(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロボロメータユニットセル（10）において、
上位レベルに配置されている平坦な構造の入射放射線吸収および検出構造（24）と、
前記上位レベルの下方に位置する中間レベルに配置され、前記上位レベルの入射放射線吸収および検出構造（24）から間隔を隔てられてその間で光共振空洞（36）を規定している平坦な構造の放射線反射構造（26）と、
前記中間レベルの放射線反射構造（26）から間隔を隔てて前記中間レベルの下方に位置する下位レベルに配置され、前記上位レベルの入射放射線吸収および検出構造（24）と、下方に位置する読出し回路（12、16）とに電気的に結合されている平坦な構造の熱隔離脚部構造（20）とを具備しているマイクロボロメータユニットセル。
【請求項２】
前記下位レベルに配置された熱隔離脚部構造（20）は、電気的誘電体層（21A)と、導体層（19）と、電気的誘電体層（21B)との各層が順次積層されている複合構造から構成されている請求項１記載のマイクロボロメータユニットセル。
【請求項３】
前記上位レベルに配置された放射線吸収および検出構造（24）は放射線吸収層（30A)と、感熱性の電気抵抗層（28）と、放射線吸収層（30B)との各層が順次積層されている複合構造から構成されている請求項１記載のマイクロボロメータユニットセル。
【請求項４】
前記中間レベルに配置された放射線反射構造（26）は基板層（32）により支持されている放射線反射層（34A ）を有する多層構造から構成されている請求項１記載のマイクロボロメータユニットセル。
【請求項５】
前記下位レベルに配置された熱隔離脚部構造（20）は前記中間レベルに配置された放射線反射構造（26）内の開口（48）を通過する脚部（44）により前記上位レベルに配置された入射放射線吸収および検出構造（24）に電気的に結合されており、前記上位レベルに配置された入射放射線吸収および検出構造（24）はまた前記脚部（44）により支持され、前記脚部（44）は前記下位レベルの熱隔離脚部構造（20）上で終端しており、前記下位レベルに配置された熱隔離脚部構造（20）はその下に位置している読出し集積回路（12）上に配置された電気接触部（16、 16A）で終端する第２の脚部（18）を通って前記読出し集積回路（12）に電気的に結合されており、前記中間レベルに配置された放射線反射構造（26）は前記第２の脚部の延長部（18A ）によって支持されている請求項１記載のマイクロボロメータユニットセル。
【請求項６】
前記上位レベルに配置された入射放射線吸収および検出構造（24）はその構造強度を強化させる強化部材（50）をさらに具備している請求項１記載のマイクロボロメータユニットセル。
【請求項７】
前記共振光空洞は前記入射放射の波長の関数である間隔によって規定され、隣接して配置されているユニットセルのアレイのユニットセルは異なる間隔を有する共振光空洞を具備している請求項１記載のマイクロボロメータユニットセル。
【請求項８】
マイクロボロメータユニットセル（10）を製造する方法において、
読出し回路（12、14）の表面上に第１の犠牲層を付着し、
前記第１の犠牲層上に複数の層の積層体よりなる第１の層（19、21A 、21B ）を付着して下位レベルに配置される熱隔離脚部構造を形成し、
前記第１の層（19、21A 、21B ）上に第２の犠牲層を付着し、
前記第２の犠牲層上に複数の層の積層体よりなる第２の層（32、34A 、34B ）を付着して中間レベルに配置される放射線反射構造（26）を形成し、
前記第２の層上に第３の犠牲層を付着し、
前記第３の犠牲層上に複数の層の積層体よりなる第３の層（28、30A 、30B ）を付着して上位レベルに配置される入射放射線吸収および検出構造（24）を形成し、前記第３の犠牲層の厚さは前記中間レベルに配置される放射線反射構造と前記上位レベルに配置される入射放射線吸収および検出構造（24）との間に形成される光共振空洞（36）の間隔に対応しており、
