(57)【要約】【課題】温度安定性が高い干渉型吸収体を使用した表面微細加工赤外線センサを提供する。【解決手段】表面加工した赤外線センサパッケージの製造方法を開示する。表側面及び裏側面を有する半導体ウェーハを設ける。基板の表側にトランジスタを画定する。薄膜リフレクタを基板の表側に注入し、半導体基板の表側でリフレクタに隣接してセンサを形成する。薄膜吸収体をセンサ上に付着させ、薄膜吸収体はリフレクタに実質的に平行である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面加工した赤外線センサパッケージを製造する方法であって、
表側面及び裏側面を有する半導体基板を提供するステップと、
前記基板の表側面上でトランジスタを画定するステップと、
前記基板の表側面にリフレクタを注入するステップと、
前記基板の表側面上で前記リフレクタに隣接してセンサを形成するステップと、
前記センサ上に薄膜吸収体を付着させるステップと、を含み、
前記薄膜吸収体が前記リフレクタに実質的に平行であり、前記センサがその間に配置される、方法。
【請求項２】
前記トランジスタが、ＣＭＯＳトランジスタである、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記薄膜吸収体と前記リフレクタとの間の距離が、前記センサによって検出される放射線波長の約４分の１を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記赤外線センサが、サーモパイル赤外線センサ、ダイオード−ボロメータ、及び抵抗性マイクロボロメータのグループのうち１つをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記ダイオード−ボロメータが、横型ダイオード−ボロメータである、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記ダイオード−ボロメータが、縦型ダイオード−ボロメータである、請求項４に記載の方法。
【請求項７】
前記基板が、前記センサの背後に基板の凹部を含まない、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記赤外線センサの前記表側面を放出するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記赤外線センサの前記表側面を放出する前記ステップが、前記リフレクタと前記吸収体との間にスペーサをエッチングすることによって空洞を形成することをさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記エッチングが、表側面エッチングである、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記表面加工赤外線センサパッケージをさらに最小化するために、真空パッケージングするステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
放射線波長を検出するように構成された表面加工赤外線センサであって、
表側及び裏側を有するシリコンウェーハと、
前記ウェーハの表側に注入された高ドープシリコンリフレクタと、
前記リフレクタに平行に配置された薄膜干渉型吸収体を有するＩＲセンサと、
前記リフレクタと前記吸収体との間に配置された表側赤外線センサと、
を含む、センサ。
【請求項１３】
前記赤外線センサが、サーモパイルＩＲセンサ、ダイオード−ボロメータ、及び抵抗性マイクロボロメータのグループのうち１つをさらに含む、請求項１２に記載のセンサ。
【請求項１４】
前記ダイオード−ボロメータが、横型ダイオード−ボロメータである、請求項１３に記載のセンサ。
【請求項１５】
前記ダイオード−ボロメータが、縦型ダイオード−ボロメータである、請求項１３に記載のセンサ。
【請求項１６】
前記薄膜吸収体が、大気とインピーダンス整合している、請求項１２に記載のセンサ。
【請求項１７】
