JP3683095B2

JP3683095B2 - Ferroelectric thin film material, manufacturing method of ferroelectric thin film material, manufacturing method of dielectric bolometer using ferroelectric thin film material, dielectric bolometer, and infrared detection element using the same

Info

Publication number: JP3683095B2
Application number: JP07258698A
Authority: JP
Inventors: 雅則奥山; 実野田; 久保　　竜一; 和彦橋本; 華平許
Original assignee: Panasonic Corp; Murata Manufacturing Co Ltd; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Murata Manufacturing Co Ltd; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1998-03-20
Filing date: 1998-03-20
Publication date: 2005-08-17
Anticipated expiration: 2018-03-20
Also published as: JPH11271142A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、Ｓｒ_(1-X-Y)Ｂａ_XＬａ_YＮｂ₂Ｏ₆の組成を有する強誘電体薄膜材料、その製造方法およびその強誘電体薄膜材料を用いて、対象物体から放出される赤外線強度を検出する赤外線検出素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
［赤外線検出素子の背景技術］
室温の物体や人体からは、波長１０μｍ付近の赤外線（熱線）が輻射されており、これを計測することにより、それらの存在や温度の情報が非接触で得られ、自動扉、侵入警戒器、電子レンジの調理モニタ、科学計測等のさまざまな応用がなされている。
【０００３】
こういった計測において、一番のキーデバイスは赤外センサであり、量子型赤外センサと熱型赤外センサの２種類に大きく分けられる。
【０００４】
量子型赤外センサは、感度が大きく検知能力に優れているが、冷却が必要なため装置が大型になるといった点で実用性に問題があるが、熱型赤外センサは、感度が量子型赤外センサよりは少し劣るものの室温動作が可能であるというメリットがあり、実用性に富んでいる。
【０００５】
このため、熱型赤外センサとして、焦電効果を用いるもの、抵抗ボロメータ、誘電ボロメータ、サーモパイル、ゴーレイセル等、数多くのものが提案されている。たとえば、焦電効果を用いた赤外線イメージセンサが、Ｐｒｏｃ．８ｔｈＩＥＥＥＩｎｔ．Ｓｙｍｐ．Ａｐｐｌ．Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ（１９９２）ｐｐ．１−１０（「ＰＹＲＯＥＬＥＣＴＲＩＣＩＭＡＧＩＮＧ」ＢｅｍａｒｄＭ．Ｋｕｌｗｉｃｋｉｅｔ．ａｌ．）に開示されている。
【０００６】
とくに、電界を印加して誘電率の温度変化を検知する誘電ボロメータは、他のセンサより感度が高く、チョッパが必要ない等の優れた特徴を有しており実用的見地から期待されている。
【０００７】
さらに、より高度な赤外線センシングとして、物体や風景の温度分布を非接触で得られる赤外線イメージセンサ（サーモグラフィー）への応用が期待される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
［赤外線検出素子用の強誘電体材料の背景技術］
上記赤外線イメージセンサ等に用いられる赤外検出素子を高性能化するためには、この赤外線検出素子を構成する材料の検知感度が大きいことが必要である。
【０００９】
言い換えると、焦電効果を用いた焦電（ＰＥ：pyroelectric）ボロメータを赤外線センサとする場合、室温付近でその焦電係数が大きなことが必要であり、上記のような誘電ボロメータ（ＤＢ：Dielectric Bolometer）では室温付近での誘電率の温度変化が大きいことが必要である。
【００１０】
このような赤外線検出素子用の重要な材料群に、正方晶系タングステンブロンズ構造を有する強誘電ＳＢＮ（strontium barium niobate, Ｓｒ_1-xＢａ_xＮｂ₂Ｏ₆、ただし、０．２５≦ｘ≦０．７５）結晶がある。
【００１１】
これらは、強誘電体材料の中でも、非常に優れた強誘電特性を示して最も高い焦電係数を有し、そのキュリー温度（Ｔｃ）は、Ｓｒ／Ｎｂ比を制御することによって、６０℃から２５０℃まで連続的に変更することが可能である。
【００１２】
さらに、ＳＢＮは、拡散相転移の特徴を示す。すなわち、強誘電相転移が、Ｔｃに近い比較的広い温度範囲内で、非常に高くかつ鋭い誘電ピークを有して発生する。
【００１３】
しかしながら、ＳＢＮ材料内の分極したマルチドメイン構造は、減極のメカニズムによって、分極方向が逆にされる傾向があるために、その焦電特性を劣化させる。
【００１４】
ところで、ＳＢＮにランタン（Ｌａ）をドーパントすることは、この減極を防止し、シングルドメインのミクロ構造を安定化して無秩序化を防ぎ、それにより、焦電性能を向上させることが、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．４０（１２），ｐｐ．４６９９−４７１３（１９６９）（「ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＳｒ_1-xＢａ_xＮｂ₂Ｏ₆ ｗｉｔｈｓｐｅｃｉａｌｒｅｆｅｒｅｎｃｅｔｏｐｙｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｄｅｔｅｃｔｉｏｎ」）に報告されている。
【００１５】
上述したとおり、強誘電体材料は、図２５に示すような分極および誘電率の双方の温度依存性を、熱型赤外線センサに使用することができる。前者の効果は、従来の焦電（ＰＥ）ボロメータに関し、後者は、誘電ボロメータ（ＤＢ）に関する。
【００１６】
ここで、高感度な特性を得るには、材料の相転移温度（Ｔｃ）を測定温度範囲近くにし、誘電率の温度変化率を大きくしなければならない。
【００１７】
実際に、Ｓｒ_0.48Ｂａ_0.52Ｎｂ₂Ｏ₆のＴｃ値は約１２５℃であって、これは、ＳＢＮを、０．５％Ｌａ₂Ｏ₃で置換することによって、６０℃にまで下げることが可能である。
【００１８】
さらに、ＳＢＮ材料は、Ｐｂ等の揮発性エレメントを含まないため、非常に安定である。レーザアブレーション方法によって、ＳＢＮの薄膜を、ターゲットに完璧に等しい化学量論で容易に成長することが可能であることが、Ｍａｔ．Ｒｅｓ．Ｓｏｃ．Ｓｙｍｐ．Ｐｒｏｃ．Ｖｏｌ．２４３，ｐｐ．５５７−５６２（１９９２）（「Ｓｔｒｏｎｔｉｕｍｂａｒｉｕｍｎｉｏｂａｔｅｔｈｉｎｆｉｌｍｓｐｒｅｐａｒｅｄｂｙｐｕｌｓｅｄｌａｓｅｒｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ」）に報告されている。
【００１９】
ところで、上記赤外線センサをアレイ状に配列し、高密度に集積化することで赤外線イメージセンサとすることを考えると、誘電体セラミックとシリコンＦＥＴ（電界効果型トランジスタ）等のスイッチング素子とのアレイを同一の半導体基板上に形成することが必要となる。このことは、スイッチング素子等の形成プロセスと赤外線検出素子形成プロセスとの整合性、たとえば、半導体基板上に形成された金属電極上へ誘電体セラミックをその特性を劣化させることなく低温で形成することが必要となることを意味する。
【００２０】
また、たとえば、誘電ボロメータを赤外線検出素子として用いる場合、強誘電体薄膜からなるキャパシタの疲労特性も問題となる。
【００２１】
Ｐｂ（Ｚｒ_0.5Ｔｉ_0.5）Ｏ₃（以下、ＰＺＴと呼ぶ）の薄膜材料では、このパルス電圧を印加するストレス試験では、その寿命が約１０⁶サイクルであることが、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．７４（５），１Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ１９９３ｐｐ．３３７３−３３８２（「ＥｎｈａｎｃｅｄＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｌｉｃＰｂ（Ｚｒ_0.5Ｔｉ_0.5）Ｏ₃ ｔｈｉｎｆｉｌｍｓｗｉｔｈｌｏｗ−ｅｎｅｒｇｙｏｘｙｇｅｎｉｏｎａｓｓｉｓｔａｎｃｅ」）に開示されている。
【００２２】
本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、室温付近で検知感度の高い赤外線検出素子に適した強誘電体薄膜およびその製造方法を提供することである。
【００２３】
この発明の他の目的は、赤外線２次元イメージセンサの形成プロセスに整合性の良い強誘電体薄膜の製造方法を提供することである。
【００２４】
この発明のさらに他の目的は、室温付近で検知感度の高く、かつ、赤外線２次元イメージセンサへの集積化が容易な赤外線検出素子を提供することである。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の強誘電体薄膜を用いた誘電ボロメータの製造方法は、Ｓｒ_(1-X-Y) Ｂａ_X Ｌａ_Y Ｎｂ₂ Ｏ₆ の組成を有する強誘電体薄膜材料を用いた誘電ボロメータの製造方法であって、Ｓｒ、Ｂａ、Ｎｂ、Ｌａを含む単一のターゲットにエキシマレーザをパルス照射し、前記エキシマレーザ光により酸素ラジカルを生成する雰囲気ガス中において、前記ターゲットに対向して配置された基板上に前記強誘電体薄膜材料を堆積し、前記強誘電体薄膜を電極で挟んだ誘電ボロメータを形成する。
