JP2005315755A - 温度検出装置、熱型赤外線検出装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 シリコン微細加工技術を応用した複合的にセンサ感度を向上させることができる温度検出装置および熱型赤外線検出装置を得る。
【解決手段】 ＳＯＩ基板上に形成する、半導体ダイオードに一定順方向バイアス電圧を印加し、該半導体ダイオードの順方向の電流変化からその時の温度を知る温度検出装置において、不要なシリコンの一部を熱酸化プロセスにより所望のシリコン熱酸化膜に変換されており、前記支持部に対して、仕上がりビーム幅に対して１本ないし複数本からなる所定のピッチに配置されたトレンチ溝群３５ｂ１を形成した後、熱酸化炉でシリコン熱酸化膜形成プロセスを実施することにより、トレンチ溝群を構成していたＳＯＩシリコンをすべてシリコン熱酸化膜３５ｂ２にすることで、シリコンを含まないほぼ平らなビームの主要部分を得て、後工程のために平坦な表面構造を保ちつつ、支持部の機械的強度も確保し検出感度を改善させた温度検出装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は、熱の変化を検出するのに好適なシリコン微細加工技術を応用して作製された温度検出装置、熱型赤外線検出装置およびその製造方法に関するものである。

非接触温度検出装置の感度改善策の１つとして、熱伝導率の低い支持体で活性領域（本件の主な実施例では、赤外線の受光領域）を周辺領域から吊るし、熱分離の優れた構造体を形成する手法がある。また、この構造体は、マイクロエアブリッジ構造体と呼ばれている。まず、この構造体を形成する従来方法を述べる。

従来のバルクマイクロマシニング技術は、単結晶シリコンへの高濃度（約１Ｅ＋２０ａｔｏｍ／ｃｍ³以上）ボロンドープによるエッチングストップ技術や、ＫＯＨによる電気化学エッチングによるエッチングストップ技術が主に用いられており、厚さ、約数μｍのマイクロエアーブリッジ構造体が形成できる。また、そのエッチング工程は、Ｗｅｔプロセスであり、シリコン単結晶の面方位における、エッチレートの差を利用するため、異方性エッチングと呼ばれている。また、そのエッチャントには、ＴＭＡＨ（テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド）、ＥＰＷ（エチレンピレカテコールウォーター）、ＫＯＨ（水酸化カリウム）、場合によっては、ヒドラジン水和物溶液がある。また、これらのＷｅｔエッチングにおけるマスク材には、シリコン熱酸化膜、ＣＶＤ窒化膜、ＣＶＤ酸化窒化膜、ＣＶＤシリコン酸化膜等が用いられる。

サーフェイスマイクロマシンニング技術は、近年、目覚しい進歩をとげており、この技術では、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）による犠牲層、（主にポリシリコンや、シリコン酸化膜）を用いて、基板表面のみに所望の構造体を積み上げ、最後に適切なエッチャントにより犠牲層を除去することで、アクティブエリアを支持脚で浮かして構造体を支える手法もある。

これに加え、半導体ウェハの技術も進歩している。とりわけ、ＳＯＩウェハ（Silicon on Insulator）の普及により、良質な単結晶シリコン層を持つ、マイクロエアーブリッジ構造体を実現させるために埋め込み絶縁層をエッチングストップとして使用することで、プロセスの自由度が増し、新しいプロセスと構造体の形成プロセスにかかわる開発が盛んである。

ところで、このＳＯＩウェハの製造方法としては、主に、３つの方法がある。
（１）張り合わせ技術と精密研磨技術による張り合わせ構造ＳＯＩ、
（２）酸素イオン注入とアニール処理によるＳＩＭＯＸ、
（３）水素イオン注入とアニール処理により所望の位置でシリコンを剥離し、研磨するELTLAN、
などである。

（１）〜（３）に共通して、その絶縁体の上のシリコン層は、通常の半導体製造に適用されている単結晶シリコンと同じ品質であることが最大の特徴である。また、ＳＯＩ層の厚みは、ＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)デバイスでは、仕上がり構造体の厚みになることが多い。ＳＯＩ層の厚みが必要な場合においては、（１）の張り合わせ構造ＳＯＩが有利である。

つまり、上記の高濃度ボロンドープや、ＫＯＨエッチストップ、サーフェイスマイクロマシン技術では、良質のノンドープ（低濃度）単結晶シリコン層を後から得ることが難しいか、生産性が低い。特許文献１には、ＳＯＩウェハを用いて形成される温度検出装置について記載されている。また、比較的廉価なプロセスで、微細なエアーブリッジ構造体を作製する方法についても記載されている。