前記薄膜吸収体のインピーダンスが、３７７Ω／平方程度である、請求項１６に記載のセンサ。
【請求項１８】
前記ウェーハの裏側が、前記センサの背後に凹部を含まない、請求項１２に記載のセンサ。
【請求項１９】
前記干渉型吸収体が、前記リフレクタから４分の１波長の距離に配置され、前記波長が前記センサによって検出される放射線波長を含む、請求項１２に記載のセンサ。
【請求項２０】
前記表側赤外線センサが、最適化された熱電的性質のために薄いシリコン層をさらに含む、請求項１２に記載のセンサ。
【請求項２１】
前記薄いシリコン層が、厚さ２００ｎｍ未満である、請求項２０に記載のセンサ。
【請求項２２】
前記ウェーハ上に集積されたＣＭＯＳ読み出し回路をさらに備える、請求項１２に記載のセンサ。
【請求項２３】
前記センサの真空パッケージングをさらに含む、請求項１２に記載のセンサ。
【請求項２４】
請求項１２に記載の表面加工赤外線センサの２次元アレイ。
【請求項２５】
請求項２４に記載の表面加工赤外線センサの２次元アレイ。
【請求項２６】
前記表側赤外線センサが、２００ｎｍより薄い感知シリコン及び／又は懸架アームをさらに含む、請求項１２に記載のセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は放射線センサに関し、特に赤外線放射センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
サーモパイル赤外線センサは、例えば最大約３００℃の温度安定性、及び低い電力消費量、例えば電力消費量が４５０ｍＷのＵ  ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃの３２×３２のマイクロボロメータアレイ、又は電力消費量が２００ｍＷ未満のＥｘｃｅｌｉｔａｓの３２×３２のアレイを有することは周知である。しかしながら、これらのセンサの検出感度は、従来の抵抗性マイクロボロメータ（ａ−Ｓｉ、ＶＯｘ、本明細書では「マイクロボロメータ」と呼ぶ）と比較して低いことが知られているので、ピクセルのサイズを拡大することによってこの問題を補償する方法がなされている。ピクセルのサイズを拡大したこのようなセンサは、例えば１０８ｃｍＨｚ１／２／Ｗの検出感度を有するセンサ及び１０９ｃｍＨｚ１／２／Ｗの検出感度を有するマイクロボロメータ、さらに２５μｍ×２５μｍのマイクロボロメータと比較して、１ｍｍ×１ｍｍより大きいサーモパイル赤外線（ＩＲ）センサのサイズを含む。したがって、センサの下で基板の裏面に空洞をエッチングすること（「裏面エッチング」）を、センサの表側の表側アンダーカット放出プロセス及び嵩高吸収体と組み合わせて組み込むことによりセンサを構築し、これは真空を使用せずに動作することができる。
【０００３】
マイクロボロメータセンサで知られるように、新しい相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）プロセステクノロジーの開発とともに、表側ガス放出プロセスを使用することによって、サーモパイルセンサのさらなる小型化を達成することができる。例えば、ＸｅＦ２又は蒸気ＨＦ、干渉型吸収体、及び／又は薄膜蒸着及びチップスケール又はウェーハレベルのパッケージング技術を使用することにより、センサは比較的低い原価で同等のマイクロボロメータの検出感度機能を達成することができる。
【０００４】
それにもかかわらず、サーモパイルセンサには通常、ｎ型及びｐ型シリコンのドーパントを活性化するために、高温のアニールプロセスが必要であり、それによってＣＭＯＳ読み出し回路の製作、及びリフレクタとしてアルミ（Ａｌ）のような金属を使用する一般的な干渉型吸収体の統合が不可能になる。
【０００５】