【００２６】
請求項２記載の強誘電体薄膜の製造方法は、Ｓｒ _(1-X-Y) Ｂａ _X Ｌａ _Y Ｎｂ ₂ Ｏ ₆ の組成を有する強誘電体薄膜材料の製造方法であって、Ｓｒ、Ｂａ、Ｎｂ、Ｌａを含むターゲットにエキシマレーザをパルス照射し、前記エキシマレーザ光により酸素ラジカルを生成するＮ ₂ Ｏガス中において、前記ターゲットに対向して配置された基板上に前記強誘電体薄膜材料を堆積する。
【００２７】
請求項３記載の誘電ボロメータは、Ｓｒ_(1-X-Y) Ｂａ_X Ｌａ_Y Ｎｂ₂ Ｏ₆ の組成を有する強誘電体薄膜材料を用いた容量型の誘電ボロメータであって、Ｓｒ、Ｂａ、Ｎｂ、Ｌａを含む単一のターゲットにエキシマレーザをパルス照射し、前記エキシマレーザ光により酸素ラジカルを生成する雰囲気ガス中において、前記ターゲットに対向して配置された基板上に堆積され、前記Ｌａ組成が３％以下である。
【００２８】
請求項４記載の強誘電体薄膜材料は、Ｓｒ _(1-X-Y) Ｂａ _X Ｌａ _Y Ｎｂ ₂ Ｏ ₆ の組成を有する強誘電体薄膜材料であって、Ｓｒ、Ｂａ、Ｎｂ、Ｌａを含むターゲットにエキシマレーザをパルス照射し、前記エキシマレーザ光により酸素ラジカルを生成するＮ ₂ Ｏガス中において、前記ターゲットに対向して配置された基板上に堆積され、前記Ｌａ組成が３％以下である。
【００２９】
請求項５記載の赤外線検出素子は、基板上に形成される赤外線検出素子であって、赤外線を吸収することによる温度変化に応じて静電容量値が変化する赤外線検出容量手段を備え、前記赤外線検出容量手段は、互いに対向する上部電極および下部電極と、前記上部電極および下部電極に挟まれる強誘電体薄膜とを含み、前記強誘電体薄膜は、Ｓｒ_(1-X-Y) Ｂａ_X Ｌａ_Y Ｎｂ₂ Ｏ₆の組成を有する強誘電体薄膜材料であって、Ｓｒ、Ｂａ、Ｎｂ、Ｌａを含む単一のターゲットにエキシマレーザをパルス照射し、前記エキシマレーザ光により酸素ラジカルを生成する雰囲気ガス中において、前記ターゲットに対向して配置された前記基板上に堆積され、前記赤外線検出容量手段の静電容量値の変化を検出することにより赤外線を検知する。
【００３０】
請求項６記載の赤外線検出素子は、基板上に形成される赤外線検出素子であって、赤外線を吸収することにより焦電電流を生成する赤外線検出手段を備え、前記赤外線検出手段は、互いに対向する上部電極および下部電極と、前記上部電極および下部電極に挟まれる強誘電体薄膜とを含み、前記強誘電体薄膜は、Ｓｒ_(1-X-Y) Ｂａ_X Ｌａ_Y Ｎｂ₂ Ｏ₆の組成を有する強誘電体薄膜材料であって、Ｓｒ、Ｂａ、Ｎｂ、Ｌａを含む単一のターゲットにエキシマレーザをパルス照射し、前記エキシマレーザ光により酸素ラジカルを生成する雰囲気ガス中において、前記ターゲットに対向して配置された前記基板上に堆積され、前記赤外線検出手段からの焦電電流を検出することにより赤外線を検知する。
【００３１】
請求項７記載の赤外線検出素子は、請求項５または６記載の赤外線検出素子の構成において、雰囲気ガスはＮ₂Ｏガスである。
【００３２】
請求項８記載の赤外線検出素子は、請求項７記載の赤外線検出素子の構成において、強誘電体薄膜のＬａ組成が３％以下である。
【００３３】
【発明の実施の形態】
［実施の形態１］
［Ｓｒ_(1-X-Y)Ｂａ_XＬａ_YＮｂ₂Ｏ₆強誘電体薄膜の形成］
以下では、Ｓｒ_(1-X-Y)Ｂａ_XＬａ_YＮｂ₂Ｏ₆強誘電体薄膜（以下、ＳＢＬＮ膜と呼ぶ）（特に、Ｓｒ_0.48Ｂａ_0.51Ｌａ_0.01Ｎｂ₂Ｏ₆膜）の作製について説明する。
【００３４】
すなわち、以下に説明するように、ＳＢＬＮ粉末ターゲットを作製して、Ｐｔ／Ｔｉ／ＳｉＯ₂／Ｓｉ（１００）基板上に、パルスレーザアブレーション堆積方法によって薄膜の成長を行う。
【００３５】
［薄膜成長の条件］
まず、ターゲットは、ＳｒＣＯ₃，ＢａＣＯ₃，Ｌａ₂Ｏ₃およびＮｂ₂Ｏ₅粉末（純度９９．５％以上）の細かく粉砕された混合物をペレット形に加圧成形することによって作製する。
【００３６】
ここで、Ｓｒ、Ｂａ、ＬａおよびＮｂの含量は、０．４８：０．５１：０．０１：２の割合となるように制御する。これは、（Ｓｒ_0.48Ｂａ_0.51Ｌａ_0.01）Ｎｂ₂Ｏ₆（ＳＢＬＮ）の名目上の組成に合わせたものである。
【００３７】
特に限定されないが、機械的強度を改善するために、ペレットは空気中で、８００℃で２時間および１１５０℃で２時間、連続して焼結する。
【００３８】
堆積のプロセスは、レーザーアブレーションにより以下の手順で行う。
基板をまずプレチャンバ内にセットし、その後、分子ポンプを使用して高いバックグラウンド圧力（＜２×１０^-8Ｔｏｒｒ）に予め排気された主チャンバ内に移動する。
【００３９】
エキシマレーザとしては、たとえば、１９３ｎｍの波長（λ）を有し、１０ショット／秒の反復速度で動作するＡｒＦエキシマレーザを用いることが可能である。ここで、エキシマレーザからのレーザ光を３つの鏡によって反射させて、入射角４５°でターゲット表面に焦点を定めて、ターゲット材料を蒸発させる。
【００４０】
レーザの照射条件としては、たとえば、レーザフルーエンスを１５０ｍＪにセットし、ターゲット表面上のビームサイズを約０．２×５ｍｍ²とする。このような条件では、ビーム伝送中のエネルギ損失によって、ターゲット表面上のエネルギ密度は約４Ｊ／ｃｍ²となる。
【００４１】
好ましくは、堆積中、入射レーザの照射による深いクレータの形成を回避するためにターゲットは回転を与えられる。
【００４２】
ターゲットから蒸発したターゲット材料が堆積する基板は、たとえば、ターゲットより３ｃｍの距離に置かれる。
【００４３】
基板は、抵抗加熱器で加熱される基板ホルダ上に装着され、基板温度（Ｔｓ）は、ＰＩＤ温度コントローラを用いて、６００℃程度に保持される。
【００４４】
特に限定されないが、３００ｓｃｃｍの分子流速で、Ｏ₂またはＮ₂Ｏをチャンバ内に送り込む。このとき、周囲圧力は、ＴＭＰのターボスピードを制御することによって、０．１Ｔｏｒｒに調整する。
【００４５】
この条件下では、たとえば、成長速度は約８００ｎｍ／ｈとなり、これは０．２５Ａ／パルスに対応する。
【００４６】
堆積の直後、ポストアニールを元の場所で行う。ポストアニールは、酸素の豊富な環境を確保するために、より濃厚なＯ₂雰囲気（１．０Ｔｏｒｒ）内で基板ホルダ上で行なう。これにより、形成される膜内に起こり得る酸素欠損を補償するものと考えられる。
【００４７】
［ＳＢＬＮ膜の配向性評価］
図１は、基板温度６００℃で異なるアブレーション用ガス雰囲気内で作製された、ＳＢＬＮ粉末ターゲットおよびＳＢＬＮ膜のＸＲＤ（Ｘ−ｒａｙＤｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）プロファイルを示す。
【００４８】
焼結されたばかりの粉末ターゲットは、後続のレーザーアブレーションに耐えるのに十分なほど高密度であって、正方晶系タングステンブロンズ相に結晶化されている。識別されない回折ピークが他に何ら見出されないことは、形成された相が純粋にそのタングステンブロンズ構造であることを示している。
【００４９】
ここで、図１からわかるように、上述のように作製された薄膜は強い配向性を有する。
【００５０】
Ｎ₂Ｏガス雰囲気内でアブレーションによって形成された膜は（００１）配向膜であって、Ｏ₂内で形成された膜は（３１１）配向である。
【００５１】
このようにガス雰囲気によって結晶の配向が制御容易なのは、エキシマレーザのＵＶ照射の際に周囲ガスの解離を通じて生成される酸素ラジカルの活性度の違いによると考えられる。Ｎ₂Ｏから生成された酸素ラジカルのエネルギは、純粋なＯ₂から生成されたものよりも高く、したがって、その（００１）平面上でのＳＢＬＮ膜の成長に有利である。
【００５２】
このように強誘電体薄膜の配向性を制御できることは、配向性のある膜が誘電体応用に極めて望ましいことから、重要な意味を持つ。
【００５３】
図２は、ＳＢＬＮターゲットおよびＮ₂ＯとＯ₂の異なるガス雰囲気内で作製されたＳＢＬＮ膜のラマンスペクトルを示す。
【００５４】
図２に示した２つのＳＢＬＮ膜のラマンスペクトルも、散乱位置が極めて異なる。しかしながら、それらのプロファイルは双方とも、正方晶系タングステンブロンズ粉末ターゲットのそれに良く合致する。
【００５５】
［薄膜の電気的特性］
以下では、堆積された薄膜の電気的特性について説明する。
【００５６】
基板としては、熱酸化されたＳｉ（１００）ウェハを使用し、電気的測定を行なうために、Ｐｔ（３００ｎｍ）／Ｔｉ（１５０ｎｍ）の二層金属膜を、室温でのＲＦマグネトロンスパッタリングしたものを用いている。
【００５７】
電気的特性の測定のためにＰｔ／ＳＢＬＮ／Ｐｔキャパシタ構成を得るために、０．１、０．２、および０．５ｍｍの３つの直径を有する点状のＰｔ電極を、金属マスクを通じて薄膜の上部表面上にＲＦマグネトロンスパッタリングで形成する。
【００５８】
図３は、Ｐｔ／ＳＢＬＮ／Ｐｔ／Ｔｉキャパシタ構造とした（００１）配向および（３１０）配向のＳＢＬＮ膜の、電流密度Ｊの印加電圧Ｖ依存性を示す。
【００５９】
正のバイアスを上部電極に印加して、漏れ電流密度を室温で測定する。
すべての膜は低いオーム伝導（∂ｌｎＪ／∂ｌｎＶ〜１）を示し、約２Ｖの遷移電圧までの印加バイアスに対して、１０^-5Ａ／ｃｍ²より低い電流密度を示している。
【００６０】
これは、１μｍ厚さのＳＢＬＮ膜に対する２０ｋＶ／ｃｍの印加電界に対応する。遷移電圧を超えると、電流密度は（∂ｌｎＪ／∂ｌｎＶ）〜７ないし１０の傾斜で急速に増加する。
【００６１】
しかしそれでも、１．５Ｖで約２００ｎＡ／ｃｍ²の漏れ電流密度レベルは、センサ動作が十分可能なレベルである。
【００６２】
図４は、２つの異なる配向を有する１μｍ厚さのＳＢＬＮ膜の、Ｐ−Ｖヒステリシス曲線を示す。
【００６３】
残留分極（Ｐ_r）は、（００１）配向膜では２μＣ／ｃｍ²であって、（３１１）配向膜では１μＣ／ｃｍ²である。
【００６４】
