JP2015184187A - Bolometer type infrared sensor and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、赤外線の入射光を吸収して温度変化し、その温度変化によって抵抗値が変化する材料を用いて赤外線の放射強度の信号を読み出すボロメータ方式の赤外線センサおよびその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a bolometer-type infrared sensor that reads a signal of infrared radiation intensity using a material that changes its temperature by absorbing infrared incident light and changes its resistance value due to the temperature change, and a method for manufacturing the same. .
従来より、赤外線センサとして量子（フォトン）型センサやボロメータ方式などの熱型センサが知られている（例えば、特許文献１参照）。量子型センサは、ダーク電流に起因したノイズを低下させるために液体窒素温度近くまで冷却しなければ検出感度を高められない。これに対して、ボロメータ方式の赤外線センサは素子の冷却が不要である。このため、コストの低減、機器の簡素化および小型化携帯用途において有利であることから、それらを目的としてボロメータ方式の赤外線センサが用いられている。 Conventionally, thermal sensors such as a quantum (photon) sensor and a bolometer method are known as infrared sensors (see, for example, Patent Document 1). In order to reduce the noise caused by the dark current, the quantum sensor cannot increase the detection sensitivity unless it is cooled to near the liquid nitrogen temperature. In contrast, a bolometer-type infrared sensor does not require element cooling. For this reason, since it is advantageous in cost reduction, simplification of equipment, and downsizing and portable use, a bolometer-type infrared sensor is used for these purposes.
このボロメータ方式の赤外線センサは、入射した赤外線を受光部が吸収することにより受光部の温度を変化させ、この受光部に配置した材料の温度変化による抵抗値変化から該赤外線の放射強度を電気信号として検出するものである。したがって、抵抗変化の温度依存性（抵抗温度係数（ＴＣＲ：Temperature Coefficient of Resistance））が大きいほど、検出感度が高くなる。室温付近で高いＴＣＲを持つ抵抗体膜の材料としてＶＯ2（酸化バナジウム）があり、ＴＣＲが７０％／Ｋ程度と非常に高い。 This bolometer-type infrared sensor changes the temperature of the light receiving part by absorbing the incident infrared light, and changes the resistance value due to the temperature change of the material placed in the light receiving part to determine the intensity of the infrared radiation as an electric signal. Is detected. Accordingly, the detection sensitivity increases as the temperature dependency of resistance change (Temperature Coefficient of Resistance (TCR)) increases. There is VO 2 (vanadium oxide) as a material for the resistor film having a high TCR near room temperature, and the TCR is as high as about 70% / K.
しかしながら、高品質で高ＴＣＲなＶＯ2を得るには高温成膜（＞４００℃）が必要なため、ＣＭＯＳプロセスなどと適応する４００℃以下で高いＴＣＲを実現することが困難であった。例えば、特許文献１においては、バナジウム系を含むゾル液を用いて加熱炉内において大気熱処理を行うことで基板上に酸化バナジウム膜を成膜し、それを真空容器内でアルゴンと水素の混合ガスで約４００℃、８時間加熱処理するようにしている。しかし、得られるＴＣＲは１．８〜２．０％と低い値しか得られない。また、この場合に得られる酸化バナジウムは、ＶＯ2ではなく、酸素濃度がストイキオメトリーからずれた組成となってしまう。
However, in order to obtain VO 2 with high quality and high TCR, high-temperature film formation (> 400 ° C.) is required, and it has been difficult to realize a high TCR at 400 ° C. or less which is compatible with a CMOS process or the like. For example, in
また、４００℃以下で成膜できる非冷却赤外線センサに用いられている材料として、ＶＯｘがあるが、ＴＣＲが３％／Ｋ程度とそれほど感度が高くない。 VOx is a material used for an uncooled infrared sensor capable of forming a film at 400 ° C. or lower, but the sensitivity is not so high as TCR is about 3% / K.
本発明は上記点に鑑みて、酸化バナジウムの成膜温度を４００℃以下としても高いＴＣＲが得られるようにしたボロメータ方式の赤外線センサおよびその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a bolometer-type infrared sensor capable of obtaining a high TCR even when the film forming temperature of vanadium oxide is set to 400 ° C. or lower, and a method for manufacturing the same.
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、ルチル構造を有する単結晶からなる下地絶縁膜（１）と、下地絶縁膜の表面にエピタキシャル成長によって形成されたルチル構造を有する抵抗体膜となるＶＯ2膜（２）と、ＶＯ2膜に電気的に接続される配線層（４）と、照射される赤外線を吸収して温度変化が生じる赤外線吸収膜（６）と、を有し、赤外線吸収膜の温度変化に伴ってＶＯ2膜の抵抗値が変化し、該抵抗値の変化を配線層より赤外線の照射強度を表す信号として取り出すことを特徴としている。 To achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, there is provided a base insulating film (1) made of a single crystal having a rutile structure, and a resistor film having a rutile structure formed by epitaxial growth on the surface of the base insulating film. A VO 2 film (2), a wiring layer (4) electrically connected to the VO 2 film, and an infrared absorption film (6) that absorbs the irradiated infrared rays and causes a temperature change. The resistance value of the VO 2 film changes with the temperature change of the infrared absorption film, and the change of the resistance value is taken out from the wiring layer as a signal representing the infrared irradiation intensity.
このように構成される赤外線センサでは、ルチル構造を有する下地絶縁膜の上にエピタキシャル成長によってルチル構造のＶＯ2膜を形成している。このような構成とすれば、ＶＯ2膜の成膜温度を４００℃以下としても、高いＴＣＲを得ることが可能となる。 In the infrared sensor configured as described above, a rutile VO 2 film is formed by epitaxial growth on a base insulating film having a rutile structure. With such a configuration, a high TCR can be obtained even when the deposition temperature of the VO 2 film is 400 ° C. or lower.