第１、第２、第３の犠牲層を除去する工程を含んでいる製造方法。
【請求項９】
前記複数の層の積層体よりなる第３の層（28、30A 、30B ）を付着する工程は、前記入射放射線吸収および検出構造（24）の構造強度を強化させるための強化部材（50）を形成する工程を含んでいる請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記第２の層（32、34A 、34B ）を通って形成された開口（48）を通過する導電体（40）により、前記第３の層（28、30A 、30B ）中に含まれている入射放射線検出のための層であるサーミスタ層（28）を前記第１の層中に含まれている導電性の層（19）に電気的に接続する工程をさらに含んでいる請求項８記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は熱エネルギの検出器、特に赤外線放射（ＩＲ）に応答する冷却されないボロメータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
小型または超小型のボロメータは熱（ＩＲ）検出器の２次元アレイで検出画素素子として使用される。ボロメータの２次元アレイは問題とする情景から到着する赤外線ＩＲを、読出し集積回路（ＲＯＩＣ）に与えられる電気信号へ変換する。増幅および所望の信号成形および処理の後、結果として生じた信号は問題とする情景のイメージを与えるように所望に応じてさらに処理されることができる。
【０００３】
マイクロボロメータは典型的に、温度の関数として変化する電気的抵抗を有する酸化バナジウム（ＶＯx ）または酸化チタンのような多結晶の半導体材料を含んでいる。ＳｉＮのようなＩＲの吸収体は、その温度が情景から到着するＩＲ量が変化するときに変化されることができるように多結晶の半導体材料と密接に接触して設けられる。多結晶の半導体／吸収体構造は下に位置するＲＯＩＣから熱的に隔離されることが好ましい。
【０００４】
マイクロボロメータおよびその製造技術に関する参考文献は米国特許第6,144,030 号明細書（発明の名称“Advanced Small Pixel High Fill Factor Uncooled Focal Plane Array”、Michael Ray 、2000年11月７日発行）であり、この説明はその全体においてここで参考文献とされている。
【０００５】
別の問題とする米国特許明細書は2001年３月13日出願のHubert Jerominekの第6,201,243 号明細書である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
通常、マルチレベルの冷却されないボロメータユニットセル（画素）寸法が減少され、性能の要求が増加されるので、ボロメータユニットセルの熱質量を減少する必要がある。これを実現する１つの技術はコンポーネント膜の厚さを減少することである。しかしながら、これはアクチブな検出器区域のＩＲ吸収を減少させる悪影響を有し、それによって感度が低下する。構成膜層の厚さが薄くされると、共振空洞効果における依存はさらに強くなる。
【０００７】
例えば、前述した米国特許第6,144,030 号明細書の図１を参照すると、ＶＯx 半導体条帯14を含むＩＲ吸収構造12と、反射装置としても機能する平面部材26を含む熱的な隔離構造20との間に光学的な共振空洞22が存在する。
【０００８】
米国特許第6,201,243 B1号明細書では、ミラー３は基板上に位置され、ＶＯx サーミスタを含んでいるマイクロ構造22から問題とするＩＲスペクトル帯域の中心で１と４分の１波長だけ離されている。これは共振性能を増加すると言われている。
【０００９】
認識されることができるように、膜の厚さが減少されるとき、全体的な構造は頑丈さが低下する傾向があり、それによってマイクロボロメータアレイの製造、処理、使用を複雑にする。減少された膜の厚さはまた固有の応力に対して構成層を敏感にする。
【００１０】
