JP3608298B2 - Thermal infrared sensor and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱型赤外線センサに関し、特にマイクロブリッジ構造の熱型赤外線センサ及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
赤外線が入射する赤外線受光部と、該入射赤外線のフォトンエネルギーを吸収して温度が変化したときの上記赤外線受光部の物性値を示す電気信号を、半導体基板側に送るための配線部とで構成された熱型赤外線センサが公知である。
かかる熱型赤外線センサにあっては、入射赤外線の強さに応じて赤外線受光部の物性値(例えば、抵抗値)が応答よく変化する程、センサ感度が高くなる。
【0003】
このため従来より、図9に示すように、赤外線受光部11と半導体基板1との間の熱コンダクタンスを小さくするために、赤外線受光部11と半導体基板1との間に空隙Mを設けるようにしたマイクロブリッジ構造の熱型赤外線センサ10が提案されている。
この熱型赤外線センサ10では、赤外線受光部11に赤外線吸収層と熱電変換層(共に図示省略)が形成されると共に、当該赤外線受光部11に連なる2つの橋梁部14,14によってその赤外線受光部11が半導体基板1上に空隙Mを設けて配置されている。
【0004】
この場合、橋梁部14,14は、図10に示すように、その内部に配線層14Aが形成されており、赤外線受光部11を支える機能のみならず当該配線層14Aによって熱電変換層(図示省略)を半導体基板1上の電極1A,1Aに電気的に接続させる機能を有する。
【0005】
而して、上記橋梁部14,14は、赤外線受光部11を支持するために(所定の強度を得るべく)、図10に示すように、配線層(例えば、チタン膜)14Aを上下から保護層14B,14Cにて覆うようにしていた。
このような構造の熱型赤外線センサ10は、赤外線受光部11と半導体基板1との間に空隙Mが設けられているため、赤外線受光部を直付けするタイプの他の熱型赤外線センサ(図示省略)に比べて、赤外線受光部11から半導体基板1への熱の伝導率が低くなりセンサ感度が向上する。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、更にセンサ感度を高めるには、赤外線受光部11と半導体基板1とを機械的に接続する橋梁部14,14の長さを長くし、又は、橋梁部14の断面積を小さくして、当該赤外線受光部11と半導体基板1との間の熱コンダクタンスを小さくすればよいことが知られている。
【0007】
しかしながら、上記構造の熱型赤外線センサ10では、上記のように橋梁部14,14で赤外線受光部11を支持する必要があるために、当該橋梁部14,14を単に長くしたり、又、その断面積を小さくすることができず、センサの感度の向上が図れなかった。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、赤外線受光部を半導体基板上に所定の空隙を設けつつ配置した熱型赤外線センサの、赤外線受光部と半導体基板との間の熱コンダクタンスを低下させて、センサ感度を向上させた熱型赤外線センサを提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明は、半導体基板上に、入射した赤外線を熱エネルギーに変換し、該変換された熱エネルギーの大きさに応じて変化する物性値を電気的に読み出すための赤外線受光部と、上記赤外線受光部と上記半導体基板とを電気的に接続する配線が設けられた橋梁部と、上記赤外線受光部又は上記橋梁部の少なくとも一方を支持し、上記半導体基板とは異なる絶縁性物質からなる絶縁性脚部とを備えたものである。
【0009】
又、請求項2に記載の発明は、上記絶縁性脚部を、有機物質にて形成したものである。
又、請求項3に記載の発明は、上記絶縁性脚部を、レジスト、ポリイミド樹脂、エナメル、セルロイドの何れかによって形成したものである。
又、請求項4に記載の発明は、上記橋梁部を、少なくとも配線層と絶縁層を含む2層構造若しくはそれ以上の多層構造としたものである。
【0010】
又、請求項5に記載の発明は、上記絶縁層を、窒化シリコン膜で構成したものである。
又、請求項6に記載の発明は、請求項1から請求項5の何れかの熱型赤外線センサを作製するに当り、
半導体基板上に絶縁膜を形成し、該絶縁膜を上記絶縁性脚部の形状に合わせてエッチングし、
これに上記絶縁性脚部と、エッチング時の選択性が確保できる充填体を堆積させ、
該充填体を選択的にエッチングし、
その上面に少なくとも上記赤外線受光部若しくは橋梁部を構成する導電膜又は半導体膜を形成し、
