(57)【要約】断熱された能動素子を備えたマイクロ電気機械システムを製造する方法。前記システムはボロメータを具現化でき、前記ボロメータは室温で動作しながら９０ＧＨｚ〜３０ＴＨｚの電磁輻射を検出する上で十分に適している。当該方法では、能動的および受動的なマイクロ電気機械システムをシリコンウエハー内に組み込んだ回路を製造する一般化された工程についても開示している。  【選択図】      図１
2012517021.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボロメータを製造する方法であって、
埋め込み酸化物層によって分離されたシリコン上層およびシリコン下層を有するシリコン・オン・インシュレーター（ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ：ＳＯＩ）ウエハーを提供する工程と、
前記ＳＯＩウエハーの前記シリコン上層内に検出器を形成する工程と、
前記ＳＯＩウエハーの前記シリコン上層の前記検出器の周囲に１若しくはそれ以上の溝を形成する工程と、
前記１若しくはそれ以上の溝の外側の上方領域に能動的な熱補正回路を形成する工程と、
前記埋め込み酸化物層を使って前記検出器を封入する工程と、
前記埋め込み酸化物層に適合したエッチング液を使って前記検出器ステージをリリースする工程と、
前記検出器素子に機械的支持を提供する工程と
を有する方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法において、前記エッチング液は、ドライエッチング液である方法。
【請求項３】
請求項２記載の方法において、前記ドライエッチング液は、二フッ化キセノンまたは六フッ化硫黄の少なくとも一方である方法。
【請求項４】
請求項１記載の方法において、この方法は、さらに、
前記ＳＯＩウエハーの上方に、前記検出器に連結されたマイクロアンテナを形成する工程を有するものである方法。
【請求項５】
請求項１記載の方法において、この方法は、さらに、
前記ＳＯＩウエハー内に受動的な構成要素を形成する工程を有するものである方法。
【請求項６】
請求項４記載の方法において、前記受動的な構成要素は、前記マイクロアンテナに連結されたコンデンサである方法。
【請求項７】
請求項１記載の方法において、この方法は、さらに、
前記１若しくはそれ以上の溝のうち少なくとも１つの中に酸化物リングを形成する工程を有するものである方法。
【請求項８】
請求項１記載の方法において、この方法は、さらに、
前記ＳＯＩウエハーの前記シリコン上層内にＮ＋領域を形成する工程を有するものである方法。
【請求項９】
請求項１記載の方法において、この方法は、さらに、
前記ＳＯＩウエハーの前記シリコン上層内にＰ＋領域を形成する工程を有するものである方法。
【請求項１０】
請求項１記載の方法において、この方法は、さらに、
溝の少なくとも一部に犠牲シリコン材料を充填する工程を有するものである方法。
【請求項１１】
請求項１記載の方法において、前記ＳＯＩウエハーの前記シリコン下層は、前記検出器の熱浴となる上で十分大きいものである方法。
【請求項１２】
請求項１記載の方法において、前記機械的支持は、熱伝導の低い熱伝導体を含むものである方法。
【請求項１３】
集積回路およびマイクロ電気機械システムを組み合わせたハイブリッド装置を製造する方法であって、
埋め込み酸化物層により分離されたシリコン上層およびシリコン下層を有するＳＯＩウエハーを提供する工程と、
前記ＳＯＩウエハーの前記シリコン上層内に能動的な回路素子を形成する工程と、
前記ＳＯＩウエハーの前記シリコン上層で前記能動的な回路素子の周囲に１若しくはそれ以上の溝を形成する工程と、
前記埋め込み酸化物層を使って前記能動的な回路素子を封入する工程と、
前記埋め込み酸化物層に適合したエッチング液を使って前記能動的な回路素子を含む前記シリコン上層の一部をリリースする工程と、
前記能動的な回路素子に機械的支持を提供する工程と
を有する方法。
【請求項１４】
請求項１３記載の方法において、前記エッチング液は、ドライエッチング液である方法。
【請求項１５】
請求項１３記載の方法において、前記エッチング液は、二フッ化キセノンである方法。
【請求項１６】
請求項１３記載の方法において、この方法は、さらに、
前記ＳＯＩウエハー内に受動的な構成要素を形成する工程を有するものである方法。
【請求項１７】
請求項１３記載の方法において、この方法は、さらに、
