JP5644120B2 - 熱型光検出器、熱型光検出装置、電子機器および熱型光検出器の製造方法 - Google Patents
熱型光検出器、熱型光検出装置、電子機器および熱型光検出器の製造方法 Download PDFInfo
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Description
まず、支持部材の平面形状ならびに横断面の立体構造について説明する。
図1(A)〜図1(C)は、熱型光検出器における支持部材(メンブレン)の平面形状および断面構造について説明するための図である。図1(A)は、熱型光検出器における支持部材(メンブレン)の平面視における形状(一部、透視図)を示す図であり、図1(B)は、図1(A)のA−A線に沿う断面図(第1アームの横断面図)であり、図1(C)は、図1(C)のB−B線に沿う断面図(搭載部の横断面図)である。
図2(A)〜図2(C)は、熱型光検出器の製造方法の一例の概要を説明するための図である。図2の例では、アーム部52においてのみ、第3部材43の体積を低減する加工を実施するものとする。
図4(A)〜図4(I)は、熱型光検出器の製造方法の具体例の一例を説明するための図である。図4(A)の工程では、図2(A)の工程で説明したように、シリコン基板11上に、例えば、第1犠牲層(例えばSiO2層)70と、SiO2/Si3N4膜/TiN膜の重ね膜54とが、互いに隣接して形成される。なお、図4(A)では、第1犠牲層(例えばSiO2層)70は図示されていない。
図5は、支持部材の横断面形状の変形例を示す図である。図5の例では、支持部材50の横断面の立体形状において、第2犠牲層が完全に除去されずに残存している。図5では、この第2犠牲層の残存部には、参照符号80’を付している。第2犠牲層80’は、補強部材として機能する。第2犠牲層80’が残存することによって、例えば、第3部材45を支持する部分の面積が増大し、H型構造の機械的強度が向上する。
本実施形態では、上記の、支持部材50自体の熱容量を低減する構造に加えて、製造工程における支持部材50の撓み等を低減して、スティッキング等の問題を抑制するために、支持支柱を利用する。熱容量を低減するために支持部材50の厚みを薄くすると、製造工程において、例えば、熱熱分離用の空洞の形成のためにウエットエッチングを使用した場合には、スティッキング(基板と支持部材との貼り付き(固着))が生じ易くなる。スティッキングは、例えば、ウエットエッチング後の乾燥工程において、液体の表面張力によって生じる。
以下、図7(A)〜図7(C)を参照して説明する。図7(A)〜図7(C)は、補助支柱を有し、かつ、支持部材の熱容量が低減された熱型光検出器の立体構造の一例を示す図である。図7(A)は平面図である。図7(B)は、図7(A)のA−A線に沿う断面図(一点鎖線で囲まれる部分よりも下に位置する部分の断面構造)と、B−B線に沿う断面図(一点鎖線で囲まれる部分の断面構造)とを組み合わせて示す図である。すなわち、補助支柱の構造と、熱容量を低減するための加工がなされた第3部材の構造の双方を、同じ切断線の断面図で示すことができないため、切断線を異ならせ、各断面図を合成して示すものである。また、図7(C)は、図7(A)のC―C線に沿う断面図である。
図7(A)〜図7(C)に示される熱型光検出器を形成する場合には、まず、シリコン基板11の一部をエッチング加工して凹部を形成し、凹部表面をエッチングストッパー膜ES(TiN)で覆っておく。次に、図8(A)に示すように、空洞部10となるべき空間を埋める(充填する)ように、基板BS上に第1犠牲層(SiO2層)70を形成する。次に、第1犠牲層(SiO2層)70をパターニングして、メイン支柱および補助支柱を形成するべき位置に、開口部71を形成する。
次に、図8(B)に示すように、開口部71に、メイン支柱層55a,55bおよび補助支柱層57a,57bとしてのシリコンナイトライド層(Si3N4層)を埋め込む。具体的には、例えば、全面にシリコンナイトライド層(Si3N4層)を形成した後、エッチバック処理によって第1犠牲層70上のシリコンナイトライド層(Si3N4層)を除去することで、開口部71に、メイン支柱層および補助支柱層としてのシリコンナイトライド層(Si3N4層)を埋め込むことができる。つまり、第1犠牲層70に選択的に設けられた開口部71に補助支柱層を埋め込むことによって補助支柱57a,57bを形成することができる。この方法によれば、半導体の製造方法(フォトリソグラフィー)を利用して、補助支柱57a,57bを無理なく形成することができる。