抗電界（Ｅ_c）は２５ｋＶ／ｃｍである。Ｐ_rの値が（３１１）配向の膜よりも（００１）配向の膜においての方が高いことは、ＸＲＤ試験と非常によく合致している。なぜなら、自発分極の配向が、ＳＢＬＮ材料の（００１）に沿っているからである。
【００６５】
双方の膜の抗電界Ｅ_c値がほぼ同じであることがわかるが、これは、ＳＢＬＮ膜の分極を逆にするのに必要とされる電界が、配向の違いにかかわらず同じであることを示唆している。しかしそれでも、これらＰ_r値は、ＳＢＮ単結晶のそれよりもはるかに小さい。
【００６６】
図５は、１μｍ厚さのＰｔ／ＳＢＬＮ（３１１）／Ｐｔキャパシタの分極スイッチング耐久特性を示す。印加された双極性パルスストレスの振幅は１８Ｖである。図５中の挿入図は、試験前および第１の疲労試験の直後のＰ−Ｖヒステリシス曲線を示す。
【００６７】
熱型イメージセンサの場合、強誘電キャパシタ内の温度に伴う容量変化は、一連の電圧パルスを用いて感知されることになる。
【００６８】
強誘電材料は通常、分極スイッチングサイクルを所定の回数繰返した後に疲労の問題に見まわれ、他の電気的特性が劣化する。このため、疲労試験を（３１１）配向の膜に対して付加的に行なった。この疲労試験では、キャパシタを疲労させるのに、振幅が１８Ｖで、周波数がそれぞれ１ｋＨｚおよび１ＭＨｚの、ストレスをかけられた２連の双極性方形パルスを連続的に使用した。
【００６９】
図５において、２Ｐ_rが、スイッチングサイクルの回数の関数として作図されている。図５に示された結果により、累積で１０⁹回のスイッチングサイクルまでストレスがかけられた後にも、ＳＢＬＮに顕著な疲労が見られないことがわかる。
【００７０】
実際、２Ｐ_rの値は、スイッチングサイクルの数が増加するに従って、低下するのではなく徐々に増加する。
【００７１】
図６は、異なる配向を有する２つの膜に関して、容量および誘電率（ε_r）の温度依存性を示す。
【００７２】
誘電ミクロボロメータのためのＳＢＬＮ材料に関して、容量に対する温度の応答を調べるために、温度上昇に伴う容量の測定を広範囲で行なった。容量は、振幅１Ｖの１ｋＨｚの正弦波を使用して検出している。
【００７３】
２５℃の室温において、（００１）配向の膜に関する誘電率および誘電損は５００および０．０１３に等しく、これらは、（３１１）配向の膜に関する２００および０．０２の値よりも高い。誘電損が低いことは、漏れの影響が低いことを示す。ε_rの差は、膜内の配向の違いによる。
【００７４】
ε_r−Ｔ曲線は、８０℃から１２０℃の温度範囲で広く、急峻な部分を有する。（００１）配向の膜については、１２０℃あたりに誘電ピークがある。
【００７５】
（３１１）配向の膜については、１３０℃にまで温度が上昇しても誘電ピークは現われていない。それでも、ε_rの顕著な温度変化率（Δε_r／ΔＴ）が観察される。
【００７６】
８０℃から１２０℃の温度範囲における（００１）配向および（３１１）配向の双方の膜に関する（Δε_r／ΔＴ）の平均値は約１００Ｋ^-1である。
【００７７】
バイアスレベルを、試験中の正弦波の振幅に等しい１Ｖであると仮定すると、誘起される焦電係数（Ｐ＝ε₀・Ｅ・Δε_r／ΔＴ）は、８８ｎＣ／ｃｍ²Ｋに達する。この値は、ＬｉＴａＯ₃の単結晶の従来の焦電係数の最高値にほぼ等しい。
【００７８】
［Ｌａのドープ量の影響］
図７は、Ｓｒ_0.5Ｂａ_0.5Ｎｂ₂Ｏ₆（ＳＢＮ）結晶について、Ｌａ₂Ｏ₃ドーパント濃度のキュリー温度に対する効果を表わす。挿入図は、１．０％Ｌａ₂Ｏ₃でドープされたＳＢＮ結晶の、ε_r−Ｔ曲線上の誘電ピークを示す。
【００７９】
Ｌａ₂Ｏ₃のドーパント濃度の増加に伴い、キューリー温度は単調に減少し、Ｌａ₂Ｏ₃濃度が１．５％で室温にまで低下することがわかる。
【００８０】
つまり、言い換えると、ＳＢＬＮ材料中のＬａ濃度の増加に応じて、少なくともＬａ濃度３％までは、単調にキューリー温度の低下が起こることがわかる。
【００８１】
以上、説明したとおり、タングステンブロンズ構造を有する、Ｌａで置換されたＳＢＮ（Ｓｒ_0.48Ｂａ_0.51Ｌａ_0.01Ｎｂ₂Ｏ₆：ＳＢＬＮ）の配向性の高い薄膜が、パルスレーザ堆積法によって、温度６００℃および圧力１３Ｐａの条件で、Ｐｔ／Ｔｉ／ＳｉＯ₂／Ｓｉ（１００）基板上に再現性良く作製される。
【００８２】
［実施の形態２］
［赤外線検出素子の構成］
図８は、本発明の実施の形態２の赤外線２次元イメージセンサ１０００の構成を示す概略ブロック図である。
【００８３】
赤外線２次元イメージセンサ１０００は、外部からの制御信号（タイミング信号、アドレス信号等を含む）を受ける制御信号入力端子２と、外部制御信号に応じて赤外線２次元イメージセンサ１０００の動作を制御する信号を出力する制御回路１０と、画素セル２０がマトリックス状に配列されたセンサアレイ１６と、制御回路１０に制御されて、センサアレイ１６中の行の選択を行う行セレクタ１２と、制御回路１０により制御されてセンサアレイ１６中の列の選択を行う列セレクタ１４と、センサアレイ１６の列に対応して設けられ、選択された画素セルからの信号を増幅するオペアンプ２２と、センサアレイの列に対応して設けられオペアンプ２２からの信号の高周波ノイズの除去を行う帯域透過フィルタ２４と、制御回路１０により制御されて、帯域透過フィルタ２４からの信号を選択的に出力端子４に与えるマルチプレクサ２６とを含む。
【００８４】
制御回路１０は、外部からの制御信号に応じて、行セレクタ１２の動作を制御する信号ＣＬＫ１と、列セレクタ１４の動作を制御する信号ＣＬＫ２と、マルチプレクサ２６の動作を制御する信号ＳＣとを出力する。
【００８５】
図９は、図８の画素セル２０の構成を示す回路図である。
画素セル２０は、第１の駆動信号ＳＤ１が与えられるノード２０２と、第２の駆動信号ＳＤ２が与えられるノード２０４と、ノード２０２と２０４との間に直列に接続される抵抗体Ｒ１および参照容量ＣＲと、ノード２０２と２０４との間に直列に接続される抵抗体Ｒ２および赤外線検出容量ＣＦと、抵抗体Ｒ１と参照容量ＣＲとの接続ノードｎ１と画素セル２０の第１の出力ノードｎｔ１との間に直列に接続されるトランジスタＴｒ１およびＴｒ２と、抵抗体Ｒ２と赤外線検出容量ＣＦとの接続ノードｎ２と画素セル２０の第２の出力ノードｎｔ２との間に直列に接続されるトランジスタＴｒ３およびＴｒ４とを含む。
【００８６】
トランジスタＴｒ１およびＴｒ３は、行セレクタ１２からの信号Ｓｘに応じて導通または非導通状態となり、トランジスタＴｒ２およびＴｒ４は、列セレクタ１４からの信号Ｓｙに応じて導通または非導通状態となる。
【００８７】
出力ノードｎｔ１およｎｔ２からは、それぞれ互いに相補な信号ＯＵＴおよび／ＯＵＴが出力される。
【００８８】
また、抵抗体Ｒ１およびＲ２としては、特に限定されないが、たとえば、注入抵抗やポリシリコン薄膜を用いることが可能である。もちろん、他の金属材料等の薄膜を抵抗体Ｒ１およびＲ１として用いることが可能である。
【００８９】
また、参照容量としては、特に限定されないが、赤外線が入射しないように遮蔽した赤外線検出容量と同様の強誘電体薄膜を用いたキャパシタとしたり、シリコン酸化膜を金属電極で挟んだ構造を用いることが可能である。
【００９０】
さらに、赤外線検出容量としては、実施の形態１で説明したＳＢＬＮ膜を用いることが可能である。
【００９１】
なお、トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ４は、赤外線２次元イメージセンサを構成するために設けられてものであって、単一の赤外線検出素子として用いる場合は、これを省いた構成とすることができる。
【００９２】
図１０は、図９に示した回路をシリコン（Ｓｉ）などの半導体基板上に集積回路として形成する際の平面パターンを示す平面図であり、図１１は、図１０に示した平面図のＰ−Ｐ’断面を示す断面図である。
【００９３】
図１０および図１１を参照して、画素セル２０は、Ｓｉ基板３００上に堆積されたシリコン酸化膜３０４と、シリコン酸化膜３０４の開口部に形成されたＭＯＳトランジスタＴｒ１と、ＭＯＳトランジスタＴｒ１に隣接して形成され、下部電極３０８（Ｐｔ／Ｔｉ積層膜）、強誘電体膜３１０（ＳＢＬＮ膜）および上部電極３１２（Ａｌ膜）とからなる赤外線検出容量ＣＦと、Ｓｉ基板３００の裏面側から赤外線検出容量ＣＦの直下部分の所定深さまで開口する溝部３３０とを含む。
【００９４】
ＭＯＳトランジスタＴｒ１は、シリコン酸化膜３０４の開口部のＳｉ基板主表面に形成され、基板の導伝型とは逆極性の不純物領域であるソース／ドレイン領域３２０および３２４と、ソース／ドレイン領域３２０および３２４に挟まれるＳｉ基板主表面に形成されたチャネル層３２２と、チャネル層直上のＳｉ基板主表面に堆積されたゲート酸化膜３０２およびゲート酸化膜３０２上に形成されたポリシリコンゲート電極３１４とを含む。
【００９５】
下部電極３０８は、シリコン酸化膜３０４の上部に堆積され層間絶縁膜となるシリコン酸化膜３０６上に堆積される。下部電極３０８は、ソース／ドレイン領域３２０とコンタクトしている。
【００９６】
ゲート電極３１４上には、下部電極３０８と同一の配線層により形成された引出し配線３１６が設けられ、下部電極３０８と同一の配線層により形成された引出し配線３１８とソース／ドレイン領域３２４とがコンタクトしている。
【００９７】
溝部３３０を設けるのは、画素セル２０が熱型赤外センサであって、その温度上昇が出力信号強度に直接影響することから、熱伝導の大きいＳｉ基板３００への熱のロスをできるだけ減少させるためである。
【００９８】
なお、図１０中で領域ＧＶは、溝部３３０をエッチング形成する際の平面パターンであり、領域ＧＶを囲む領域ＧＥＳは、溝部３３０を裏面側からエッチングする際のエッチングストッパ層を形成する領域を意味する。たとえば、基板表面側からホウ素（Ｂ）等のイオン（たとえば、濃度３×１０¹⁶ｃｍ^-3以上）を注入しておくことで、Ｓｉのエッチングレートが減少することを利用する。
【００９９】
次に、図１１に示した画素セル２０の製造方法を、その第１〜第１２工程のフローを断面図に従って説明する。
【０１００】
図１２〜図２３は、上記第１〜第１２工程をそれぞれ示す断面図である。