一部の従来のサーモパイルセンサのセンサは、表側から放出することができる。しかしながら、このような従来のサーモパイルでは、センサの下でシリコンをアンダーエッチングするので、嵩高吸収体を実装する必要がある。さらに、横方向エッチングの制御は一般的に不正確であり、それによってアレイとしてセンサを実施することがほぼ不可能になる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、この産業では、上記短所のうち１つ以上を克服する必要がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の実施形態は、温度安定性が高い干渉型吸収体を使用した表面微細加工赤外線センサを提供する。簡単に説明すると、本発明は、表面加工した赤外線センサパッケージの製造方法を指向する。方法のステップは、表側面及び裏側面を有する半導体基板を提供するステップと、基板の表側でトランジスタを画定するステップと、基板の表側にリフレクタを埋め込むステップと、半導体基板の表側でリフレクタに隣接してセンサを形成するステップと、センサ上に薄膜吸収体を付着させるステップと、を含む。薄膜吸収体は、実質的にリフレクタに平行であり、その間にセンサが配置される。
【０００８】
幾つかの実施形態では、トランジスタはＣＭＯＳトランジスタとすることができる。薄膜吸収体とリフレクタとの間の距離は、センサによって検出される放射線波長の約４分の１とすることができる。赤外線センサは、サーモパイル赤外線センサ、ダイオード−ボロメータ、又は抵抗性マイクロボロメータでよい。
【０００９】
本発明の他のシステム、方法及び特徴は、以下の図面及び詳細な説明を考察すれば当業者には明白であろう、又は明白になるであろう。この説明に含まれる追加のこのようなシステム、方法及び特徴はすべて、本発明の範囲内に含まれ、請求の範囲によって保護されるものとする。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
添付図面は、本発明をさらに理解するために含まれ、本明細書に組み込まれて、その一部を構成する。図面のコンポーネントは必ずしも一定の縮尺ではなく、本発明の原理を明確に図示するためのものである。図面は本発明の実施形態を示し、その説明と一緒に、本発明の原理を説明する働きをする。
【００１１】
【図１Ａ】第１の実施形態でサーモパイルを製造する第１段階を示す概略断面図である。
【図１Ｂ】サーモパイル製造の第２段階を示す概略断面図である。
【図１Ｃ】サーモパイル製造の第３段階を示す概略断面図である。
【図１Ｄ】サーモパイル製造の第４段階を示す概略断面図である。
【図１Ｅ】サーモパイル製造の第５段階を示す概略断面図である。
【図１Ｆ】サーモパイル製造の第６段階を示す概略断面図である。
【図２】図１Ａ〜図１Ｆのサーモパイルデバイスを製造する方法のフローチャートである。
【図３】吸収体とリフレクタの間の間隔を指示し、サーモパイル製造を示す概略断面図である。
【図４Ａ】第２の実施形態でダイオード−ボロメータを製造する第１段階を示す概略断面図である。
【図４Ｂ】ダイオード−ボロメータ製造の第２段階を示す概略断面図である。
【図４Ｃ】ダイオード−ボロメータ製造の第３段階を示す概略断面図である。
【図４Ｄ】ダイオード−ボロメータ製造の第４段階を示す概略断面図である。
【図４Ｅ】ダイオード−ボロメータ製造の第５段階を示す概略断面図である。
【図４Ｆ】ダイオード−ボロメータ製造の第６段階を示す概略断面図である。
【図５】図４Ａ〜図４Ｆのダイオード−ボロメータデバイスを製造する方法のフローチャートである。
【図６Ａ】第１の実施形態のサーモパイルの概略断面図である。
【図６Ｂ】第１の実施形態のサーモパイルの概略上面図である。
【図７Ａ】第２の実施形態の横型ダイオード−ボロメータの概略断面図である。
【図７Ｂ】第２の実施形態の横型ダイオード−ボロメータの概略上面図である。
【図８Ａ】第３の実施形態の縦型ダイオード−ボロメータの概略断面図である。
【図８Ｂ】第３の実施形態の縦型ダイオード−ボロメータの概略上面図である。
【図９Ａ】第４の実施形態の抵抗性マイクロボロメータの概略断面図である。
【図９Ｂ】第４の実施形態の抵抗性マイクロボロメータの概略上面図である。
【図１０】サーモパイルの真空パッケージの実施形態の概略断面図である。
