JP2011179953A - 赤外線センサ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】シリコン基板2上には、チタン酸ジルコン酸鉛からなる薄膜状の焦電素子14が設けられている。薄膜状の焦電素子14は、ゾルゲル法により形成することができる。ゾルゲル法では、粉体原料の焼結により焦電素子14を形成する手法と比較して、焦電素子14の厚さを小さくすることができる。
【選択図】図2
Description
サーモパイルは、基板上に薄膜が形成され、その薄膜上に熱電対(サーモカップル)が設けられた構造を有している。基板には、キャビティが形成されており、薄膜は、基板の表面側からキャビティを閉塞するように設けられている。熱電対の温接点がキャビティと対向する位置に配置され、その冷接点が基板におけるキャビティの周囲の部分と対向する位置に配置されることにより、温接点と冷接点とが熱的に分離されている。赤外線により薄膜の温度が上昇すると、熱電対の温接点と冷接点との間に温度差が生じ、その温度差に応じた電圧が検出信号として出力される。
本発明の目的は、焦電素子を用いた構造で薄型化が図られた、赤外線センサを提供することである。
半導体基板には、焦電素子と対向する部分に、その表面から掘り下がった形状のキャビティが形成されている。これにより、焦電素子が半導体素子から熱的に分離されるので、焦電素子から半導体基板に熱が逃げるのを防止することができる。その結果、赤外線の検出精度を高めることができる。
焦電素子は、被覆膜により被覆されている。これにより、焦電素子を水分などから保護することができる。とくに、被覆膜にアルミナからなるアルミナ膜が含まれる場合には、アルミナ膜の水素バリア性により、焦電素子の材料であるチタン酸ジルコン酸鉛の水素還元を防止することができる。よって、その水素還元に起因する焦電素子の特性劣化を防止することができる。
半導体基板を利用して、能動素子を形成することができる。さらに、半導体基板上に層間絶縁膜を挟んで配線を形成し、この配線をコンタクトプラグなどを介して能動素子に接続することができる。よって、赤外線センサに、焦電素子から出力される焦電流(出力信号)を処理する信号処理回路などを内蔵することができる。
A.半導体基板に能動素子を形成する工程と、
B.前記半導体基板上に層間絶縁膜を形成する工程と、
C.前記層間絶縁膜をその厚さ方向に貫通し、前記能動素子に電気的に接続されるコンタクトを形成する工程と、
D.ゾルゲル法により、前記層間絶縁膜上にチタン酸ジルコン酸鉛からなる薄膜状の焦電素子を形成する工程と、
E.前記焦電素子の形成後、前記層間絶縁膜上に前記焦電素子を被覆する被覆膜を形成する工程と、
F.前記被覆膜上に前記能動素子および前記焦電素子とそれぞれ電気的に接続される配線を形成する工程
また、半導体基板上に熱電対が設けられていてもよい。この場合、熱電対の温接点と冷接点との間の温度差に応じた電圧に基づいて、赤外線を検出することができる。よって、赤外線センサの用途に応じて、赤外線の検出素子として、焦電素子および熱電対の一方または両方を使用することができる。
図1は、本発明の一実施形態に係る赤外線センサのレイアウト図である。図2は、本発明の一実施形態に係る赤外線センサの模式的な断面図である。図2以降の各図では、導体からなる部分にのみハッチングが付され、その他の部分に対するハッチングの付与が省略されている。
焦電センサ領域4には、後述する焦電素子14をシリコン基板2から熱的に分離するためのキャビティ7が形成されている。キャビティ7は、シリコン基板2をその上面から掘り下げることにより形成され、下方ほど窄まった断面台形状をなしている。
メンブレン8上には、エッチングストッパ膜9が形成されている。エッチングストッパ膜9により、メンブレン8の上面の全域が覆われている。エッチングストッパ膜9は、窒化シリコン(SiN)からなる。
第1層間絶縁膜10上には、下部電極11が形成されている。下部電極11は、本体部12と、本体部12から延出した延出部13とを一体的に備えている。下部電極11は、チタン(Ti)からなる層およびプラチナ(Pt)からなる層を第1層間絶縁膜10側からこの順に積層した2層構造を有している。
焦電素子14上には、上部電極15がその上面の全域を覆うように形成されている。上部電極15は、イリジウム(Ir)からなる層および酸化イリジウム(IrO2)からなる層を焦電素子14側からこの順に積層した2層構造を有している。