また、近年のトレンドとして、ＭＥＭＳラインまたは、ＭＥＭＳに特化したファンダリーサービスが盛んであり、一見、ＬＳＩ製造と同じ半導体技術に根ざしているので同一のものと思われがちである。しかし、多くの場合で、ＬＳＩを量産するラインと比較すると種々のプロセスの差異や制約がある。実例として、ＶＬＳＩのラインでは最小加工線幅に適合した、超クリーン度のクリーンルーム、高純度の薬液とプロセスガス、超純水、高い加工精度を有する装置群等が確保されているが、多くの工場において、特に品質管理の観点から、他ラインでの流動品の持込み、とりわけ、異種メタル品の持ち込みが極めて難しい。

一方で、ＭＥＭＳ分野におけるデバイスでは、通常のＶＬＳＩラインでは使用しないメタル（主に、金、白金、クロム、ニッケル、バナジウム等）や薄膜が積極的に用いられている。つまり、類似の製造プロセスを適用していながら、ＭＥＭＳデバイスでは、専用のラインを必要とするケースが多く、その量産性の確保がＬＳＩのファンダリーに比較して難しい状況にあると言える。

また、反対に、通常のＬＳＩラインにはあまり無い、とりわけボッシュ（ＢＯＳＣＨ）プロセスとクライオジェニックプロセス（Cryogenic）と呼ばれる、２つのＩＣＰ(Inductively Coupled Plasma)ドライエッチングプロセス（シリコンの高速深堀ドライエッチング）のような装置を有することもあり、最終的には、製造歩留まり・コスト・デバイスの信頼性・ウェハプロセスの諸プロセスマージンとセンサ特性（感度、ノイズ、応答、ばらつき、およびオフセット変動）を総合的に加味した工程群を構築しなければならない。従って、所望の構造体を得るためのプロセス構成には、選択肢が多いほうが当然、有利である。

次に、同分野における類似の検出装置の技術について述べる。
・画素センサ：
現状では、セキュリティーやプラント監視等の暗視カメラに搭載されている。その画素センサの開発動向は、画素サイズ、４０μｍ□、ＳＯＩ層の厚みも１μｍ以下が用いられている。熱電変換素子としては、大別して、量子型と熱型があり、前者は、ＰｔＳｉショットキーバリア方式や、ＨｇＣｄＴｅ型ハイブリッド方式があり、後者は、酸化バナジウムを用いたボロメーター方式、サーモパイル方式、焦電方式、ｐｎ接合ダイオード方式が主に知られている。

また、画素センサである以上、デジタルスチールカメラのように継続的な画素数の向上が求められる。結果として画素サイズをより小さくしなければならない傾向がある。当然、画素サイズ縮小により感度低下が起きるが、感度を改善する手法が種々の報告に記されている。

また、熱型の画素センサは、極低温の冷却機構が必要とされる冷却方式の量子型よりは確かに安価にはなるものの、そもそも高価な暗視カメラを主な開発ターゲットとしているため、コスト高の設計、プロセス、組み立て手法が適用可能で、真空パッケージングによるエアー領域への熱の逃げを抑制して、感度向上を計る方法やペルチェ素子を用いて素子表面の温度制御を行い、周囲温度変動耐性の改善を行っているのが現状である。

ところで、本発明のような、非接触で１領域の温度検出、または像情報を必要としないが多領域での非接触温度検出においては、センサ感度を受光面積で稼げるため、受光面積が百〜数百μｍ□（または、円形）のデザインが可能である。また、現時点での主な用途は電子レンジの被加熱物体の非接触温度検知（中心１領域 または、庫内複数領域の温度検知）、エアコンにおける床面温度検知、耳式体温計における、鼓膜温度の計測、セキュリティー関連での人体検知（所定の場所での侵入者検知）、自動車における、運転者の温度検知（主にカーエアコンの温度制御）などであり、冷却機構の不要な熱型赤外線センサを温度検出として用いる用途が考えられている。従って、熱型赤外線画素センサと本件のような非接触温度センサでは、課題がおのずと異なる。以上の点から、本発明の比較技術としては、下記に示すサーモパイル方式が妥当である。