これら導電膜又は半導体膜を当該赤外線受光部若しくは橋梁部の形状に合わせてエッチングし、
その後、上記充填体を除去して、
熱型赤外線センサを作製するものである。
【0011】
(作用)
上記請求項1の発明によれば、橋梁部は赤外線受光部を支持する必要がなくなるため、当該絶縁性脚部を新たに設けたことによる熱コンダクタンスの上昇分より、橋梁部を長くし且つその断面積を小さくしたことによる熱コンダクタンスの低下分を大きくして、赤外線受光部と半導体基板との間の熱コンダクタンスを全体として低下させることができる。この場合、絶縁性脚部に関しては、その横断面積を、赤外線受光部を支持するのに必要な最小の大きさに決定すれば、赤外線受光部と半導体基板との間の熱コンダクタンスの上昇を最小限に抑えられる。又、橋梁部は、赤外線受光部を支持する必要がないため、配線としての機能さえあればよく、従って、その断面積を半導体製造技術において可能な限り小さくし、レイアウトの許す限りにおいてその長さを長くして、赤外線受光部と半導体基板との間の熱コンダクタンスを低下させることができる。又、橋梁部を絶縁性脚部によって支持する場合には、該橋梁部の全長を更に長くでき、この橋梁部の熱コンダクタンスを更に低下させることができる。
【0012】
又、請求項2の発明によれば、絶縁性脚部の熱コンダクタンスが十分に小さくなり、又、橋梁部と半導体基板、及び赤外線受光部と半導体基板との間の絶縁も同時に達成できる。
又、請求項3の発明によれば、半導体製造技術等で一般的に用いられる材料で、当該絶縁性脚部が容易に作製できる。
【0013】
又、請求項4の発明によれば、赤外線受光部を支持する強固さが要求されない橋梁部は、配線層の片面を保護するだけでよく、従来橋梁部の撓み防止に必要とされていた両面の保護層を必要としないので、当該橋梁部を簡単に作製できる。
又、請求項5の発明によれば、配線層の保護膜を容易に形成できる。
又、請求項6の発明によれば、一般的な半導体製造技術を、適宜組み合わせることで、従来より用いられている半導体製造装置で、容易に当該熱型赤外線センサを作製することができる。
【0014】
【発明の実施の形態】
(第1の実施形態)
以下、本発明の第1の実施形態について、添付図面を参照して説明する。尚、この第1の実施形態は、請求項1から請求項6に対応する。
【0015】
図1は第1の実施形態のマイクロブリッジ構造の熱型赤外線センサ20を概念的に示す斜視図、図2は熱型赤外線センサ20の橋梁部24の構造を示す斜視図、図3及び図4は熱型赤外線センサ20の製造工程を示す断面図、図5は熱型赤外線センサ20の熱コンダクタンスを算出するための模式図である。
先ず、熱型赤外線センサ20の構造の概略について、図1,図2を用いて説明する。
【0016】
熱型赤外線センサ20は、図1に示すように、赤外線受光部21と、該赤外線受光部21に連なる橋梁部24,24と、上記赤外線受光部21を支持する第1の脚部25,25,26,26と、上記橋梁部24,24を支持する第2の脚部27,27とによって構成されている。
このうち赤外線受光部21は、入射赤外線によるエネルギーを吸収する赤外線吸収層(図示省略)と、当該赤外線エネルギーの吸収に起因する温度上昇による物性値(例えば、抵抗値)の変化を検知するための熱電変換層(図示省略)とによって構成される。尚、この第1の実施形態では、赤外線受光部21は、チタン膜とその上面を覆う窒化シリコン膜(図示省略)とからなり、これらチタン膜と窒化シリコン膜が、熱電変換層、赤外線吸収層(共に図示省略)を構成する。
【0017】
尚、熱電変換層として膜厚が1000Å以下の薄膜チタン膜を用いた場合は、当該膜が赤外線吸収層としての働きも併せもつため、赤外線受光部は、当該薄膜チタン膜による単一層で構成することもできる。
一方、橋梁部24,24は、図2に示すように、チタン膜からなる配線層24A及び窒化シリコン膜からなる保護層(絶縁層)24Bの2層構造であり、この第1の実施形態では、詳細は後述するように、上記赤外線受光部21を構成するチタン膜及び窒化シリコン膜と、同一の半導体製造工程において一体的に形成される。而して、配線層24Aは、赤外線受光部21の熱電変換層(図示省略)と半導体基板1上の電極1Aとを電気的に接続させ、入射赤外線のフォトンエネルギーによって上記赤外線受光部21に温度変化が生じたときに、当該赤外線受光部21の物性値の変化を、半導体基板1側で検出できるようになっている。
【0018】
ところで、上記赤外線受光部21は、図1に示すように、4つの第1の脚部25,25,26,26によって半導体基板1上方に空隙Mを空けて配置され、2つの橋梁部24,24は、その角部24C,24Cにおいて各々第2の脚部27,27で支持されている。