図１２を参照して、第１工程においては、Ｓｉ基板３００表面に熱酸化によりシリコン酸化膜３０４を形成する。また、基板裏面にアラインメントマーク３０１をドライエッチング等の異方性エッチングにより形成する。
【０１０１】
図１３を参照して、第２工程ではシリコン酸化膜３０４の所定領域３０３をエッチングにより開口する。後に説明するようにこの領域３０３にＭＯＳトランジスタＴＲ１が形成される。
【０１０２】
図１４を参照して、レジストパターン３０５をマスクとしてＭＯＳトランジスタＴＲ１のチャネル部３２２へ、その導伝型に対応したイオン種のイオン注入を行った後、活性化のためのアニールを行う。
【０１０３】
図１５を参照して、Ｓｉ基板に対して熱酸化により、ゲート酸化膜３０２を堆積した後、ＣＶＤ（Chemical Vaper Deposition ）法等によりゲート電極となるポリシリコン３０７を堆積する。
【０１０４】
図１６を参照して、ＲＩＥ（Reactive Ion Eyching）等の異方性エッチングによりポリシリコン３０７をエッチングして、パターニングすることによりゲート電極３１４が形成される。
【０１０５】
図１７を参照して、ゲートパターンをマスクとして開口部３０３上およびシリコン酸化膜３０４上に堆積しているゲート酸化膜３０２をエッチング除去した後、ゲート電極３１４およびシリコン酸化膜３０４をマスクとしてソース／ドレイン領域３２０および３２４の不純物拡散を行う。
【０１０６】
図１８を参照して、ＣＶＤ法等によりシリコン酸化膜３０６を堆積する。
図１９を参照して、基板裏面側からＲＩＥ等の異方性エッチングによりＳｉ基板３００に溝部３３０を形成する。この溝部の開口寸法は、たとえば、数十μｍ×数十μｍの大きさである。
【０１０７】
また、赤外線検出容量ＣＦの直下のＳｉ基板厚は、たとえば、０〜５０μｍの範囲であり、機械的強度の許す限り薄ければ薄いほどよい。
【０１０８】
つまり、好ましくは、赤外線検出容量ＣＦの直下にはＳｉ基板が存在しなくなるまでエッチング除去することが望ましい。
【０１０９】
図２０を参照して、ＭＯＳトランジスタＴＲ１のソース／ドレイン領域３２０および３２４ならびにゲート電極３１４上に開口するコンタクトホール（接続孔）をＲＩＥ等により形成する。
【０１１０】
図２１を参照して、スパッタリング法あるいは真空蒸着法およびリフトオフ法等により下部電極３０８ならびに引出し配線３１６および３１８となるＰｔ／Ｔｉ積層膜を形成する。
【０１１１】
続いて、図２２を参照して、レーザーアブレーション法等により強誘電率膜３１０のＳＢＬＮ膜等を堆積する。レーザーアブレーションにより強誘電体膜を堆積することで、低基板温度での成膜が可能であり、ＦＥＴアレイが形成されている基板へのダメージを低く押さえることができる。
【０１１２】
図２３を参照して、上部電極となるＡｌ膜３１２をスパッタリング法あるいは真空蒸着法等により所定パターンに形成する。
【０１１３】
以上の工程により、図１１に示したような断面構造を有する画素セル２０が形成される。
【０１１４】
図１１に示したような画素セル２０は、電界誘起焦電効果による誘電ボロメータであって、誘電率の温度変化を利用することにより、赤外線センサとして動作する。
【０１１５】
この赤外線センサは、誘電率を電界を加えて測定するためチョッパが必要なくなる。
【０１１６】
さらに、後に説明するように、参照容量との差動をとることにより格段に感度を向上させることが可能な構成を比較的簡単な構造で実現できるため、二次元アレイとした場合にも高解像度を実現しやすいとの特徴を有する。
【０１１７】
以上のように構成された画素セルにより、室温で高感度かつ簡易な構成の赤外線検出回路を実現することができ、それを２次元に配列した２次元センサアレイにより、高感度かつ高密度画素の室温動作赤外線２次元イメージセンサを実現することができる。
【０１１８】
［実施の形態３］
図２４は、実施の形態１で説明したＳＢＬＮ膜を用いて、赤外線検出のための焦電センサを作成した場合の測定系４００の構成を示す、概略ブロック図である。
【０１１９】
測定系４００は、ＳＢＬＮ膜を誘電体とするキャパシタ４０２と、キャパシタ４０２の上部電極から順次直列に接続され、各々のゲート電位が選択信号ＳｘおよびＳｙにより制御されるＭＯＳトランジスタＴｒ１およびＴｒ２と、キャパシタ４０２の下部電極と＋入力ノードが接続し、トランジスタＴｒ１およびＴｒ２を介してキャパシタ４０２の上部電極とー入力ノードが接続するオペアンプ４０６と、オペアンプ４０６の出力ノードとー入力ノードとの間に接続されるフィードバック抵抗Ｒと、オペアンプ４０６の出力を受ける高域透過フィルタ４０８と、高域透過フィルタ４０８からの出力を受けるゲインアンプ４１０と、ゲインアンプ４１０の出力を受ける低域透過フィルタ４１２と、低域透過フィルタ４１２の出力を受けて出力電位Ｖｏｕｔを出力するアンプ４１４とを含む。
【０１２０】
キャパシタ４０２に入力する赤外線は、チョッパー４０４により一定の時間間隔で遮断される。
【０１２１】
なお、トランジスタＴｒ１およびＴｒ２は、赤外線２次元イメージセンサを構成するために設けられてものであって、単一の赤外線検出素子として用いる場合は、これを省いた構成とすることができる。
【０１２２】
このような構成で、入射する赤外線強度に応じて流れるキャパシタ４０２からの焦電電流を検出・増幅することで、赤外線センサを構成することが可能である。
【０１２３】
以上説明してきたような本発明にかかる赤外線検出素子により、室温動作可能で小型の赤外線イメージセンサが実現されることで、簡便な構成でサーモグラフィーを得ることができる。
これは、病気の早期発見、機器の故障診断、ガス漏れ検知などの屋内での応用にとどまらず、都市や自然環境監視、火災監視、自動車用暗視野下での運転補助、構造物の非破壊診断、侵入警戒、資源探査、気象観測等の屋外での応用を含めて幅広く適用することが可能である。
【０１２４】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図されている。
【０１２５】
【発明の効果】
以上説明したとおり、本発明にかかる強誘電体薄膜およびその製造方法により、室温で高感度かつ簡易な構成の赤外線検出素子を実現することができる。また、この赤外線検出素子を２次元に配列した２次元センサアレイにより、高感度かつ高密度画素の室温動作赤外線２次元イメージセンサを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】異なるアブレーション用ガス雰囲気内で作製された、ＳＢＬＮ粉末ターゲットおよびＳＢＬＮ膜のＸＲＤプロファイルを示す図である。
【図２】異なるガス雰囲気内で作製されたＳＢＬＮターゲットおよびＳＢＬＮ膜のラマンスペクトルを示す図である。
【図３】ＳＢＬＮ膜を流れる電流密度Ｊの印加電圧Ｖ依存性を示す図である。
【図４】２つの異なる配向を有するＳＢＬＮ膜のＰ−Ｖヒステリシス曲線を示す図である。
【図５】ＳＢＬＮ（３１１）膜の分極スイッチング耐久特性を示す図である。
【図６】異なる配向を有する２つの膜の容量および誘電率（ε_r）の温度依存性を示す図である。
【図７】ＳＢＮ結晶に対するＬａ₂Ｏ₃のドーパント濃度のキュリー温度に対する効果を表わす図である。
【図８】本発明の実施の形態１の赤外線２次元イメージセンサ１０００の構成を示す概略ブロック図である。
【図９】図画素セル２０の構成を示す回路図である。
【図１０】図９に示した回路を半導体基板上に集積回路として形成する際の平面パターンを示す平面図である。
【図１１】図１０に示した平面図のＰ−Ｐ’断面を示す断面図である。
【図１２】画素セル２０の製造フロー中の第１工程を示す断面図である。
【図１３】画素セル２０の製造フロー中の第２工程を示す断面図である。
【図１４】画素セル２０の製造フロー中の第３工程を示す断面図である。
【図１５】画素セル２０の製造フロー中の第４工程を示す断面図である。
【図１６】画素セル２０の製造フロー中の第５工程を示す断面図である。
【図１７】画素セル２０の製造フロー中の第６工程を示す断面図である。
【図１８】画素セル２０の製造フロー中の第７工程を示す断面図である。
【図１９】画素セル２０の製造フロー中の第８工程を示す断面図である。
【図２０】画素セル２０の製造フロー中の第９工程を示す断面図である。
【図２１】画素セル２０の製造フロー中の第１０工程を示す断面図である。
【図２２】画素セル２０の製造フロー中の第１１工程を示す断面図である。
【図２３】画素セル２０の製造フロー中の第１２工程を示す断面図である。
【図２４】本発明の実施の形態３の焦電型赤外線検出素子の測定系４００の構成を示す図である。
【図２５】強誘電体材料の分極および誘電率の双方の温度依存性を示す概念図である。
【符号の説明】
２制御信号入力端子
４出力端子
１０制御回路
１２行セレクタ
１４列セレクタ
１６センサアレイ
２０画素セル
２２オペアンプ
２４帯域透過フィルタ
２６マルチプレクサ
１２０画素セル
３００シリコン基板
３０２ゲート酸化膜
３０４、３０６シリコン酸化膜
３０８下部電極
３１０強誘電体薄膜
３１２上部電極
３１４ゲート電極
３１６、３１８引出し配線
３３０溝部
４０２強誘電体キャパシタ
４０４チョッパ
４０６オペアンプ
１０００赤外線２次元イメージセンサ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention provides Sr_(1-XY)Ba_XLa_YNb₂O₆The present invention relates to a ferroelectric thin film material having the following composition, a method for manufacturing the same, and an infrared detecting element for detecting the intensity of infrared rays emitted from a target object using the ferroelectric thin film material.