配線19は、下部電極11の延出部13と被覆膜16を挟んで対向する位置に設けられている。配線19と延出部13との間において、被覆膜16には、貫通孔21が厚さ方向に貫通して形成されている。配線19の一端部は、貫通孔21内に入り込み、延出部13と接続されている。配線19の他端部は、ロジック回路領域6に形成されたロジック回路に接続されている。
第2層間絶縁膜23上には、第3層間絶縁膜26が積層されている。第3層間絶縁膜26は、酸化シリコンからなる。
キャビティ31を上方から閉塞するように、メンブレン32が形成されている。メンブレン32は、メンブレン8と同一工程で同一層に形成され、窒化シリコンからなる。
図3は、熱電対のレイアウトを示す図解的な平面図である。
図2,3に示すように、メンブレン32を挟んでキャビティ31と対向する位置において、一方の熱電対33の導線34,35の一端とそれぞれ他方の熱電対33の導線35,34の一端とが接続されており、それらの接続部が温接点45をなしている。そして、一方の熱電対33の導線34,35は、温接点45から一方向に延び、90°屈曲して延びた後、さらに折り返すように90°屈曲して延びている。一方の熱電対33の導線34,35の他端は、メンブレン32を挟んでシリコン基板2と対向する位置に配置され、互いに接続されて、それらの接続部が冷接点46をなしている。
エッチングストッパ膜36上には、第1層間絶縁膜37が積層されている。エッチングストッパ膜36は、第1層間絶縁膜37により、その表面の全域が覆われている。第1層間絶縁膜37は、第1層間絶縁膜10と同一工程で同一層に形成され、BPSGからなる。熱電対33上において、熱電対33に沿って延び、微小な間隔を空けて隣接する複数の平面視矩形状の領域から、第1層間絶縁膜37の上部が除去されている。そのため、当該領域上における第1層間絶縁膜37の上面は、当該領域外における第1層間絶縁膜37の上面よりも一段低くなっている。当該領域外における第1層間絶縁膜37の上面は、平坦化されている。
キャップ層38上には、第2層間絶縁膜39が積層されている。第2層間絶縁膜39は、その上面が平坦化された下層40と、下層40上に積層された上層41とを備えている。下層40および上層41は、それぞれ第2層間絶縁膜23の下層24および上層25と同一工程で同一層に形成され、いずれも酸化シリコンからなる。
第1層間絶縁膜37の上面が一段低い平面視矩形状の各領域に対して、その長手方向と直交する方向の両側方には、貫通孔43が形成されている。各貫通孔43は、その側方の平面視矩形状の領域の長手方向の長さと同じ長さを有し、メンブレン32、エッチングストッパ膜36および第1層間絶縁膜37を連続して貫通している。各貫通孔43は、メンブレン32およびエッチングストッパ膜36を貫通する部分でその他の部分よりもサイズが小さく形成され、これにより、その内面には、エッチングストッパ膜36と第1層間絶縁膜37との間で段差が生じている。各貫通孔43は、キャビティ31と連通している。
ロジック回路領域6において、MOSFET51が形成されるFET領域53と、MOSキャパシタ52が形成されるキャパシタ領域54とは、シリコン基板2の表面に形成されたLOCOS膜55により互いに絶縁分離されている。また、シリコン基板2には、p型不純物がドープされている。
また、FET領域53において、シリコン基板2の表層部には、n型のソース領域57およびドレイン領域58が間隔を空けて形成されている。
ゲート絶縁膜56上には、ソース領域57とドレイン領域58との間の領域(チャネル領域)と対向する部分に、ゲート電極59が形成されている。ゲート電極59は、ドープトポリシリコンからなるポリシリコン層60および金属材料からなる金属層61をゲート絶縁膜56側からこの順に積層した構造を有している。
ゲート電極59およびゲートキャップ膜62の周囲には、サイドウォール63が形成されている。サイドウォール63により、ゲート電極59およびゲートキャップ膜62の側面が取り囲まれて覆われている。サイドウォール63は、NSGからなる。
また、キャパシタ領域54において、シリコン基板2の表層部には、n型の不純物拡散領域65が形成されている。
キャパシタ絶縁膜64上には、上部電極66がLOCOS膜3,55と間隔を空けて形成されている。上部電極66は、ドープトポリシリコンからなるポリシリコン層67および金属材料からなる金属層68をキャパシタ絶縁膜64側からこの順に積層した構造を有している。ポリシリコン層67および金属層68は、それぞれゲート電極59のポリシリコン層60および金属層61と同一層に形成されている。
