JP6576906B2 - 赤外線センサ及びその製造方法 - Google Patents
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Description
このため、MEMS技術によって製作される従来の一般的な赤外線センサは、赤外線検出部において一定面積以上の赤外線検出領域を確保しつつ熱容量を小さくするために、赤外線検出部を薄膜化している。一方、赤外線検出部からの熱損失を小さくするために、赤外線検出部は、細い支持梁によって半導体基板に支持されている。このように、従来の赤外線センサは、検出感度を向上させるために、赤外線検出部を薄膜化すると共に支持梁を細くしているため、機械的強度が低下する。このため、実用上の問題がある。
また、筒状の部材、すなわち中心に空洞部を有する部材が複数連接されて形成されているため、熱容量が大きくなることなく機械的強度を高めることが可能である。
さらに、筒状の部材が絶縁部材であるため、熱伝導率が低く、赤外線検出部本体から補強構造への熱損失を抑制することも可能である。
また、筒状の部材、すなわち中心に空洞部を有する部材が複数連接されて形成されているため、熱容量が大きくなることなく機械的強度を高めることが可能である。
さらに、筒状の部材が絶縁部材であるため、熱伝導率が低く、赤外線検出部から支持梁への熱損失を抑制することも可能である。
具体的には、前記梁部材は、前記縁部の頂点同士を繋ぐものとされる。
或いは、前記補強構造は、前記縁部によって区画される領域内に位置し、前記筒状の絶縁部材が複数連接されて形成された平面視多角形状の内縁部を更に有し、前記梁部材は、前記縁部の頂点と前記内縁部の頂点とを繋ぎ、前記未配置領域は、前記縁部によって区画される領域内で且つ前記梁部材及び前記内縁部が設けられていない領域であるように構成することも可能である。
前記半導体基板の熱酸化物から形成される前記筒状の絶縁部材は、例えば、前記半導体基板を加熱することで形成可能である。
(1)溝部形成工程:半導体基板の一方の面にエッチングを施すことで、縁部が平面視多角形状となるように、なお且つ、該多角形状によって区画される領域内に環状の溝部が存在しない部位が生じるように、環状の溝部を複数連接させて形成すると共に、前記縁部から延在するように環状の溝部を複数連接させて形成する。
(2)絶縁物充填工程:前記溝部形成工程によって形成した前記複数の環状の溝部内に絶縁物を充填する。
(3)赤外線検出部本体形成工程:前記絶縁物充填工程によって前記複数の環状の溝部内に前記絶縁物が充填された前記半導体基板の前記一方の面上に、焦電体膜を含む赤外線検出部本体を形成する。
(4)補強構造・支持梁形成工程:前記赤外線検出部本体形成工程によって前記一方の面上に前記赤外線検出部本体が形成された前記半導体基板の他方の面を除去して、前記絶縁物を前記半導体基板から露出させることで、前記絶縁物からなり中心に空洞部を有する筒状の絶縁部材が複数連接されて形成された平面視多角形状の縁部と、前記筒状の絶縁部材が複数連接されて形成された前記縁部の頂点から前記縁部によって区画される領域内に延びる梁部材とを有すると共に、前記縁部によって区画される領域内で且つ前記梁部材が設けられていない領域に、応力集中を緩和するために前記筒状の絶縁部材が配置されていない未配置領域を有する補強構造と、前記筒状の絶縁部材が複数連接されて形成され、前記補強構造の縁部から前記半導体基板に向けて延在する支持梁とを形成する。
図1は、本発明の一実施形態に係る赤外線センサの概略構成を示す図である。図1(a)は上面図であり、図1(b)は下面図であり、図1(c)は図1(a)のXX線端面図である。なお、図1(b)に示す絶縁層4は、本来、図1(c)と同様に黒色で図示するべきであるが、視認性の観点より、図1(b)では透明に図示している。また、図1(c)の縦横比は、視認性の観点より、実際の縦横比よりも縦方向(上下方向)を拡大して図示している。
図1に示すように、本実施形態に係る赤外線センサ100は、半導体基板(本実施形態ではSi基板)1と、支持梁2と、支持梁2によって半導体基板1に支持された赤外線検出部3とを備えている。