・サーモパイル式温度センサ
このサーモパイル式熱型非接触温度センサでは、およそ４００〜５００ミクロン角のメンブレン構造体が一般的である。一部の素子では、メンブレン構造体の一部の領域を除去し、残った領域の上にサーモカップル群を形成している。これは、サーモカップル１対当たりの熱起電力が非常に小さいためであり、通常、数十対の直列接続されたサーモカップル群を赤外線受光部に配置して使用する。また、熱電対であるため、すべての熱電対に冷接点が必要でセンサチップの周辺領域にそれぞれ配置される。

従って、サーモパイル式熱型非接触温度センサにおいては、少なくとも、サーモカップル１対当たりの熱起電力が現在のままでは、本発明のような、熱コンダクタンスを圧倒的に低減できる形状であるマイクロエアブリッジ構造体で実現することは難しいと言える。マイクロエアブリッジ構造体を適用するためには、引き回す配線に制限があり、支持部（ビーム）の本数分以下であることが通常である。

特開２００３−２５４８２９号公報

受光部の温度上昇量を稼ぐ意味においては、サーモパイル式熱型非接触温度センサも、当発明の半導体ダイオード式も同様の技術課題を有し、センサ感度の向上の手法を改めて整理すると、以下の５点に大別でき、とりわけデバイスで改善できるのは、上位の４点である。

（１）被検出物体の発する赤外線をより多く取り込む（光学的な集光）。
（２）取り込んだ赤外線を吸収して、熱に効率良く変換する（光熱変換）。
（３）変換した熱を逃がさないようにしながら自分自身の温度をすばやく上げる（熱伝導方程式による熱平衡）。
（４）変化した温度を効率よく電気信号に変換する（熱電変換）。
（５）取り出した信号（主に電圧）を外部回路で増幅する。

本発明においては、上記（３）の変換した熱を逃がさないようにしながら自分自身の温度を上げる方法に着目し、如何に熱コンダクタンスの小さい（＝熱伝導率の低い）支持体で活性領域（赤外線の受光領域）を吊るして、熱的に分離することができる構造体を形成するかが課題となる。

前述のとおり、当発明の温度検出装置においても、サーモパイルと同レベルの受光部領域を必要とするが、ＳＯＩウェハを用いてマイクロエアブリッジ構造体を形成する場合、そのＳＯＩ層の厚みは、完成時でも数μｍレベルのものを用いる。これは、ＳＯＩシリコン層の上部にも数種類の薄膜を堆積させるため十分な強度が必要なためである。従って、受光部を保持する支持部も赤外線画素センサとは異なり、機械的強度の観点から、特許文献１のように、主にメタルダマシン工程で形成したメタル配線と保護膜からなる支持体で微小な画素領域を支え、感度を向上させ得る手法は、本発明では適用しにくい。とは言え、支持部の熱コンダクタンスは、当然低い方が望ましく、強度を確保した上での熱コンダクタンス低減が技術課題となっている。

また、ビーム部の線幅を細くすることでも、熱コンダクタンスは低減するが、適用する種々のプロセスの加工精度と、厚み方向とのバランスによって限界がある。その理由は、ビーム幅のばらつきがそのままビームを構成する部材の総体積のばらつきとなり、結果として、熱コンダクタンスのばらつきとなる。つまり、ウェハ面内以上でのセンサ特性のばらつきの原因となり得る。更に、ビーム幅を細くしていけば、その上を走らせる配線の幅は、当然、ウェハ面内の位置合わせ精度も考慮しつつ細くしなければならないが、今度は、配線抵抗が増大することで、別の特性劣化を引き起こす可能性もある。つまり、ビーム部の線幅は、センサ特性のばらつきと、フォトリソグラフィー工程に配慮しながら、細線化していく必要がある。

また、加工プロセス途中で、ＳＯＩ層のエッチングにより、不要なシリコンを除去して、数μｍの段差を発生させた場合、この段差がそれ以降のプロセスばらつきの原因となりうる。とりわけ、フォトリソグラフィー工程のレジスト塗布工程と露光工程で大きな問題が発生する。微細な加工を実現させるために、ステッパー工程を選択した場合、レジストの膜厚ムラに起因する寸法変動とレジスト残りだけでなく、最悪、結像点から外れることで、そもそも像が結像ボケを起こす、裾引きと呼ばれるトラブルも想定される。アライナー系を選択した場合では、デフォーカスによる結像不良は回避できるが、結局、レジストの膜厚ムラによる寸法ばらつきや、塗布ムラによるレジスト残りなどの不良で製造歩留まりの低下が懸念される。

