JP2010101675A - Infrared imaging element and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、赤外線,特に遠赤外線を検知して撮像するための赤外線撮像素子およびその製造方法に係り、特に、赤外線検知感度の向上対策に関する。 The present invention relates to an infrared imaging device for detecting and imaging infrared rays, particularly far infrared rays, and a method for manufacturing the same, and more particularly to measures for improving infrared detection sensitivity.
従来より、赤外線センサに配置される赤外線検知素子として、特許文献1,2に開示されるものが知られている。
特許文献1の図2には、空間となる犠牲層を挟んで、赤外線吸収層および1対の熱電部材を配置したダイヤフラム構造が開示されている。1対の熱電部材(サーモパイル)は、絶縁支持膜である酸化膜および窒化膜とともに、犠牲層の側部から基板上まで延びている。1対の熱電部材は、n型ポリシリコン,p型ポリシリコンであり、温接点部同士はアルミ配線によって接続されている。
FIG. 2 of Patent Document 1 discloses a diaphragm structure in which an infrared absorption layer and a pair of thermoelectric members are arranged with a sacrificial layer serving as a space in between. The pair of thermoelectric members (thermopile) extends from the side of the sacrificial layer to the substrate together with the oxide film and the nitride film which are insulating support films. The pair of thermoelectric members are n-type polysilicon and p-type polysilicon, and the hot junction portions are connected to each other by aluminum wiring.
しかしながら、上記特許文献1の赤外線検出素子を用いて、撮像を行うに際し、以下のような不具合があった。
特許文献1の構造では、同文献の図2に示されるように、ダイヤフラム部に窒化膜4と窒化膜6とが存在する。しかしながら、窒化膜は、精度よく形成するには、ある程度の厚みが必要である。そのために、2枚の窒化膜を設けることで、合計厚さは厚くならざるを得ず、熱容量が増大する。この熱容量の増大のために、赤外線の検知精度が低下する。
However, when imaging is performed using the infrared detection element of Patent Document 1, there are the following problems.
In the structure of Patent Document 1, a nitride film 4 and a
本発明の目的は、入射される赤外線を有効に利用しつつ、ダイヤフラム部の熱容量を低減する手段を講ずることにより、高感度の赤外線撮像素子およびその製造方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a high-sensitivity infrared imaging device and a method for manufacturing the same by taking measures to reduce the heat capacity of a diaphragm while effectively using incident infrared rays.
本発明の赤外線撮像素子は、基板上に空間を挟んで設けられたダイヤフラム部を備えている。そして、ダイヤフラム部に、熱吸収膜と、熱吸収膜を支持する絶縁支持膜とを設ける。一方、基板の熱吸収膜下方に位置する領域に、赤外線反射膜を設ける。また、ダイヤフラム部に温接点部を、基板上に冷接点部を、それぞれ有する熱電部材を設ける。さらに、熱電部材を含み、基板上でダイヤフラム部を支持する梁部材を設ける。
ここで、絶縁支持膜は、単一の絶縁層によって構成されている。
The infrared imaging device of the present invention includes a diaphragm portion provided on a substrate with a space interposed therebetween. Then, a heat absorption film and an insulating support film that supports the heat absorption film are provided on the diaphragm portion. On the other hand, an infrared reflection film is provided in a region located below the heat absorption film of the substrate. Further, a thermoelectric member having a hot junction part on the diaphragm part and a cold junction part on the substrate is provided. Further, a beam member including a thermoelectric member and supporting the diaphragm portion on the substrate is provided.
Here, the insulating support film is composed of a single insulating layer.
この構造により、本発明では、以下の作用効果が得られる。
熱吸収膜等を支持する絶縁支持膜を設けたことで、ダイヤフラム部に熱吸収膜を安定して保持することができる。また、単一の絶縁層からなる絶縁支持膜なので、熱吸収率を維持しうる下限の厚さ付近にすることができるからである。したがって、絶縁支持膜の熱容量を低減することにより、赤外線の検知感度も向上する。
一方、特許文献1のように、ダイヤフラム部に2枚の絶縁支持膜(窒化膜)を設けた場合、その合計厚さが厚くなる。反面、各窒化膜を薄くすると、熱吸収率が低下する。
それに対し、本発明では、絶縁支持膜の熱吸収率を高く維持しうる。よって、入射される赤外線を有効に利用しつつ、ダイヤフラム部の熱容量を低減して、高感度の撮像を行うことができる。
With this structure, the following effects can be obtained in the present invention.
By providing the insulating support film that supports the heat absorption film or the like, the heat absorption film can be stably held in the diaphragm portion. Further, since the insulating support film is made of a single insulating layer, the thickness can be around the lower limit of the thickness capable of maintaining the heat absorption rate. Therefore, the infrared detection sensitivity is also improved by reducing the heat capacity of the insulating support film.
On the other hand, as in Patent Document 1, when two insulating support films (nitride films) are provided in the diaphragm portion, the total thickness is increased. On the other hand, if each nitride film is made thinner, the heat absorption rate is lowered.
On the other hand, in the present invention, the heat absorption rate of the insulating support film can be kept high. Therefore, it is possible to perform high-sensitivity imaging by reducing the heat capacity of the diaphragm portion while effectively using incident infrared rays.