具体的には、請求項６に示したように、ルチル構造を有する単結晶からなる下地絶縁膜（１）を用意する工程と、４００℃以下の温度で、下地絶縁膜の表面にエピタキシャル成長によってルチル構造を有する抵抗体膜となるＶＯ2膜（２）を成膜する工程と、下地絶縁膜およびＶＯ2膜をパターニングする工程と、パターニング後の下地絶縁膜およびＶＯ2膜を覆うパッシベーション膜（３）を成膜する工程と、パッシベーション膜にコンタクトホール（３ａ）を形成したのち、該コンタクトホールを通じてＶＯ2膜に電気的に接続される配線層（４）を形成する工程と、パッシベーション膜および配線層の上に、照射される赤外線を吸収して温度変化が生じる赤外線吸収膜（６）を形成する工程と、を含む製造方法によって、請求項１にかかるボロメータ方式の赤外線センサを製造することができる。
Specifically, as shown in
このように、ルチル構造を有する下地絶縁膜の上に４００℃以下の成膜温度によるエピタキシャル成長によってルチル構造のＶＯ2膜を形成している。これにより、ＶＯ2膜の成膜温度を４００℃以下としても、高いＴＣＲを得ることが可能となる。 Thus, the rutile VO 2 film is formed on the base insulating film having the rutile structure by epitaxial growth at a film forming temperature of 400 ° C. or lower. This makes it possible to obtain a high TCR even when the deposition temperature of the VO 2 film is 400 ° C. or lower.
なお、請求項１、６においては、ルチル構造を有する単結晶からなる下地絶縁膜を例に挙げたが、請求項２、７に記載したように多結晶の下地絶縁膜を用いることもできる。多結晶の場合のＴＣＲは粒径サイズに依存するため、粒径が大きくなることで、ＴＣＲの向上が可能となっているため、必ずしもルチル構造でなかったとしても、高いＴＣＲを得ることができる。
In
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。 In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means shows an example of a corresponding relationship with the specific means as described in embodiment mentioned later.
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following embodiments, parts that are the same or equivalent to each other will be described with the same reference numerals.
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態にかかる赤外線センサについて説明する。まず、図１を参照して、本実施形態のボロメータ方式の赤外線センサの構造について説明する。
(First embodiment)
An infrared sensor according to the first embodiment of the present invention will be described. First, the structure of the bolometer-type infrared sensor of the present embodiment will be described with reference to FIG.
図１に示すように、下地絶縁膜となるチタン酸化層（以下、ＴｉＯ2膜という）１の上に抵抗体膜となるＶＯ2膜２が形成されている。ＴｉＯ2層１は、ＴｉＯ2（００１）基板をパターニングすることによって構成されたものであり、この上にＶＯ2膜２がエピタキシャル成長によって形成されている。ＴｉＯ2層１は結晶構造としてルチル構造を有しており、その上に同じルチル構造をとるＶＯ2膜２が形成されている。 As shown in FIG. 1, a VO 2 film 2 serving as a resistor film is formed on a titanium oxide layer (hereinafter referred to as TiO 2 film) 1 serving as a base insulating film. The TiO 2 layer 1 is configured by patterning a TiO 2 (001) substrate, and a VO 2 film 2 is formed thereon by epitaxial growth. The TiO 2 layer 1 has a rutile structure as a crystal structure, and a VO 2 film 2 having the same rutile structure is formed thereon.
これらＴｉＯ2層１およびＶＯ2膜２の周囲、具体的にはＴｉＯ2層１のうちＶＯ2膜２と反対側となる裏面側以外はＶＯ2膜２およびパッシベーション膜３によって覆われている。そして、ＶＯ2膜２については、その両端がパッシベーション膜３に形成された配線層４と電気的に接続されている。なお、ＴｉＯ2層１およびＶＯ2膜２については、上面形状が単純な四角形状などであっても良いが、得たい抵抗特性に応じて適宜パターニングされた形状とされていても良い。
Around these TiO 2 layer 1 and VO 2 layer 2, specifically other than the back side of the VO 2 layer 2 opposite of the TiO 2 layer 1 is covered by a VO 2 film 2 and the
パッシベーション膜３はシリコン酸化膜（ＳｉＯ2膜）などの絶縁膜によって構成されており、ＴｉＯ2層１およびＶＯ2膜２の側面および上面を覆っている。このパッシベーション膜３にコンタクトホール３ａが形成されており、パッシベーション膜３の表面に形成された配線層４がコンタクトホール３ａを通じてＶＯ2膜２と電気的に接続されている。
The
配線層４は、例えばアルミニウム（Ａｌ）配線などによって構成され、ＶＯ2膜２の両端に接続され、ＶＯ2膜２の抵抗値変化を外部に出力するために用いられる。
また、配線層４を覆うように例えばシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）にて構成される保護膜５が成膜されている。保護膜５には配線層４の一部を露出させる開口部５ａが形成されており、この開口部５ａから露出させられた配線層４がパッド部４ａとして用いられ、図示しないボンディングワイヤなどと電気的に接続される。
A
そして、この保護膜５の表面上において、赤外線吸収膜６が形成されている。赤外線吸収膜は、例えばカーボンペーストやシリコン窒化膜およびシリコン酸化膜の多層膜などによって構成され、赤外線の照射強度に応じて赤外線を吸収し、その吸収量に応じて温度変化する。この赤外線吸収膜６の温度がＶＯ2膜２に伝わり、赤外線吸収膜６の温度変化がＶＯ2膜２の抵抗値変化として現れることで、配線層４を通じて赤外線の照射強度を表す信号を外部に取り出すことが可能となっている。このように、赤外線吸収膜やその下方に位置するＴｉＯ2層１およびＶＯ2膜２が配置された部分がセンサ部として機能する。