さらに、膜の厚さが減少され、共振光空洞の動作にさらに依存すると、空洞構造はその意図する目的に対して最適にされるべきであることが認識される。しかしながら、空洞境界に蛇行線または他の構造を配置することはその意図する目的の有効性を損なう。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前述の、およびその他の問題は本発明の実施形態にしたがった方法および装置により克服される。
【００１２】
マイクロボロメータユニットセルは下位レベルの熱隔離構造と、ＩＲ吸収体／サーミスタの複合層を含む上位レベルの構造とを有するマルチレベル装置として構成される。この装置はさらに、中間レベルの反射層を含んでいる。光共振空洞は反射層と、上に位置する吸収体／サーミスタの複合層との間に形成され、光共振空洞は物理的、電気的および光学的に下に位置する熱隔離構造から隔離される。所望されるならば、強化部材が、好ましくは吸収体／サーミスタ複合層周辺に増加された厚さの層の形態で吸収体／サーミスタ複合層に付加されることができる。
【００１３】
ユニットセルのセットのうちの１つのサブセットにＩＲの１波長に対する感度をもたせ、少なくとも１つの他のサブセットに別のＩＲ波長に対する感度をもたせ、それによって２色または多色のマイクロボロメータアレイを与えることもこれらの考察の技術的範囲内に含まれる。
【００１４】
これらの考察は従来技術の設計と比較して、層の厚さとユニットセルの中心から中心までのピッチとの両者を減少させることを可能にし、それによって光共振空洞が通常の方法よりも改良されるので、感度を劣化せずに熱質量を減少させ、周波数応答を増加し、その意図する目的に対して最適にされる。
【００１５】
マイクロボロメータユニットセルは、実質上平坦な上位レベルの入射放射線吸収および検出構造と、上位レベルの入射放射線吸収および検出構造から隔てられてその間で光共振空洞を規定する実質上平面で好ましくは応力の平衡された中間レベルの放射線反射構造と、中間レベルの放射線反射構造から隔てられ、上位レベルの入射放射線吸収および検出構造と、下に位置する読出し回路とに電気的に結合されている実質上平坦な下位レベルの熱隔離脚部構造とを含んでいる。下位レベルの熱隔離脚部構造は中間レベルの放射線反射構造内の孔を通過する脚部を通って上位レベルの入射放射線吸収および検出構造に電気的に結合されており、脚部は構造的な支持部材としても機能する。下位レベルの熱隔離脚部構造は下に位置する読出し集積回路上に配置された電気接触部で終端する別の脚部を通じて読出し回路に電気的に結合されており、中間レベルの放射線反射構造はこの脚部の延長部により支持されている。上位レベルの入射放射線吸収および検出構造は上位レベルの入射放射線吸収および検出構造の周辺部を中心として１つの配置されたフレーム状部材等の強化部材を含んでいることは本発明の技術的範囲内である。
【００１６】
共振光空洞は入射放射の波長の関数である間隔により規定され、ユニットセルアレイの近接して配置されるユニットセルは異なる間隔を有する共振光空洞を具備しており、それによって異なる波長に対する感度を強化する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明についての前述の説明および他の特徴は添付図面を伴った以下の好ましい実施形態の詳細な説明により明白になるであろう。
本発明にしたがったマイクロボロメータ検出器素子またはユニットセル10の実物大ではない拡大された断面図を示している図１と、図１のマイクロボロメータユニットセル10の簡単化された斜視図を示している図２とを参照する。
【００１８】