上部電極66およびキャパシタキャップ膜69の周囲には、サイドウォール70が形成されている。サイドウォール70により、上部電極66およびキャパシタキャップ膜69の側面が取り囲まれて覆われている。サイドウォール70は、サイドウォール63と同一工程で形成され、NSGからなる。
第1層間絶縁膜72上には、キャップ層73が積層されている。キャップ層73は、キャップ層38と同一工程で同一層に形成され、NSGからなる。
第1配線74の一部は、ゲート電極59と対向している。その第1配線74の一部とゲート電極59との間には、ビア77が形成されている。ビア77は、ゲートキャップ膜62、エッチングストッパ膜71、第1層間絶縁膜72およびキャップ層73を貫通し、その上端が第1配線74に接続され、下端がゲート電極59に接続されている。ビア77は、タングステン(W)からなる。
第2配線83の一部は、第1配線74と対向している。その第2配線83の一部と第1配線74との間には、ビア86が形成されている。ビア86は、第2層間絶縁膜80を貫通し、その上端が第2配線83に接続され、下端が第1配線74に接続されている。ビア86は、タングステンからなる。
第2配線85の一部は、第1配線76と対向している。その第2配線85の一部と第1配線76との間には、ビア88が形成されている。ビア88は、第2層間絶縁膜80を貫通し、その上端が第2配線85に接続され、下端が第1配線76に接続されている。ビア88は、タングステンからなる。
第3層間絶縁膜89上には、パッシベーション膜90が積層されている。パッシベーション膜90は、パッシベーション膜28と同一工程で同一層に形成され、窒化シリコンからなる。
図4A〜4Sは、図2に示す赤外線センサの製造工程を順に示す模式的な断面図である。
また、ソース領域57、ドレイン領域58および不純物拡散領域65は、シリコン基板2の表層部にn型の不純物(たとえば、P(リン))をドープした後、その不純物を拡散させることにより形成することができる。
その後、図4Dに示すように、減圧CVD法により、焦電センサ領域4、サーモパイル領域5およびロジック回路領域6の表面に、それぞれエッチングストッパ膜9,36,71が形成される。
その後、スパッタ法により、焦電センサ領域4における第1層間絶縁膜10上に、下部電極11の材料からなる金属膜が形成される。そして、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、金属膜が選択的に除去される。これにより、図4Fに示すように、第1層間絶縁膜10上に下部電極11が形成される。
その後、図4Iに示すように、スパッタ法により、第1層間絶縁膜10上にアルミナ膜17が形成される。次いで、CVD法により、アルミナ膜17上に酸化シリコン膜18が形成される。これにより、第1層間絶縁膜10上に、アルミナ膜17および酸化シリコン膜18を積層した構造を有する被覆膜16が得られる。
次いで、図4Jに示すように、ロジック回路領域6にビア77,78,79が形成される。ビア77,78,79は、第1層間絶縁膜72およびキャップ層73に、それらを積層方向に貫通するビアホールが形成された後、そのビアホール内にタングステンを埋設することにより形成される。
そして、スパッタ法により、貫通孔21,22内を含む被覆膜16上およびロジック回路領域6におけるキャップ層73上に、アルミニウムからなる金属膜が形成される。この金属膜が選択的にパターニングされることにより、図4Lに示すように、配線19,20が形成されるとともに、各ビア77,78,79に接続される第1配線74,75,76が形成される。
次いで、CVD法により、図4Oに示すように、焦電センサ領域4、サーモパイル領域5およびロジック回路領域6に、それらの表面の全域を被覆する第3層間絶縁膜26,42,89が形成される。
貫通孔43の形成に際しては、まず、エッチングにより、第1層間絶縁膜37、キャップ層38、第2層間絶縁膜39および第3層間絶縁膜42において、熱電対33とその積層方向に対向する部分が上面から掘り下げられる。これにより、熱電対33の上方からキャップ層38、第2層間絶縁膜39および第3層間絶縁膜42が除去され、第1層間絶縁膜37の膜厚が残余の部分よりも小さくされる。その後、エッチングにより、熱電対33を取り囲む領域上から第1層間絶縁膜37、キャップ層38、第2層間絶縁膜39および第3層間絶縁膜42が除去される。これにより、貫通孔43が形成される。