そこで、本発明の目的は、シリコン微細加工技術を応用した温度検出装置において、途中工程のプロセス阻害要因となる数μｍの段差を解消しながら、熱コンダクタンスを抑制することのできるビームを形成することでセンサ感度を向上させ、且つ、素子間分離工程で形成可能な熱酸化膜を、受光部で変換した熱をビームを伝って周辺領域へ逃げにくくするような閉じ込める機能としても活用し、複合的にセンサ感度を向上させることができる温度検出装置および熱型赤外線検出装置を提供することにある。

即ち、本発明は、ＳＯＩ基板上に形成された赤外線受光部領域を有する半導体ダイオードに所定のバイアスを加え、該半導体ダイオードの順方向のＩＶ特性の変化から、その時の温度を知るようにした温度検出装置において、前記温度検出装置の赤外線受光部領域を熱的に分離するための支持部を構成する部材からシリコンをなくすため、不要なシリコンの一部が熱酸化プロセスにより所望のシリコン熱酸化膜に変換されており、前記支持部に対して、所望の仕上がりビーム幅に対して、１本ないし複数本からなる所定のピッチに配置されたトレンチ溝群を形成した後、熱酸化炉でシリコン熱酸化膜形成プロセスを実施することにより、これにより、トレンチ溝群を構成していたＳＯＩシリコンをすべて熱酸化膜にすることで、シリコンを含まないほぼ平らなビームの主要部分を得て、後工程のために平坦な表面構造を保ちつつ、支持部の機械的強度も確保した上で検出感度を改善させた温度検出装置である。

また、本発明は、ＳＯＩ基板上に、フォトリソグラフィー工程、トレンチエッチング工程、熱酸化工程によってエアブリッジ構造を形成し、前記エアブリッジ構造での支持部を形成し、前記支持部にて保持される赤外線受光部領域を有する温度検出装置を形成する、温度検出装置の製造方法であって、前記支持部のビームの形成に関して、所望の仕上がりビーム幅に対して、１本ないし複数本からなる所定のピッチに配置されたトレンチ溝群を形成した後、熱酸化炉でシリコン熱酸化膜形成プロセスを実施し、これにより、トレンチ溝群を構成していたＳＯＩシリコンをすべて熱酸化膜することで、シリコンを含まないほぼ平らなビームの主要部分を得て、後工程のために平坦な表面構造を保ちつつ、支持部の機械的強度も確保した上で検出感度を改善させる温度検出装置の製造方法である。

また、本発明は、ＳＯＩ基板上に形成された赤外線受光部領域を有する半導体ダイオードに所定のバイアスを加え、該半導体ダイオードの順方向のＩＶ特性の変化から、その時の温度を知るようにした熱型赤外線検出装置において、前記熱型赤外線検出装置の赤外線受光部領域を熱的に分離するための支持部を構成する部材からシリコンをなくすことで熱抵抗を向上されて、不要なシリコンの一部を熱酸化プロセスにより所望のシリコン熱酸化膜に変換することで、前記支持部に対して、所望の仕上がりビーム幅に対して、１本ないし複数本からなる所定のピッチに配置されたトレンチ溝群を形成した後、熱酸化炉でシリコン熱酸化膜形成プロセスを実施することにより、これにより、トレンチ溝群を構成していたＳＯＩシリコンをすべて熱酸化膜にすることで、シリコンを含まないほぼ平らなビームの主要部分を得て、後工程のために平坦な表面構造を保ちつつ、支持部の機械的強度も確保した上で検出感度を改善させた熱型赤外線検出装置である。

また、本発明は、ＳＯＩ基板上にフォトリソグラフィー工程、トレンチエッチング工程、熱酸化工程によって、エアブリッジ構造を形成し、前記エアブリッジ構造での支持部を形成し、前記支持部にて保持される赤外線受光部領域を有する熱型赤外線検出装置を形成する、熱型赤外線検出装置の製造方法であって、前記支持部のビームの形成に関して、所望の仕上がりビーム幅に対して、１本ないし複数本からなる所定のピッチに配置されたトレンチ溝群を形成した後、熱酸化炉でシリコン熱酸化膜形成プロセスを実施し、これにより、トレンチ溝群を構成していたＳＯＩシリコンをすべて熱酸化膜することで、シリコンを含まないほぼ平らなビームの主要部分を得て、後工程のために平坦な表面構造を保ちつつ、支持部の機械的強度も確保した上で検出感度を改善させることを特徴とする熱型赤外線検出装置の製造方法である。