そして、第1の脚部25,25,26,26及び第2の脚部27,27は、共に、熱伝導率が低いレジスト(例えば、1.0×10−3[W/cm・K])によって形成されており、入射赤外線により温度上昇が生じる赤外線受光部21から半導体基板1側に熱が伝わり難くなっている。因みに、第1の実施形態では、赤外線受光部21は一辺が40μm程度に作製され、上記第1,第2の脚部25,25,26,26,27,27は、この赤外線受光部21を支持するのに充分な太さで、且つ、当該赤外線受光部21と半導体基板1との熱の伝導が生じない空隙Mを確保するために必要な高さとなっている(例えば、横断面が直径1.0μmで高さ2.0μm程度の円柱形状)。
【0019】
一方で、上記橋梁部24,24は、上記赤外線受光部21を支持する必要がないため、熱コンダクタンスが小さくなるように、半導体製造技術において可能な細さ(例えば、1.0μm程度)に設計され、しかも、その長さも長くなっている(図1に示す例では、一辺40μmの赤外線受光部21の二辺に沿った長さで、約80μm)。
【0020】
次に、上記構成の熱型赤外線センサ20の製造方法について、図3、図4を参照して説明する。尚、図3、図4は図1のIII−III線に沿った断面に対応する。
熱型赤外線センサ20は概ね以下の手順に従って作製される。
(1)半導体基板1上に、例えば、ネガ形のレジスト31を塗布し、これをマスク38を使って上記第1,第2の脚部25,25,26,26,27,27の形状に露光する(図3(a))。
【0021】
(2)被露光部を例えば、現像液にて除去して第1及び第2の脚部25,25,26,26,27,27を形成し、その上面に充填体として酸化シリコン膜32をCVD法又は回転塗布法にて形成する(図3(b))。
(3)上記酸化シリコン膜32をプラズマエッチング法によりエッチングして、更に、橋梁部24,24に対応する傾斜部32C(一点鎖線で示す)をウェットエッチングによるテーパーエッチング技術を利用して形成する(図3(c))。
【0022】
(4)上記エッチングされた酸化シリコン膜32の上面に赤外線受光部21の熱電変換層(図示省略)及び橋梁部24,24の配線層24Aを構成するチタン膜(金属膜)33をスパッタ法や蒸着法等によって形成する。次いで、その上面に赤外線受光部21の赤外線吸収層(図示省略)及び橋梁部24,24の保護膜24Bを構成する窒化シリコン膜34をCVD法又はスパッタ法にて形成する(図3(d))。
【0023】
(5)斯く形成したチタン膜33及び窒化シリコン膜34をホトリソグラフィ技術により作製されたマスクを用いて所望の形状にエッチングして、赤外線受光部21及び橋梁部24,24を形成する(図4(e))。
(6)上記赤外線受光部21と半導体基板1との間にある酸化シリコン膜32を、例えば、フッ酸系のエッチング液で除去して(ウェットエッチング)、空隙Mを設けた熱型赤外線センサ20を得る(図4(f)及び図1)。
【0024】
次に、図5、図11を参照しながら、上記第1及び第2の脚部25,25,26,26,27,27を設けたことによる赤外線受光部21と半導体基板1との間の熱コンダクタンスの低減効果について、従来構造の熱型赤外線センサ10の場合と比較して説明する。尚、図5は熱型赤外線センサ20の熱コンダクタンスを算出するための模式図、図11は従来の熱型赤外線センサ10の熱コンダクタンスを算出するための模式図である。又、以下の説明では、2つの熱型赤外線センサ20,10は、その赤外線受光部21,11が共に、一辺がおよそ40μmの正方形とする。
【0025】
ところで、熱コンダクタンス“K”は、一般に、次式(1)で与えられる。
K=k×S/L …(1)
ここで“k”は物質によって定まる熱電導率、“S”は熱伝導経路の断面積、“L”は熱伝導経路の長さである。この算出式に基づいて、熱型赤外線センサ10及び熱型赤外線センサ20の各々の、赤外線受光部11,21と半導体基板1との間の熱コンダクタンスK1及びK2を求める。
【0026】
因みに、赤外線受光部11,21と半導体基板1と間の熱コンダクタンスK1,K2は、その値が小さい程、熱型赤外線センサ10,20の感度が高くなる。
先ず、比較対象とする、従来の熱型赤外線センサ10の赤外線受光部11と半導体基板1との間の熱コンダクタンスK1を算出する。
ここでは熱型赤外線センサ10の橋梁部14,14をチタン膜(Ti)と窒化シリコン膜(SiN)とで構成した場合を考える。
【0027】