[0002]
[Prior art]
[Background Technology of Infrared Detector]
Infrared rays (heat rays) near a wavelength of 10 μm are radiated from objects and human bodies at room temperature, and by measuring this, information on their presence and temperature can be obtained in a non-contact manner, automatic doors, intrusion warning devices, Various applications, such as cooking monitors for microwave ovens and scientific measurements, have been made.
[0003]
In such measurement, the most important key device is an infrared sensor, which is roughly divided into two types: a quantum infrared sensor and a thermal infrared sensor.
[0004]
Quantum infrared sensors have high sensitivity and excellent detection capability, but there is a problem in practicality in that the device is large because cooling is necessary, but thermal infrared sensors have a sensitivity of quantum type. Although it is slightly inferior to an infrared sensor, it has the merit that it can be operated at room temperature, and is practical.
[0005]
Therefore, many thermal infrared sensors have been proposed, such as those using the pyroelectric effect, resistance bolometers, dielectric bolometers, thermopiles, and Golay cells. For example, an infrared image sensor using the pyroelectric effect is disclosed in Proc. 8th IEEE Int. Symp. Appl. Ferroelectronics (1992) pp. 1-10 (“PYROELECTRIC IMAGEING” Bemard M. Kulwicki et.al.).
[0006]
In particular, a dielectric bolometer that detects a temperature change of the dielectric constant by applying an electric field has excellent features such as higher sensitivity than other sensors and does not require a chopper, and is expected from a practical viewpoint.
[0007]
Furthermore, as a more advanced infrared sensing, it is expected to be applied to an infrared image sensor (thermography) that can obtain a temperature distribution of an object or a landscape without contact.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
[Background of ferroelectric materials for infrared detectors]
In order to improve the performance of an infrared detection element used in the infrared image sensor or the like, it is necessary that the material constituting the infrared detection element has high detection sensitivity.
[0009]
In other words, when a pyroelectric (PE) bolometer using the pyroelectric effect is used as an infrared sensor, the pyroelectric coefficient needs to be large near room temperature, and the dielectric bolometer (DB: Dielectric Bolometer) ) Requires a large change in the dielectric constant around room temperature.
[0010]
An important material group for such infrared detection elements is a ferroelectric SBN (strontium barium niobate, Sr) having a tetragonal tungsten bronze structure._1-xBa_xNb₂O₆However, there are 0.25 ≦ x ≦ 0.75) crystals.
[0011]
These have the highest pyroelectric coefficient, showing very excellent ferroelectric properties among the ferroelectric materials, and their Curie temperature (Tc) is controlled from 60 ° C. by controlling the Sr / Nb ratio. It is possible to change continuously up to 250 ° C.
[0012]
Furthermore, SBN exhibits the characteristics of a diffusion phase transition. That is, the ferroelectric phase transition occurs with a very high and sharp dielectric peak within a relatively wide temperature range close to Tc.
[0013]
However, the polarized multi-domain structure in the SBN material degrades its pyroelectric properties because the polarization direction tends to be reversed by the depolarization mechanism.
[0014]
By the way, doping lanthanum (La) to SBN prevents this depolarization, stabilizes the single-domain microstructure and prevents disorder, and thereby improves pyroelectric performance. Appl. Phys. 40 (12), pp. 4699-4713 (1969) ("Electrical Properties of Sr_1-xBa_xNb₂O₆  with special reference to pyroelectric detection ").
[0015]
As described above, the ferroelectric material can be used for the thermal infrared sensor in the temperature dependence of both polarization and dielectric constant as shown in FIG. The former effect relates to a conventional pyroelectric (PE) bolometer, and the latter relates to a dielectric bolometer (DB).
[0016]
Here, in order to obtain highly sensitive characteristics, the phase transition temperature (Tc) of the material must be close to the measurement temperature range, and the temperature change rate of the dielectric constant must be increased.
[0017]
In fact, Sr_0.48Ba_0.52Nb₂O₆Tc value of about 125 ° C., which means that SBN is 0.5% La₂O_ThreeCan be lowered to 60 ° C.
[0018]
Furthermore, the SBN material is very stable because it does not contain volatile elements such as Pb. It is possible to easily grow a thin film of SBN with a stoichiometry perfectly equal to the target by the laser ablation method. Res. Soc. Symp. Proc. Vol. 243, pp. 557-562 (1992) ("Strontium barium neobate thinfilms prepared by pulsed laser deposition").
[0019]
By the way, considering the infrared image sensor by arranging the infrared sensors in an array and integrating them at high density, an array of dielectric ceramics and switching elements such as silicon FETs (field effect transistors) is formed. It is necessary to form on the same semiconductor substrate. This means that the formation process of the switching element and the infrared detection element formation process are consistent, for example, the dielectric ceramic is formed on the metal electrode formed on the semiconductor substrate at a low temperature without degrading its characteristics. Means that it is necessary.
[0020]
For example, when a dielectric bolometer is used as an infrared detection element, the fatigue characteristics of a capacitor made of a ferroelectric thin film also become a problem.
[0021]
Pb (Zr_0.5Ti_0.5) O_ThreeThe thin film material (hereinafter referred to as PZT) has a lifetime of about 10 in the stress test in which this pulse voltage is applied.⁶It is J. to be a cycle. Appl. Phys. 74 (5), 1 September 1993pp. 3373-3382 ("Enhanced Electric Properties of ferroelectric Pb (Zr_0.5Ti_0.5) O_Three  thin films with low-energy oxygen ion assistance ”).
[0022]
The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a ferroelectric thin film suitable for an infrared detection element having high detection sensitivity near room temperature and a method for manufacturing the same. That is.
[0023]
Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a ferroelectric thin film having good consistency with an infrared two-dimensional image sensor forming process.
[0024]
Still another object of the present invention is to provide an infrared detection element having high detection sensitivity near room temperature and easy integration into an infrared two-dimensional image sensor.
[0025]
[Means for Solving the Problems]
  The ferroelectric thin film according to claim 1.Dielectric bolometer usingThe manufacturing method of Sr_(1-XY) Ba_X La_Y Nb₂ O₆ Ferroelectric thin film material having the compositionDielectric bolometer usingThe manufacturing method of Sr, Ba, Nb, La is included.singleThe target is irradiated with an excimer laser pulse, and the ferroelectric thin film material is deposited on a substrate disposed facing the target in an atmosphere gas that generates oxygen radicals by the excimer laser light.And forming a dielectric bolometer with the ferroelectric thin film sandwiched between electrodesTo do.
[0026]
  The method for producing a ferroelectric thin film according to claim 2 comprises:Sr _(1-XY) Ba _X La _Y Nb ₂ O ₆ A method for producing a ferroelectric thin film material having a composition of N, wherein a target containing Sr, Ba, Nb, and La is pulsed with an excimer laser, and oxygen radicals are generated by the excimer laser light ₂ Depositing the ferroelectric thin film material on a substrate disposed in opposition to the target in O gas;.
[0027]
  Claim 3Dielectric bolometerSr_(1-XY) Ba_X La_Y Nb₂ O₆ Ferroelectric thin film material having the compositionCapacitance type dielectric bolometerIncluding Sr, Ba, Nb, LasingleThe target is pulse-excited with an excimer laser, and is deposited on a substrate disposed opposite to the target in an atmospheric gas that generates oxygen radicals by the excimer laser light, and the La composition is 3% or less.
[0028]
  The ferroelectric thin film material according to claim 4,Sr _(1-XY) Ba _X La _Y Nb ₂ O ₆ A ferroelectric thin film material having the composition ₂ In the O gas, it is deposited on a substrate arranged to face the target, and the La composition is 3% or less.
[0029]
  An infrared detection element according to claim 5 is an infrared detection element formed on a substrate, comprising infrared detection capacitance means whose capacitance value changes in accordance with a temperature change caused by absorbing infrared rays, The detection capacitor means includes an upper electrode and a lower electrode facing each other, and a ferroelectric thin film sandwiched between the upper electrode and the lower electrode, and the ferroelectric thin film comprises Sr_(1-XY) Ba_X La_Y Nb₂ O₆A ferroelectric thin film material having the composition: Sr, Ba, Nb, LasingleA target is irradiated with an excimer laser in a pulse, and is deposited on the substrate disposed opposite to the target in an atmospheric gas that generates oxygen radicals by the excimer laser light. Infrared light is detected by detecting the change in.
[0030]
  The infrared detection element according to claim 6 is an infrared detection element formed on a substrate, comprising infrared detection means for generating a pyroelectric current by absorbing infrared rays, wherein the infrared detection means face each other. The ferroelectric thin film includes an upper electrode and a lower electrode, and a ferroelectric thin film sandwiched between the upper electrode and the lower electrode._(1-XY) Ba_X La_Y Nb₂ O₆A ferroelectric thin film material having the composition: Sr, Ba, Nb, LasingleThe target is pulsed with an excimer laser, and is deposited on the substrate disposed opposite to the target in an atmospheric gas that generates oxygen radicals by the excimer laser light. Infrared is detected by detecting.
[0031]
The infrared detection element according to claim 7 is the configuration of the infrared detection element according to claim 5 or 6, wherein the atmosphere gas is N.₂O gas.
[0032]
The infrared detection element according to claim 8 is the configuration of the infrared detection element according to claim 7, wherein the La composition of the ferroelectric thin film is 3% or less.
[0033]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
[Embodiment 1]
[Sr_(1-XY)Ba_XLa_YNb₂O₆Formation of ferroelectric thin film]
In the following, Sr_(1-XY)Ba_XLa_YNb₂O₆Ferroelectric thin film (hereinafter referred to as SBLN film) (in particular, Sr_0.48Ba_0.51La_0.01Nb₂O₆(Film) will be described.
[0034]
That is, as described below, an SBLN powder target was prepared and Pt / Ti / SiO₂A thin film is grown on a / Si (100) substrate by a pulsed laser ablation deposition method.
[0035]
[Conditions for thin film growth]
First, the target is SrCO_Three, BaCO_Three, La₂O_ThreeAnd Nb₂O_FiveIt is made by pressing a finely pulverized mixture of powder (purity 99.5% or more) into a pellet form.
[0036]
Here, the contents of Sr, Ba, La, and Nb are controlled to be a ratio of 0.48: 0.51: 0.01: 2. This is (Sr_0.48Ba_0.51La_0.01Nb₂O₆This is in accordance with the nominal composition of (SBLN).