前記記述の手段により、ＭＥＭＳ微細加工技術を応用した熱の変化量を検出する装置において、途中工程のプロセス阻害要因となる数μｍの段差を緩和しつつ、ビームの熱コンダクタンスを下げることでセンサ感度を向上させ、且つ、同一工程で形成可能な熱酸化膜によるトレンチ溝で受光部に発生した熱をビームへ逃げにくくするように、閉じ込める機能としても活用し、これによってもセンサ感度、ないしＳＮ比を向上させることが可能となる。

本発明の温度検出装置および熱型赤外線検出装置によれば、半導体微細加工技術を応用して、ＳＯＩ基板上に形成する半導体ダイオードに所定の一定順方向バイアス電圧を印加して、該半導体ダイオードの順方向電流変化からその時の温度を知るようにした赤外線受光部領域を熱的に分離するための支持部を構成する部材からシリコンをなくすことで熱伝導率を向上させる技術において、不要なシリコンの一部を熱酸化プロセスにより所望のシリコン熱酸化膜に変換することで主に熱酸化膜からなる支持体を形成しつつも、ウェハ面内での平坦形状を保ちながらプロセス工程が可能となり、かつ、支持部の機械的強度もこれにより確保し、更に同一工程で形成可能な酸化膜からなる溝を固体熱伝導経路に配置することでも熱の逃げを抑制でき、これらの作用を総合的に適用することで、センサの検出感度を大幅に改善させることができる温度検出装置、熱型赤外線検出装置およびその製造方法を実現することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態による温度検出装置、熱型赤外線検出装置およびその製造方法について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態の温度検出装置の説明図である。図１（ａ）、図１（ｂ）は、本発明の実施の形態の装置の上面図とビーム部の断面構造模式図である。入射した赤外線（２μｍ〜１５μｍ波長帯）を受光領域で吸収し熱に変換することで、活性領域４０は自分自身の温度を上昇させる。その時、活性領域４０上に直列に配置されているｐｎ接合ダイオード３２ａ、３２ｂ（例として、２個の直列とした）に、例えば、定電圧バイアスがされており、それらに流れる電流がその時の温度に応じて、自然対数的に増減するので、その変化分を外部回路で検出することで、赤外線の光量もしくは、被検出物体の温度を知ることができる。図４に、本実施の形態に係る温度検出装置の回路図を示す。

例えば、図１において、少なくとも、赤外線の受光部である活性領域４０を支持するビーム４６を形成する場合、所望の仕上がりビーム幅に対して、１本ないし複数本からなる所定のピッチ（次述）に配置されたトレンチ溝群３５ｂ１を形成した後、熱酸化炉でシリコン熱酸化膜形成プロセスを実施する。これにより、トレンチ溝群を構成していたＳＯＩシリコンをすべて熱酸化膜３５ｂ２にすることで、シリコンを含まないほぼ平らなビームの主要部分を得る。ほぼ平らな構造とは、残された後の工程、特にレジスト塗布工程とフォトリソグラフィー工程において不具合が起きないレベルを指し、必要であれば、一般的に知られている、ポリシリコンか、シリコン酸化膜ＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)＋ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）により残った溝を完全に埋める平坦化処理を追加してもかまわないが、本発明では、あくまでもビームの主要な構成材料は上記の熱酸化膜３５ｂ２である。それに加えて、半導体デバイス一般に必要な、層間絶縁膜５３、メタル配線５１、パシベーション膜、ボンディングパッドとなる取り出し電極３３と、赤外線の吸収量向上に必要な吸収膜５４（ＣＶＤ膜、金黒等）がこの構造体に積層される。

少なくとも、所望の熱酸化膜ビームの元となるシリコンは必要である。シリコンとシリコン熱酸化膜について、１モル当たりの体積比を考慮すると、成膜したい膜厚の４４パーセントのシリコンを必要とする。換言すると、残すシリコンの幅（Ｌ）対溝（Ｓ）の幅が４４対５６のＬ／Ｓパターンにすればよいが、通常の熱酸化炉での成膜膜厚の最大値は、約１００００Ａなので、シリコンの幅（Ｌ）０．８８μｍ、溝の幅（Ｓ）１．１２μｍくらいが妥当である。このフォトリソグラフィー工程は、高感度ｇ線レジストとｇ線ステッパー、もしくは、汎用のｉ線レジストとｉ線ステッパーで形成可能である。但し、パターンの形成されたウェハ表面にある微細な凸凹部では、気体の流れだけではなく、熱酸化工程の諸条件（反応温度、ガス流量、酸化方式等）により、熱酸化膜の形成具合は異なるので、元となるパターン化されたトレンチ溝群は垂直形状・一定ピッチで良いが、更に、パラメータ振りして最適化すると、より効果的である。