【図１１】第５の実施形態で図９Ａ〜図９Ｂの抵抗性マイクロボロメータのアレイ集積の概略上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下の定義は、本明細書で開示する実施形態の特徴に適用された用語の解釈に有用であり、本開示における要素を定義するにすぎないものとする。請求の範囲で使用される用語には制限はないものと想定される、又はそのように導出されるべきである。添付の請求の範囲内で使用される用語は、当該技術分野におけるその慣例的な意味によってのみ制限される。
【００１３】
本開示で使用する「実質的に」は、「非常に近い」という意味であり、例えば「実質的に均一」とは、当業者に予想されるような通常の製造公差内で均一であるという意味である。
【００１４】
本開示で使用する「薄い」は、ＴｉＮでは約１５ｎｍ未満、又はＮｉＣｒでは約１５ｎｍ未満、及びドープシリコンでは約２００ｎｍ未満を意味する。
【００１５】
本開示で使用する薄膜干渉型吸収体とは、３７７Ω／平方程度のシート抵抗を有する材料から形成された薄膜を有する干渉型吸収体を指す。例えば、この材料は、ＴｉＮ、ＮｉＣｒ、ドープシリコン、又は約３７７Ω／平方のシート抵抗を有する任意の他の材料とすることができる。
【００１６】
本開示で使用する薄膜サーモパイル／ダイオード−ボロメータ／抵抗性マイクロボロメータは、通常２μｍより薄く、感知材料及び吸収体層を含むセンサ膜を指す。
【００１７】
本開示で使用する「温度安定性」は、最大１１００℃前後の温度における材料の安定性を指す。
【００１８】
本開示で使用する「上昇した検出感度」は一般的に、検出感度が約１ｍｍ×１ｍｍのピクセルサイズで５×１０８ｃｍＨｚ１／２／Ｗという基準値より改善したことを指す。例えば、６５μｍ×６５μｍのピクセルサイズで５×１０８ｃｍＨｚ１／２／Ｗは、１ｍｍ×１ｍｍのピクセルより２００分の１程度の面積を有しながら、同様の応答を提供することになる。したがって、検出感度の上昇は、最大１５倍以上の検出感度の改善を示す。
【００１９】
本開示で使用する高ドープシリコンとは、１０２０／ｃｍ３より大きいアニール後のピークドーピング濃度を指す。
【００２０】
次に、本発明の実施形態について詳細に参照するが、その例は添付図面に図示されている。可能であれば常に、同じ又は同様の部品を指すのに図面及び説明では同じ参照番号を使用する。
【００２１】
本発明の例示的実施形態は、新規の高温安定性干渉型吸収体と、１つ以上のＣＭＯＳデバイス、サーモパイルＩＲセンサ、及びオンウェーハ真空パッケージングをまとめて組み込むために整合されたプロセスと、を実施する。実施形態は、所望の波長の吸収を調整するために、センサ上に、相互から４分の１波長の距離３１０（図３）だけ隔置された、高ドープシリコンリフレクタ（シリコンのバルクウェーハ）に基づく干渉型吸収体、及びインピーダンス整合しているＩＲ吸収層、例えば約３７７Ω／平方の７ｎｍのＴｉ−Ｎを有する表面微細加工サーモパイルセンサを含む。例えば、遠赤外線範囲（ＦＩＲ）は、約８μｍ〜１４μｍの波長範囲を有し、したがって１０μｍの吸収の中心４分の１波長を表す約２．５μｍの光学的距離を使用することができる。
【００２２】
実施形態は、サーモパイルＩＲセンサ／ダイオード−ボロメータを構築するプロセスを含み、これによって劇的に小型化し、検出感度を上昇させることができる。リフレクタとして金属を使用する従来のマイクロボロメータ干渉型吸収体を、高ドープシリコンリフレクタで置き換えることにより、サーモパイルＩＲセンサは高度に最適化し、低温で加工したマイクロボロメータと同様のプロセスの自由度を有することができる。
【００２３】
図２は、サーモパイルＩＲセンサを生成する第１の実施形態のフローチャートである。プロセス２００のステップを図１Ａ〜図１Ｆに示す。本発明の当業者であれば理解されるように、フローチャートのいかなるプロセスの説明又はブロックも、モジュール、セグメント、コードの一部、又はプロセスに特定の論理機能を実施するための１つ以上の命令を含むステップを表すものと理解されるべきであり、関係する機能に応じて、実質的に同時又は逆の順序など、図示又は検討する順序から外れて機能を実行することができる代替的実施態様が、本発明の範囲内に含まれることに留意されたい。