次に、図8(C)に示すように、第3犠牲層(Poly−Si層)79を形成する。次に、図8(D)に示すように、第3犠牲層(Poly−Si層)79をパターニングして、犠牲支柱(犠牲スペーサー)としての第3犠牲層(Poly−Si層)79a,79bを形成する。
次に、図9(A)に示すように、支持部材50の構成膜の一つである、第1部材としてのシリコン窒化膜(Si3N4膜)41を形成する。
次に、図9(B)に示すように、第2犠牲層としてのポリシリコン層(Poly−Si層)80を形成した後、パターニングして開口部を形成し、その開口部に、支持部材50の構成膜の一つである、第3部材としてのシリコン窒化膜(Si3N4膜)43を埋め込み形成する。
次に、支持部材50の構成膜の一つである、第2部材としてのシリコン窒化膜(Si3N4膜)45を形成する。これらの積層膜によって、支持部材(メンブレン)50が構成される(但し、第2犠牲層としてのポリシリコン層(Poly−Si層)80は後に除去される)。
次に、図10(A)に示すように、下部電極の構成材料層1’と、強誘電体層(PZT層)2’と、上部電極の構成材料層3’とを順次、積層形成する。下部電極構成材料層1’および上部電極構成材料層3’の各々は、例えば、強誘電体層2’から遠い位置から順に、イリジウム(Ir)、イリジウム酸化物(IrOx)及びプラチナ(Pt)の三層構造とすることができる。また、強誘電体層2’としては、PZT(Pb(Zi,Ti)O3:チタン酸ジルコン酸鉛)を用いることができる。これらは、例えば、スパッタリング法やMOCVD法等で成膜することができる。下部電極構成材料層1’および上部電極構成材料層3’の膜厚は、例えば0.4μm程度であり、強誘電体層2’の膜厚は、例えば0.1μm程度である。
次に、図10(B)に示すように、下部電極の構成材料層1’、強誘電体層(PZT層)2’ならびに上部電極の構成材料層3’の各々をパターニングして、下部電極1、強誘電体膜(PZT膜)2ならびに上部電極3を構成する(これによって、積層コンデンサーが形成される)。次に、積層コンデンサー上を電気的絶縁膜60で覆う。次に、光吸収膜(赤外線吸収膜)4と、引き出し電極層65と、を形成する。光吸収膜(赤外線吸収膜)4は、例えばSiO2膜である。
次に、図11(A)に示すように、第1犠牲層70(SiO2層)を、例えば弗酸系のエッチング液を用いて除去する。これによって、基板BS支持部材50との間に空洞部10が形成される。この空洞部10は、支持部材50を、基板から熱的に分離する機能を有する。このとき、支持部材50は、メイン支柱55a,55bならびに補助支柱57a,57bによって安定的に支持されるため、変位や変形が抑制され、スティッキングが生じにくい。
次に、図11(B)に示すように、第2犠牲層(Poly−Siからなる犠牲支柱(犠牲スペーサー))79a,79b、ならびに、第3犠牲層(Poly−Si層)80を、例えばドライエッチングによって除去する。これによって、補助支柱79a,79bを支持部材50から切り離すための空隙Ga,Gbが形成され、また、支持部材50の熱容量を小さくするための空隙Gx,Gyも同時に形成される。
図12は、熱型光検出器の他の例(基板上にトランジスター等の回路素子が形成された例)を示す図である。図12の上側に熱型光検出器(熱型赤外線検出器)の平面図が示され、下側に断面図が示される。図12において、前掲の図面と共通する部分には同じ参照符号を付してある。
図13は、熱型光検出装置(熱型光検出アレイ)の回路構成の一例を示す回路図である。図13の例では、複数の光検出セル(CL1〜CL4等)が、2次元的に配置されている。複数の光検出セル(CL1〜CL4等)の中から一つの光検出セルを選択するために、走査線(W1a,W1b等)と、データ線(D1a,D1b等)が設けられている。
図14(A)および図14(B)は、補助支柱を有するボロメーターの例を示す図である。図14(A)は平面図であり、図14(B)はA−A線に沿う断面図である。本実施形態のボロメーターは、例えば、感熱抵抗素子を用いたボロメーターである。
図15に本実施形態の熱型光検出器や熱型光検出装置を含む電子機器の構成例を示す。電子機器は、例えば赤外線カメラである。図示されるように、電子機器は、光学系400と、センサーデバイス(熱型光検出装置)410と、画像処理部420と、処理部430と、記憶部440と、操作部450と、表示部460とを含む。なお本実施形態の電子機器は図15の構成に限定されず、その構成要素の一部(例えば光学系、操作部、表示部等)を省略したり、他の構成要素を追加したりする等の種々の変形実施が可能である。