前記ＳＯＩウエハーの前記シリコン上層内にＮ＋領域を形成する工程を有するものである方法。
【請求項１８】
請求項１３記載の方法において、この方法は、さらに、
前記ＳＯＩウエハーの前記シリコン上層内にＰ＋領域を形成する工程を有するものである方法。
【請求項１９】
請求項１３記載の方法において、この方法は、さらに、
溝の少なくとも一部に犠牲シリコン材料を充填する工程を有するものである方法。
【請求項２０】
請求項１３記載の方法において、この方法は、さらに、
前記ＳＯＩウエハーの前記シリコン上層内に第２の能動的な回路素子を形成する工程を有するものである方法。
【請求項２１】
請求項５記載の方法において、前記受動的な構成要素は、前記マイクロアンテナに連結されたコンデンサである方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ電気機械システム（ｍｉｃｒｏ−ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ−ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｓｙｓｔｅｍｓ：ＭＥＭｓ）に関し、より具体的には、約９０ＧＨｚ〜約３０ＴＨｚの電磁輻射を検出するボロメータに組み込まれた能動ＭＥＭＳに関する。
【背景技術】
【０００２】
それぞれ異なる分野におけるこれまでは関連性のなかった２つの問題が存在していた。その第１の問題は、より低周波数において室温での撮像が可能なボロメータの必要性である。第２の問題はこれまで認識されてこなかったが、能動的な構成要素を実装したＭＥＭＳシステム、すなわち能動ＭＥＭＳの必要性である。本発明の一態様では、能動ＭＥＭＳを内蔵したボロメータを製造して、ボロメータ改善の必要性に応える。
【０００３】
電磁輻射センサー、具体的にいうと特定撮像用途向けの量子検出器およびボロメータを利用することの相対的な利点は、広く認識されている。量子検出器は非平衡装置であり、電磁輻射の量子的性質に応答して、一定の視野から受け取られた光子数に比例して信号を生成する。３００ＴＨｚ未満の電磁輻射を検出するよう設計した量子検出器を適切に動作させるには、通常、その検出器を冷却しなければならない。一方、ボロメータは平衡装置であり、その信号は、視野から受け取られたエネルギーと輻射、対流、および／または熱伝導により環境へ失われたエネルギーとの差に依存する。ボロメータは真空で動作するため、検出器ステージとも呼ばれる吸収体ステージが環境へと失うエネルギーは、輻射と、支持ブリッジを通じた吸収体から環境への熱伝導とにより失われる。ボロメータ内の吸収体は環境から断熱されており、通常、室温で作動する。
【０００４】
量子検出器をベースとしたＬＷＩＲ（３０ＴＨｚ）およびＭＷＩＲ（７０ＴＨｚ）の撮像システム開発には進歩が見られるが、冷却が必要なことが常にシステム設計を複雑にし、重量を増大させ、信頼性を低下させ、そしてコストを上げている。この冷却問題は、より低周波数（すなわち、より長い波長）、例えば約１００ＧＨＺ〜１ＴＨｚで撮像しようとする場合、いっそう著しいものとなる。そのため、９０ＧＨｚ〜３０ＴＨｚを室温で撮像するボロメータの開発に大きな関心が寄せられている。
【０００５】
ボロメータベースの撮像装置は、通常、ＸＹアレイに組み立てられた複数のボロメータピクセルとそれに伴う読み出し回路とで構成されている。各ピクセルには、受動的な断熱も提供するブリッジにより熱浴の上方で機械的に支持された受動吸収体素子が含まれる。これまで、受動的に断熱されたボロメータは室温で動作するＬＷＩＲ撮像システムの構築に使用されているが、断熱が不十分なことから、このシステムの性能は理論的な感度限界値より少なくとも１桁低い。
【０００６】
約９０ＧＨｚ〜約１ＴＨｚ（より長い波長）では、撮像装置の断熱問題がより大きな要因になり、感度がさらに低下してしまう。受動的な断熱ブリッジ設計に特有のこの限界を克服するため、能動的な断熱を利用して吸収体素子にかかる熱的負荷を最小限に抑えることが提案されてきている。能動的な断熱では、米国特許第６，４８９，６１５号で開示されているように（この参照により本明細書に組み込まれる）、電熱フィードバックを利用して、中間ステージの温度が吸収体素子の温度に等しくなるよう調整する。中間ステージの温度を能動的に吸収体ステージの温度と等しくすると、吸収体ステージと中間ステージとの間の正味の熱流がほぼゼロになる状況が生じ、ほぼ理想的な断熱が得られる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