【００２４】
ブロック２１０及び図１Ａに示すように、ＣＭＯＳトランジスタ１３０及びＣＭＯＳ回路１３５が、第１の二酸化シリコン層１２０を設けて準備されたシリコン基板１１０上に成形される。あるいは、例えばゲルマニウムなど、ＣＭＯＳ加工で知られている他の半導体材料を使用して、基板１１０を成形することができる。ブロック２２０及び図１Ｂに示すように、例えばイオン注入又は拡散を使用して、高ドープシリコンで形成した薄いリフレクタ１４０を、二酸化シリコン層１２０の下で基板１１０に注入する。ブロック２３０及び図１Ｃに示すように、シリコンスペーサ１５５など、ポリシリコンサーモパイル１５０をリフレクタ１４０の上に形成し、第２の二酸化シリコン層１２５を被せる。ｎ型感知シリコンのウェーハ１６０及びｐ型感知シリコンのウェーハ１６５を、シリコンスペーサ１５５の上で第２の二酸化シリコン層１２５上に形成する。シリコンスペーサ１５５の厚さは、以下で述べるように、所望の検出波長にしたがって決定することができる。
【００２５】
ブロック２４０及び図１Ｄに示すように、ｎ型感知シリコンのウェーハ１６０とｐ型感知シリコンのウェーハ１６５の間に、薄膜吸収体１７５とともにサーモパイル１５０、及びＣＭＯＳトランジスタ１３０の金属接点１７０を付着させる。吸収体は、３７７Ω／平方に到達することができる他のＣＭＯＳ互換性材料の中でも、例えばＴｉＮ又はＮｉＣｒ又はドープシリコンで形成することができる。吸収体１７５は、リフレクタ１４０に適切なドーピング濃度及びエネルギーを選択することにより、８〜１４μｍの波長で入射ＩＲ光の８５％超を吸収することができる。リフレクタは、８μｍ〜１４μｍの波長範囲を対象とすることができ、アニール後のピークドーピング濃度は１０２０／ｃｍ３より大きい。例えば、ドーピングエネルギーは、ホウ素イオン注入では７０ＫｅＶ、又は燐イオン注入では１６０ＫｅＶとすることができる。以下で述べるように、吸収体１７５は、ｎ型感知シリコンのウェーハ１６０とｐ型感知シリコン１６５のウェーハ１６５との間で電気コネクタとして働くことができる。
【００２６】
ブロック２５０及び図１Ｅに示すように、パッシベーション層１８０を適用する。パッシベーション層１８０の材料は、例えばＳｉＯ２とすることができ、これは以下で述べるように放出ステップのガスに対して選択的である。ブロック２４０及び図１Ｄに示すように。ブロック２６０及び図１Ｆに示すように、放出ステップを実行して、サーモパイル膜１５０を放出し、第２の金属接点１９０を形成する。膜１５０を放出するために、高度に選択的なガス、例えば二フッ化キセノンＸｅＦ２を使用して、シリコンスペーサ１５５をエッチングし、これはシリコンのみをエッチングし、ＳｉＯ２、例えば第２の二酸化シリコン層１２５、及びサーモパイル感知要素１６０、１６５を囲んで保護するパッシベーション層１８０を攻撃しない。これは、シリコン基板１１０のウェーハ上で膜１５０を空洞１５６上に懸垂させ、断熱する。シリコンの裏側放出又はアンダーエッチングが不要であるので、例えばＸｅＦ２又は蒸気ＨＦのマイクロボロメータのように、非常に制御されたガス放出プロセスを適用することができる。
【００２７】
高ドープシリコンの反射挙動は、ドルーデのモデルから導出された自由電子モデルで説明することができる。ここで、自由電子はプラズマ周波数を決定し、これがプラズマ周波数より低い周波数を有する電磁波の反射につながる。
【数１】
2016061777.tif 000003
ここで、ωｐはプラズマ周波数であり、ｎは自由電子の量、ｅは素電荷、ｍは電子の質量、ε０は誘電率である。低い波長を得るために、自由電子濃度（シリコン中のドーピング濃度）が高いほど、プラズマ周波数が高くなり、例えば遠赤外線になる。
【００２８】