11 シリコン基板、41 支持部材の構成層としての第1部材、
45 支持部材の構成層としての第2部材、43 支持部材の構成層としての第3部材、50 支持部材(メンブレン)、51 搭載部、G(Ga,Gb,Gx,Gy) 空隙、
52(52a,52b) アーム部(第1アーム、第2アーム)、
55a,55b メイン支柱、57a,57b 補助支柱、70 第1犠牲層、
80 第2犠牲層、79 第3犠牲層、BS 基板(センサー基部)
Claims (7)
- 基板と、
光吸収膜を含む熱型光検出素子と、
前記基板との間に空洞部を形成して前記熱型光検出素子を支持すると共に、前記基板に支持されている支持部材と、
前記基板から前記支持部材に向けて突出して前記支持部材を支持する複数の支柱と、
前記基板から前記支持部材に向けて突出する少なくとも一本の補助支柱と、
を含み、
前記支持部材は、前記熱型光検出素子を搭載する搭載部と、一端が前記搭載部に連結され、他端が前記基板に支持され、第1方向に沿って逆向きに延びる部分を含む第1アームおよび第2アームと、を有し、
前記搭載部、前記第1アームおよび前記第2アームの各々は、
前記基板側に設けられる、横断面の形状の横幅が第1幅に設定されている第1部材と、
前記熱型光検出素子側において前記第1部材に対向して設けられ、横断面の形状の横幅が前記第1幅に設定されている第2部材と、
前記第1部材と第2部材とを連結すると共に、横断面の形状の高さが所定高さに設定され、かつ前記横断面の形状の横幅が前記第1幅よりも小さい第2幅に設定されている第3部材と、
を有し、
前記第1部材と、前記第2部材と、前記第3部材とで構成される立体構造の横断面は、H型断面であり、
前記搭載部における前記第3部材は、
前記第1アームにおける前記第3部材に連接すると共に、前記第1方向に延出する第1部分と、
前記第2アームにおける前記第3部材に連接すると共に、前記第1方向に延出する第2部分と、
前記第1部分および前記第2部分の各々に接続されると共に、前記第1方向と垂直な方向である第2方向に延出する第3部分と、
を有し、
前記支持部材は、前記空洞部に臨む面に、前記少なくとも一本の補助支柱の頂面と対向する面を底面とする凹部を有し、
前記少なくとも一本の補助支柱の突出全長は、前記基板と、前記支持部材に設けられた前記凹部の前記底面と、の間の最大距離よりも短く、前記複数の支柱の突出全長と等しく設定されていることを特徴とする熱型光検出器。 - 請求項1記載の熱型光検出器であって、
前記搭載部における前記第3部材は、
前記第1部分および前記第2部分と平行に設けられる複数の第4部分をさらに有することを特徴とする熱型光検出器。 - 請求項1または2に記載の熱型光検出器であって、
前記熱型光検出素子は、赤外線検出素子であることを特徴とする熱型光検出器。 - 請求項1または2に記載の熱型光検出器が複数、2次元配置されていることを特徴とする熱型光検出装置。
- 請求項1または2に記載の熱型光検出器を含むことを特徴とする電子機器。
- 請求項4に記載の熱型光検出装置を含むことを特徴とする電子機器。
- 請求項1に記載された熱型光検出器の製造方法であって、
第1犠牲層を、前記空洞部となるべき空間を埋めるように前記基板上に形成する工程と、
前記少なくとも一本の補助支柱が第1補助支柱を含むとした場合に、前記第1犠牲層をパターニングして、前記複数の支柱および前記第1補助支柱が形成される領域にそれぞれ開口部を形成する工程と、
前記開口部に、前記第1犠牲層とは異なる材料を埋め込んで支柱層および第1補助支柱層を形成する工程と、
前記第1犠牲層上に、第2犠牲層と第3犠牲層とを有する前記支持部材を形成する工程と、
前記支持部材上に、前記熱型光検出素子を形成する工程と、
前記第1犠牲層を除去する工程と、
前記第2犠牲層および前記第3犠牲層を除去する工程と、
を含み、
前記第2犠牲層は、前記第1部材と、前記第2部材と、前記第3部材と、前記第3部材に隣接する、前記第1幅と前記第2幅との差に対応する空間を埋めるように設けられる、前記第1犠牲層の構成材料とは異なる材料で構成され、
前記第3犠牲層は、前記第1補助支柱層に連接し、前記支柱層、前記第1補助支柱層および前記第1犠牲層の各々の構成材料とは異なる材料からなり、前記第2犠牲層と同じ材料からなり、かつ、前記凹部の深さに相当する膜厚が設定されることを特徴とする熱型光検出器の製造方法。
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