本実施形態の筒状の絶縁部材Aは、好ましい態様として、半導体基板1の熱酸化物(本実施形態では酸化シリコン)から形成されている。また、本実施形態の筒状の絶縁部材Aは、平面視(上面視又は下面視)正六角形状であり、補強構造31の縁部311は、平面視(上面視又は下面視)正六角形状である。
ただし、本発明はこれに限るものではなく、例えば、平面視三角形状又は四角形状の絶縁部材Aを用いたり、平面視三角形状又は四角形状の縁部311を有する補強構造31を用いることも可能である。
下部電極322としては、例えば、PtとTiの積層電極であって、Ptの厚みが約100nm、Tiの厚みが約20nmのものを例示できる。
焦電体膜321としては、例えば、PZTが用いられ、その厚みが約3μmのものを例示できる。
上部電極323としては、例えば、AuとTiの積層電極であって、Auの厚みが約300nm、Tiの厚みが約20nmのものを例示できる。
また、筒状の部材A、すなわち中心に空洞部を有する部材Aが複数連接されて形成されているため、熱容量が大きくなることなく機械的強度を高めることが可能である。
さらに、筒状の部材Aが絶縁部材であるため、熱伝導率が低く、赤外線検出部本体32から補強構造31への熱損失を抑制することも可能である。
特に、本実施形態の赤外線検出部3は、好ましい態様として、焦電体膜321を含む赤外線検出部本体32とは別に形成された赤外線吸収体33を具備するため、赤外線検出部3による赤外線の吸収・検出を確実に行うことが可能である。
特に、本実施形態の補強構造31は、好ましい態様として、縁部311に加えて梁部材313を更に備えるため、補強構造31の機械的強度をより一層高めることが可能である。この梁部材313は、筒状の絶縁部材Aが複数連接されて形成されているため、熱容量が大きくなることなくなお且つ熱損失が抑制された状態で、機械的強度をより一層高めることが可能である。
また、筒状の部材A、すなわち中心に空洞部を有する部材Aが複数連接されて形成されているため、熱容量が大きくなることなく機械的強度を高めることが可能である。
さらに、筒状の部材Aが絶縁部材であるため、熱伝導率が低く、赤外線検出部3から支持梁2への熱損失を抑制することも可能である。
赤外線センサ100を封止することにより、補強構造31を介した赤外線検出部本体32への外部からの熱伝達を抑制可能であるため、赤外線の検出感度を向上させることが可能である。
図2〜図34は、本発明の一実施形態に係る赤外線センサの製造方法を説明する図である。各図の(a)は上面図であり、(b)は(a)のXX線端面図である。なお、各図の(b)の縦横比は、視認性の観点より、実際の縦横比よりも縦方向(上下方向)を拡大して図示している。
本実施形態に係る赤外線センサ100の製造方法は、溝部形成工程と、絶縁物充填工程と、赤外線検出部本体形成工程と、補強構造・支持梁形成工程とを含む。また、本実施形態では、好ましい態様として、赤外線検出部本体形成工程と補強構造・支持梁形成工程との間に赤外線吸収体形成工程を含む。以下、上記の各工程順に具体的に説明する。
本工程では、まず最初に、図2に示すように、半導体基板1としてのSiウエハを用意する。Siウエハとしては、例えば、5インチで、厚みが約625μmのSiバルクウェハを例示できる。そして、図3に示すように、半導体基板1に熱酸化処理を施し、表面に酸化シリコンからなる酸化膜5を形成する。酸化膜5の厚みは、例えば、約400nmとされる。なお、図3(a)に示す酸化膜5は、本来、図3(b)と同様に黒色で図示するべきであるが、視認性の観点より、図3(a)では透明に図示している。
本工程では、前記溝部形成工程によって形成した複数の環状の溝部12内に絶縁物13を充填する。
具体的には、本実施形態では、図9に示すように、半導体基板1を加熱することで、複数の環状の溝部12内に、半導体基板1の熱酸化物である酸化シリコンからなる絶縁物13を充填する。なお、図9(a)に示す酸化膜5は、本来、図9(b)と同様に黒色で図示するべきであるが、視認性の観点より、図9(a)では透明に図示している。
上記充填の際、半導体基板1の溝部12以外の表面にも酸化シリコンからなる酸化膜5が形成される。なお、半導体基板1を熱酸化させることで溝部12内に熱酸化物を充填する方法としては、例えば、特開2011−143518号公報に記載の方法を適用可能である。