An
一方、ＴｉＯ2層１の裏面側、つまりＶＯ2膜２と反対側において、ＴｉＯ2層１を露出させるように、パッシベーション膜３に支持基板７が貼り付けられている。支持基板７は、例えばシリコン基板によって構成されており、ＴｉＯ2層１と対応する位置が貫通させられて開口部とされることでＴｉＯ2層１を露出させている。これにより、支持基板７の上方の構成要素のうちのセンサ部として機能する部分が薄膜のメンブレンとされている。また、支持基板７のうちのＴｉＯ2層１と反対側の表面には、シリコン窒化膜などによって構成された保護マスク８が配置されている。保護マスク８も、支持基板７と同様に、ＴｉＯ2層１と対応する位置が除去されており、ＴｉＯ2層１を露出させている。
On the other hand, on the back side of the TiO 2 layer 1, that is, on the side opposite to the VO 2 film 2, the
なお、支持基板７が除去された部分は、空気が充填もしくは赤外線センサを図示しない真空容器内に配置することで真空状態とされ、ＴｉＯ2層１から支持基板７への伝熱が抑制されるようにしてある。支持基板７とＴｉＯ2層１とは若干接触していても良いが、ＴｉＯ2層１の断熱性を高めるために、支持基板７とは接触していない方が好ましい。
The portion from which the
このような構成により、本実施形態にかかる赤外線センサが構成されている。このように構成される赤外線センサでは、センサ上部から赤外線が入射されると、それが赤外線吸収膜６に吸収され、赤外線吸収膜６の温度が上昇し、ＴｉＯ2層１およびＶＯ2膜２を含めたセンサ部の温度が上昇する。一方、配線層４を介してＶＯ2膜２に直流電圧が与えられており、センサ部の温度上昇に伴ってＴｉＯ2層１およびＶＯ2膜２の抵抗値が変化することから、それが電流変化として検出される。これにより、赤外線の照射強度を検出することが可能となる。なお、ここでは詳細については図示していないが、赤外線センサにおいてはＶＯ2膜２の高いＴＣＲを得るために、一定温度駆動（マイクロヒータ制御）を行うのが好ましい。このため、センサ部の近傍にマイクロヒータを備えることで、より高いＴＣＲを得ることができる。
With such a configuration, the infrared sensor according to the present embodiment is configured. In the infrared sensor configured as described above, when infrared rays are incident from the upper part of the sensor, the infrared rays are absorbed by the
続いて、本実施形態にかかる赤外線センサの製造方法について、図２を参照しながら説明する。 Next, a method for manufacturing the infrared sensor according to the present embodiment will be described with reference to FIG.
〔図２（ａ）に示す工程〕
まず、ＴｉＯ2層１を構成するＴｉＯ2（００１）基板を用意する。ＴｉＯ2（００１）基板は、結晶構造としてルチル構造を有している。このＴｉＯ2（００１）基板の表面に同じルチル構造を有するＶＯ2膜２を形成する。例えば、ＶＯ2膜２をパルスレーザ堆積法によって成膜することができる。パルスレーザ堆積法による場合、例えば焼結によってＶ2Ｏ5ターゲットを生成しておき、ＴｉＯ2（００１）基板と共にＶ2Ｏ5ターゲットを真空チャンバー内に設置する。そして、レーザ照射によってターゲットを昇華させ、ＴｉＯ2（００１）基板上にＶＯ2膜２を蒸着させる。このとき、基板温度を４００℃以下、例えば３００℃とし、真空チャンバ内を１．３３Ｐａ（＝１０ｍＴｏｒｒ）の酸素雰囲気として、レーザ照射によってＶ2Ｏ5ターゲットをアブレーションしてＶＯ2膜２を成膜する。
[Step shown in FIG. 2 (a)]
First, a TiO 2 (001) substrate constituting the TiO 2 layer 1 is prepared. The TiO 2 (001) substrate has a rutile structure as a crystal structure. A VO 2 film 2 having the same rutile structure is formed on the surface of the TiO 2 (001) substrate. For example, the VO 2 film 2 can be formed by a pulse laser deposition method. If by pulsed laser deposition, for example, sintered in advance to generate a V 2 O 5 targets by placing the V 2 O 5 targets with TiO 2 (001) substrate in a vacuum chamber. Then, the target is sublimated by laser irradiation, and the VO 2 film 2 is deposited on the TiO 2 (001) substrate. At this time, the substrate temperature is set to 400 ° C. or lower, for example, 300 ° C., the inside of the vacuum chamber is set to an oxygen atmosphere of 1.33 Pa (= 10 mTorr), and the V 2 O 5 target is ablated by laser irradiation to form the VO 2 film 2. To do.
このとき、赤外線センサが接続される回路とマッチングする抵抗値（例えば１０ｋ〜１００ｋΩ）となるようにＶＯ2膜２の膜厚制御を行う。例えば、ＶＯ2膜２の成膜を３３０℃で行う場合、ＶＯ2膜２を６〜１２ｎｍの膜厚で形成すると、所望の抵抗値（例えば１０ｋ〜１００ｋΩ）が得られた。 At this time, the film thickness of the VO 2 film 2 is controlled so as to have a resistance value (for example, 10 k to 100 kΩ) that matches the circuit to which the infrared sensor is connected. For example, when performing film formation of VO 2 film 2 at 330 ° C., to form a VO 2 film 2 at a thickness of 6～12Nm, desired resistance value (e.g. 10K～100keiomega) was obtained.