[0037]
Although not particularly limited, in order to improve the mechanical strength, the pellets are continuously sintered in air at 800 ° C. for 2 hours and 1150 ° C. for 2 hours.
[0038]
The deposition process is performed by laser ablation according to the following procedure.
The substrate is first set in the pre-chamber and then a high background pressure (<2 × 10 × using a molecular pump.^-8Torr) moves into the main chamber that has been evacuated beforehand.
[0039]
As the excimer laser, for example, an ArF excimer laser having a wavelength (λ) of 193 nm and operating at a repetition rate of 10 shots / second can be used. Here, the laser light from the excimer laser is reflected by three mirrors, focused on the target surface at an incident angle of 45 °, and the target material is evaporated.
[0040]
As the laser irradiation conditions, for example, the laser fluence is set to 150 mJ, and the beam size on the target surface is about 0.2 × 5 mm.²And Under such conditions, the energy density on the target surface is about 4 J / cm due to energy loss during beam transmission.²It becomes.
[0041]
Preferably, during deposition, the target is rotated in order to avoid the formation of deep craters due to irradiation of the incident laser.
[0042]
The substrate on which the target material evaporated from the target is deposited is placed, for example, at a distance of 3 cm from the target.
[0043]
The substrate is mounted on a substrate holder that is heated by a resistance heater, and the substrate temperature (Ts) is maintained at about 600 ° C. using a PID temperature controller.
[0044]
Although not particularly limited, at a molecular flow rate of 300 sccm, O₂Or N₂O is fed into the chamber. At this time, the ambient pressure is adjusted to 0.1 Torr by controlling the turbo speed of the TMP.
[0045]
Under this condition, for example, the growth rate is about 800 nm / h, which corresponds to 0.25 A / pulse.
[0046]
Immediately after deposition, post-annealing is performed at the original location. Post-annealing is more concentrated in order to ensure an oxygen-rich environment.₂Performed on the substrate holder in an atmosphere (1.0 Torr). This is considered to compensate for oxygen vacancies that may occur in the formed film.
[0047]
[Evaluation of orientation of SBLN film]
FIG. 1 shows an XRD (X-ray Diffraction) profile of an SBLN powder target and an SBLN film produced in different ablation gas atmospheres at a substrate temperature of 600 ° C.
[0048]
The as-sintered powder target is dense enough to withstand subsequent laser ablation and crystallized into a tetragonal tungsten bronze phase. The absence of any other unidentified diffraction peaks indicates that the phase formed is purely its tungsten bronze structure.
[0049]
Here, as can be seen from FIG. 1, the thin film produced as described above has a strong orientation.
[0050]
N₂The film formed by ablation in an O gas atmosphere is a (001) orientation film,₂The film formed within is (311) oriented.
[0051]
The reason why the orientation of the crystal is easily controlled by the gas atmosphere is considered to be due to the difference in the activity of oxygen radicals generated through dissociation of the surrounding gas during the UV irradiation of the excimer laser. N₂The energy of oxygen radicals generated from O is pure O₂Higher than that generated from, thus favoring the growth of SBLN films on its (001) plane.
[0052]
Controlling the orientation of the ferroelectric thin film in this way is important because an oriented film is highly desirable for dielectric applications.
[0053]
FIG. 2 shows the SBLN target and N₂O and O₂2 shows Raman spectra of SBLN films prepared in different gas atmospheres.
[0054]
The Raman spectra of the two SBLN films shown in FIG. 2 also have very different scattering positions. However, both of these profiles closely match that of a tetragonal tungsten bronze powder target.
[0055]
[Electrical properties of thin film]
Hereinafter, the electrical characteristics of the deposited thin film will be described.
[0056]
As a substrate, a thermally oxidized Si (100) wafer was used, and a Pt (300 nm) / Ti (150 nm) double-layer metal film obtained by RF magnetron sputtering at room temperature was used for electrical measurement. Used.
[0057]
In order to obtain a Pt / SBLN / Pt capacitor configuration for the measurement of electrical properties, a point-like Pt electrode with three diameters of 0.1, 0.2, and 0.5 mm is passed through a metal mask to form a thin film. Formed on top surface by RF magnetron sputtering.
[0058]
FIG. 3 shows the applied voltage V dependence of the current density J of (001) -oriented and (310) -oriented SBLN films having a Pt / SBLN / Pt / Ti capacitor structure.
[0059]
A positive bias is applied to the top electrode and the leakage current density is measured at room temperature.
All films show low ohmic conduction (∂lnJ / ∂lnV˜1), with an applied bias up to about 2V transition voltage, 10^-FiveA / cm²It shows a lower current density.
[0060]
This corresponds to an applied electric field of 20 kV / cm for a 1 μm thick SBLN film. Beyond the transition voltage, the current density increases rapidly with a slope of (∂lnJ / ∂lnV) to 7-10.
[0061]
But still, about 200nA / cm at 1.5V²The leakage current density level is a level at which sensor operation is sufficiently possible.
[0062]
FIG. 4 shows the PV hysteresis curve of a 1 μm thick SBLN film with two different orientations.
[0063]
Residual polarization (P_r) Is 2 μC / cm for the (001) oriented film²In the (311) alignment film, 1 μC / cm²It is.
[0064]
Coercive electric field (E_c) Is 25 kV / cm. P_rThe value of is higher in the (001) oriented film than in the (311) oriented film, which is in good agreement with the XRD test. This is because the orientation of spontaneous polarization is along (001) of the SBLN material.
[0065]
Coercive field E of both films_cAlthough it can be seen that the values are approximately the same, this suggests that the electric field required to reverse the polarization of the SBLN film is the same regardless of the orientation. But still these P_rThe value is much smaller than that of the SBN single crystal.
[0066]
FIG. 5 shows the polarization switching endurance characteristics of a 1 μm thick Pt / SBLN (311) / Pt capacitor. The amplitude of the applied bipolar pulse stress is 18V. The inset in FIG. 5 shows the PV hysteresis curve before the test and immediately after the first fatigue test.
[0067]
In the case of a thermal image sensor, a change in capacitance with temperature in the ferroelectric capacitor is sensed using a series of voltage pulses.
[0068]
Ferroelectric materials are usually subject to fatigue problems after a predetermined number of polarization switching cycles and other electrical properties are degraded. For this reason, a fatigue test was additionally performed on the (311) -oriented film. In this fatigue test, a stressed series of bipolar bipolar pulses having an amplitude of 18 V and frequencies of 1 kHz and 1 MHz, respectively, were used continuously to fatigue the capacitor.
[0069]
In FIG. 5, 2P_rIs plotted as a function of the number of switching cycles. Based on the results shown in FIG.⁹It can be seen that no significant fatigue is seen in the SBLN even after the stress has been applied to the first switching cycle.
[0070]
In fact, 2P_rThe value of increases gradually rather than decreases as the number of switching cycles increases.
[0071]
FIG. 6 shows the capacitance and dielectric constant (ε for two films with different orientations._r) Shows temperature dependency.
[0072]
For SBLN materials for dielectric microbolometers, a wide range of capacitance measurements with increasing temperature was performed to investigate the temperature response to capacitance. The capacitance is detected using a 1 kHz sine wave with an amplitude of 1V.
[0073]
At room temperature of 25 ° C., the dielectric constant and dielectric loss for the (001) oriented film are equal to 500 and 0.013, which are higher than the values of 200 and 0.02 for the (311) oriented film. A low dielectric loss indicates a low effect of leakage. ε_rThe difference is due to the difference in orientation in the film.
[0074]
ε_rThe -T curve has a wide and steep portion in the temperature range from 80 ° C to 120 ° C. For the (001) oriented film, there is a dielectric peak around 120 ° C.
[0075]
For the (311) oriented film, no dielectric peak appears even if the temperature rises to 130 ° C. Still, ε_rRemarkable rate of temperature change (Δε_r/ ΔT) is observed.
[0076]
(Δε for both (001) and (311) oriented films in the temperature range of 80 ° C. to 120 ° C._r/ ΔT) is about 100K^-1It is.
[0077]
Assuming that the bias level is 1 V equal to the amplitude of the sine wave under test, the induced pyroelectric coefficient (P = ε₀・ E ・ Δε_r/ ΔT) is 88 nC / cm²K is reached. This value is LiTaO_ThreeIt is almost equal to the highest value of the conventional pyroelectric coefficient of the single crystal.
[0078]
[Influence of doping amount of La]
FIG. 7 shows Sr_0.5Ba_0.5Nb₂O₆For (SBN) crystals, La₂O_ThreeIt represents the effect of dopant concentration on the Curie temperature. Inset is 1.0% La₂O_ThreeOf SBN crystals doped with_rA dielectric peak on the -T curve is shown.
[0079]
La₂O_ThreeAs the dopant concentration increases, the Curie temperature decreases monotonously and La₂O_ThreeIt can be seen that the concentration decreases to room temperature at 1.5%.
[0080]
That is, in other words, it can be seen that the Curie temperature decreases monotonously at least until the La concentration is 3% as the La concentration in the SBLN material increases.
[0081]
As described above, SBN (Sr substituted with La having a tungsten bronze structure._0.48Ba_0.51La_0.01Nb₂O₆: SBLN) is a Pt / Ti / SiO thin film formed by a pulse laser deposition method at a temperature of 600 ° C. and a pressure of 13 Pa.₂/ Si (100) substrate with good reproducibility.
[0082]
[Embodiment 2]
[Configuration of infrared detection element]
FIG. 8 is a schematic block diagram showing the configuration of the infrared two-dimensional image sensor 1000 according to the second embodiment of the present invention.
[0083]
The infrared two-dimensional image sensor 1000 is a control signal input terminal 2 that receives external control signals (including timing signals and address signals), and a signal that controls the operation of the infrared two-dimensional image sensor 1000 according to the external control signals. A control circuit 10 that outputs pixel cells, a sensor array 16 in which pixel cells 20 are arranged in a matrix, a row selector 12 that selects a row in the sensor array 16 under the control of the control circuit 10, and a control circuit 10 A column selector 14 that is controlled to select a column in the sensor array 16, an operational amplifier 22 that is provided corresponding to the column of the sensor array 16 and amplifies a signal from the selected pixel cell, and a column of the sensor array. A band-pass filter 24 that is provided correspondingly and removes high-frequency noise from the signal from the operational amplifier 22, and the control circuit 10. It is your, and a multiplexer 26 to provide selectively output terminal 4 of the signal from the bandpass filter 24.
[0084]
The control circuit 10 outputs a signal CLK1 for controlling the operation of the row selector 12, a signal CLK2 for controlling the operation of the column selector 14, and a signal SC for controlling the operation of the multiplexer 26 in accordance with an external control signal. To do.