絶縁支持膜は、窒化シリコンにより構成されていることが好ましい。シリコン窒化膜は、比較的赤外線吸収率および強度が大きい。よって、絶縁支持膜を窒化シリコンによって構成することにより、検知感度をより高くすることができる。 The insulating support film is preferably made of silicon nitride. The silicon nitride film has a relatively high infrared absorption rate and strength. Therefore, the detection sensitivity can be further increased by configuring the insulating support film with silicon nitride.
絶縁支持膜が、窒化シリコンからなる場合、絶縁支持膜の厚さが、400nm未満であることが好ましい。窒化膜の熱吸収率を高く維持するためには、200nm程度の厚みが必要である。特許文献1のごとく、2枚の窒化膜を設けた場合、熱吸収率を高く維持するためには、合計厚さが400nm以上になる。それに対し、単一の窒化膜では、400nm未満にして、熱吸収率を高く維持しつつ、熱容量を効果的に低減することができる。 When the insulating support film is made of silicon nitride, the thickness of the insulating support film is preferably less than 400 nm. In order to keep the heat absorption rate of the nitride film high, a thickness of about 200 nm is necessary. As in Patent Document 1, when two nitride films are provided, the total thickness is 400 nm or more in order to keep the heat absorption rate high. On the other hand, with a single nitride film, the heat capacity can be effectively reduced while maintaining a high heat absorption rate to less than 400 nm.
梁部材が絶縁支持膜と同時に堆積された絶縁層を含んでいてもよい。これにより、梁部材の強度を強化しつつ、赤外線の検知感度も高く維持することができる。 The beam member may include an insulating layer deposited simultaneously with the insulating support film. Thereby, the infrared detection sensitivity can be maintained high while strengthening the strength of the beam member.
1対の熱電部材のうち、一方はBi−TeまたはBi−Se−Teからなり、他方はBi−Sb−Teからなることが好ましい。大きな起電力を確保して、高い感度が得られるからである。 Of the pair of thermoelectric members, one is preferably made of Bi-Te or Bi-Se-Te, and the other is preferably made of Bi-Sb-Te. This is because a large electromotive force is secured and high sensitivity can be obtained.
本発明の赤外線撮像素子の製造方法は、以下の手順によって行われる。基板上に赤外線反射膜を形成した後、島状の犠牲層を形成する。次に、犠牲層の上面上に、絶縁支持膜を形成した後、犠牲層の側面および上面に亘る領域に、1対の熱電部材を形成する。または、犠牲層の側面および上面に亘る領域に、1対の熱電部材を形成した後、その上に絶縁支持膜を形成する。さらに、熱吸収膜を形成してから、犠牲層を除去する。 The manufacturing method of the infrared imaging element of the present invention is performed by the following procedure. After forming the infrared reflecting film on the substrate, an island-shaped sacrificial layer is formed. Next, after forming an insulating support film on the upper surface of the sacrificial layer, a pair of thermoelectric members is formed in a region extending from the side surface to the upper surface of the sacrificial layer. Alternatively, after a pair of thermoelectric members is formed in a region extending from the side surface to the upper surface of the sacrificial layer, an insulating support film is formed thereon. Further, after the heat absorbing film is formed, the sacrificial layer is removed.
この方法により、上述の効果を発揮する赤外線撮像素子が得られる。
特に、絶縁支持膜を形成する工程で、犠牲層の側面上の熱電対に接する部分を残存させることにより、梁部材の強度を強化することができる。
By this method, an infrared imaging device that exhibits the above-described effects can be obtained.
In particular, the strength of the beam member can be enhanced by leaving the portion in contact with the thermocouple on the side surface of the sacrificial layer in the step of forming the insulating support film.
本発明の赤外線撮像素子またはその製造方法によると、入射赤外線を有効に利用しつつ、熱容量を低減して高感度の赤外線撮像素子を得ることができる。 According to the infrared imaging device or the manufacturing method thereof of the present invention, it is possible to obtain a highly sensitive infrared imaging device by reducing the heat capacity while effectively using incident infrared rays.
(実施の形態1)
−赤外線撮像素子の構造−
図1(a),(b)は、本発明の実施形態1に係る赤外線撮像素子のI-I線における断面図、および平面図である。本実施の形態の赤外線撮像素子は、たとえば波長8〜12μm(中心波長10μm)の遠赤外線を用いたものである。しかし、本発明の赤外線撮像素子は、遠赤外線を用いたものに限定されるものではない。
(Embodiment 1)
-Structure of infrared image sensor-
1A and 1B are a cross-sectional view and a plan view taken along line II of the infrared imaging device according to the first embodiment of the present invention. The infrared imaging element of the present embodiment uses far infrared rays having a wavelength of 8 to 12 μm (center wavelength of 10 μm), for example. However, the infrared imaging device of the present invention is not limited to the one using far infrared rays.