このように、パルスレーザ堆積法などによって、ＶＯ2膜２を成膜することができる。パルスレーザ堆積法によってＶＯ2膜２を成膜する場合、組成制御が容易であるし、高融点材料の成膜を容易に行うことが可能となる。このときのＶＯ2膜２の結晶構造は、基本的には下地基板となるＴｉＯ2層１の結晶構造が引き継がれることになるため、ＴｉＯ2層１と同じになる。すなわち、単結晶で構成されるＴｉＯ2（００１）基板の結晶構造が引き継がれ、ＶＯ2膜２も単結晶となる。 Thus, the VO 2 film 2 can be formed by a pulse laser deposition method or the like. When the VO 2 film 2 is formed by the pulse laser deposition method, the composition control is easy and the high melting point material can be easily formed. The crystal structure of the VO 2 layer 2 at this time is basically to become the crystal structure of the TiO 2 layer 1 serving as a base substrate is taken over, the same as the TiO 2 layer 1. That is, the crystal structure of the TiO 2 (001) substrate composed of a single crystal is inherited, and the VO 2 film 2 also becomes a single crystal.
〔図２（ｂ）に示す工程〕
表面側にＶＯ2膜２を成膜したＴｉＯ2層１を必要に応じてスマートカット法などによって所定厚さに加工したのち、シリコン基板などによって構成される支持基板７に貼り合せる。そして、図示しないマスクを用いてＴｉＯ2層１およびＶＯ2膜２をパターニングし、所望位置にのみ残す。
[Step shown in FIG. 2 (b)]
The TiO 2 layer 1 having the VO 2 film 2 formed on the surface side is processed to a predetermined thickness by a smart cut method or the like as necessary, and then bonded to a
〔図２（ｃ）に示す工程〕
パターニング後のＴｉＯ2層１およびＶＯ2膜２を覆うように、支持基板７の上面にシリコン酸化膜などの絶縁膜で構成されるパッシベーション膜３を成膜する。
[Step shown in FIG. 2 (c)]
A
〔図２（ｄ）に示す工程〕
図示しないマスクを用いて、パッシベーション膜３の所望位置、具体的にはＶＯ2膜２の両端と対応する位置をエッチングし、ＶＯ2膜２の両端位置を露出させる。そして、アルミニウムなどの配線材料を成膜したのち、これをパターニングすることで配線層４を形成する。
[Step shown in FIG. 2 (d)]
Using a mask (not shown), a desired position of the
この後の工程については図示しないが、次のような各種工程を行っている。すなわち、配線層４の表面を覆うようにシリコン窒化膜などからなる保護膜５を形成した後、これをパターニングして開口部５ａを形成する。また、支持基板７を裏面研削・研磨して薄肉化した後、支持基板７の裏面にシリコン窒化膜などによって構成される保護マスク８を成膜する。さらに、保護マスク８をパターニングしてＴｉＯ2層１およびＶＯ2膜２の形成位置と対応する部分を開口させたのち、保護マスク８をマスクとしたウェットエッチングを行うことで支持基板７のうちＴｉＯ2層１およびＶＯ2膜２の形成位置と対応する部分を除去する。そして、保護膜５の表面にカーボンペーストなどによる赤外線吸収膜６を形成した後、これをパターニングして所望位置に残す。このようにして、図１に示す赤外線センサが完成する。
Although the subsequent steps are not shown, the following various steps are performed. That is, after forming the
このようにして製造した赤外線センサのＶＯ2膜２について、ＴＣＲを測定したところ、ＴＣＲ＞１００％という大きなＴＣＲを得ることができた。これは、ルチル構造となるＶＯ2膜２を同じルチル構造を有するＴｉＯ2層１の表面に形成していることから、ＶＯ2膜２の結晶性を向上させられたためと考えられる。 When the TCR of the VO 2 film 2 of the infrared sensor thus manufactured was measured, a large TCR of TCR> 100% could be obtained. This is presumably because the VO 2 film 2 having the rutile structure is formed on the surface of the TiO 2 layer 1 having the same rutile structure, so that the crystallinity of the VO 2 film 2 is improved.
具体的に、ＶＯ2膜２の成膜時における下地基板となるＴｉＯ2層１の温度（成膜温度）に対するＶＯ2膜２のＴＣＲの関係について調べたところ、図３に示す結果が得られた。この図に示されるように、成膜温度が４００℃以下において、１００％以上となる高いＴＣＲが得られており、特に、成膜温度が３３０℃のときにＴＣＲが６６２％という最大値を得ることができることが確認された。成膜温度が３３０℃を超えるとＴＣＲが徐々に低下し、４００℃を超えるとＴＣＲが１００％以下となって特性が悪化するが、少なくとも４００℃以下の温度においてはＴＣＲが１００％以上となっていた。成膜温度が高くなるに連れてＴＣＲが低下しているのは、下地基板となるＴｉＯ2層１からＴｉ元素がＶＯ2膜２に拡散するためであり、この影響が比較的小さくなる４００℃以下の成膜温度とすることで、高いＴＣＲを確保することができる。 Specifically, it was examined the relationship between TCR of VO 2 film 2 serving as a base substrate during deposition TiO 2 layer 1 temperature VO 2 film 2 for (deposition temperature), obtained the results shown in FIG. 3 It was. As shown in this figure, a high TCR of 100% or higher is obtained when the film forming temperature is 400 ° C. or lower. In particular, when the film forming temperature is 330 ° C., the maximum TCR is 662%. It was confirmed that it was possible. When the film forming temperature exceeds 330 ° C, the TCR gradually decreases. When the film forming temperature exceeds 400 ° C, the TCR becomes 100% or less and the characteristics deteriorate. However, at a temperature of at least 400 ° C, the TCR becomes 100% or more. It was. The reason why the TCR decreases as the film forming temperature increases is that Ti element diffuses from the TiO 2 layer 1 serving as the base substrate into the VO 2 film 2, and this influence is relatively small at 400 ° C. A high TCR can be secured by setting the film forming temperature below.