しかしながら、本発明は、上記のように熱酸化によって溝部12内に絶縁物13を充填する方法に限るものではない。例えば、CVD法によって、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、PSG(Phosphorus Silicon Glass)、BPSG(Boron Phosphorus Silicon Glass)などの絶縁物を充填することも可能である。
本実施形態では、半導体基板1を加熱することで、溝部12内に半導体基板1の熱酸化物を充填するため、溝部12の内側面から溝部12内を埋めるように熱酸化物が成長していく。従い、溝部12の中央部分には凹部が生じ易いため、上記のように熱酸化物充填後の溝部12の上面(面11)を平坦面にする工程を設けることが有効である。溝部12内にCVD法によって絶縁物を充填する方法を採用する場合には、溝部12の上方からターゲット物質を溝部12内に堆積させるため、堆積後の溝部12の上面(面11)を比較的平坦にすることが可能である。ただし、CVD法を用いる場合であっても、熱酸化させる場合と同様に、面11を研磨等によって平坦面にする工程を設けることが好ましい。
上記の工程に次いで、図11に示すように、半導体基板1に熱酸化処理を施し、表面に酸化シリコンからなる絶縁層4を形成する。絶縁層4の厚みは、例えば、約100nmとされる。なお、図11(a)に示す絶縁層4は、本来、図11(b)と同様に黒色で図示するべきであるが、視認性の観点より、図11(a)では透明に図示している。
本工程では、まず最初に、図12に示すように、半導体基板1上に下部電極322を成膜する。次いで、下部電極322上に焦電体膜321を成膜する。下部電極322及び焦電体膜321の成膜方法としては、例えば、スパッタリングが用いられる。
本工程では、前記赤外線検出部本体形成工程によって形成した赤外線検出部本体32上に赤外線吸収体33を形成する。
具体的には、まず最初に、図20に示すように、赤外線検出部本体32が形成された半導体基板1の一方の面11側全体に赤外線吸収体33を成膜する。成膜方法としては、例えば、真空蒸着が用いられる。
本実施形態の補強構造・支持梁形成工程では、まず最初に、前述した支持梁2(図1参照)上に形成される焦電体膜321、下部電極322及び上部電極323のパターニングを行う。
具体的には、図24に示すように、赤外線吸収体33上、上部電極323上、焦電体膜321上又は下部電極322上にレジストRを塗布し、フォトリソグラフィによってレジストRを所定のパターンに形成する。このレジストRのパターンは、前述した支持梁2の形状に対応する形状を含むパターンである。次いで、図25に示すように、所定のパターンに形成されたレジストRを介して、半導体基板1の一方の面11が露出するまで、焦電体膜321、下部電極322及び絶縁層4にエッチングを施す。エッチング方法としては、例えば、イオンビームエッチングが用いられる。次いで、図26に示すように、レジストRを除去し、支持梁2上に形成される焦電体膜321、下部電極322及び上部電極323のパターニングが終了する。
具体的には、まず最初に、図27に示すように、赤外線検出部本体32等が形成された半導体基板1の一方の面11側全体にレジストRを塗布し、赤外線検出部本体32等を保護する。次いで、図28に示すように、半導体基板1の一方の面11側に形成された絶縁層4以外の絶縁層4をエッチングで除去する。エッチング方法としては、例えば、ウエットエッチングが用いられる。
しかしながら、本発明の赤外線センサが備える補強構造は、何らこれに限るものではなく、例えば、図35に示すような補強構造31Aとすることも可能である。
補強構造31Aは、前述の補強構造31と異なり、平面視多角形状の外縁部311のみならず、平面視多角形状の内縁部314も備える構成であるため、より一層優れた機械的強度を得ることが期待できる。
図35に示す支持梁2Aも、前述の支持梁2とは形状が異なるものの、支持梁2と同様に、筒状の絶縁部材Aが複数連接されて形成され、外縁部311の外方において、外縁部311の頂点から外縁部311に沿って延在している。
2、2A・・・支持梁
3・・・赤外線検出部