電熱フィードバックを機械化するには、各ボロメータピクセル内に特殊な能動回路を導入する必要がある。これらの特殊な能動回路は、機械的・電気的な断熱ブリッジで相互接続された単結晶シリコンアイランド内に形成される。具体的にいうと、各ピクセルの電熱フィードバックは、（１）温度センサーと、（２）温度差増幅器と、（３）出力が温度差に依存するヒーターと、（４）これらの構成要素と吸収体素子とを単一ピクセルに組み込んだ構造とを必要とする。
【０００８】
この課題を解決するアプローチの１つでは、前記第２の問題を解決するため、能動的な構成要素をＭＥＭＳシステムに組み込む必要がある。断熱ブリッジで支持した電気回路を単結晶シリコンアイランド内に設けようとすると、電気的設計に課題が増え、製造上も困難である。従来の受動ＭＥＭＳと異なり、能動ＭＥＭＳは、断熱ブリッジで支持および断熱された能動的な構成要素（例えば、ダイオードおよび／またはトランジスタ）を伴う単結晶シリコンアイランドの形成を要する。
【０００９】
能動ＭＥＭＳを作製するアプローチの１つでは、断熱ブリッジにより、単結晶吸収体素子および中間ステージアイランドを架設する。ナノスケールでボロメータピクセルの能動ＭＥＭＳ構成要素間に断熱ブリッジを製造しようとすると独特の課題が生じるが、その理由の１つは、ボロメータのピクセル構成要素の製造に能動ＭＥＭＳの処理技術が使われ、この処理技術に、通常何らかの形態のエッチングが伴うことである。ウェットエッチングを伴う工程は、各ピクセル内の繊細なナノスケール構成要素に対し、表面張力が機械的な破砕力を生じるおそれがあるため、特に問題がある。表面張力は、エッチング完了後、エッチング溶液を除外する乾燥中に大きな要因となる。この工程部分で、ナノスケール構成要素と基板との間に強力な機械的力が生じる。この強い機械的力は表面張力によるもので、一部のナノスケール構成要素が倒壊するほどの強さがある。この問題をさらに複雑にするのが前記ピクセル構造への能動ＭＥＭＳ導入であるが、これは、互いに不適合なことの多い能動集積回路（ＩＣ）処理工程とマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）処理工程とを製造工程で組み合わせなければならないためである。  
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の目的は、先行技術の欠点を克服することである。
【００１１】
本発明の一実施形態によれば、単一のボロメータピクセルまたはボロメータピクセルのアレイを製造する方法が提供され、その場合、各ピクセルには能動的なＭＥＭＳが内蔵される。能動ＭＥＭＳとは、ナノスケールのブリッジにより支持され、また断熱された単結晶シリコンアイランドをいう。その単結晶シリコンアイランドには、ダイオードおよび／またはトランジスタなどの能動的な構成要素が組み込まれる。埋め込み酸化物層により分離されたシリコン上層およびシリコン下層を有するシリコン・オン・インシュレーター（ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ：ＳＯＩ）ウエハーを有した能動ＭＥＭＳを製造する方法は、前記ＳＯＩウエハーの前記シリコン上層内に検出器を形成する工程と、前記ＳＯＩウエハーの前記シリコン上層で前記検出器の周囲に１若しくはそれ以上の溝を形成する工程と、前記１若しくはそれ以上の溝の外側の上方領域に能動的な熱補正回路を形成する工程と、前記埋め込み酸化物層の各部を使って酸化物内に前記検出器を封入する工程と、酸化物層をエッチングしないエッチング液を使って前記検出器ステージをリリースする工程と、前記検出器素子に機械的支持および断熱を提供する工程とを有する。
【００１２】
本発明の一実施形態によれば、集積回路およびマイクロ電気機械システムを組み合わせたハイブリッド装置を製造する方法が提供され、当該方法は、埋め込み酸化物層により分離されたシリコン上層およびシリコン下層を有するＳＯＩウエハーを提供する工程と、前記ＳＯＩウエハーの前記シリコン上層内に能動的な回路素子を形成する工程と、前記ＳＯＩウエハーの前記シリコン上層で前記能動的な回路素子の周囲に１若しくはそれ以上の溝を形成する工程と、前記埋め込み酸化物層で形成された各部を使って酸化物内に前記能動的な回路素子を封入する工程と、酸化物層をエッチングしないエッチングガスを使って前記能動的な回路素子を含む前記シリコン上層の一部をリリースする工程と、前記能動的な回路素子に機械的支持および断熱を提供する工程とを有する。