参考として、図３中に破線にて、従来のように下地基板として本実施形態のようなＴｉＯ2層１を用いていない場合には、成膜温度が高くなるほどＶＯ2膜のＴＣＲが大きくなる。しかしながら、４００℃よりも高い成膜温度でないと高いＴＣＲを得ることができない。したがって、本実施形態にかかる赤外線センサのように、ＶＯ2膜２の下地としてＴｉＯ2層１を用いることで、低い温度でＶＯ2膜２を成膜しつつ高いＴＣＲを得ることが可能となる。 As a reference, the broken line in FIG. 3 indicates that the TCR of the VO 2 film increases as the film formation temperature increases when the TiO 2 layer 1 as in the present embodiment is not used as a base substrate as in the prior art. . However, a high TCR cannot be obtained unless the deposition temperature is higher than 400 ° C. Accordingly, by using the TiO 2 layer 1 as the base of the VO 2 film 2 as in the infrared sensor according to the present embodiment, it is possible to obtain a high TCR while forming the VO 2 film 2 at a low temperature. .
また、成膜温度を変えてＴｉＯ2層１の表面にＶＯ2膜２を７ｎｍ成膜し、成膜温度に対するＶＯ2膜２の抵抗値（Ω）との関係について調べたところ、図４に示す結果が得られた。この図に示すように、３００℃〜４００℃においては、抵抗値が急峻に変化していて高いＴＣＲが得られていることが分かり、５００℃、６００℃においては、抵抗値が緩やかに変化していて高いＴＣＲが得られていないことが分かる。この結果からも、本実施形態にかかる赤外線センサのように、ＶＯ2膜２の下地としてＴｉＯ2層１を用いることで、低い温度でＶＯ2膜２を成膜しつつ高いＴＣＲを得ることが可能となることが分かる。 Further, when the film formation temperature was changed, a VO 2 film 2 having a thickness of 7 nm was formed on the surface of the TiO 2 layer 1, and the relationship between the film formation temperature and the resistance value (Ω) of the VO 2 film 2 was examined. The results shown are obtained. As shown in this figure, it can be seen that the resistance value changes steeply at 300 ° C. to 400 ° C. and a high TCR is obtained, and the resistance value changes slowly at 500 ° C. and 600 ° C. It can be seen that a high TCR is not obtained. From this result, it is possible to obtain a high TCR while forming the VO 2 film 2 at a low temperature by using the TiO 2 layer 1 as the base of the VO 2 film 2 as in the infrared sensor according to the present embodiment. It turns out that it is possible.
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対してＶＯ2膜２の下地基板の構成を変更したものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
(Second Embodiment)
A second embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, the configuration of the base substrate of the VO 2 film 2 is changed with respect to the first embodiment, and the others are the same as those in the first embodiment. Therefore, only the portions different from the first embodiment are described. explain.
上記第１実施形態では、ＶＯ2膜２の下地基板としてＴｉＯ2層１を構成するＴｉＯ2（００１）基板を用いていたが、本実施形態では、一般的に半導体材料として用いられているシリコン基板を利用して、ＶＯ2膜２を成膜する。 In the first embodiment, the TiO 2 (001) substrate constituting the TiO 2 layer 1 is used as the base substrate of the VO 2 film 2. In this embodiment, silicon generally used as a semiconductor material is used. A VO 2 film 2 is formed using a substrate.
図５に示すように、シリコン基板にて構成される支持基板７の表面に絶縁膜としてシリコン酸化膜１０が形成されている。そして、このシリコン酸化膜１０の上に、ＴｉＯ2層１が形成され、さらにその上にＶＯ2膜２、パッシベーション膜３、配線層４、保護膜５および赤外線吸収膜６が形成されている。つまり、ＶＯ2膜２を形成するための下地基板を支持基板７、シリコン酸化膜１０およびＴｉＯ2層１にて構成し、これらの上に第１実施形態と同様の構造を形成している。
As shown in FIG. 5, a
このような構成の赤外線センサの製造には、図６（ａ）に示すように、シリコン基板（例えばＳｉ（１００）基板）にて構成される支持基板７に対してシリコン酸化膜１０をデポジションもしくは熱酸化等によって形成したＳＯＩ基板を用いる。そして、ＳＯＩ基板におけるシリコン酸化膜１０の上に、ＴｉＯ2層１およびＶＯ2膜２を順に成膜する。例えば、パルスレーザ堆積法によってＴｉＯ2層１およびＶＯ2膜２を順に成膜することができる。
In manufacturing the infrared sensor having such a structure, as shown in FIG. 6A, a
パルスレーザ堆積法による場合、例えば、焼結によってＴｉＯ2ターゲットを生成しておき、シリコン酸化膜１０を形成しておいた支持基板７と共にＴｉＯ2ターゲットを真空チャンバ内に設置する。そして、レーザ照射によってターゲットを昇華させ、シリコン酸化膜１０上にＴｉＯ2層１を蒸着させる。このとき、シリコン酸化膜１０を形成しておいた支持基板７を３００℃以上、特に４００℃程度で加熱し、真空チャンバ内を１．３３Ｐａ（＝１０ｍＴｏｒｒ）の酸素雰囲気として、レーザ照射によってＴｉＯ2ターゲットをアブレーションしてＴｉＯ2層１を成膜する。
If by pulsed laser deposition, for example, advance to generate a TiO 2 target by sintering, placed a TiO 2 target in a vacuum chamber together with the
その後、基板温度を４００℃以下、例えば３００℃とし、第１実施形態と同様の手法によって、ＴｉＯ2層１の上にＶＯ2膜２を成膜する。 Thereafter, the substrate temperature is set to 400 ° C. or lower, for example, 300 ° C., and the VO 2 film 2 is formed on the TiO 2 layer 1 by the same method as in the first embodiment.
