論文要旨
本研究は結晶配向 Pb(Zr,TiO)O 3  (PZT)薄膜赤外線センサと CMOS (complementary metal oxide semiconductor)回路をγ-Al 2 O 3 /Si基板上へ集積化するために必要な要素技術を確立することを目的として研究を行った。γ-Al 2 O 3 /SiとCMOS回路との集積化におけるプロセス適合性を調査した。また焦電型赤外線センサ応用へ向けた積層赤外線吸収膜の検討、γ-Al 2 O 3 /Si上へPZT薄膜の形成を行い、赤外線センサとしての評価を行った。有機金属化学気相成長法(MOCVD法)により成長したSi基板上の結晶配向γ-Al₂O₃薄膜について、CMOS回路作製工程のアニールプロセスを行い、γ-Al₂O₃薄膜の結晶性を調査した。結晶性は高速反射電子線回折、X線回折を用い分析した。また構成元素の結合状態、表面状態の変化をX線光電子分光、走査型電子顕微鏡を用いて調べた。 γ-Al₂O₃薄膜は結晶配向PZT薄膜をSi基板上に集積化するための重要な下地材料であるが、CMOS作製プロセスにおけるアニールプロセスの温度はy-Al 2 O 3薄膜の成長温度に比べて高く、再結晶化や雰囲気ガスによる化学反応等による結晶性、膜質の変化が考えられる。結果より、H 2 O vapor雰囲気における1000℃のアニールによりγ-Al₂O₃/Siでγ-Al₂O₃表面にSiO₂が形成される等膜質の変化を確認できた。この膜質変化を防ぐためH₂O分子を通さないSi 3 N 4 /SiO 2膜をγ-Al 2 O 3上の保護膜として提案し、その有用性を確認した。そしてこれらの結果からγ-Al₂O₃/Si基板のアニールによる影響について考察をした。またCMOS回路とγ-Al₂O₃薄膜を集積化した際のCMOS回路特性について評価した。結晶配向PZT薄膜赤外線センサをγ-Al 2 O 3 /Si基板へ形成するデバイスの応用として、PZT薄膜に適合する赤外線吸収膜の検討・設計・作製・評価を行った。赤外線センサに用いる8 μmから14 μmの波長帯で赤外線吸収特性をもつCMOS適合材料を積層させたSiO 2 /SiN積層膜を設計・作製してPZT薄膜赤外線センサ上へ形成した。その結果、平均が86%となるような赤外線吸収率が得られた。また検出感度向上に向けて有限要素法を用いた過渡伝熱解析に基づき、センサ構造の設計を行った。本センサの赤外線応用評価を行った結果、1.15 x 107 cmHz 1/2/Wの比検出能D*が得られ、デバイス応用に用いることができる値であった。最後にγ-Al 2 O 3 /Si基板上へPZT薄膜赤外線センサとCMOS回路の集積化を行った。全140工程、マスク20枚を要してデバイスの作製を行った。全工程後のPZT薄膜の強誘電体特性及びCMOS回路特性を評価した結果、両方とも特性の劣化なく作製することに成功し、結晶配向PZT薄膜赤外線センサをCMOS回路と集積化するプロセスの確立に成功した。本研究により、CMOS回路とPZT薄膜赤外線センサをγ-Al 2 O 3 /Si基板上へ集積化するためのプロセスを確立した。これらの研究成果より、γ-Al 2 O 3 /Si基板上の結晶配向したPZT薄膜を用いることで赤外線センサとCMOS回路の集積化デバイス実現への見通しが得られた。

Abstract
In this study, integration processes of crystalline orientated Pb(Zr,Ti)O 3 (PZT) film infrared detectors and complementary-metal-oxide-semiconductor (CMOS) circuits on a γ-Al 2 O 3 /Si substrate was investigated. The process compatibility of  γ-Al 2 O 3 /Si and CMOS circuits was investigated. A multilayer-stack infrared absorber was proposed, designed, fabricated, and characterized in order to apply on a PZT film infrared detector on γ-Al 2 O 3 /Si substrate. The infrared detectivity of the fabricated detector with the proposed infrared absorber was characterized. The crystallinities of the γ-Al 2 O 3 film grown by metal organic chemical vapor deposition were investigated after anneal processes in CMOS fabrication. The crystallinities were analyzed by rflection high energy electron diffraction and x-ray diffraction. The chemical bonding state of the film surface was analyzed by x-ray photoelectron spectroscopy. As a result, anneal of γ-Al 2 O 3 /Si at 1000°C in H 2 O vapor atmosphere appeared to change condition of γ-Al 2 O 3 film. In order to prevent the annealed effect, Si 3 N 4 /SiO 2 passivation films which H 2 O molecules are not able to penetrate through the films were proposed. The effect of the annealing process on γ-Al 2 O 3 /Si substrate was proposed and considered based on above experimental results. Circuit characteristics of fabricated transistors integrated on γ-Al 2 O 3 /Si substrate were evaluated. An infrared absorber for an application of crystalline PZT film infrared detectors on γ-Al 2 O 3 /Si substrate was proposed, designed, fabricated, and characterized. SiO 2 /SiN multilayer-stack film based on CMOS compatible materials which possess infrared absorption in the wavelength rage from 8 to 14 µm was designed and fabricated on the PZT film infrared detectors. Average infrared absorptance of 86% was obtained on the proposed multilayer-stack film integrated PZT film detectors. Detector structures were also designed based on transient heat analysis using finite element model in order to improve sensitivity of the PZT film detectors. Specific detectivity of 1.15 x 10 7 cmHz 0.5 /W, a useful value for device applications for infrared detector, was achieved at 30 Hz on the fabricated PZT pyroelectric detector. At last, the integration of the PZT thin film infrared detectors and CMOS circuits based onγ-Al 2 O 3 /Si substrate was carried out. 140 processes and 20 masks were required to fabricate the device. The characterization on the polarization of the PZT thin film and CMOS circuits after all fabrication processes were obtained without inferior characteristics. The fabrication processes of PZT thin film infrared detector integrated on CMOS circuits were successfully established. In conclusion, integration processes of CMOS circuits and PZT film infrared detector on γ-Al 2 O 3 /Si substrate were established. The research results suggest that realization of high performance infrared detector based on integration of CMOS circuits and PZT film infrared detector using γ-Al 2 O 3 /Si substrate.