したがって、リフレクタ１４０は高度に温度安定性であり、サーモパイル感知材料１６０、１６５のドーパント活性化ステップを乗り越えることができる。小型化された構造により、上述したように表側ガス放出ステップを使用することができ、したがって従来のサーモパイルのアンダーカット放出ステップを省略して、ピクセル区域の損失を防止し、焦点面アレイ（ＦＰＡ）の集積を可能にすることができる。
【００２９】
従来のサーモパイルと比較した場合に、ＩＲ吸収体の嵩を低減することにより、ドープした感知材料１６０、１６５の厚さを最小化することができ、ひいては熱時定数（τ）を最適値に維持するために、センサ１００の熱伝導率（λ）及び熱用量（Ｃ）を低減する。これにより、感度に関して従来のセンサに対して大きい利点がある。
【００３０】
従来のサーモパイルに対して感知材料の厚さが、例えば２００ｎｍ未満の厚さであるが、それに限定されない厚さに低減するとともに、ゼーベック係数が大幅に増加して、（シリコンナノワイヤから知られるように）熱伝導率が低下し、したがって感度を向上させることができる。例えば、感知材料の厚さが３００ｎｍから１５０ｎｍへと減少すると、検出感度が２倍程度上昇する。厚さと検出感度との関係はほぼ比例する。厚さが３００ｎｍから５０ｎｍへと低減すると、ほぼ６倍の検出感度の上昇が実現される。
【００３１】
図６Ａは、第１の実施形態のサーモパイル６００の概略断面図である。図６Ｂは、第１の実施形態のサーモパイル６００の例示的レイアウトの概略上面図である。
【００３２】
表面微細加工サーモパイルセンサプロセス２００は、ＣＭＯＳ回路及びオンウェーハ真空パッケージングの同時集積に適切であり、ダイオード−ボロメータ及び／又は新規の抵抗性マイクロボロメータ、例えば多結晶質マイクロボロメータ又は他の半導体感知材料に同じ方法で適用することができ、これはリフレクタの形成後に高温のプロセスを必要とする。図１０に示すように、真空パッケージングはブロック２６０（図２）に示すような膜放出の後、センサの周囲のガス（空気を）除去し、したがってＩＲ光吸収によりセンサ膜上で発生する熱を気体の対流を通してセンサ１５０から基板１１０へと伝達することができず、深刻な検出感度の低下につながる。何故なら、いかなる信号の変化も検出するために、可能な限りセンサ１５０を加熱することが望ましいからである。センサの周囲を真空にすることにより、熱はセンサアームを通してのみ散逸することができ、これは気体の対流効果がある場合よりはるかに効果的である。
【００３３】
図５は、横型ダイオード−ボロメータセンサを生成する第２の実施形態のフローチャートである。プロセス５００のステップを図４Ａ〜図４Ｆに示す。ブロック５１０及び図４Ａに示すように、ＣＭＯＳトランジスタ４３０及びＣＭＯＳ回路４３５が、第１の二酸化シリコン層４２０で調製されたシリコン基板４１０上に成形される。ブロック５２０及び図４Ｂに示すように、例えばイオン注入又は拡散を使用して、高ドープシリコンで形成した薄いリフレクタ４４０を、二酸化シリコン層４２０の下で基板４１０に注入する。ブロック５３０及び図４Ｃに示すように、シリコンスペーサ４５５など、ポリシリコンダイオード−ボロメータ４５０をリフレクタ４４０上に形成し、第２の二酸化シリコン層４２５を被せる。ｎ型感知シリコンのウェーハ４６０及びｐ型感知シリコンのウェーハ４６５を、シリコンスペーサ４５５の上で第２の二酸化シリコン層４２５上に形成する。シリコンスペーサ４５５の厚さは、以下で述べるように、所望の検出波長にしたがって決定することができる。
【００３４】
ブロック５４０及び図４Ｄに示すように、薄膜吸収体４７５をリフレクタ４４０上に付着させる。ブロック５５０及び図４Ｅに示すように、ダイオード−ボロメータ４５０及びＣＭＯＳトランジスタ４３０の金属接点４７０を付着させる。吸収体４７５は、リフレクタ４４０のドーピング濃度及びエネルギーを適切に選択することにより、波長８〜１４μｍの入射ＩＲ光の８５パーセント超を吸収することができる。以下で述べるように、吸収体４７５はｎ型感知シリコンのウェーハ４６０とｐ型感知シリコンのウェーハ４６５の間の電気コネクタとして働く。ブロック５６０及び図４Ｆに示すように、パッシベーション層４８０を適用し、放出ステップを実行してスペーサ４５５を除去して、空洞４５６を形成し、第２の金属接点４９０を形成する。放出ステップは、第１の実施形態に関して上述したものと実質的に同様に実行することができる。