また、図１（ａ）、図１（ｃ）のように、形成するビームと、トレンチ溝群のフォトマスク上での平面的な位置関係であるが、トレンチエッチングに、ＢＯＳＣＨプロセスの様なＩＣＰエッチングや、従来のＲＩＥエッチングを適用する場合、ＴＭＡＨに代表される古典的なＷｅｔエッチングとは異なり、単結晶シリコンの結晶方位を気にすることなく、自由に配置することができる。実際に、図１（ｃ）のように、ビームの長手方向に平行な溝群を形成すると、強度的に有利である。

少なくとも、素子間を分離するトレンチ溝と同一の工程で形成される、図１のような、受光領域の外周部に位置し、熱電変換素子（本発明の場合、主にｐｎ接合ダイオード）の周囲を取り囲む様に配置させた、伝熱を抑制する熱酸化膜の溝は、所望のセンサ感度または、応答特性に必要な寸法、配置、個数を選択すればよい。図１には、例として、２重の同心円状として配置した。熱伝導率は、シリコン熱酸化膜が１４．８Ｗ／ｍ／Ｋ、単結晶シリコンが１６８Ｗ／ｍ／Ｋであることが知られている。

従って、受光部に入射した赤外線が熱に変換された後、ビーム部を伝わって、固体の熱伝導によってチップ外周部へと逃げる際に、熱伝導率の低いシリコン熱酸化膜を３次元的に配置することにより、逃げる経路を閉じ、実効的に受光部の温度上昇量を稼ぎ、その結果としてセンサ感度を向上させることが可能である。実際には、過度に熱の逃げが無い状態になると、熱容量との相対的な関係ではあるが、応答速度が低下してしまうので、この点を考慮する必要があり、必ずしも、閉路にする必要は無い。

この場合、この内部に残存し、熱電変換素子を含むＳＯＩシリコン層では、熱伝導率が高いため、熱がその内部だけで、相対的に速く伝わる。言い換えると、ＳＯＩシリコンがある所では、赤外線入射量の変動により変化する温度変動に対して、応答が良く、且つ、ムラが少ないことを意味し、副次的に応答速度の安定化に寄与することが期待できる。

図２は、図１（ａ）の別の断面構造の模式図で、半導体ダイオードとして２個の直列接続からなる多直列ｐｎ接合ダイオードが形成されている。尚、図内の角度αは、ＳＯＩウェハ基板３１ｃのエッチングにより形成される角度である。この例では基板１０をドライエッチングでリリースすることによりマイクロエアブリッジ構造体を形成しているので図２の角度αは、およそ９０°となる。但し、本発明の利点として最終的に残したいＳＯＩシリコン領域の端面は、熱酸化膜３５ｃ２で覆ってあるので、前述の異方性ウェットエッチング工程で形成しても良い。ＳＯＩウェハ基板３１ｃに、面方位（１００）シリコン基板を用いた場合、図２の角度αは、およそ５４．７°になる。

次に、図３を用いて、本発明における構造体の形成過程の流れを詳細に説明する。図３は、本発明の実施の形態の温度検出装置における、製造プロセスの断面の構造フロー模式図であり、図３（ａ）はフォトリソグラフィー工程後を示す図、図３（ｂ）はトレンチエッチング後を示す図、図３（ｃ）は熱酸化工程後を示す図、図３（ｄ）は層間絶縁膜堆積後を示す図、図３（ｅ）はリリースエッチング直前を示す図、図３（ｆ）は完成した構造体を示す図である。

なお、構造体を形成するために主要な工程を中心に説明するため、ウェハ洗浄、レジスト剥離工程等については、一般の半導体製造技術に準拠するものとして、記載を一部、省略する。また、ｐｎ接合ダイオードの形成工程に関しては、本発明の構造体の形成には、直接関係しないので、その詳細を省略する。