[0085]
FIG. 9 is a circuit diagram showing a configuration of the pixel cell 20 of FIG.
The pixel cell 20 includes a node 202 to which a first drive signal SD1 is applied, a node 204 to which a second drive signal SD2 is applied, and a resistor R1 and a reference capacitor connected in series between the nodes 202 and 204. CR, the resistor R2 and the infrared detection capacitor CF connected in series between the nodes 202 and 204, the connection node n1 between the resistor R1 and the reference capacitor CR, and the first output node nt1 of the pixel cell 20 Transistors Tr1 and Tr2 connected in series between the transistors Tr3 and Tr2 connected in series between the connection node n2 of the resistor R2 and the infrared detection capacitor CF and the second output node nt2 of the pixel cell 20. Tr4 is included.
[0086]
Transistors Tr1 and Tr3 are turned on or off in response to signal Sx from row selector 12, and transistors Tr2 and Tr4 are turned on or off in response to signal Sy from column selector 14.
[0087]
Output nodes nt1 and nt2 output complementary signals OUT and / OUT, respectively.
[0088]
Further, the resistors R1 and R2 are not particularly limited. For example, an injection resistor or a polysilicon thin film can be used. Of course, thin films such as other metal materials can be used as the resistors R1 and R1.
[0089]
The reference capacitor is not particularly limited, but a capacitor using a ferroelectric thin film similar to the infrared detection capacitor shielded so that infrared rays do not enter, or a structure in which a silicon oxide film is sandwiched between metal electrodes should be used. Is possible.
[0090]
Furthermore, as the infrared detection capacitor, the SBLN film described in the first embodiment can be used.
[0091]
The transistors Tr1 to Tr4 are provided to configure an infrared two-dimensional image sensor, and when used as a single infrared detection element, the transistors Tr1 to Tr4 may be omitted.
[0092]
FIG. 10 is a plan view showing a plane pattern when the circuit shown in FIG. 9 is formed as an integrated circuit on a semiconductor substrate such as silicon (Si), and FIG. 11 is a plan view of the plan view shown in FIG. It is sectional drawing which shows a -P 'cross section.
[0093]
  Referring to FIGS. 10 and 11, pixel cell 20 includes silicon oxide film 304 deposited on Si substrate 300, MOS transistor Tr1 formed in the opening of silicon oxide film 304, and adjacent to MOS transistor Tr1. The lower electrode 308 (Pt / Ti laminated film), the ferroelectric film 310 (SBLNFilm) and an upper electrode 312 (Al film), and a groove 330 that opens from the back surface side of the Si substrate 300 to a predetermined depth immediately below the infrared detection capacitor CF.
[0094]
MOS transistor Tr1 is formed on the main surface of the Si substrate at the opening of silicon oxide film 304. Source / drain regions 320 and 324, which are impurity regions having a polarity opposite to the conductivity type of the substrate, source / drain regions 320 and A channel layer 322 formed on the Si substrate main surface sandwiched between 324, a gate oxide film 302 deposited on the Si substrate main surface immediately above the channel layer, and a polysilicon gate electrode 314 formed on the gate oxide film 302. Including.
[0095]
The lower electrode 308 is deposited on the silicon oxide film 306 that is deposited on the silicon oxide film 304 and serves as an interlayer insulating film. The lower electrode 308 is in contact with the source / drain region 320.
[0096]
On the gate electrode 314, an extraction wiring 316 formed of the same wiring layer as the lower electrode 308 is provided, and the extraction wiring 318 formed of the same wiring layer as the lower electrode 308 and the source / drain region 324 are in contact with each other. doing.
[0097]
The groove 330 is provided because the pixel cell 20 is a thermal infrared sensor, and its temperature rise directly affects the output signal intensity, so that the loss of heat to the Si substrate 300 having high heat conduction is reduced as much as possible. Because.
[0098]
In FIG. 10, a region GV is a plane pattern when the groove 330 is formed by etching, and a region GES surrounding the region GV means a region where an etching stopper layer is formed when the groove 330 is etched from the back surface side. To do. For example, ions such as boron (B) from the substrate surface side (for example, concentration 3 × 10¹⁶cm^-3By utilizing the above, the fact that the etching rate of Si is reduced is utilized.
[0099]
Next, the manufacturing method of the pixel cell 20 shown in FIG.
[0100]
12 to 23 are cross-sectional views showing the first to twelfth steps, respectively.
Referring to FIG. 12, in the first step, a silicon oxide film 304 is formed on the surface of the Si substrate 300 by thermal oxidation. Further, the alignment mark 301 is formed on the back surface of the substrate by anisotropic etching such as dry etching.
[0101]
Referring to FIG. 13, in the second step, a predetermined region 303 of silicon oxide film 304 is opened by etching. As will be described later, in this region 303, a MOS transistor TR1 is formed.
[0102]
Referring to FIG. 14, ion implantation of ion species corresponding to the conductivity type is performed on channel portion 322 of MOS transistor TR1 using resist pattern 305 as a mask, and then annealing for activation is performed.
[0103]
Referring to FIG. 15, after depositing gate oxide film 302 on the Si substrate by thermal oxidation, polysilicon 307 to be a gate electrode is deposited by CVD (Chemical Vapor Deposition) method or the like.
[0104]
Referring to FIG. 16, polysilicon 307 is etched by anisotropic etching such as RIE (Reactive Ion Eyching) and patterned to form gate electrode 314.
[0105]
Referring to FIG. 17, gate oxide film 302 deposited on opening 303 and silicon oxide film 304 is etched away using the gate pattern as a mask, and then source / source is used using gate electrode 314 and silicon oxide film 304 as a mask. Impurity diffusion of the drain regions 320 and 324 is performed.
[0106]
Referring to FIG. 18, a silicon oxide film 306 is deposited by CVD or the like.
Referring to FIG. 19, groove 330 is formed in Si substrate 300 from the back side of the substrate by anisotropic etching such as RIE. The opening size of the groove is, for example, several tens of μm × several tens of μm.
[0107]
The thickness of the Si substrate immediately below the infrared detection capacitor CF is, for example, in the range of 0 to 50 μm, and the thinner the better as the mechanical strength permits.
[0108]
In other words, it is preferable to remove by etching until there is no Si substrate immediately below the infrared detection capacitor CF.
[0109]
Referring to FIG. 20, contact holes (connection holes) opened on source / drain regions 320 and 324 and gate electrode 314 of MOS transistor TR1 are formed by RIE or the like.
[0110]
Referring to FIG. 21, a Pt / Ti laminated film that forms lower electrode 308 and lead-out wirings 316 and 318 is formed by sputtering, vacuum evaporation, lift-off, or the like.
[0111]
Subsequently, referring to FIG. 22, an SBLN film or the like of ferroelectric film 310 is deposited by a laser ablation method or the like. By depositing the ferroelectric film by laser ablation, film formation at a low substrate temperature is possible, and damage to the substrate on which the FET array is formed can be kept low.
[0112]
Referring to FIG. 23, an Al film 312 serving as an upper electrode is formed in a predetermined pattern by a sputtering method or a vacuum evaporation method.
[0113]
Through the above steps, the pixel cell 20 having the cross-sectional structure as shown in FIG. 11 is formed.
[0114]
A pixel cell 20 as shown in FIG. 11 is a dielectric bolometer based on an electric field induced pyroelectric effect, and operates as an infrared sensor by utilizing a temperature change of dielectric constant.
[0115]
Since this infrared sensor measures the dielectric constant by applying an electric field, a chopper is not necessary.
[0116]
Furthermore, as will be described later, a configuration that can significantly improve sensitivity by taking a differential from the reference capacitor can be realized with a relatively simple structure, so that even when a two-dimensional array is used, high resolution is achieved. It is easy to realize.
[0117]
With the pixel cell configured as described above, an infrared detection circuit having a high sensitivity and a simple configuration can be realized at room temperature, and a two-dimensional sensor array in which the infrared detection circuit is two-dimensionally arranged has high sensitivity and high density of pixels. A room temperature operating infrared two-dimensional image sensor can be realized.
[0118]
[Embodiment 3]
FIG. 24 is a schematic block diagram showing a configuration of a measurement system 400 when a pyroelectric sensor for detecting infrared rays is created using the SBLN film described in the first embodiment.
[0119]
The measurement system 400 includes a capacitor 402 having an SBLN film as a dielectric, MOS transistors Tr1 and Tr2 that are sequentially connected in series from the upper electrode of the capacitor 402, and whose gate potentials are controlled by selection signals Sx and Sy, The lower electrode of 402 is connected to the + input node, and the operational amplifier 406 is connected to the upper electrode of the capacitor 402 and the −input node via the transistors Tr1 and Tr2, and is connected between the output node and the −input node of the operational amplifier 406. Feedback resistor R, high pass filter 408 that receives the output of operational amplifier 406, gain amplifier 410 that receives the output from high pass filter 408, low pass filter 412 that receives the output of gain amplifier 410, and low pass Output power from the transmission filter 412 Including an amplifier 414 for outputting Vout.
[0120]
Infrared rays input to the capacitor 402 are blocked by the chopper 404 at regular time intervals.
[0121]
The transistors Tr1 and Tr2 are provided to constitute an infrared two-dimensional image sensor, and when used as a single infrared detection element, the transistors Tr1 and Tr2 can be omitted.
[0122]
With such a configuration, an infrared sensor can be configured by detecting and amplifying the pyroelectric current from the capacitor 402 that flows according to the incident infrared intensity.
[0123]
With the infrared detecting element according to the present invention as described above, a thermographic can be obtained with a simple configuration by realizing a small infrared image sensor that can operate at room temperature.
This is not limited to indoor applications such as early detection of illness, equipment failure diagnosis, gas leak detection, etc., urban and natural environment monitoring, fire monitoring, driving assistance in the dark field for automobiles, non-destructive of structures It can be applied widely including outdoor applications such as diagnosis, intrusion warning, resource exploration, and weather observation.
[0124]
The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
[0125]
【The invention's effect】
As described above, the ferroelectric thin film and the manufacturing method thereof according to the present invention can realize an infrared detecting element having a high sensitivity and a simple configuration at room temperature. Further, a two-dimensional sensor array in which the infrared detection elements are two-dimensionally arranged can realize a room temperature operation infrared two-dimensional image sensor with high sensitivity and high density pixels.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing XRD profiles of SBLN powder targets and SBLN films produced in different ablation gas atmospheres.
FIG. 2 is a diagram showing Raman spectra of SBLN targets and SBLN films produced in different gas atmospheres.