このようにして、ＴｉＯ2層１およびＶＯ2膜２を順に成膜することができる。このように形成されるＴｉＯ2層１およびＶＯ2膜２は、シリコン酸化膜１０の上に形成されることから、支持基板７としてシリコン基板を用いたとしても、その結晶の面方位の影響を受けることはない。また、シリコン酸化膜１０の上に形成されるＴｉＯ2層１は多結晶膜となり、ＶＯ2膜２もその結晶性を引き継いで多結晶膜となるが、ＴｉＯ2は低温（＜４００度）でも結晶粒径が４０〜５０ｎｍをもつため、ＶＯ2もその結晶粒径を引き継いで結晶成長することでＶＯ2膜２の結晶性を向上させることが可能となる。多結晶の場合のＴＣＲは粒径サイズに依存するため、粒径が大きくなることで、ＴＣＲの向上が可能となっているため、必ずしもルチル構造でなかったとしても、高いＴＣＲを得ることができる。
In this way, the TiO 2 layer 1 and the VO 2 film 2 can be sequentially formed. Since the TiO 2 layer 1 and the VO 2 film 2 thus formed are formed on the
この後は、図６（ｂ）〜（ｄ）に示す工程などにおいて、第１実施形態における図２（ｂ）に示したＴｉＯ2層１およびＶＯ2膜２のパターニング工程以降の各工程を行うことで、図５に示した本実施形態にかかる赤外線センサを製造することができる。 Thereafter, in the processes shown in FIGS. 6B to 6D, the processes after the patterning process of the TiO 2 layer 1 and the VO 2 film 2 shown in FIG. 2B in the first embodiment are performed. Thus, the infrared sensor according to the present embodiment shown in FIG. 5 can be manufactured.
以上説明したように、ＴｉＯ2（００１）基板ではなく、ＳＯＩ基板を用いてＴｉＯ2層１を成膜することもできる。これにより、半導体プロセスとして一般的に用いられているＳＯＩ基板を用いて本実施形態にかかる赤外線センサを製造できるため、より汎用性を持たせることが可能となる。 As described above, the TiO 2 layer 1 can be formed using an SOI substrate instead of the TiO 2 (001) substrate. Accordingly, since the infrared sensor according to the present embodiment can be manufactured using an SOI substrate that is generally used as a semiconductor process, it is possible to provide more versatility.
また、本実施形態にかかる赤外線センサについても、図３と同様に、ＶＯ2膜２の成膜時における下地基板となる支持基板７やＴｉＯ2層１などの温度（成膜温度）に対するＶＯ2膜２のＴＣＲの関係について調べたところ、図７に示す結果が得られた。この図に示されるように、成膜温度が４００℃以下において、４０％以上となる高いＴＣＲが得られた。例えば、実験により、４００℃でＴｉＯ2層１を８０ｎｍ成膜したものの上に、３３０℃でＶＯ2膜２を４０ｎｍ成膜したときには、ＶＯ2膜２のＴＣＲが６０％以上という高い値となることが確認された。成膜温度が４００℃を超えるとＴＣＲが徐々に低下し特性が悪化するが、少なくとも４００℃以下の温度においてはＴＣＲが４０％以上となっていた。成膜温度が高くなるに連れてＴＣＲが低下しているのは、下地基板となるＴｉＯ2層１からＴｉ元素がＶＯ2膜２に拡散するためであり、この影響が比較的小さくなる４００℃以下の成膜温度とすることで、高いＴＣＲを確保することができる。
Also for the infrared sensor according to the present embodiment, as in FIG. 3, VO 2 with respect to the temperature (film formation temperature) of the
さらに、本実施形態にかかる赤外線センサについても、図４と同様に、成膜温度を変えてＴｉＯ2層１の表面にＶＯ2膜２を７ｎｍし、成膜温度に対するＶＯ2膜２の抵抗値（Ω）との関係について調べたところ、図８に示す結果が得られた。この図に示すように、シリコン酸化膜（ＳｉＯ2膜）１０の上にＶＯ2膜２を直接形成したとすると、３３０℃程度の成膜温度では抵抗値が急峻に変化するような高いＴＣＲを得ることができなかった。この場合には、５００℃程度まで成膜温度を上げると高いＴＣＲが得られた。これに対して、シリコン酸化膜１０の上にＴｉＯ2膜１を形成してからＶＯ2膜２を形成すると、３３０℃の成膜温度でも高いＴＣＲが得られた。この結果からも、本実施形態にかかる赤外線センサのように、ＶＯ2膜２の下地としてＴｉＯ2層１を用いることで、低い温度でＶＯ2膜２を成膜しつつ高いＴＣＲを得ることが可能となることが分かる。
Further, in the infrared sensor according to the present embodiment, similarly to FIG. 4, the film formation temperature is changed to form the VO 2 film 2 on the surface of the TiO 2 layer 1 to 7 nm, and the resistance value of the VO 2 film 2 with respect to the film formation temperature. When the relationship with (Ω) was examined, the results shown in FIG. 8 were obtained. As shown in this figure, assuming that the VO 2 film 2 is directly formed on the silicon oxide film (SiO 2 film) 10, a high TCR such that the resistance value changes sharply at a film forming temperature of about 330 ° C. Couldn't get. In this case, a high TCR was obtained when the film formation temperature was raised to about 500 ° C. In contrast, when the VO 2 film 2 was formed after forming the TiO 2 film 1 on the
（他の実施形態）
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。
(Other embodiments)
The present invention is not limited to the embodiment described above, and can be appropriately changed within the scope described in the claims.