【００１３】
本発明のさらに別の目的および利点のほか、本発明の種々の実施形態の構造および作用については、添付の図面を参照して以下で詳述しており、これらの添付図面では、同様な参照番号で同様な構成要素を示している。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に基づき、能動的な断熱と、検出器ステージと、中間ステージと、熱浴ステージとを実装し、マイクロアンテナは伴わないボロメータピクセルの平面図である。
【図２】図２は、図１に示した前記ボロメータピクセルで、アンテナを伴ったものの断面図である。
【図３】図３〜７Ａは、ＭＥＭＳブリッジにより懸架された能動的な構成要素を伴う単結晶シリコンアイランドを有した能動ＭＥＭＳを製造する方法を例示した断面図である。
【図４】図３〜７Ａは、ＭＥＭＳブリッジにより懸架された能動的な構成要素を伴う単結晶シリコンアイランドを有した能動ＭＥＭＳを製造する方法を例示した断面図である。
【図５】図３〜７Ａは、ＭＥＭＳブリッジにより懸架された能動的な構成要素を伴う単結晶シリコンアイランドを有した能動ＭＥＭＳを製造する方法を例示した断面図である。
【図６】図３〜７Ａは、ＭＥＭＳブリッジにより懸架された能動的な構成要素を伴う単結晶シリコンアイランドを有した能動ＭＥＭＳを製造する方法を例示した断面図である。
【図７Ａ】図３〜７Ａは、ＭＥＭＳブリッジにより懸架された能動的な構成要素を伴う単結晶シリコンアイランドを有した能動ＭＥＭＳを製造する方法を例示した断面図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、図７Ａに示した前記能動ＭＥＭＳ装置の斜視図である。
【図８】図８〜１４は、本発明の一実施形態に係るボロメータピクセルを作製する方法を例示した断面図である。図１４は、能動的な断熱を伴う前記ボロメータピクセルについて、前記ブリッジがリリースされた後の状態を示した図である。
【図９】図８〜１４は、本発明の一実施形態に係るボロメータピクセルを作製する方法を例示した断面図である。図１４は、能動的な断熱を伴う前記ボロメータピクセルについて、前記ブリッジがリリースされた後の状態を示した図である。
【図１０】図８〜１４は、本発明の一実施形態に係るボロメータピクセルを作製する方法を例示した断面図である。図１４は、能動的な断熱を伴う前記ボロメータピクセルについて、前記ブリッジがリリースされた後の状態を示した図である。
【図１１】図８〜１４は、本発明の一実施形態に係るボロメータピクセルを作製する方法を例示した断面図である。図１４は、能動的な断熱を伴う前記ボロメータピクセルについて、前記ブリッジがリリースされた後の状態を示した図である。
【図１２】図８〜１４は、本発明の一実施形態に係るボロメータピクセルを作製する方法を例示した断面図である。図１４は、能動的な断熱を伴う前記ボロメータピクセルについて、前記ブリッジがリリースされた後の状態を示した図である。
【図１３】図８〜１４は、本発明の一実施形態に係るボロメータピクセルを作製する方法を例示した断面図である。図１４は、能動的な断熱を伴う前記ボロメータピクセルについて、前記ブリッジがリリースされた後の状態を示した図である。
【図１４】図８〜１４は、本発明の一実施形態に係るボロメータピクセルを作製する方法を例示した断面図である。図１４は、能動的な断熱を伴う前記ボロメータピクセルについて、前記ブリッジがリリースされた後の状態を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の方法の第１の実施形態に基づいて製造されたボロメータピクセル１０５を図１および２に示す。このボロメータ１０５には、熱浴ステージ１１０、中間ステージ１１５、および検出器ステージ１２０の３つのステージが含まれる。図示した構成において、前記検出器ステージ１２０および前記中間ステージ１１５は、前記熱浴ステージ１１０内に画成された円柱形の空洞内またはウェル内に設けられている。前記検出器ステージ１２０は円形のディスクとして示しており、前記中間ステージ１１５は前記検出器ステージ１２０を取り囲む環状リングとして示している。これら検出器ステージ１２０および中間ステージ１１５は、わずかな環状間隙により分離され、この間隙をつなぐよう延在する一対のブリッジ１３０により機械的に連結されており、これらブリッジ１３０はそれぞれ熱導電率Ｇ１ＡおよびＧ１Ｂを有する。
【００１６】