赤外線撮像素子10は、Si基板11を用いて形成されている。Si基板11の上には、第1,第2電極12a,12bと、反射膜13と、保護膜14とが形成されている。反射膜13は、保護膜14によって覆われている。第1,第2電極12a,12bの大部分は保護膜によって覆われているが、一部は保護膜14の開口内に露出している。開口内において、第1,第2電極12a,12bの上には、第1,第2コンタクト18a,18bが形成されている。
The
第1,第2電極12a,12bおよび反射膜13は、いずれも厚み200nm程度のAl膜から形成されている。保護膜14は、厚み200nm程度のシリコン酸化膜から形成されている。第1,第2コンタクト18a,18bは、厚み200nm程度のTi/Au膜から形成されている。Au膜は,後述する熱電部材とオーミック接触するための材料である。Ti膜は、AuとAlとの密着性を高めるための材料である。
The first and
保護膜14の上方には、空間30が存在している。そして、空間30の上方を覆うようにダイヤフラム部Dが設けられている。ダイヤフラム部Dには、絶縁支持膜17と、配線19と、第1,第2熱電部材20a,20bと、熱吸収膜22とが設けられている。
A
絶縁支持膜17は、厚み250nm程度のシリコン窒化膜から形成されている。配線19は、厚みが100nm程度のAu膜から形成されている。熱吸収膜22は、厚みが3〜5nm程度のニッケルクロム膜または白金膜から形成されている。
The
図1(b)に示されるように、絶縁支持膜17および熱吸収膜21は、平面形状が矩形である。また、配線19は、幅が5μm程度の線材である。そして、絶縁支持膜17は、ダイヤフラム部D全体を支持するものである。また、絶縁支持膜17により、熱吸収膜21の平板形状が、精度よく維持される。
As shown in FIG. 1B, the insulating
配線22の両端上には、熱電対を構成する第1,第2熱電部材20a,20bが接触している。第1,第2熱電部材20a,20bは、それぞれ基板上まで延びている。基板上で、第1,第2熱電部材20a,20bの端部は、第1,第2コンタクト18a,18bにそれぞれ接続されている。つまり、第1,第2熱電部材20a,20bは、第1,第2電極12a,12bに電気的に接続されている。
The first and second
第1熱電部材20aは、厚み0.5μm程度のBi−TeまたはBi−Se−Te膜から形成されている。第2熱電部材20bは、厚み0.5μm程度のBi−Sb−Te膜から形成されている。Bi−Te,Bi−Se−TeおよびBi−Sb−Teは、熱処理によってAuと容易にオーミック接触する材料である。
The first
第1,第2熱電部材20a,20bの配線19に接続される端部は、温接点部Tha,Thbである。第1,第2熱電部材20a,20bの第1,第2コンタクト18a,18bに接続される端部は、冷接点部Tca,Tccbである。
End portions connected to the
本実施の形態の赤外線撮像素子10は、空間30を挟んで、ダイヤフラム部Dを設けたダイヤフラム構造を有している。ダイヤフラム部Dは、第1,第2熱電部材20a,20b,熱吸収膜22,絶縁支持膜17等を有している。また、熱電部材20a,20bのみにより、ダイヤフラム部Dを支持する梁部材Hが構成されている。つまり、セルフサポート構造を有している。
The
赤外線が入射されると、熱吸収膜22に吸収されて、図1(b)に示すホットポイントRht付近の温度が特に上昇する。熱吸収膜22等を通過した赤外線は、赤外線反射膜13によって反射され、熱吸収膜22に再入射される。
When infrared rays are incident, they are absorbed by the
ここで、空間30の縦方向寸法は、赤外線の波長をλとすると、(1/4)λ付近に設定されている。つまり、反射赤外線と入射赤外線とが打ち消し合う干渉が生じる。この干渉を生じた赤外線同士が、熱吸収膜22中の自由電子に吸収されて熱になる。この熱は、に伝わり、絶縁被覆膜19の温度が上昇する。つまり、絶縁被覆膜19に接触している温接点部Tha,Thbの温度が上昇する。
Here, the vertical dimension of the
このように、入射した赤外線をできるだけ有効に検知に利用しうる構造となっている。本実施の形態では、熱吸収膜22と赤外線反射膜13との間の距離は、2.5μm{≒(1/4n)×10}である。ここで、nは、熱吸収膜22と赤外線反射膜13との実効的な屈折率である。
Thus, the structure is such that incident infrared rays can be utilized as effectively as possible. In the present embodiment, the distance between the
温接点部Tha,Thbの温度が上昇すると、冷接点部Tca,Tccbとの温度差に応じた電位差が第1,第2熱電部材20a,20bに生じる。つまり、第1,第2熱電部材20a,20bの電位差に応じた起電力が得られる。この起電力が第1,第2電極20a,20bから取り出され、電気信号としてSi基板11上の読み出し回路に送られる。この電気信号は、赤外線撮像素子10が配置されている領域に入射された赤外線量を示している。そして、Si基板11上の多数の赤外線撮像素子10からの電気信号に基づいて、外部回路で赤外画像が作成される。
When the temperature of the hot junction portions Tha and Thb rises, a potential difference corresponding to the temperature difference from the cold junction portions Tca and Tccb is generated in the first and second
−赤外線撮像素子の製造工程−
図2(a)〜(e)および図3(a)〜(c)は、実施の形態1に係る赤外線撮像素子の製造工程を示す断面図である。
まず、図2(a)に示す工程で、Si基板11上に、レジスト膜を堆積する(図示せず)。続いて、リソグラフィーにより、レジスト膜のうち、部材を形成する領域を開口する。次に、レジスト膜およびSi基板11の上に、スパッタにより、厚み200nm程度のAl膜を堆積する。次に、レジスト膜をアセトン等のエッチャントを用いて除去する。このリフトオフによって、Si基板11の上に、赤外線反射膜13、および第1,第2電極12a,12bを形成する。赤外線反射膜13は、Al膜のうち,素子中央部に位置する部分である。第1,第2電極12a,12bは、Al膜のうち,素子の両端から側方に延びる部分である。図示しないが、第1,第2電極12a,12bは、Si基板11上に延びて、撮像信号の供給配線につながっている。
-Manufacturing process of infrared imaging device-
FIGS. 2A to 2E and FIGS. 3A to 3C are cross-sectional views illustrating the manufacturing process of the infrared imaging element according to the first embodiment.