マイクロボロメータユニットセル10はＲＯＩＣ12上に形成され、これはシリコンであってもよく、最上部の表面上に配置された平坦な酸化物（ＳｉＯ2 ）層14を有していてもよい。ユニットセルの金属接触部16はマイクロボロメータをＲＯＩＣ電子装置（図示せず）へ電気的に接続すると想定されている。第１の直立した脚部18は実質的に平坦な下位レベル熱隔離脚部構造20を接合部16A において接触部16に接続する。図２で最良に示されているように、下位レベルの熱隔離脚部構造20は蛇行形状を有し、ユニットセル10の全体を通じて蛇行している。脚部18は下位レベルの熱隔離脚部構造20の“熱沈め”端部を規定すると考えられる。好ましい実施形態では、熱隔離脚部構造20はＳｉＮ／ＮｉＣｒ／ＳｉＮの複合体であり、ここでＮｉＣｒ層19はそれぞれ窒化シリコン（ＳｉＮ）層21A と21B との間に挟まれている。
【００１９】
本発明の１特徴によれば、上位レベルのＩＲ吸収および検出層／共振空洞構造22が下位レベルの熱隔離脚部構造20の上にそこから隔てられて配置され、それは実質上平面の上位レベルのＳｉＮ／ＶＯx ／ＳｉＮ複合ＩＲ吸収薄膜24と、その下に位置する実質上平面の中間レベルのＮｉＣｒ／ＳｉＮ／ＮｉＣｒ複合反射構造26とを含んでいる。ＩＲ吸収薄膜24はここに示されている好ましい実施形態では、アクチブ抵抗またはサーミスタとして機能するＶＯx （または等価の熱抵抗材料）層28で構成されている。ＶＯx サーミスタ層28はそれぞれ上部および下部ＩＲ吸収窒化シリコン（ＳｉＮ）層30A と30B との間に挟まれている。中間レベルの複合反射構造26はそれぞれ上部ＮｉＣｒ層34A と下部ＮｉＣｒ層34B との間に挟まれている窒化シリコン層32から構成され、窒化シリコンの延長部18A により支持されて第１の直立する脚部18に結合されている。ＮｉＣｒ層34A とＶＯx 層28／ＳｉＮ層30B との間の間隔は問題とするＩＲ波長で公称４分の１波長であり、それによってＩＲ吸収薄膜24で吸収されずに通過したＩＲをＩＲ吸収薄膜24へ反射して戻すための共振光空洞構造36を形成する。
【００２０】
中間の窒化シリコン層32は基本的に反射層34A の構造的な支持体および基板として機能し、したがって任意の適切な材料から構成することができることに注意すべきである。さらに、最下部のＮｉＣｒ層34B は吸収されていないＩＲを反射することには関係せず、理論上除去されてもよいことに注意すべきである。しかしながら、下部のＮｉＣｒ層34B の存在は層32／34A における固有の応力を平衡させる傾向があり、それによって中間レベルの複合反射構造26の屈曲およびねじれを抑制するので望ましい。別の材料または金属システムが反射層34A に選択されるならば、好ましくは下部層34B は反射構造26の所望の応力平衡を実現するために同一または類似の材料または金属システムであるように選択される。
【００２１】
電気接触部38は金属被覆40によりＶＯx 層28に形成され、これはまた下位レベルの熱隔離脚部構造20のＮｉＣｒ層19との接触部42を形成する。金属被覆40は第２の直立する脚部構造33を通って支持され、窒化シリコンスリーブ46により包囲される。第２の脚部構造44はＮｉＣｒ／ＳｉＮ／ＮｉＣｒを複合反射構造26内で作られたそれより大きい開口を通過し、したがって複合反射構造26から構造的に分離されている。
【００２２】
本発明のこれらの特徴にしたがって、光共振空洞36は、その低い反射表面面積が最大にされ、即ち蛇行する熱隔離構造20により支持されないために大きく連続的な表面を有するように製造されることができる点で従来技術の方法に比較して改善されている。換言すると、中間レベルの複合反射構造26を下位レベルの熱隔離脚部構造20から分離することにより、反射構造26の構造はその意図する使用法において最適にされることができる。したがって、この改良は感度の実質的な減少を招かずに、その上に位置するＩＲ吸収薄膜24がその周波数応答特性を改良するように薄くされることを可能にする。例えば、通常のマイクロボロメータ装置がＩＲ吸収薄膜部分で０．５ミクロンの厚さの窒化シリコン層を使用し、ＶＯx 層が約０．０５ミクロンの厚さであるならば、本発明によるマイクロボロメータ10は１０００オングストローム以下の厚さを有する窒化シリコン層30A 、30B を特徴とし、ＶＯx 層は約３００−５００オングストロームの範囲の厚さを有する。