まず、仕上がり時に必要なＳＯＩ層厚みを考慮したＳＯＩウェハ基板３１を準備する。本発明の場合、ＳＯＩ薄膜３１ａを厚くすることのできる、張り合わせ構造のＳＯＩウェハが適切であるが、それ以外の薄型ＳＯＩウェハにエピタキシャル成長で単結晶シリコンを堆積させて所望の厚みにしたウェハを適用しても良い。次に、ＳＯＩウェハに適切な厚みの熱酸化膜を成膜したウェハを準備し、図３（ａ）のように、ウェハ上にフォトリソグラフィー工程でパターン化されたフォトレジスト膜６０を形成する。

次に、図３（ｂ）のように、ＲＩＥエッチング装置等でマスクとなるシリコン熱酸化膜６１をパターン化したフォトレジスト膜６０に忠実にエッチングした後、ＩＣＰエッチング装置等で不要なＳＯＩ薄膜３１ａを除去する。この場合、ノッチングと呼ばれるアンダーカットを発生させないようエッチング条件に注意する。

不要なフォトレジスト膜６０とシリコン酸化膜６１を除去した後、洗浄工程を経て熱酸化プロセスにて、熱酸化膜を形成する。成膜量はトレンチ溝群を開口した幅分の厚みがつく時間を目安にすればよい。成膜温度は所望の応力により適切に選択する。その仕上がりの状態を図３（ｃ）に示す。次に、熱電変換をする素子、本件では主に多直列のｐｎ接合ダイオード３２ａ、３２ｂを活性領域４０に形成する。尚、ダイオードの不純物プロファイル、ダイオードの形状（マスクデザイン詳細）については、本発明に直接、関係しないので図示しない。

次に、層間絶縁膜５３をＡＰ（Atmospheric Pressure）ＣＶＤプロセス（ＢＰＳＧ）もしくは、熱酸化プロセスもしくは、ＰＥ(Plasma Enhanced)ＣＶＤプロセスで適切な厚みに成膜して、コンタクトホールの開口を行う。使用する配線メタルとの兼ね合いで必要であれば、ｐ型、ｎ型それぞれのコンタクト部のドープ濃度をオーミックコンタクトとなるように事前に最適化しておく。

次に、各素子間と取り出し電極を結線するためのメタル配線工程を行う。メタル工程に用いるメタルは、熱伝導率の低い材料が好ましいが、通常のＬＳＩ製造工程で使用されるアルミ配線プロセスを適用しても良い。但し、この事例では多直列のｐｎ接合ダイオードを熱電変換として使用するため、寄生ショットキーバリアダイオードが各コンタクト部で形成されることが無いように十分に配慮する必要がある。

次に、半導体素子を保護するためのパシベーション膜を成膜して、取り出し電極３３を周辺領域４５に形成する。その状態を図３（ｅ）に示す。最後に、マイクロエアブリッジ構造体を形成するための、リリースエッチングを実施する。ＩＣＰエッチングにより精密に垂直形状にエッチングしても良いし、廉価でバッチ処理の可能な、ＴＭＡＨ等の異方性Ｗｅｔエッチングを実施しても良い。

本発明の実施の形態の温度検出装置の説明図。図１（ａ）は、上面からの構造の模式図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のx−ｘ’部の断面の模式図、図１（ｃ）は、途中工程における図１（ａ）の破線囲み部の上面からの構造の模式図（マスク剥離後）。 本発明の実施の形態の温度検出装置におけるの別の断面構造模式図。 本発明の実施の形態の温度検出装置における、製造プロセスの断面の構造のフローの模式図。図３（ａ）はフォトリソグラフィー工程後を示す図、図３（ｂ）はトレンチエッチング後を示す図、図３（ｃ）は熱酸化工程後を示す図、図３（ｄ）は層間絶縁膜堆積後を示す図、図３（ｅ）はリリースエッチング直前を示す図、図３（ｆ）は完成した構造体を示す図。 本発明の実施の形態の温度検出装置の回路図。 従来の熱型赤外線検出装置の概要の一例を示す図。図５（ａ）は上面からの構造の模式図、図５（ｂ）は、図５（ａ）のｚ−ｚ’部の断面の模式図、図５（ｃ）は、途中工程における図５（ａ）の破線囲み部の上面からの構造の模式図（マスク剥離後）。