前記ブリッジ１３０については弧状部材として示しており、各弧状部材は、前記中間ステージ１１５の内縁部に沿って直径方向に対向した位置で開始して、前記検出器ステージ１２０の外縁部に沿って直径方向に対向した位置で終端し、前記開始位置は互いに時計回りに約１８０°離間されている。同様に、前記中間ステージ１１５および前記熱浴ステージ１１０も、わずかな環状間隙により分離され、この間隙をつなぐよう延在する４つのブリッジ１３５で機械的に連結されており、これらブリッジ１３５はそれぞれ熱導電率Ｇ２Ａ、Ｇ２Ｂ、Ｇ２Ｃ、およびＧ２Ｄを有する。前記ブリッジ１３５も弧状部材として示しており、各弧状部材は、前記空洞の内縁部に沿って円周方向に等間隔に離間された４つの位置で開始して、前記中間ステージ１１５の外縁部に沿って円周方向に等間隔に離間された４つの位置で終端し、前記開始位置は互いに時計回りに約９０°離間されている。
【００１７】
各ブリッジ１３０、１３５は、機械的支持および導電率を提供するよう、非常に小さく（すなわちナノスケールで）熱伝導率の低い断熱材と、細い電線とで構成されている。前記熱浴ステージ１１０は、単結晶シリコン基板で作製されることが好ましい。前記検出器ステージ１２０および中間ステージ１１５は同一平面上にあり、以下詳述するように単結晶シリコンで作製されている。
【００１８】
前記検出器ステージ１２０の能動的な断熱は、電熱フィードバックを使って当該検出器ステージ１２０と前記中間ステージ１１５の温度差をゼロにすることで達成されされる。これらステージ間の温度差をゼロにすると、熱的連結Ｇ１ＡおよびＧ１Ｂの熱伝導率が比例的に低減される。このように、前記検出器ステージの温度が変化すると、電熱フィードバックにより前記中間ステージの温度が同じ温度だけ変更される。電熱フィードバックは、前記検出器ステージ１２０上に温度センサーを１つ設け、これを前記中間ステージ１１５上の温度センサーに接続することにより機械化される。前記検出器ステージと前記中間ステージとの温度差は、電圧信号に変換され、前記中間ステージ１１５上の電圧増幅器により増幅される。この増幅された温度差信号がヒーターを駆動するが、このヒーターの出力は、前記検出器ステージ１２０と前記中間ステージ１１５との温度差に依存する。調整可能なヒーター出力と、前記熱浴ステージ１１０による一定冷却との組み合わせにより、前記中間ステージ１１５は、前記検出器ステージ１２０に関する双極性（増加および減少する）温度追跡を提供することになる。
【００１９】
図１および２に示した前記ボロメータピクセル１０５は、各ピクセル１０５の出力にアクセスする読み出し電子機器とともにアレイ（図示せず）に組み込まれるよう意図されたものである。ピクセルのＸＹアレイは、各ピクセル１０５にアクセスするＷＹアドレススイッチを含むことが好ましい。このような機器とともに利用される従来のアドレス回路、列および行のシフトレジスタは、図示していない。このようなアレイでは、視野からの電磁輻射を撮像することができる。これには、ＩＲおよび／またはミリメートル波長の受動的または能動的な輻射が含まれる。図２では、各ピクセルにおいて前記検出器のスペクトル応答を制限するため前記検出器に「ＡＣ」連結されたアンテナ７１０も示している。
【００２０】
図３〜７Ａは、機械的なブリッジ１３０、１３５により支持された単結晶シリコンアイランドと、それに対応した能動構成要素（例えば、ダイオードおよび／またはトランジスタ）とから成る能動ＭＥＭＳ構造を製造する方法を例示した横断面図である。図３を参照すると、当該方法は、ＳＯＩ基板３０５に基づくことが好ましく、この基板は、埋め込み酸化物層３２０で分離したシリコンの上層３１０および下層３１５を有する。この方法では、処理中に前記埋め込み酸化物層３２０を有利に使って当該ボロメータの前記上層３１０中の能動素子および受動素子を保護し、また前記上層３１０中で前記受動素子および能動素子の周囲に延長する熱浴の形成を可能にする。好適な一実施形態において、前記下層３１５は単結晶シリコンウエハーで作製される。シリコンの前記上層３１０は、ウエハーに接合する単結晶シリコンで、前記酸化物層３２０上に形成され、薄層化される。または、この上層３１０は、例えば半導体産業で周知の「スマートカット」工程を使って、単結晶シリコンの薄い層を前記酸化物層３２０に接合して形成される。前記熱浴１１０の前記上層３１０と前記下層３１５との間に確実に適切な熱的接点を実現するよう、前記埋め込み酸化物３２０は薄く（例えば、約２００ｎｍ）、好適な一実施形態では前記シリコン基板３１５の領域全体に延在する。前記基板３１５および前記シリコンの上層３１０の厚さは、ウエハーサイズと、各々の中に形成される受動素子および能動素子の要件とに基づいて選択される。