FIG. 3 is a graph showing dependency of current density J flowing through an SBLN film on applied voltage V;
FIG. 4 is a diagram showing a PV hysteresis curve of an SBLN film having two different orientations.
FIG. 5 is a graph showing polarization switching durability characteristics of an SBLN (311) film.
FIG. 6: Capacitance and dielectric constant of two films with different orientations (ε_rIt is a figure which shows the temperature dependence of ().
FIG. 7: La for SBN crystal₂O_ThreeIt is a figure showing the effect with respect to Curie temperature of dopant concentration.
FIG. 8 is a schematic block diagram showing a configuration of an infrared two-dimensional image sensor 1000 according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a circuit diagram showing a configuration of the pixel cell 20;
10 is a plan view showing a planar pattern when the circuit shown in FIG. 9 is formed as an integrated circuit on a semiconductor substrate. FIG.
11 is a cross-sectional view showing a P-P ′ cross section of the plan view shown in FIG. 10. FIG.
12 is a cross-sectional view showing a first step in the manufacturing flow of pixel cell 20. FIG.
13 is a cross-sectional view showing a second step in the manufacturing flow of pixel cell 20. FIG.
14 is a cross-sectional view showing a third step in the manufacturing flow of pixel cell 20. FIG.
15 is a cross-sectional view showing a fourth step in the manufacturing flow of pixel cell 20. FIG.
16 is a cross-sectional view showing a fifth step in the manufacturing flow of pixel cell 20. FIG.
17 is a cross-sectional view showing a sixth step in the manufacturing flow of pixel cell 20. FIG.
18 is a cross-sectional view showing a seventh step in the manufacturing flow of pixel cell 20. FIG.
19 is a cross-sectional view showing an eighth step in the manufacturing flow of pixel cell 20. FIG.
20 is a cross-sectional view showing a ninth step in the manufacturing flow of pixel cell 20. FIG.
FIG. 21 is a cross-sectional view showing a tenth step in the manufacturing flow of pixel cell 20;
22 is a cross-sectional view showing an eleventh step in the manufacturing flow of the pixel cell 20. FIG.
23 is a cross-sectional view showing a twelfth step in the manufacturing flow of the pixel cell 20. FIG.
FIG. 24 is a diagram showing a configuration of a measurement system 400 of a pyroelectric infrared detection element according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 25 is a conceptual diagram showing temperature dependence of both polarization and dielectric constant of a ferroelectric material.
[Explanation of symbols]
2 Control signal input terminal
4 output terminals
10 Control circuit
12-line selector
14 column selector
16 Sensor array
20 pixel cell
22 operational amplifier
24 Bandpass filter
26 Multiplexer
120 pixel cell
300 Silicon substrate
302 Gate oxide film
304, 306 Silicon oxide film
308 Lower electrode
310 Ferroelectric thin film
312 Upper electrode
314 Gate electrode
316, 318 Drawer wiring
330 groove
402 Ferroelectric capacitor
404 Chopper
406 operational amplifier
1000 Infrared 2D image sensor

Claims

Ｓｒ_(1-X-Y) Ｂａ_X Ｌａ_Y Ｎｂ₂ Ｏ₆ の組成を有する強誘電体薄膜材料を用いた誘電ボロメータの製造方法であって、
Ｓｒ、Ｂａ、Ｎｂ、Ｌａを含む単一のターゲットにエキシマレーザをパルス照射し、前記エキシマレーザ光により酸素ラジカルを生成する雰囲気ガス中において、前記ターゲットに対向して配置された基板上に前記強誘電体薄膜材料を堆積し、前記強誘電体薄膜を電極で挟んだ誘電ボロメータを形成する、強誘電体薄膜材料を用いた誘電ボロメータの製造方法。A method of manufacturing a dielectric bolometer using a ferroelectric thin film material having a composition of Sr _(1-XY) Ba _X La _Y Nb ₂ O ₆ ,
A single target containing Sr, Ba, Nb, and La is irradiated with an excimer laser pulse, and the strong target is formed on the substrate disposed facing the target in an atmospheric gas that generates oxygen radicals by the excimer laser light. A dielectric bolometer manufacturing method using a ferroelectric thin film material , wherein a dielectric thin film material is deposited and a dielectric bolometer is formed by sandwiching the ferroelectric thin film between electrodes .

Ｓｒ_(1-X-Y) Ｂａ_X Ｌａ_Y Ｎｂ₂ Ｏ₆ の組成を有する強誘電体薄膜材料の製造方法であって、Ｓｒ、Ｂａ、Ｎｂ、Ｌａを含むターゲットにエキシマレーザをパルス照射し、前記エキシマレーザ光により酸素ラジカルを生成するＮ ₂ Ｏガス中において、前記ターゲットに対向して配置された基板上に前記強誘電体薄膜材料を堆積する、強誘電体薄膜材料の製造方法。A method of manufacturing a ferroelectric thin film material having a composition of Sr _(1-XY) Ba _X La _Y Nb ₂ O ₆ , wherein a target containing Sr, Ba, Nb, La is irradiated with a pulse of excimer laser, N ₂ that generates oxygen radicals by laser light A method for manufacturing a ferroelectric thin film material, comprising depositing the ferroelectric thin film material on a substrate disposed opposite to the target in O gas .

Ｓｒ_(1-X-Y) Ｂａ_X Ｌａ_Y Ｎｂ₂ Ｏ₆ の組成を有する強誘電体薄膜材料を用いた誘電ボロメータであって、Ｓｒ、Ｂａ、Ｎｂ、Ｌａを含む単一のターゲットにエキシマレーザをパルス照射し、前記エキシマレーザ光により酸素ラジカルを生成する雰囲気ガス中において、前記ターゲットに対向して配置された基板上に堆積され、前記Ｌａ組成が３％以下である、誘電ボロメータ。 A dielectric bolometer using a ferroelectric thin film material having a composition of Sr _(1-XY) Ba _X La _Y Nb ₂ O ₆ , and pulsed with an excimer laser on a single target containing Sr, Ba, Nb, and La A dielectric bolometer that is deposited on a substrate disposed opposite to the target in an atmosphere gas that is irradiated and generates oxygen radicals by the excimer laser light, and wherein the La composition is 3% or less.

Ｓｒ_(1-X-Y) Ｂａ_X Ｌａ_Y Ｎｂ₂ Ｏ₆ の組成を有する強誘電体薄膜材料であって、Ｓｒ、Ｂａ、Ｎｂ、Ｌａを含むターゲットにエキシマレーザをパルス照射し、前記エキシマレーザ光により酸素ラジカルを生成するＮ ₂ Ｏガス中において、前記ターゲットに対向して配置された基板上に堆積され、前記Ｌａ組成が３％以下である、強誘電体薄膜材料。A ferroelectric thin film material having a composition of Sr _(1-XY) Ba _X La _Y Nb ₂ O ₆ , wherein a target containing Sr, Ba, Nb, La is irradiated with a pulse of excimer laser, and the excimer laser beam N ₂ that generates oxygen radicals A ferroelectric thin film material, which is deposited on a substrate disposed opposite to the target in O gas and has a La composition of 3% or less.

基板上に形成される赤外線検出素子であって、
赤外線を吸収することによる温度変化に応じて静電容量値が変化する赤外線検出容量手段を備え、
前記赤外線検出容量手段は、互いに対向する上部電極および下部電極と、
前記上部電極および下部電極に挟まれる強誘電体薄膜とを含み、
前記強誘電体薄膜は、Ｓｒ_(1-X-Y) Ｂａ_X Ｌａ_Y Ｎｂ₂ Ｏ₆の組成を有する強誘電体薄膜材料であって、Ｓｒ、Ｂａ、Ｎｂ、Ｌａを含む単一のターゲットにエキシマレーザをパルス照射し、前記エキシマレーザ光により酸素ラジカルを生成する雰囲気ガス中において、前記ターゲットに対向して配置された前記基板上に堆積され、
前記赤外線検出容量手段の静電容量値の変化を検出することにより赤外線を検知する、赤外線検出素子。An infrared detection element formed on a substrate,
Infrared detection capacitance means that changes the capacitance value according to the temperature change by absorbing infrared rays,
The infrared detection capacitor means includes an upper electrode and a lower electrode facing each other,
Including a ferroelectric thin film sandwiched between the upper electrode and the lower electrode,
The ferroelectric thin film is a ferroelectric thin film material having a composition of Sr _(1-XY) Ba _X La _Y Nb ₂ O ₆ , and an excimer laser is applied to a single target containing Sr, Ba, Nb, and La. Is deposited on the substrate disposed facing the target in an atmosphere gas that generates oxygen radicals by the excimer laser light,
An infrared detection element that detects infrared rays by detecting a change in capacitance value of the infrared detection capacitance means.

基板上に形成される赤外線検出素子であって、
赤外線を吸収することにより焦電電流を生成する赤外線検出手段を備え、
前記赤外線検出手段は、互いに対向する上部電極および下部電極と、
前記上部電極および下部電極に挟まれる強誘電体薄膜とを含み、
前記強誘電体薄膜は、
Ｓｒ_(1-X-Y) Ｂａ_X Ｌａ_Y Ｎｂ₂ Ｏ₆の組成を有する強誘電体薄膜材料であって、
Ｓｒ、Ｂａ、Ｎｂ、Ｌａを含む単一のターゲットにエキシマレーザをパルス照射し、前記エキシマレーザ光により酸素ラジカルを生成する雰囲気ガス中において、前記ターゲットに対向して配置された前記基板上に堆積され、
前記赤外線検出手段からの焦電電流を検出することにより赤外線を検知する、赤外線検出素子。An infrared detection element formed on a substrate,
Infrared detection means for generating pyroelectric current by absorbing infrared rays,
The infrared detecting means includes an upper electrode and a lower electrode facing each other,
Including a ferroelectric thin film sandwiched between the upper electrode and the lower electrode,
The ferroelectric thin film is
A ferroelectric thin film material having a composition of Sr _(1-XY) Ba _X La _Y Nb ₂ O ₆ ,
A single target containing Sr, Ba, Nb, and La is irradiated with a pulse of excimer laser, and deposited on the substrate disposed facing the target in an atmospheric gas that generates oxygen radicals by the excimer laser light. And
An infrared detection element that detects infrared rays by detecting a pyroelectric current from the infrared detection means.

前記雰囲気ガスはＮ₂ Ｏガスである、請求項５または６記載の赤外線検出素子。The infrared detection element according to claim 5, wherein the atmospheric gas is N ₂ O gas.

前記強誘電体薄膜の前記Ｌａ組成が３％以下である、請求項７記載の赤外線検出素子。 The infrared detection element according to claim 7, wherein the La composition of the ferroelectric thin film is 3% or less.