【００３５】
図７Ａは、第２の実施形態の横型ダイオード−ボロメータ７００の概略断面図である。図７Ｂは、第２の実施形態の横型ダイオード−ボロメータ７００の概略上面図である。当業者には、第２の例示的実施形態のデバイス及び方法の他の変形が可能であることが認識される。図８Ａは、第３の実施形態の縦型ダイオード−ボロメータ８００の概略断面図であり、図８Ｂは、第３の実施形態の縦型ダイオード−ボロメータ８００の概略上面図である。同様に、図９Ａは、第４の実施形態の抵抗性マイクロボロメータ９００の概略断面図であり、図９Ｂは、第４の実施形態の抵抗性マイクロボロメータ９００の概略上面図である。
【００３６】
上記実施形態は、サーモパイル／ダイオード−ボロメータ赤外線センサの嵩高吸収体及び大面積ピクセルの問題を解決し、劇的な小型化が可能になる。干渉型吸収体に高ドープシリコンリフレクタ１４０を使用することにより、リフレクタ１４０を破壊せずに、サーモパイルセンサ１００を製作する高温プロセスが随伴することができる。ドープシリコンリフレクタ１４０のこの新規のアプローチを用いて、ＣＭＯＳ回路及びオンウェーハ真空パッケージング技術を、サーモパイルＩＲセンサプロセス２００に良好に統合することができる。それと同時に、吸収体１７５を、ｎ型シリコン１６０とｐ型感知シリコン１６５の間の電気接続部として使用し、それによって吸収面積を増加させることができる。接続部に金属が必要ないからである。このような表面微細加工構造の放出ステップは、チップスケールのパッケージングの直前に実行することができ、したがって取扱いによりセンサの損傷の可能性が低減する。同じ概念が、複雑なウェーハ結合技術を回避し、リフレクタ生成後の高温プロセスを可能にするために、ダイオード−ボロメータ及び／又は抵抗性マイクロボロメータの生成に適用することができる。
【００３７】
上記実施形態の目的は、サーモパイルＩＲセンサ／ダイオード−ボロメータの新しい構築方法を達成することであり、それによって劇的な小型化及び感度の上昇が可能になる。例えば、従来のサーモパイルＩＲセンサ／ダイオード−ボロメータの約１ｍｍ×１ｍｍのピクセルサイズで５×１０８ｃｍＨｚ１／２／Ｗという検出感度と比較して、第１の実施形態の検出感度は、６５μｍ×６５μｍのピクセルサイズで約５×１０８ｃｍＨｚ１／２／Ｗとすることができ、これは約２００分の１への面積減少に対応し、検出感度は１５倍超上昇している。概して、面積が大幅に減少した第１の実施形態の検出器は、同様の検出感度応答を提供することができる。リフレクタとして金属を使用する従来のマイクロボロメータ干渉型吸収体を高ドープシリコンのリフレクタで置き換えることにより、サーモパイルＩＲセンサを高度に最適化し、低温加工したマイクロボロメータと同様のプロセスの自由度を提供することができる。したがって、このセンサの性能は、従来のマイクロボロメータとほぼ同等で、電力消費量が少なく、温度安定性が高いと見なすことができる。
【００３８】
従来のサーモパイルＩＲセンサは、上述したように嵩高吸収体及び裏側放出プロセスを使用し、これは第１の実施形態で削除することができる。さらに、ダイオードボロメータの複雑なウェーハ結合プロセスを削除することができる。吸収体の高温安定性により、新タイプの新規の抵抗性マイクロボロメータ、例えば多結晶質マイクロボロメータを生成することができる。
【００３９】
上記実施形態は、サーモパイル／ボロメータ構造内で高ドープシリコンリフレクタを薄い吸収体（ＴｉＮ、ＮｉＣｒ）を組み合わせて製作した干渉型吸収体に基づくものであり、両方の層の距離は４分の１波長の光学長を有するべきである。例えば、厚さ３．５μｍ程度とすることができる従来の吸収体と比較して、第１の実施形態の薄い吸収体は、ＴｉＮの場合は７ｎｍ程度、又はドープシリコンの場合は２００ｎｍ未満とすることができる。
【００４０】