First, in the step shown in FIG. 2A, a resist film is deposited on the Si substrate 11 (not shown). Subsequently, in the resist film, a region for forming a member is opened by lithography. Next, an Al film having a thickness of about 200 nm is deposited on the resist film and the
次に、図2(b)に示す工程で、スパッタにより、基板上に、SiO2からなる,厚み200nm程度の保護膜14を堆積する。保護膜14は、Si基板11,赤外線反射膜13、および第1,第2電極12a,12bを覆っている。保護膜14のうち、赤外線反射膜13の上方に位置する部分は、赤外線反射膜13を保護する機能を果たしている。
Next, in the step shown in FIG. 2B, a
次に、図2(c)に示す工程で、スパッタにより、保護膜14の上に、厚み1.5μm程度の感光性ポリイミド膜(レジスト膜)を順次堆積する。続いて、リソグラフィーにより、感光性ポリイミド膜をパターニングする。この感光性ポリイミド膜を、200℃程度でハードベークして、犠牲層15を形成する。犠牲層15の立体形状は、第1,第2電極12a,12bの近傍に下端部を有する四角錐台である。
Next, in the step shown in FIG. 2C, a photosensitive polyimide film (resist film) having a thickness of about 1.5 μm is sequentially deposited on the
次に、図2(d)に示す工程で、スパッタにより、基板全体に、厚みが250nm程度のシリコン窒化膜を堆積する。続いて、CF4・CHF3・O2を用いたRIEにより、シリコン窒化膜をパターニングして、絶縁支持膜17を形成する。絶縁支持膜17は、犠牲層15の上面および保護膜14を覆っており、ダイヤフラム部Dの底壁となる。
絶縁支持膜17のうち、第1,第2電極12a,12bの上方に位置する部分には、コンタクトホールが形成されている。また、犠牲層15の斜面上では、絶縁支持膜17が除去されている。
Next, in the step shown in FIG. 2D, a silicon nitride film having a thickness of about 250 nm is deposited on the entire substrate by sputtering. Subsequently, the insulating
A contact hole is formed in a portion of the insulating
次に、図2(e)に示す工程で、基板上に、スパッタにより、Ti膜およびAu膜を連続して堆積する。Au/Ti膜の合計厚みは200nm程度である。続いて、Cl2を用いたRIEにより、Au/Ti膜をパターニングする。これにより、ダイヤフラム部Dの絶縁支持膜17の上に、幅が5μm程度の配線19が形成される。同時に、第1,第2電極12a,12bの上に、第1,第2コンタクト18a,18bが形成される。
Next, in the step shown in FIG. 2E, a Ti film and an Au film are successively deposited on the substrate by sputtering. The total thickness of the Au / Ti film is about 200 nm. Subsequently, the Au / Ti film is patterned by RIE using Cl 2 . As a result, a
次に、図3(a)に示す工程で、リソグラフィーにより、基板全体に、第1熱電部材を形成する領域を開口したレジスト膜を形成する。続いて、スパッタにより、レジスト膜の上に、Bi−Te(またはBi−Se−Te)膜を堆積する。続いて、アセトン等により、レジスト膜を除去して、リフトオフ法により、第1熱電部材20aを形成する。同様のリフトオフ法により、Bi−Sb−Teからなる第2熱電部材20bを形成する。第1,第2熱電部材20aの各一端は、配線19の各端部に接触している。第1,第2熱電部材20a,20bは、ダイヤフラム部Dから犠牲層15の斜面を経て、Si基板11上まで延びている。第1,第2熱電部材20a,20bの他端は、コンタクトホールを埋めて、第1,第2コンタクト18a,18bに接触している。
Next, in the step shown in FIG. 3A, a resist film having an opening in the region where the first thermoelectric member is to be formed is formed on the entire substrate by lithography. Subsequently, a Bi—Te (or Bi—Se—Te) film is deposited on the resist film by sputtering. Subsequently, the resist film is removed with acetone or the like, and the first
次に、図3(b)に示す工程で、スパッタにより、基板全体に、厚みが3〜5nm程度のNiCr膜を堆積する。NiCr膜に代えて、Pt膜を堆積してもよい。続いて、Cl2・BCl3を用いたRIEにより、NiCr膜をパターニングして、ダイヤフラム部Dに熱吸収膜22を形成する。熱吸収膜22は、各熱電部材20a,20b,配線19,および絶縁支持膜17を覆っている。犠牲層15の斜面上では、熱吸収膜22は除去されている。
Next, in the step shown in FIG. 3B, a NiCr film having a thickness of about 3 to 5 nm is deposited on the entire substrate by sputtering. A Pt film may be deposited instead of the NiCr film. Subsequently, the NiCr film is patterned by RIE using Cl 2 · BCl 3 to form the
次に、図3(c)に示す工程で、酸素プラズマを用いて、犠牲層15を除去する。これにより、図1(a),(b)に示す赤外線撮像素子10が形成される。
その後、熱処理を行なって、各熱電部材20a,20bを構成するBi−Te(またはBi−Se−Te),Bi−Sb−Teの性能を向上させる。
Next, in the step shown in FIG. 3C, the
Thereafter, heat treatment is performed to improve the performance of Bi-Te (or Bi-Se-Te) and Bi-Sb-Te constituting each