改良された光共振空洞36はまた各画素の面積が減少されることを可能にし、したがって、より密のＩＲセンサアレイを与える。例えば、通常の中心から中心のユニットセルの間隔（ピッチ）が約５０ミクロン乃至約２５ミクロンの範囲であるのに比較して、本発明のマイクロボロメータユニットセルの中心から中心の間隔は２５ミクロンより小さく、例えば約１５ミクロン以下に減少される。それに関連して、ユニットセルの面積の減少は複数のさらに小さいユニットセルが通常のマイクロボロメータユニットセルにより典型的に占有される区域内で構成されることを可能にする。この場合に、通常のユニットセルのピッチが偶然に特定の応用に適切であるならば、複数のさらに小さいユニットセルはＩＲスペクトル帯域の異なる部分に対して感度があるように構成されてもよく、それによって単一のユニットセルにより通常占有されている区域内に２色または多色の検出能力を与える。複数のさらに小さいユニットセルを使用することによって、非均一性の補正（ＮＵＣ）およびその他の信号処理アルゴリズムを容易に実行する能力等の他の利点も与えられる。
【００２３】
本発明のさらに別の特徴は薄くされたＩＲ吸収薄膜24と共に使用する強化部材を設けることである。本発明の好ましい実施形態では、強化部材50は吸収薄膜24の窒化シリコン層30A の厚くされた周辺部により設けられる。周辺部を厚くすることは、強化部材50が所望される層30A の上部表面をマスキングし、例えばドライまたはウェットエッチングを使用してマスクされない部分を薄くすることにより製造中に実現される。層30A を薄くした後、マスクは除去され、隆起した周辺部を残し、これはユニットセルのアクチブ区域を囲む強化フレームと考えることができる。硬化フレームの適切な幅は約０．５ミクロンである。マイクロボロメータの感度における全体的な影響はさらに明白であるが、他の実施形態では、１以上の中心に配置されたリブ部材は類似の方法で形成される。
【００２４】
強化部材50はＩＲ吸収部材24が薄くされてもされなくても使用されてもよいことに注意すべきである。
【００２５】
検出器の熱質量の減少はＩＲ吸収部材24だけを薄くすることに限定されない。例えば下位レベルの熱隔離脚部構造20も同様に薄く作られることができる。例えば窒化シリコン層21A 、21B は約１０００オングストローム乃至約４０００オングストロームの範囲の全体的に結合された厚さを有し、埋設されたＮｉＣｒ層は約１００オングストローム乃至約３００オングストロームの厚さであってもよい。蛇行する熱隔離脚部構造20の幅は約０．５乃至約０．７５ミクロンの範囲であってもよい。中間レベルのＮｉＣｒ／ＳｉＮ／ＮｉＣｒの複合された反射構造26は薄くされる必要はなく、例えば５００オングストロームの厚さのＮｉＣｒ金属被覆34A 、34B を有する窒化シリコンの０．５ミクロンの厚さの層を使用してもよい。
【００２６】
長い波長ＩＲ（ＬＷＩＲ）による使用で最適化されるとき、光共振空洞36の適切な幅は約１．８ミクロンから約２．０ミクロンの範囲である。中間波長ＩＲ（ＭＷＩＲ）による使用で最適化されるとき、光共振空洞36の適切な幅は約１．０ミクロンである。複数の構成要素を含む２色または多色の大きいユニットセルと、小さいユニットセルを構成するとき、隣接する小さいマイクロボロメータユニットセル10の光共振空洞の幅はしたがって調節される。このことに関しては図３を参照し、これは例えば１つの小さい構成要素のマイクロボロメータユニットセル10の側面寸法の約２倍に等しい寸法と、そのセル10の面積の約４倍に等しい面積を有する大きいユニットセル10A を示している。図示された例では２つのマイクロボロメータユニットセル10がＬＷＩＲ（λ1 ）に応答し、２つのマイクロボロメータユニットセル10がＭＷＩＲ（λ2 ）に応答する。他の実施形態では、４個より多くの、または４個より少ないマイクロボロメータユニットセル10が大きいユニットセル10A を構成してもよく、２よりも多くの異なるＩＲ波長が感知されてもよい。この実施形態では、少なくとも光共振空洞36の間隔は、例えばそれぞれ１ミクロン対約１．９ミクロン等、ＭＷＩＲ応答とＬＷＩＲ応答のマイクロボロメータユニットセル間で異なることが想定される。