吸収体自体は、大気インピーダンスと整合するために、約２００Ω／平方〜１０００Ω／平方程度、好ましくは３７７Ω／平方のシート抵抗を有する。したがって、この層での反射を最小化することができ、約５０％の吸収を第１ステップで達成することができる。残りのＩＲ光は、下にある高ドープシリコンリフレクタで反射し、再びその最大の電磁波で吸収される（この場合、最大の反射波はλ／４であり、これは吸収体とリフレクタとの間の光路長である）。この原則で、８〜１４μｍの波長内でＩＲ光の最大８５％以上の反射を達成することができる。その結果、高ドープシリコンリフレクタが、一般的な金属リフレクタと比較して、高度に温度安定性になる。したがって、リフレクタを破壊せずに、ポリシリコン層の感知のドーピング活性化のようなプロセスを随伴することができる。さらに、吸収量は、ドーピング濃度の変動で変更することができる。
【００４１】
上記実施形態では、シリコンの裏側放出又はアンダーエッチングが不要であるので、マイクロボロメータ、例えばＸｅＦ２又は蒸気ＨＦ（ＶＨＦ）マイクロボロメータなどから知られるように、高度に制御されたガス放出プロセスを適用することができ、縦方向及び横方向の両方での制御が与えられる。
【００４２】
薄い吸収体によるサーモパイルセンサの質量減少により、感知シリコン及び懸架アームをはるかに薄くすることができ、熱伝導率及びゼーベック係数に関して利点が得られる。ナノワイヤから知られるように、ゼーベック係数は、例えば１００ｎｍであるが、それに限定されない、より薄い構造で増加する。
【００４３】
吸収体の別の態様は、チップスケールパッケージング技術を使用して、蓋を被せる前にセンサ膜を直接放出することができる。したがって、取扱い又はさらなるプロセスステップにより、感知膜の破壊を最小化することができる。全体的に、上記実施形態のプロセスフローは、ＣＭＯＳ集積と整合し、したがってアレイへの集積を実現することができる。例えば、実施形態はピクセルのアレイを含むことができる。
【００４４】
図１１は、第５の実施形態による図９Ａ〜図９Ｂの抵抗性マイクロボロメータのアレイ集積の概略上面図である。薄膜ＩＲセンサの第５の実施形態は、例えばアレイ集積にて、同じウェーハ上に集積されたＣＭＯＳ読み出し回路を含むことができる。このようなアレイにスイッチを組み込み、行にある各ピクセルの読み出し信号を切り換えることができる。このスイッチ及び論理は、画定されたＣＭＯＳトランジスタ２１０（図２）及び金属接点２４０（図２）を使用して、これらのトランジスタを接続することによって達成することができる。同様に、ＣＭＯＳのいかなる論理も、ＣＭＯＳトランジスタ論理、サーモパイルセンサの形成、及び金属接点による論理の接続のようなプロセスフローで可能である。もちろん、例えば第１の実施形態のサーモパイルのアレイ、第２の実施形態の横型ダイオード−ボロメータのアレイ、及び第３の実施形態の縦型ダイオード−ボロメータのアレイなど、他の例示的実施形態も可能である。さらに、これらのデバイスのいずれかのアレイを真空パッケージとして形成することができる。
【００４５】
要するに、本発明の範囲又は精神から逸脱することなく、本発明の構造に様々な修正及び変形を行うことができることが当業者には明白である。以上を鑑みて、本発明は、請求の範囲及びその同等物の範囲内に入る限り、本発明の修正及び変形を含むものとする。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図１Ｅ】
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【図１Ｆ】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図４Ｆ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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【外国語明細書】
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