本実施の形態の赤外線撮像素子10によると、以下の作用効果が得られる。
1対の熱電部材20a,20bのみにより、配線19,絶縁支持膜17,熱吸収膜22等が支持されている。つまり、いわゆるセルフサポート構造をしている。固体を介した基板への熱伝導は、各熱電部材20a,20bを経る経路だけであるので、放熱が抑制される。空間30等の周囲は,通常は真空に保持されるので、放熱量は小さい。
According to the
The
加えて、ダイヤフラム部Dには、単一の絶縁層からなる絶縁支持膜17だけが設けられているので、熱容量が低減する。単一の絶縁層からなる絶縁支持膜なので、熱吸収率を維持しうる下限の厚さ付近にすることができるからである。したがって、絶縁支持膜の熱容量を低減することにより、赤外線の検知感度も向上する。
In addition, since only the insulating
一方、特許文献1のように、ダイヤフラム部Dに2枚の絶縁支持膜(窒化膜)を設けた場合、その合計厚さが厚くなる。反面、各窒化膜を薄くすると、熱吸収率が低下する。
それに対し、本発明では、絶縁支持膜の熱吸収率を高く維持しうる。よって、入射される赤外線を有効に利用しつつ、ダイヤフラム部Dの熱容量を低減して、高感度の撮像を行うことができる。
On the other hand, as in Patent Document 1, when two insulating support films (nitride films) are provided on the diaphragm portion D, the total thickness is increased. On the other hand, if each nitride film is made thinner, the heat absorption rate is lowered.
On the other hand, in the present invention, the heat absorption rate of the insulating support film can be kept high. Therefore, it is possible to reduce the heat capacity of the diaphragm portion D and effectively perform imaging with high sensitivity while effectively using incident infrared rays.
絶縁支持膜17が、窒化シリコンからなる場合、絶縁支持膜の厚さが、400nm未満であることが好ましい。窒化膜の熱吸収率を高く維持するためには、200nm程度の厚みが必要である。特許文献1のごとく、2枚の窒化膜を設けた場合、熱吸収率を高く維持するためには、合計厚さが400nm以上になる。それに対し、単一の窒化膜では、400nm未満にして、熱吸収率を高く維持しつつ、熱容量を効果的に低減することができる。
When the insulating
本実施の形態では、熱吸収膜22を通過した赤外線は、赤外線反射膜13によって反射され、熱吸収膜22に吸収される。その際、上述のように、空間30の縦方向寸法の設計によって、反射赤外線と入射赤外線との干渉が生じる。そして、干渉により熱吸収膜22に効率よく熱が吸収されるとともに、絶縁支持膜17によっても熱が吸収される。よって、入射した赤外線をできるだけ有効に利用することができ、高い検知精度を発揮することができる。
In the present embodiment, infrared rays that have passed through the
本発明の第1,第2熱電部材20a,20bは、Bi−Te(またはBi−Se−Te),Bi−Sb−Teに限定されるものではない。ただし、Bi−Te(またはBi−Se−Te),Bi−Sb−Teを用いると、起電力を大きく確保でき、高い検出感度が得られる。
The first and second
1対の熱電部材が、互いにオーミック接触可能な材料である場合は、配線19は必要でない。その場合には、各熱電部材を絶縁支持膜17の中央付近まで延ばして、互いに接触させればよい。
When the pair of thermoelectric members are materials that can make ohmic contact with each other, the
本実施の形態では、Bi−Te(またはBi−Se−Te),Bi−Sb−Teを用いたので、配線19にはAu膜を用いている。熱電部材として他の材料を用いる場合には、当該材料とオーミック接触させうる配線材料を用いればよい。
In this embodiment mode, Bi—Te (or Bi—Se—Te) or Bi—Sb—Te is used, and therefore an Au film is used for the
(実施の形態2)
−赤外線撮像素子の構造−
図4(a),(b)は、本発明の実施形態2に係る赤外線撮像素子のIV-IV線における断面図、および平面図である。図4(a),(b)において、実施の形態1と同じ部材については、同じ符号を付して、説明を省略する。
(Embodiment 2)
-Structure of infrared image sensor-
4A and 4B are a cross-sectional view and a plan view taken along line IV-IV of the infrared imaging device according to the second embodiment of the present invention. 4 (a) and 4 (b), the same members as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
本実施の形態においては、単一の絶縁支持膜17が、配線19および各熱電部材20a,20bの上方に設けられている。配線19および各熱電部材20a,20bの下方には、絶縁支持膜は存在しない。絶縁支持膜17の厚みおよび材質は、実施の形態1と同じである。
In the present embodiment, a single insulating
−赤外線撮像素子の製造工程−
図5(a)〜(d)および図6(a)〜(d)は、実施の形態2に係る赤外線撮像素子の製造工程を示す断面図である。
まず、図5(a)〜(c)に示す工程で、実施の形態1における図2(a)〜(c)と同じ工程を行う。
-Manufacturing process of infrared imaging device-
FIGS. 5A to 5D and FIGS. 6A to 6D are cross-sectional views illustrating the manufacturing process of the infrared imaging element according to the second embodiment.