そして、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、図4Rに示すように、パッシベーション膜90および第3層間絶縁膜89が選択的に除去される。これにより、各第2配線83,84,85の上面の一部を露出させるパッド開口91,92,93が形成される。
その後、CVD法により、パッシベーション膜28,44,90上に、PSG(Phospho Silicate Glass)からなるパッド保護膜96が形成される。そして、焦電センサ領域4、サーモパイル領域5およびロジック回路領域6の全域が、10%濃度のフッ酸(HF)に10秒間曝される。これにより、犠牲層95の酸化膜が除去される。
以上のように、シリコン基板2上には、チタン酸ジルコン酸鉛からなる薄膜状の焦電素子14が設けられている。赤外線の入射により焦電素子14の温度が上昇すると、その温度に応じて焦電素子14の自発分極の変化による焦電流が出力される。したがって、その焦電流に基づいて、赤外線を検出することができる。
薄膜状の焦電素子14は、ゾルゲル法により形成することができる。ゾルゲル法では、粉体原料の焼結により焦電素子14を形成する手法と比較して、焦電素子14の厚さを小さくすることができる。よって、焦電素子14を用いた赤外線センサ1の薄型化を図ることができる。
被覆膜16には、それを厚さ方向に貫通する貫通孔27が形成されており、貫通孔27の内面には、窒化シリコンからなるパッシベーション膜28が被着されている。これにより、シリコン基板2にキャビティ7を形成するために、貫通孔27を介してシリコン基板2にエッチング液(TMAH)を供給しても、被覆膜16がエッチング液によるエッチングを受けることがない。よって、被覆膜16の不所望なエッチングを生じることなく、シリコン基板2にキャビティ7を形成することができる。
たとえば、前述の実施形態では、シリコン基板2の中央領域の紙面上側半分に焦電素子14を行列状に配置し、紙面下側半分に熱電対33を行列状に配置しているが、焦電素子14および熱電対33の配置形態は、適宜変更することができる。たとえば、焦電素子14および熱電対33は、シリコン基板2の中央領域において、各列における各焦電素子14が、隣接する列の焦電素子14と隣り合わないように、また、各列における各熱電対33が、隣接する列の熱電対33と隣り合わないように、それぞれの素子14,33が全体として千鳥状に配列されていてもよい。
2 シリコン基板(半導体基板)
7 キャビティ
14 焦電素子
16 被覆膜
17 アルミナ膜
19 配線
20 配線
21 貫通孔
22 貫通孔
28 パッシベーション膜(窒化シリコン膜)
33 熱電対
51 MOSFET(能動素子)
52 キャパシタ(能動素子)
74 第1配線(配線)
75 第1配線(配線)
76 第1配線(配線)
Claims (6)
- 半導体基板と、
前記半導体基板上に設けられ、チタン酸ジルコン酸鉛からなる薄膜状の焦電素子と、
前記焦電素子を被覆し、その最表面が赤外線の受光面をなす被覆膜と、
前記焦電素子と対向する部分に、前記半導体基板の表面から掘り下がった形状に形成され、前記焦電素子を前記半導体基板から熱的に分離するためのキャビティとを含む、赤外線センサ。 - 前記被覆膜は、アルミナからなるアルミナ膜を含む、請求項1に記載の赤外線センサ。
- 前記半導体基板に形成された能動素子と、
前記能動素子に電気的に接続された配線とをさらに含む、請求項1または2に記載の赤外線センサ。 - 前記半導体基板上に設けられた熱電対をさらに含む、請求項1〜3のいずれか一項に記載の赤外線センサ。
- 前記半導体基板は、シリコン基板であり、
前記被覆膜には、それを厚さ方向に貫通する貫通孔が形成されており、
前記貫通孔の内面には、窒化シリコンからなる窒化シリコン膜が被着されている、請求項1〜4のいずれか一項に記載の赤外線センサ。 - 半導体基板に能動素子を形成する工程と、
前記半導体基板上に層間絶縁膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜をその厚さ方向に貫通し、前記能動素子に電気的に接続されるコンタクトを形成する工程と、
ゾルゲル法により、前記層間絶縁膜上にチタン酸ジルコン酸鉛からなる薄膜状の焦電素子を形成する工程と、
前記焦電素子の形成後、前記層間絶縁膜上に前記焦電素子を被覆する被覆膜を形成する工程と、
前記被覆膜上に前記能動素子および前記焦電素子とそれぞれ電気的に接続される配線を形成する工程とを含む、赤外線センサの製造方法。
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