【００２１】
再び図３を参照すると、当該方法には、前記ＳＯＩ単結晶層３１０の上面に第２の酸化物層３２５を成長させ、その第２の酸化物層３１０上に窒化ケイ素誘電体３３０を成膜させる工程が含まれる。前記第２の酸化物層３２５はマスクとして機能し、それ以降のエッチング工程、例えば後述するように当該装置の能動ＭＥＭＳの形状を画成するため使用されるＸｅＦ２エッチングからシリコン頂部を隔絶する上で十分な厚さがなければならない。以下より詳しく説明するように、前記第１の酸化物層３２０と前記第２の酸化物層３２５との間の領域のいくつかの部分は、能動ＭＥＭＳを形成するため使用される。この領域は、望ましい回路を収容する上で十分大きくなければならない。一実施形態において、当該方法は、Ｎ＋領域３３５およびＰ＋領域３４０を形成する工程を含む。この実施形態では、それらＮ＋領域３３５およびＰ＋領域３４０を使って、能動素子、例えばダイオードを前記検出器ステージ１２０に形成する。
【００２２】
ここで図４を参照すると、前記ＳＯＩウエハー３０５に複数の溝４０５が設けられ、各能動ＭＥＭＳ構造の前記種々のステージおよび前記ブリッジの位置の外形を画成している。図４は、２つの溝部分４０５を示した前記ウエハー３０５のピクセル一部断面図であり、能動ＭＥＭＳ領域を含む範囲を図示している。前記第２の酸化物層３２５の上位には窒化ケイ素誘電体層３３０があり、前記溝４０５のエッチング処理を行う際、マスクとして作用する。前記溝４０５は環状で、図示した部分は前記溝４０５の左および右の部分である。これらの溝４０５は、前記埋め込み酸化物層３２０に達するよう十分深く切り取られている。この工程に次いで、前記溝の側壁を３２６で酸化し、前記溝４０５の領域内で露出した前記埋め込み酸化物層３２０を除去する工程が行われる。これにより、前記層３１０に形成された能動ＭＥＭＳシリコン領域が酸化物ブランケットで封じ込められ、封入される。中央の前記溝４０５の幅は、前記ブリッジの幅を画成する（図１の１３０、１３５を参照）。ブリッジは、機械的支持を提供する上で十分厚みがあるとともに、断熱を提供する上で十分薄いものでなければならない。
【００２３】
図５を参照すると、前記複数の溝４０５がポリシリコン１００５で充填され、図６に示すように、当該構造が平坦化されている。次いで、熱的ブリッジ１３０、１３５が形成される。当該方法には、頂面に化学機械平坦化（Ｃｈｅｍｉｃａｌ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｌａｎａｒｉｚａｔｉｏｎ：ＣＭＰ）処理工程を行って窒化物層と過剰なポリシリコンとを除去することにより追加処理用に表面を平坦化する工程も含まれることが好ましい。前記ブリッジ１３０、１３５を製造したら、次の工程は、前記溝充填領域の上位に形成された非ブリッジ層をすべて除去することにより、ブリッジ１３０、１３５に使用されない前記溝領域４０５をすべて露出させることである。
【００２４】
図７Ａでは、前記溝を充填するため使用した前記ポリシリコン１００５を除去して前記ブリッジをリリースする工程中、いかに能動ＭＥＭＳを形成するか示している。また、その能動ＭＥＭＳステージのすぐ下のシリコンも、このリリース工程中に除去される。前記第１の酸化物層３２０は、それより下位から前記能動ＭＥＭＳ領域を保護する。この工程の結果、前記単結晶層３１０の一部に形成された当該能動ＭＥＭＳ領域の各部は、酸化ケイ素の層により、当該単結晶層３１０の頂部、底部、および周縁部で封じ込められ若しくは封入された状態となる。前記ブリッジ１３０は、前記能動ＭＥＭＳ領域を前記ＳＯＩ領域の残りのエッチングされていない部分と連結する。
【００２５】
図７Ｂは、矩形の単結晶シリコンアイランドに形成され、いくつかのブリッジ１３０で支持された能動ＭＥＭＳの実施形態について、リリース後の等角図を示したものである。上記のとおり、前記溝は多結晶シリコンまたは非結晶性シリコンなどの犠牲材料で充填され、その材料は、前記リリース工程中にエッチング済みである。前記ブリッジ１３０のリリース後はいかなるＭＥＭＳ構造も非常に脆性になるため、前記リリースは、最後の製造工程とすべきである。トランジスタ、ダイオード、または他のいかなる構成要素を形成するシリコンＩＣ処理も、前記ブリッジリリース工程前に行わなければならない。
【００２６】