First, in the steps shown in FIGS. 5A to 5C, the same steps as those in FIGS. 2A to 2C in the first embodiment are performed.
次に、図5(d)に示す工程で、基板上に、スパッタにより、Ti膜およびAu膜を連続して堆積する。Au/Ti膜の合計厚みは200nm程度である。続いて、Cl2を用いたRIEにより、Au/Ti膜をパターニングする。これにより、犠牲層15の上で、ダイヤフラム部Dの底部に、幅が5μm程度の配線19が形成される。また、第1,第2電極12a,12bの上に、第1,第2コンタクト18a,18bが形成される。
Next, in the step shown in FIG. 5D, a Ti film and an Au film are successively deposited on the substrate by sputtering. The total thickness of the Au / Ti film is about 200 nm. Subsequently, the Au / Ti film is patterned by RIE using Cl 2 . As a result, a
次に、図6(a)に示す工程で、リソグラフィーにより、基板全体に、第1熱電部材を形成する領域を開口したレジスト膜を形成する。続いて、スパッタにより、レジスト膜の上に、Bi−Te(またはBi−Se−Te)膜を堆積する。続いて、アセトン等により、レジスト膜を除去して、リフトオフ法により、第1熱電部材20aを形成する。同様のリフトオフ法により、Bi−Sb−Teからなる第2熱電部材20bを形成する。第1,第2熱電部材20aの各一端は、配線19の各端部に接触している。第1,第2熱電部材20a,20bは、ダイヤフラム部Dから犠牲造15の斜面を経て、Si基板11上まで延びている。第1,第2熱電部材20a,20bの他端は、コンタクトホールを埋めて、第1,第2コンタクト18a,18bに接触している。
Next, in the step shown in FIG. 6A, a resist film having a region where the first thermoelectric member is to be formed is formed on the entire substrate by lithography. Subsequently, a Bi—Te (or Bi—Se—Te) film is deposited on the resist film by sputtering. Subsequently, the resist film is removed with acetone or the like, and the first
次に、図6(b)に示す工程で、スパッタにより、基板全体に、厚みが250nm程度のシリコン窒化膜を堆積する。続いて、CF4・CHF3・O2を用いたRIEにより、シリコン窒化膜をパターニングして、ダイヤフラム部Dに、絶縁支持膜17を形成する。絶縁支持膜17は、配線および各熱電部材20a,20bを覆っている。
絶縁支持膜17のうち、第1,第2電極12a,12bの上方に位置する部分には、コンタクトホールが形成されている。また、犠牲層15の斜面上では、絶縁支持膜17が除去されている。
Next, in the step shown in FIG. 6B, a silicon nitride film having a thickness of about 250 nm is deposited on the entire substrate by sputtering. Subsequently, the silicon nitride film is patterned by RIE using CF 4 .CHF 3 .O 2 to form the insulating
A contact hole is formed in a portion of the insulating
次に、図6(c)に示す工程で、スパッタにより、基板全体に、厚みが3〜5nm程度のNiCr膜を堆積する。NiCr膜に代えて、Pt膜を堆積してもよい。続いて、Cl2・BCl3を用いたRIEにより、NiCr膜をパターニングして、ダイヤフラム部Dに熱吸収膜22を形成する。熱吸収膜22は、配線19,各熱電部材20a,20b,および絶縁支持膜17を覆っている。犠牲層15の斜面上では、熱吸収膜22は除去されている。
Next, in the step shown in FIG. 6C, a NiCr film having a thickness of about 3 to 5 nm is deposited on the entire substrate by sputtering. A Pt film may be deposited instead of the NiCr film. Subsequently, the NiCr film is patterned by RIE using Cl 2 · BCl 3 to form the
次に、図6(d)に示す工程で、XeF2ガスを用いて、犠牲層15を除去する。これにより、図4(a),(b)に示す赤外線撮像素子10が形成される。
Next, in the step shown in FIG. 6D, the
その後、熱処理を行なって、各熱電部材20a,20bを構成するBi−Te(またはBi−Se−Te),Bi−Sb−Teの性能を向上させる。
Thereafter, heat treatment is performed to improve the performance of Bi-Te (or Bi-Se-Te) and Bi-Sb-Te constituting each
本実施の形態の赤外線撮像素子10においても、ダイヤフラム部Dには、単一の絶縁層からなる絶縁支持膜17が設けられている。よって、本実施の形態によっても、実施の形態1と同じ効果を発揮することができる。
Also in the
(実施の形態3)
−赤外線撮像素子の構造−
図7(a),(b)は、本発明の実施形態3に係る赤外線撮像素子のVII-VII線における断面図、および平面図である。図7(a),(b)において、実施の形態1と同じ部材については、同じ符号を付して、説明を省略する。
(Embodiment 3)
-Structure of infrared image sensor-
7A and 7B are a cross-sectional view and a plan view, taken along line VII-VII, of the infrared imaging device according to the third embodiment of the present invention. 7A and 7B, the same members as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
本実施の形態においては、絶縁支持膜17の一部が斜面に延びて、第1,第2斜面絶縁膜17a,17となっている。そして、第1,第2斜面絶縁膜17a,17bの上に、第1,第2熱電部材20a,20bが形成されている。両者の幅は、ほぼ同じである。梁部材Hが、各熱電部材20a,20bの一部と、その下方の斜面絶縁膜17a,17bとによって構成されている。絶縁支持膜17の厚みおよび材質は、実施の形態1と同じである。ただし、Bi−Te(またはBi−Se−Te),Bi−Sb−Teからなる第1,第2熱電部材20a,20bの厚みは、0.3μm程度でよい。
In the present embodiment, a part of the insulating
−赤外線撮像素子の製造工程−
図8(a)〜(c)は、実施の形態3に係る赤外線撮像素子の製造工程を示す断面図である。本実施の形態においては、実施の形態1と同じ処理を行う工程については、図示を省略している。
-Manufacturing process of infrared imaging device-
8A to 8C are cross-sectional views illustrating the manufacturing process of the infrared imaging element according to the third embodiment. In the present embodiment, the illustration of the steps for performing the same processing as in the first embodiment is omitted.