例えば、上記実施形態では、抵抗温度係数を有する抵抗体膜としてＶＯ2膜２を用いているが、必ずしもＶＯ2のみによって構成されている必要はない。すなわち、ＶＯ2を主成分としていれば良く、例えばクロム（Ｃｒ）やニオブ（Ｎｂ）などの他の元素がドーピングされた膜であっても良い。 For example, in the above embodiment, the VO 2 film 2 is used as the resistor film having the resistance temperature coefficient, but it is not always necessary to be composed only of VO 2 . That is, VO 2 may be a main component, and a film doped with other elements such as chromium (Cr) and niobium (Nb) may be used.
また、上記実施形態では、ＶＯ2膜２の結晶性を良好にするためのルチル構造を有する下地膜が望ましく、一例としてＴｉＯ2層１を例に挙げたが、それ以外のルチル構造を有する膜、例えばＭｎＯ2、ＰｂＯ2、ＳｎＯ2、ＭｇＦ2を用いても良い。また、低温で結晶サイズが大きくなるような材料でもＶＯ2の粒径サイズを大きくする効果があることから、ＺｎＯ等を下地材料に用いても良い。 In the above embodiment, a base film having a rutile structure for improving the crystallinity of the VO 2 film 2 is desirable. As an example, the TiO 2 layer 1 is taken as an example. For example, MnO 2 , PbO 2 , SnO 2 , or MgF 2 may be used. Further, even a material whose crystal size increases at a low temperature has an effect of increasing the grain size of VO 2 , so that ZnO or the like may be used as a base material.
１ ＴｉＯ2層
２ ＶＯ2膜
３ パッシベーション膜
４ 配線層
５ 保護膜
６ 赤外線吸収膜
７ 支持基板
８ 保護マスク
１０ シリコン酸化膜
1 TiO 2 layer 2 VO 2 film 3
Claims (11)
前記下地絶縁膜の表面にエピタキシャル成長によって形成されたルチル構造を有する抵抗体膜となるＶＯ2膜（２）と、
前記ＶＯ2膜に電気的に接続される配線層（４）と、
照射される赤外線を吸収して温度変化を生じる赤外線吸収膜（６）と、を有し、
前記赤外線吸収膜の温度変化に伴って前記ＶＯ2膜の抵抗値が変化し、該抵抗値の変化を前記配線層より赤外線の照射強度を表す信号として取り出すことを特徴とするボロメータ方式の赤外線センサ。 A base insulating film (1) made of a single crystal having a rutile structure;
A VO 2 film (2) to be a resistor film having a rutile structure formed by epitaxial growth on the surface of the base insulating film;
A wiring layer (4) electrically connected to the VO 2 film;
An infrared absorption film (6) that absorbs the irradiated infrared rays and generates a temperature change,
A bolometer-type infrared sensor characterized in that the resistance value of the VO 2 film changes with a change in temperature of the infrared absorption film, and the change in the resistance value is extracted from the wiring layer as a signal representing the intensity of infrared irradiation. .
前記下地絶縁膜の表面にエピタキシャル成長によって形成された抵抗体膜となるＶＯ2膜（２）と、
前記ＶＯ2膜に電気的に接続される配線層（４）と、
照射される赤外線を吸収して温度変化を生じる赤外線吸収膜（６）と、を有し、
前記赤外線吸収膜の温度変化に伴って前記ＶＯ2膜の抵抗値が変化し、該抵抗値の変化を前記配線層より赤外線の照射強度を表す信号として取り出すことを特徴とするボロメータ方式の赤外線センサ。 A base insulating film (1) made of polycrystal;
A VO 2 film (2) to be a resistor film formed by epitaxial growth on the surface of the base insulating film;
A wiring layer (4) electrically connected to the VO 2 film;
An infrared absorption film (6) that absorbs the irradiated infrared rays and generates a temperature change,
A bolometer-type infrared sensor characterized in that the resistance value of the VO 2 film changes with a change in temperature of the infrared absorption film, and the change in the resistance value is extracted from the wiring layer as a signal representing the intensity of infrared irradiation. .
前記支持基板の表面上において、前記ＴｉＯ2膜および前記ＶＯ2膜を覆って形成されていると共に、前記配線層と前記ＶＯ2膜とを接触させるコンタクトホール（３ａ）が形成されたたパッシベーション膜（３）と、を有し、
前記ＴｉＯ2膜および前記ＶＯ2膜は単結晶であり、前記パッシベーション膜が前記支持基板の上に配置されることで、前記パッシベーション膜と共に前記ＴｉＯ2膜および前記ＶＯ2膜が前記支持基板の上における前記開口部と対応する位置に配置されていることを特徴とする請求項３に記載のボロメータ方式の赤外線センサ。 A support substrate (7) having an aperture therethrough,
On the surface of the supporting substrate, the TiO 2 film and with are formed to cover the VO 2 layer, a passivation film having a contact hole (3a) is formed contacting said VO 2 layer and the wiring layer (3)
The TiO 2 film and the VO 2 film are single crystals, and the passivation film is disposed on the support substrate, so that the TiO 2 film and the VO 2 film are formed on the support substrate together with the passivation film. The bolometer-type infrared sensor according to claim 3, wherein the bolometer-type infrared sensor is disposed at a position corresponding to the opening of the bolometer.
