の形態８では、赤外線反射膜４０１を備えた裏面照射型熱型赤外線検出器について説明する。
【０１０４】
図３９は、本発明の実施の形態８における裏面照射型熱型赤外線検出器の製造工程の一部を示した図である。図３９に示す裏面照射型熱型赤外線検出器は、図３５の工程後に、赤外線反射膜４０１が形成される。以降は、先の実施の形態７と同様の工程を施すことで、赤外線反射膜４０１を備えた裏面照射型熱型赤外線検出器が得られる。
【０１０５】
以上のように、本実施の形態８における裏面照射型熱型赤外線検出器は、実施の形態７と同じ効果を奏することは言うまでもない。さらに、本実施の形態８における裏面照射型熱型赤外線検出器は、センサ素子および赤外線吸収構造を透過した赤外線を赤外線反射膜で反射させ、センサ素子および赤外線吸収構造にて再度吸収させることができる構造を備えている。このため、熱型赤外線検出器の感度を向上させることができる。
【０１０６】
なお、この際、センサ素子１０４と赤外線吸収構造上面の赤外線反射膜４０１の光学距離は、検出赤外線波長の略４分の１の奇数倍（すなわち、検出赤外線波長をλとしたとき、λ／４＋ｍλ／２：ｍ＝０、１、２、・・・）とすることが望ましい。これにより、センサ素子１０４と赤外線吸収構造上面の赤外線反射膜４０１との間で共振構造を形成することができ、赤外線吸収効率を高めることができる。
【０１０７】
実施の形態９．
本発明の実施の形態９では、曲率をもった赤外線吸収構造を備えた裏面照射型熱型赤外線検出器について説明する。
【０１０８】
図４０は、本発明の実施の形態９における裏面照射型熱型赤外線検出器の製造工程の一部を示した図である。図４０に示す裏面照射型熱型赤外線検出器は、図３５の工程において形成するＳｉＯ２膜またはＳｉＮ膜の応力を調整することで得られる。
【０１０９】
例えば、赤外線吸収膜上下のＳｉＯ２膜またはＳｉＮ膜の成膜条件を変えることで応力差をつけた後に、犠牲層をエッチングすることで、センサ素子１０４を略ドーム状に覆うような曲率をもった赤外線吸収構造が得られる。
【０１１０】
または、第二犠牲層８０１に有機犠牲層を用い、ベーク処理を高温で行うことで、犠牲層に曲率をつけ、その後に、赤外線吸収構造１０９を形成しても、所望の形状が得られる。なお、ＳｉＯ２膜およびＳｉＮ膜の応力差を用いる方法と、有機犠牲層を用いる方法を、同時に実施してもよい。
【０１１１】
以上のように、本実施の形態９における裏面照射型熱型赤外線検出器は、実施の形態８と同じ効果を奏することは言うまでもない。さらに、本実施の形態９における裏面照射型熱型赤外線検出器は、曲率がつけられた赤外線吸収構造により、先の実施の形態８ではセンサ素子とトレンチ構造間の隙間から漏れ出てしまう赤外線反射光を、センサ素子にて受光および吸収できる。このため、熱型赤外線検出器の感度を向上させることができる。
【符号の説明】
【０１１２】
１００  熱型赤外線検出器、１０１  基板、１０２  トレンチ構造、１０３  絶縁膜、１０４  センサ素子、１０５  断熱支持脚、１０６  配線、１０７  犠牲層、１０８  支柱開口部、１０９  赤外線吸収構造、１１０  表面レジスト、１１１  裏面レジスト、１１２  裏面開口部、１１３  表面開口部、２０１  トレンチ開口部、２０２  高熱伝導材料、２０３  トレンチ構造、３０１  赤外線吸収膜、４０１  赤外線反射膜、４０２  パッケージ、７０１  プラズモニクス吸収体、７０２、７０３、７０４、７０５  偏光検知センサ素子、７０６  配線、８０１  第二犠牲層。
【図１】
0006279011.tif 000002
【図２】
0006279011.tif 000003
【図３】
0006279011.tif 000004
【図４】
0006279011.tif 000005
【図５】
0006279011.tif 000006
【図６】
0006279011.tif 000007
【図７】
0006279011.tif 000008
【図８】
0006279011.tif 000009
【図９】
0006279011.tif 000010
【図１０】
0006279011.tif 000011
【図１１】
0006279011.tif 000012
【図１２】
0006279011.tif 000013
【図１３】
0006279011.tif 000014
【図１４】
0006279011.tif 000015
【図１５】
0006279011.tif 000016
【図１６】
0006279011.tif 000017
【図１７】
0006279011.tif 000018
【図１８】
0006279011.tif 000019
【図１９】
0006279011.tif 000020
【図２０】
0006279011.tif 000021
【図２１】
0006279011.tif 000022
【図２２】
0006279011.tif 000023
【図２３】
0006279011.tif 000024
【図２４】
0006279011.tif 000025
【図２５】
0006279011.tif 000026
【図２６】
0006279011.tif 000027
【図２７】
0006279011.tif 000028
【図２８】
0006279011.tif 000029
【図２９】
0006279011.tif 000030
【図３０】
0006279011.tif 000031
【図３１】
0006279011.tif 000032
【図３２】
0006279011.tif 000033
【図３３】
0006279011.tif 000034
【図３４】
0006279011.tif 000035
【図３５】
0006279011.tif 000036
【図３６】
0006279011.tif 000037
【図３７】
0006279011.tif 000038
【図３８】
0006279011.tif 000039
【図３９】
0006279011.tif 000040
【図４０】
0006279011.tif 000041