図示しないが、まず、実施の形態1における図2(a)〜(c)に示す工程と同じ処理を行う。 Although not shown, first, the same processing as that shown in FIGS. 2A to 2C in the first embodiment is performed.
次に、図8(a)に示す工程で、スパッタにより、基板上に、厚みが250nm程度のシリコン窒化膜を堆積する。続いて、CF4・CHF3・O2を用いたRIEにより、シリコン窒化膜をパターニングして、絶縁支持膜17を形成する。絶縁支持膜17は、犠牲層15の上面および保護膜14を覆っており、ダイヤフラム部Dの底壁となる。また、本実施の形態では、絶縁支持膜17の一部である第1,第2斜面絶縁膜17a,17bを、犠牲層15の斜面上に残す。斜面絶縁膜17a,17bは、後に形成する第1,第2熱電部材20a,20bとほぼ同じ幅を有している。
また、絶縁支持膜17のうち、第1,第2電極12a,12bの上方に位置する部分には、コンタクトホールが形成されている。
Next, in the step shown in FIG. 8A, a silicon nitride film having a thickness of about 250 nm is deposited on the substrate by sputtering. Subsequently, the insulating
A contact hole is formed in a portion of the insulating
次に、図8(b)に示す工程で、基板上に、スパッタにより、Ti膜およびAu膜を連続して堆積する。Au/Ti膜の合計厚みは200nm程度である。続いて、Cl2を用いたRIEにより、Au/Ti膜をパターニングする。これにより、犠牲層15の上で、ダイヤフラム部Dの底部に、幅が5μm程度の配線19が形成される。また、第1,第2電極12a,12bの上に、第1,第2コンタクト18a,18bが形成される。
Next, in the step shown in FIG. 8B, a Ti film and an Au film are successively deposited on the substrate by sputtering. The total thickness of the Au / Ti film is about 200 nm. Subsequently, the Au / Ti film is patterned by RIE using Cl 2 . As a result, a
次に、図8(c)に示す工程で、リソグラフィーにより、基板全体に、第1熱電部材を形成する領域を開口したレジスト膜を形成する。続いて、スパッタにより、レジスト膜の上に、Bi−Te(またはBi−Se−Te)膜を堆積する。続いて、アセトン等により、レジスト膜を除去して、リフトオフ法により、第1熱電部材20aを形成する。同様のリフトオフ法により、Bi−Sb−Teからなる第2熱電部材20bを形成する。
Next, in the step shown in FIG. 8C, a resist film having a region where the first thermoelectric member is to be formed is formed on the entire substrate by lithography. Subsequently, a Bi—Te (or Bi—Se—Te) film is deposited on the resist film by sputtering. Subsequently, the resist film is removed with acetone or the like, and the first
第1,第2熱電部材20a,20bは、ダイヤフラム部Dから犠牲層15の斜面を経て、Si基板11上まで延びている。第1,第2熱電部材20aは、犠牲層15の斜面上においては、第1,第2斜面絶縁膜17a,17bの上に形成される。これにより、第1,第2熱電部材20a,20bの各一部と、第1,第2斜面絶縁膜17a,17bとからなる梁部材Hが形成される。
また、第1,第2熱電部材20aの各一端は、配線19の各端部に接触している。第1,第2熱電部材20a,20bの他端は、絶縁支持膜17のコンタクトホールを埋めて、第1,第2コンタクト18a,18bに接触している。
The first and second
In addition, each end of the first and second
その後の工程の図示は省略するが、実施の形態1における図3(b),(c)と同じ処理を行う。これにより、図7(a),(b)に示す赤外線撮像素子10が形成される。
その後、熱処理を行なって、各熱電部材20a,20bを構成するBi−Te(またはBi−Se−Te),Bi−Sb−Teの性能を向上させる。
Although illustration of subsequent steps is omitted, the same processing as in FIGS. 3B and 3C in Embodiment 1 is performed. As a result, the
Thereafter, heat treatment is performed to improve the performance of Bi-Te (or Bi-Se-Te) and Bi-Sb-Te constituting each
本実施の形態の赤外線撮像素子10においても、ダイヤフラム部Dには、単一の絶縁層からなる絶縁支持膜17が設けられている。よって、本実施の形態によっても、実施の形態1と同じ効果を発揮することができる。
加えて、本実施の形態では、梁部材Hが、第1,第2斜面絶縁膜17a,17bをも含んでいる。しかも、工程数は、実施の形態1よりも増えることはない。よって、本実施の形態により、工程数を増やすことなく、実施の形態1よりも強い梁部材Hが得られる。
Also in the
In addition, in the present embodiment, the beam member H also includes first and second
(その他の実施の形態)
実施の形態3における第1,第2斜面絶縁膜17a,17bを、第1,第2熱電部材20a,20bの上方に形成してもよい。その場合には、実施の形態2における絶縁支持膜17の一部を、第1,第2熱電部材20a,20bに残せばよい。
(Other embodiments)
The first and second
上記開示された本発明の実施形態の構造は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むものである。 The structures of the embodiments of the present invention disclosed above are merely examples, and the scope of the present invention is not limited to the scope of these descriptions. The scope of the present invention is indicated by the description of the scope of claims, and further includes meanings equivalent to the description of the scope of claims and all modifications within the scope.