31、31A・・・補強構造
32・・・赤外線検出部本体
33・・・赤外線吸収体
100・・・赤外線センサ
311・・・縁部
312・・・未配置領域
313・・・梁部材
321・・・焦電体膜
A・・・絶縁部材
Claims (9)
- 半導体基板と、支持梁と、該支持梁によって前記半導体基板に支持された赤外線検出部とを備えた赤外線センサであって、
前記赤外線検出部は、補強構造と、該補強構造上に形成された焦電体膜を含む赤外線検出部本体とを具備し、
前記補強構造は、中心に空洞部を有する筒状の絶縁部材が複数連接されて形成された平面視多角形状の縁部と、前記筒状の絶縁部材が複数連接されて形成された前記縁部の頂点から前記縁部によって区画される領域内に延びる梁部材とを有すると共に、前記縁部によって区画される領域内で且つ前記梁部材が設けられていない領域に、応力集中を緩和するために前記筒状の絶縁部材が配置されていない未配置領域を有し、
前記赤外線検出部本体は、前記補強構造の縁部によって区画される領域を覆うように前記補強構造上に形成され、
前記支持梁は、前記筒状の絶縁部材が複数連接されて形成され、前記補強構造の縁部から前記半導体基板に向けて延在することを特徴とする赤外線センサ。 - 前記梁部材は、前記縁部の頂点同士を繋ぐことを特徴とする請求項1に記載の赤外線センサ。
- 前記補強構造は、前記縁部によって区画される領域内に位置し、前記筒状の絶縁部材が複数連接されて形成された平面視多角形状の内縁部を更に有し、
前記梁部材は、前記縁部の頂点と前記内縁部の頂点とを繋ぎ、
前記未配置領域は、前記縁部によって区画される領域内で且つ前記梁部材及び前記内縁部が設けられていない領域であることを特徴とする請求項1に記載の赤外線センサ。 - 前記筒状の絶縁部材は、前記半導体基板の熱酸化物から形成されていることを特徴とする請求項1から3の何れかに記載の赤外線センサ。
- 前記筒状の絶縁部材は、前記半導体基板を加熱することで形成されていることを特徴とする請求項4に記載の赤外線センサ。
- 前記赤外線検出部は、前記赤外線検出部本体上に形成された赤外線吸収体を更に具備することを特徴とする請求項1から5の何れかに記載の赤外線センサ。
- 前記筒状の絶縁部材は、平面視正六角形状であり、
前記補強構造の縁部は、平面視正六角形状であることを特徴とする請求項1から6の何れかに記載の赤外線センサ。 - 半導体基板の一方の面にエッチングを施すことで、縁部が平面視多角形状となるように、なお且つ、該多角形状によって区画される領域内に環状の溝部が存在しない部位が生じるように、環状の溝部を複数連接させて形成すると共に、前記縁部から延在するように環状の溝部を複数連接させて形成する溝部形成工程と、
前記溝部形成工程によって形成した前記複数の環状の溝部内に絶縁物を充填する絶縁物充填工程と、
前記絶縁物充填工程によって前記複数の環状の溝部内に前記絶縁物が充填された前記半導体基板の前記一方の面上に、焦電体膜を含む赤外線検出部本体を形成する赤外線検出部本体形成工程と、
前記赤外線検出部本体形成工程によって前記一方の面上に前記赤外線検出部本体が形成された前記半導体基板の他方の面を除去して、前記絶縁物を前記半導体基板から露出させることで、前記絶縁物からなり中心に空洞部を有する筒状の絶縁部材が複数連接されて形成された平面視多角形状の縁部と、前記筒状の絶縁部材が複数連接されて形成された前記縁部の頂点から前記縁部によって区画される領域内に延びる梁部材とを有すると共に、前記縁部によって区画される領域内で且つ前記梁部材が設けられていない領域に、応力集中を緩和するために前記筒状の絶縁部材が配置されていない未配置領域を有する補強構造と、前記筒状の絶縁部材が複数連接されて形成され、前記補強構造の縁部から前記半導体基板に向けて延在する支持梁とを形成する補強構造・支持梁形成工程と、
を含むことを特徴とする赤外線センサの製造方法。 - 前記絶縁物充填工程では、前記溝部形成工程によって前記環状の溝部が複数連接して形成された前記半導体基板を加熱することで、前記複数の環状の溝部内に絶縁物を充填することを特徴とする請求項8に記載の赤外線センサの製造方法。
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