【００２７】
示された構造では、層34B と層21A との間の適切な間隔は約１．０ミクロン乃至約２．０ミクロンであり、層21B と層14の上部表面との間の適切な間隔も約１．０ミクロン乃至約２．０ミクロンである。
【００２８】
マイクロボロメータユニットセル10の構成は、好ましくは通常の集積回路製造技術にしたがって実現され、先に参照した米国特許第6,144,030 号明細書で説明されている過程にしたがい、前述のこれらの考察の特徴に適合するように変更が行われている。例えば米国特許第6,144,030 号の明細書のマイクロボロメータ検出素子はシリコンＲＯＩＣと熱隔離構造間の間隔と、熱隔離構造と光学的に吸収性の材料構造との間の間隔を設定するために最小の２つの犠牲（ポリイミド）層を使用するが、本発明によるマイクロボロメータユニットセル10は最小の３つの犠牲層を使用し、１つの層はＲＯＩＣ12／酸化物14と下位レベルの熱隔離脚部構造20との間に間隔を設定するための層であり、１つの層は下位レベルの熱隔離脚部構造20と中間レベルの複合反射構造26との間に間隔を設定するための層であり、１つの層は中間レベルの複合反射構造26と上位レベルのＩＲ吸収薄膜24との間に間隔（即ち光空洞36の幅）を設定するための層である。他の変更は中間レベルの複合反射構造26自体と、関連する脚部延長部18A と開口48の製造を含んでいる。強化部材50が使用される場合には、最上部の窒化シリコン層30A の製造は前述したように変更されることができる。２以上の波長に感応する多色アレイを製造する場合には、光共振空洞36を規定する犠牲層（例えばポリイミド）は最も広い所望の空洞（例えば１．９ミクロン）に等しい厚さを有するように付着されることができ、その後、最も広い空洞が所望されるこれらのユニットセルの区域をマスクし、その後、所望の厚さ（例えば１．０ミクロン）を得るためにマスクされていないユニットセル区域の犠牲層材料を選択的に除去する。犠牲層材料の選択的な除去はドライプラズマエッチング、または任意の適切な技術により行われることができる。犠牲層材料の所望の厚さが得られた後、処理はマスクを除去し、代わりに最上部のＩＲ吸収／サーミスタ薄膜24を形成するＳｉＮ／ＶＯx ／ＳｉＮの多層構造を付着することにより継続する。最終的に、ドライプラズマエッチング等により３つの犠牲層は除去され、図１の断面図で示されている結果的に生じた構造が残る。
【００２９】
本発明を種々の寸法、材料のタイプ、波長等の文脈で説明したが、これらは好ましい実施形態の例示であり、本発明に対する限定事項として理解されることを意図していないことが認識されよう。例えば窒化シリコン以外の他のタイプのＩＲ吸収体材料が使用されることができ、ＮｉＣｒ以外の他のタイプの金属システムが使用されることができ、ＶＯx 以外の他のタイプの熱抵抗体が使用されることができる。他の実施形態では、マイクロボロメータユニットセルはＩＲ波長以外の波長に応答するように構成されることができる。
【００３０】
したがって、本発明はその好ましい実施形態に関して特別に示され説明されているが、形態と詳細の変化が本発明の技術的範囲を逸脱せずに行われてもよいことが当業者により理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明にしたがったマイクロボロメータユニットセルの実物大ではない拡大された断面図。
【図２】  マイクロボロメータユニットセルの部分的に切取られた透明な形態の簡単化された正面図。
【図３】  本発明にしたがって構成された複数のマイクロボロメータユニットセルを含んでいるユニットセルの拡大された平面図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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