本発明の赤外線撮像素子は、各種生体や発熱性機器,あるいはそれらの一部などを撮像する撮像装置に利用することができる。 The infrared imaging element of the present invention can be used in an imaging device that images various living bodies, exothermic devices, or a part thereof.
10 赤外線撮像素子
11 Si基板
12a 第1電極
12b 第2電極
13 赤外線反射膜
14 保護膜
15 犠牲層
17 絶縁支持膜
17a 第1斜面絶縁膜
17b 第2斜面絶縁膜
18a 第1コンタクト
18b 第2コンタクト
19 配線
20a 第1熱電部材
20b 第2熱電部材
22 熱吸収膜
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記ダイヤフラム部に配置された熱吸収膜と、
前記ダイヤフラム部に配置され、前記熱吸収膜を支持する絶縁支持膜と、
前記基板の前記熱吸収膜下方に位置する領域に配置された赤外線反射膜と、
前記ダイヤフラム部に温接点部を、前記基板上に冷接点部を、それぞれ有し、温接点部同士、冷接点部同士が直接または間接的に接続された熱電部材と、
前記基板上で、前記ダイヤフラム部を支持する梁部材とを備え、
前記梁部材は、前記熱電部材を含んでおり、
前記絶縁支持膜は、単一の絶縁層によって構成されている、赤外線撮像素子。 An infrared imaging device including a diaphragm portion provided with a space on a substrate,
A heat absorption film disposed on the diaphragm,
An insulating support film disposed on the diaphragm portion and supporting the heat absorption film;
An infrared reflective film disposed in a region located below the heat absorption film of the substrate;
A thermoelectric member having a hot junction part on the diaphragm part and a cold junction part on the substrate, each of which is connected directly or indirectly between the hot junction parts;
A beam member for supporting the diaphragm part on the substrate;
The beam member includes the thermoelectric member,
The said insulating support film is an infrared imaging element comprised with the single insulating layer.
前記絶縁支持膜は、窒化シリコンにより構成されている、赤外線撮像素子。 The infrared imaging device according to claim 1,
The insulating support film is an infrared imaging device made of silicon nitride.
前記絶縁支持膜の厚さは、400nm未満である、赤外線撮像素子。 The infrared imaging device according to claim 1 or 2,
The infrared imaging element, wherein the insulating support film has a thickness of less than 400 nm.
前記梁部材は、前記絶縁支持膜と同時に堆積された絶縁層を含んでいる、赤外線撮像素子。 In the infrared imaging device according to any one of claims 1 to 3,
The infrared imaging device, wherein the beam member includes an insulating layer deposited simultaneously with the insulating support film.
前記1対の熱電部材のうち、一方はBi−TeまたはBi−Se−Teからなり、他方はBi−Sb−Teからなる、赤外線撮像素子。 In the infrared imaging device according to any one of claims 1 to 4,
An infrared imaging device in which one of the pair of thermoelectric members is made of Bi-Te or Bi-Se-Te and the other is made of Bi-Sb-Te.
前記基板および赤外線反射膜の上に、上面および側面を有する島状の犠牲層を形成する工程(b)と、
前記基板と、前記犠牲層の側面および上面に亘る領域に、1対の熱電部材を形成する工程(c)と、
前記工程(b)の後、前記工程(c)の前または後のいずれか一方の時点で、前記犠牲層の上面上に、単一の絶縁層からなる絶縁支持膜を形成する工程(d)と、
前記各熱電部材および絶縁支持膜の上に、熱吸収膜を形成する工程(e)と、
前記犠牲層を除去する工程(f)と、
を含む赤外線撮像素子の製造方法。 Forming an infrared reflecting film on the substrate (a);
Forming an island-shaped sacrificial layer having an upper surface and side surfaces on the substrate and the infrared reflective film (b);
A step (c) of forming a pair of thermoelectric members in a region extending over the substrate and the side and top surfaces of the sacrificial layer;
Step (d) of forming an insulating support film made of a single insulating layer on the upper surface of the sacrificial layer at any one time after the step (b) and before or after the step (c). When,
A step (e) of forming a heat absorption film on each thermoelectric member and the insulating support film;
Removing the sacrificial layer (f);
A method for manufacturing an infrared imaging device including:
前記工程(d)では、前記絶縁支持膜のうち、前記犠牲層の側面上の熱電対に接する部分を残存させる、赤外線撮像素子の製造方法。 In the manufacturing method of the infrared image sensor of Claim 6,
In the step (d), an infrared imaging element manufacturing method in which a portion of the insulating support film in contact with the thermocouple on the side surface of the sacrificial layer is left.
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