符号の説明

１０ 基板
１１ 定電圧源
１２ 直列接続ダイオード（ｎ個から構成され、本実施例は、ｎ＝２）
１２ａ，１２ｂ 半導体ダイオード １素子
１３ オペアンプ
１４ 抵抗
３１ ＳＯＩウェハ基板
３１ａ ＳＯＩ薄膜
３１ｂ 埋め込み絶縁層
３１ｃ 半導体基板
３２ 直列接続ダイオード
３２ａ，３２ｂ，１３２ａ，１３２ｂ ｐｎ接合ダイオード
３２ａａ，３２ｂａ ｎ型半導体領域
３２ａｂ，３２ｂｂ ｐ型半導体領域
３３，３３ａ，３３ｂ，１３３ａ，１３３ｂ 取り出し電極
３５ トレンチ溝形成工程により成膜されるシリコン熱酸化膜
３５ａ 素子間分離用熱酸化膜
３５ｂ１ トレンチエッチング工程で形成されたトレンチ溝（群）
３５ｂ２ 熱酸化膜に変換されて形成されたビーム主要部
３５ｃ１ リリースエッチングのマスクとなり得る熱酸化膜を形成するためのトレンチ溝
３５ｃ２ リリースエッチングのエッチングマスクとなり得る熱酸化膜
３５ｄ２ 熱の伝わりを抑制するトレンチ溝工程で形成される熱酸化膜
４０ 活性領域
４５ 周辺領域
４６ ビーム（４０を４５に対して支持するもの）
４６ａ 本発明のビーム
４６ｂ 従来発明のビーム
５１ 金属薄膜配線
５３ 層間絶縁膜
５４ 赤外線吸収膜
６０ （パターン化された）フォトレジスト膜
６１ （マスクとして用いる）シリコン熱酸化膜
１００ 空洞
１０１ 溝

Claims (4)

1. ＳＯＩ基板上に形成された赤外線受光部領域を有する半導体ダイオードに所定のバイアスを加え、該半導体ダイオードの順方向のＩＶ特性の変化から、その時の温度を知るようにした温度検出装置において、前記温度検出装置の赤外線受光部領域を熱的に分離するための支持部のビームの幅方向に対して、１本ないし複数本からなる所定のピッチに配置されたトレンチ溝群を形成し、熱酸化炉でのシリコン熱酸化膜形成プロセスにより、トレンチ溝群を構成していたＳＯＩシリコンを熱酸化膜にすることで、ほぼ平らな前記ビームの主要部分が形成されたことを特徴とする温度検出装置。
2. ＳＯＩ基板上に、フォトリソグラフィー工程、トレンチエッチング工程、熱酸化工程によってエアブリッジ構造を形成し、前記エアブリッジ構造の支持部を形成し、前記支持部にて保持される赤外線受光部領域を有する温度検出装置を形成する、温度検出装置の製造方法において、前記支持部のビームの形成に関して、所望の仕上がりビーム幅に対して、１本ないし複数本からなる所定のピッチに配置されたトレンチ溝群を形成した後、熱酸化炉でシリコン熱酸化膜形成プロセスを実施し、トレンチ溝群を構成していたＳＯＩシリコンを熱酸化膜することで、ほぼ平らなビームの主要部分を得ることを特徴とする温度検出装置の製造方法。
3. ＳＯＩ基板上に形成された赤外線受光部領域を有する半導体ダイオードに所定のバイアスを加え、該半導体ダイオードの順方向のＩＶ特性の変化から、その時の温度を知るようにした熱型赤外線検出装置において、前記熱型赤外線検出装置の赤外線受光部領域を熱的に分離するための支持部のビームの幅方向に対して、１本ないし複数本からなる所定のピッチに配置されたトレンチ溝群を形成し、熱酸化炉でのシリコン熱酸化膜形成プロセスにより、トレンチ溝群を構成していたＳＯＩシリコンを熱酸化膜にすることで、ほぼ平らな前記ビームの主要部分が形成されたことを特徴とする熱型赤外線検出装置。
4. ＳＯＩ基板上に、フォトリソグラフィー工程、トレンチエッチング工程、 熱酸化工程によってエアブリッジ構造を形成し、前記エアブリッジ構造の支持部を形成し、前記支持部にて保持される赤外線受光部領域を有する熱型赤外線検出装置を形成する、熱型赤外線検出装置の製造方法において、前記支持部のビームの形成に関して、所望の仕上がりビーム幅に対して、１本ないし複数本からなる所定のピッチに配置されたトレンチ溝群を形成した後、熱酸化炉でシリコン熱酸化膜形成プロセスを実施し、トレンチ溝群を構成していたＳＯＩシリコンをすべて熱酸化膜することで、ほぼ平らなビームの主要部分を得ることを特徴とする熱型赤外線検出装置の製造方法。

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