図８は、本発明に従ってボロメータを製作する初期工程後のＳＯＩウエハーを例示したものである。以下のシーケンスでは、能動的断熱を行い、２つの能動ＭＥＭＳステージ、すなわち検出器ステージ１２０および中間ステージ１１５を必要とするボロメータの製造方法を説明する。前記検出器ステージ１２０内の能動ＭＥＭＳは、前記中間ステージ１１５内の前記能動ＭＥＭＳに対し、入れ子にされる。当該製造工程は、単一の能動ＭＥＭＳを伴った構造の製造に使用される工程（図３〜７Ｂ）と同様に開始する。単一の能動ＭＥＭＳの場合、ＳＯＩウエハーは、各ピクセルに２つの能動ＭＥＭＳを実装した能動的な断熱を伴うボロメータを製造するため使用される。それらの能動ＭＥＭＳは、領域３１０の何箇所かに形成される。領域３１０は、酸化物３２０上に形成される単結晶シリコン層であり、単結晶シリコンウエハーであることが好ましい基板３１５により支持される。この例示では、前記検出器ステージ１２０が薄層化されて、熱的質量および熱時定数が軽減または最小限に抑えられている。薄層化は任意選択であり、これを行わない場合、酸化物３２５で覆われる層３１０は、それに対応する図３の領域のように方形の外形を呈することになる。能動回路の構成要素も受動回路の構成要素も、すべて前記ブリッジをリリースする前に形成しなければならない。図８では、前記溝と機械的支持用および断熱用のブリッジとのリリースに必要な処理工程へ進む前に、能動的な構成要素が形成される。
【００２７】
前記リリース溝４０５の製造については図９に例示しており、この図では前記溝内の前記シリコン充填材料１００５がフォトレジスト３３１を使ってエッチングされる前に、窒化物層３３０が前記酸化物層３２５の上に成膜される。前記溝領域４０５内の前記シリコンのほか、各溝１００５の底部の前記酸化物３２０を除去するには、ドライエッチングが行われる。前記溝の側壁は３２６で酸化され、酸化中に各溝４０５の底部で成長した酸化物は、例えば自己整合酸化物エッチングにより除去される。この工程により、前記検出器ステージおよび中間ステージ用に前記層３１０内に形成された前記単結晶シリコンアイランドの位置およびサイズが側方向に画成される。各溝４０５の底部で成長した前記酸化物の自己整合エッチングに使用された前記窒化物３３０は除去され、この構造の外形は図１０に例示したとおりである。
【００２８】
ここで図１１を参照すると、前記充填された溝４０５と、前記酸化物で保護された検出器ステージ１２０と、中間ステージ１１５と、熱浴ステージ１１０とが、前記酸化物で保護されたブリッジとともに、前記溝を充填する上で十分な厚み（例えば、約３ミクロン）のあるポリシリコン（非結晶性シリコン）層１００５で覆われている。前記ポリシリコン充填層１００５は窒化物３３０で覆われ、その窒化物３３０は前記溝領域４０５を保護するようパターン化されている。素子分離領域（ｆｉｅｌｄ  ａｒｅａ）では前記ポリシリコン１００５が除去され、前記溝領域４０５および前記検出器ステージ１２０の上だけに過剰なポリシリコン１００５が残されている状態は、図１１の外形により例示されている。ＣＭＰ工程に次いで前記窒化物３３０が除去され、図１２に例示した構造が形成される。これにより、すべての能動回路と、能動ＭＥＭＳリリースに使用されるすべての溝４０５との製造が完了する。次に、前記断熱ブリッジの形成へ進む（図１および２の１３０、１３５を参照）。
【００２９】
前記断熱ブリッジは、前記溝領域４０５を覆う前記酸化物層３２５の上方に形成される。前記断熱ブリッジ１３０、１３５は、二酸化ケイ素または窒化ケイ素などの断熱材料と、ニクロムなどの導電体とで作製されている。前記断熱材料は、機械的強度および低熱伝導率を当該ブリッジに与えるため使用される。前記能動ＭＥＭＳ構成要素に電気的アクセスを提供する金属、例えばニクロムは、熱伝導率が低いものとして選択される。ブリッジ金属をブリッジ断熱材より著しく細く作製することによっても、熱伝導率を低くすることができる。前記ブリッジ１３０、１３５は、熱伝導率を最小限に抑えるよう可能な限り長く作製される。これらブリッジ１３０、１３５を円周方向に沿った幾何学形状に成形すると（図１を参照）、利用可能な領域内で当該ブリッジを長くできる。前記ブリッジ断熱材の成膜後、その断熱材の上に前記ブリッジ金属が成膜される。ニクロム金属で作製されたブリッジ１３０、１３５は、リフトオフ工程でパターン化される。前記ブリッジ金属は、その上に成膜される第２の断熱材で保護される。このように、前記ブリッジ金属は、前記リリース工程中にエッチングから当該ブリッジ金属を保護する酸化物に囲まれる。これらブリッジは、その断熱材部分がエッチングにより画成された時点で完成する。また、前記断熱材ブリッジ部分をエッチングすると、図１１および１２に示した前記溝１００５の充填に使用されるポリシリコンが露出する。