前記支持基板の表面に形成された絶縁膜（１０）と、
前記絶縁膜の表面上において、前記ＴｉＯ2膜および前記ＶＯ2膜を覆って形成されていると共に、前記配線層と前記ＶＯ2膜とを接触させるコンタクトホール（３ａ）が形成されたたパッシベーション膜（３）と、を有し、
前記ＴｉＯ2膜および前記ＶＯ2膜は多結晶であり、前記パッシベーション膜が前記支持基板の上に配置されることで、前記パッシベーション膜と共に前記ＴｉＯ2膜および前記ＶＯ2膜が前記支持基板の上における前記開口部と対応する位置に配置されていることを特徴とする請求項３に記載のボロメータ方式の赤外線センサ。 A support substrate (7) having an aperture therethrough,
An insulating film (10) formed on the surface of the support substrate;
Wherein on the surface of the insulating film, the TiO 2 film and with are formed to cover the VO 2 layer, a passivation film having a contact hole (3a) is formed contacting said VO 2 layer and the wiring layer (3)
The TiO 2 film and the VO 2 film are polycrystalline, and the passivation film is disposed on the support substrate, so that the TiO 2 film and the VO 2 film are formed on the support substrate together with the passivation film. The bolometer-type infrared sensor according to claim 3, wherein the bolometer-type infrared sensor is disposed at a position corresponding to the opening of the bolometer.
４００℃以下の温度で、前記下地絶縁膜の表面にエピタキシャル成長によってルチル構造を有する抵抗体膜となるＶＯ2膜（２）を成膜する工程と、
前記下地絶縁膜および前記ＶＯ2膜をパターニングする工程と、
前記パターニング後の前記下地絶縁膜および前記ＶＯ2膜を覆うパッシベーション膜（３）を成膜する工程と、
前記パッシベーション膜にコンタクトホール（３ａ）を形成したのち、該コンタクトホールを通じて前記ＶＯ2膜に電気的に接続される配線層（４）を形成する工程と、
前記パッシベーション膜および前記配線層の上に、照射される赤外線を吸収して温度変化を生じる赤外線吸収膜（６）を形成する工程と、を含むことを特徴とするボロメータ方式の赤外線センサの製造方法。 Preparing a base insulating film (1) made of a single crystal having a rutile structure;
Forming a VO 2 film (2) to be a resistor film having a rutile structure by epitaxial growth on the surface of the base insulating film at a temperature of 400 ° C. or lower;
Patterning the base insulating film and the VO 2 film;
Forming a passivation film (3) covering the base insulating film and the VO 2 film after the patterning;
Forming a contact hole (3a) in the passivation film and then forming a wiring layer (4) electrically connected to the VO 2 film through the contact hole;
And a step of forming an infrared absorption film (6) that absorbs the irradiated infrared rays and causes a temperature change on the passivation film and the wiring layer, and a method for manufacturing a bolometer-type infrared sensor .
４００℃以下の温度で、前記下地絶縁膜の表面にエピタキシャル成長によって抵抗体膜となるＶＯ2膜（２）を成膜する工程と、
前記下地絶縁膜および前記ＶＯ2膜をパターニングする工程と、
前記パターニング後の前記下地絶縁膜および前記ＶＯ2膜を覆うパッシベーション膜（３）を成膜する工程と、
前記パッシベーション膜にコンタクトホール（３ａ）を形成したのち、該コンタクトホールを通じて前記ＶＯ2膜に電気的に接続される配線層（４）を形成する工程と、
前記パッシベーション膜および前記配線層の上に、照射される赤外線を吸収して温度変化を生じる赤外線吸収膜（６）を形成する工程と、を含むことを特徴とするボロメータ方式の赤外線センサの製造方法。 Preparing a base insulating film (1) made of polycrystalline;
Forming a VO 2 film (2) to be a resistor film by epitaxial growth on the surface of the base insulating film at a temperature of 400 ° C. or lower;
Patterning the base insulating film and the VO 2 film;
Forming a passivation film (3) covering the base insulating film and the VO 2 film after the patterning;
Forming a contact hole (3a) in the passivation film and then forming a wiring layer (4) electrically connected to the VO 2 film through the contact hole;
And a step of forming an infrared absorption film (6) that absorbs the irradiated infrared rays and causes a temperature change on the passivation film and the wiring layer, and a method for manufacturing a bolometer-type infrared sensor .
前記ＶＯ2膜を成膜する工程ののち、前記ＴｉＯ2膜を所定厚さに加工し、前記ＴｉＯ2膜およびＶＯ2膜を支持基板（７）に貼り合せる工程を行い、
該支持基板上に前記ＴｉＯ2膜およびＶＯ2膜を貼り合せたのちに、前記ＴｉＯ2膜およびＶＯ2膜をパターニングすることを特徴とする請求項６または７に記載のボロメータ方式の赤外線センサの製造方法。 In the step of preparing the base insulating film, an insulating substrate made of TiO 2 is prepared as the base insulating film,
After the step of forming the VO 2 film, the step of processing the TiO 2 film to a predetermined thickness and bonding the TiO 2 film and the VO 2 film to the support substrate (7),
To After laminating the TiO 2 film and the VO 2 layer on the support substrate, the infrared sensor of the bolometer type according to claim 6 or 7, characterized in that patterning the TiO 2 film and the VO 2 layer Production method.
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