【００３０】
製造の次段階は、マイクロアンテナ構造７１０を導入して当該ボロメータピクセルの面積効率を回復させることである（図２を参照）。各ピクセルのマイクロアンテナ７１０は、ＡＣ結合された高周波回路により、ピクセル１０５内に入射するすべての輻射を前記検出器ステージ１２０に伝達する。前記マイクロアンテナ７１０およびＡＣ結合回路は、当該ボロメータの撮像周波数帯域で動作するよう調整される。当該マイクロアンテナ構造７１０の製造は、前記ブリッジ形成工程で、前記犠牲ポリシリコン（または非結晶性シリコン）１００５を含んだ前記溝４０５を保護する前記絶縁材が除去された後に開始する。当該ウエハー３０５全体の上から、数ミクロンのポリシリコン１００５（または非結晶性シリコン）が成膜される。成膜されたポリシリコン層１００５はパターン化されて、前記マイクロアンテナ７１０と前記能動ＭＥＭＳ検出器ステージ１２０との間のＡＣ結合作用を最大限に伸ばすよう前記検出器ステージ１２０のすぐ上に近接して位置する必要のある前記マイクロアンテナ７１０用に、ペデスタルを形成する。パターン化されたマイクロアンテナペデスタル上には酸化物が成膜され、各ピクセル１０５内に金属マイクロアンテナ７１０が形成される。前記最上酸化物層３２５には窓が開けられ、前記マイクロアンテナペデスタルの形成に使用されるシリコンを露出させる。この構造は、図１３に例示している。
【００３１】
図１３に示す構造は、前記ブリッジをリリースする前、２つの能動ＭＥＭＳおよびマイクロアンテナ７１０により機械化された能動的な断熱を各ピクセル１０５内に備える完成されたボロメータピクセル１０５となっている。前記ブリッジのリリースは、ＩＣ製造の最終工程である。前記シリコン溝充填剤１００５およびマイクロアンテナペデスタルは、好ましくはＸｅＦ２によるドライ等方性エッチングで除去される。このエッチングでは前記犠牲シリコン１００５のみエッチング処理され、他の全領域は酸化物ブランケット３２５により保護される。前記マイクロアンテナ７１０およびボンディングパッドは、ＸｅＦ２の攻撃を受けない金で保護される。ＸｅＦ２は、前記検出器ステージ１２０および中間ステージ１１５の下の前記基板領域３１５もエッチングする（図１４を参照）。
【００３２】
以上、具体的な実施形態を参照して本発明を説明したが、当業者であれば、多数の代替形態、変更（修正）形態、および変形形態が明確に理解されるであろう。例えば、本方法を使用すると、ＭＥＭＳおよび能動電子機器の双方を実装した任意の装置を製造できることが理解されるであろう。ボロメータの場合、前記装置は、アンテナまたはレンズを備え、または備えていない態様で製造可能である。同様に、ＳＯＩ基板は、前述のように一括処理したＳｉの単一ウエハー上に酸化物層およびＳｉエピタキシャル層を成長させても、一対のＳｉウエハー間または他の適切なウエハー間に酸化物層を挟み込んでも、形成できる。さらに、本発明の実施形態は、シリコン以外の半導体材料でも実現できる。工程は、前記ＭＥＭＳ構成要素のリリース前に回路が封入または保護される限り、上述の順序でも異なる順序でも実施可能である。
【００３３】
そのため、本明細書に記載した本発明の好適な実施形態は、例示的なものであって限定を目的としたものではない。本明細書に記載した本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変形形態が可能である。
【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７Ａ】
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【図７Ｂ】
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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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【図１４】
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【国際調査報告】
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