前述したように、従来の熱型赤外線センサ10は、その橋梁部14,14が、赤外線受光部11を支持しなければならない。而して、一辺が40μm程度の赤外線受光部11を支持するのであれば、チタン膜(Ti)からなる配線層14Aは幅が1.5μm、厚さが750Åに形成され、窒化シリコン膜からなる上側の保護層(絶縁層)14Bは幅が3.0μm、厚さが1500Åに形成され、同じく窒化シリコン膜からなる下側の保護層14Cは幅が3.0μm、高さが2000Å程度に形成される。又、橋梁部14,14の長さは、赤外線受光部11の一辺と略同じ40μmである。
【0028】
ここで、チタン(Ti)の熱伝導率を0.2[W/cm・K]、窒化シリコン(SiN)の熱伝導率を0.557[W/cm・K]とすると、橋梁部14,14の1つ当りの熱コンダクタンスK11(図11のP1−P2間の熱コンダクタンス)は、次式(2)によって得られる。
而して、図9,図11に示す従来の熱型赤外線センサ10は、2つの橋梁部14,14でその赤外線受光部11が半導体基板1上に支持されているので、赤外線受光部11と半導体基板1との間の熱コンダクタンスK1は、次式(3)によって得られる。
【0029】
K1=2K11=3.0×10−6[W/K] …(3)
次に、熱型赤外線センサ20の赤外線受光部21と半導体基板1との間の熱コンダクタンスK2を算出する。
上記したように熱型赤外線センサ20の赤外線受光部21はレジストからなる第1,第2の脚部25,25,26,26,27,27によって支えられている。
【0030】
一辺が40μm程度の赤外線受光部21を支持するのであれば、各々の脚部25,25,26,26,27,27は、直径が1.0μm程度、高さが2.0μm程度の円柱とすることができる。この場合、第1,第2の脚部25,25,26,26,27,27の1本当りの熱コンダクタンスK21は、レジストの熱伝導率を1.0×10−3[W/cm・K]とすると、次式(4)によって得られる。
【0031】
又、橋梁部24の一辺(図5のP1−P2間、P2−P3間)当りの熱コンダクタンスK22は以下のように求められる。
即ち、橋梁部24は、配線層24Aと保護層24Bの2層構造になっており、配線層24Aは、幅が1μm、膜厚が800Åで、材質はチタン、又、保護層24Bは、幅が1.0μm膜厚1000Åで、材質は窒化シリコン(SiN)とすることができる。又、橋梁部24の一辺当りの長さは、上記従来の橋梁部14と同じ40μm程度である。チタンの熱伝導率を0.2[W/cm・K]、窒化シリコンの熱伝導率を0.557[W/cm・K]とすると、上記熱コンダクタンスK22は、次式(5)によって得られる。
【0032】
前述した脚部(第1,第2の脚部25,26,27)の1つ当たりの熱コンダクタンスK21、及び当該橋梁部24の一辺当りの熱コンダクタンスK22を用いてP1−P3間の熱コンダクタンスK23を求めると、該熱コンダクタンスK23は、図5のP1−P2間の熱コンダクタンスと、P2点(角部24Cに対応)を支える第2の脚部27の熱コンダクタンスと、P2−P3間の熱コンダクタンスを合成したものであるから、次式(6)によって得られる。
【0033】
この熱コンダクタンスK23はP1〜P3間の熱コンダクタンスであり、従来の熱型赤外線センサ10における橋梁部14の1つの熱コンダクタンスK11に相当する値である。この値K23と値K11とを比較すると、前者は後者の1/15程度になる。
【0034】
このように、熱型赤外線センサ20では、橋梁部24と第2の脚部27とを合わせても、熱型赤外線センサ10の橋梁部14に比べて格段に熱コンダクタンスを小さくすることができる。
而して、第1,第2の脚部25,25,26,26,27,27を用いて赤外線受光部21と橋梁部24とを、各々支持した場合の(図1に示す熱型赤外線センサ20)当該赤外線受光部21と半導体基板1との間の熱コンダクタンスK2は、次式(7)によって得られる。
【0035】
K2=4K21+2K23=3.5×10−7[W/K] …(7)
このように第1、第2の脚部25,25,26,26,27,27を用いた場合の熱コンダクタンスK2は、赤外線受光部11,21が略同じ大きさ(一辺が40μm)の従来の熱型赤外線センサ10の熱コンダクタンスK1の、およそ1/9となる。
【0036】
以上のように、熱型赤外線センサ20では、赤外線受光部21が、当該脚部25,25,26,26で支えられているために、橋梁部24,24は、従来のようにその強度を強くする必要がなくなり、その断面積を小さくし、しかも半導体基板1上のレイアウトパターンが許す限りにおいて長くできるので、橋梁部24,24に係る上記熱コンダクタンスK23を著しく低減することができる。
【0037】
そして、赤外線受光部21と半導体基板1との間に脚部25,25,26,26,27,27を配置することにより増加する熱コンダクタンスと、橋梁部24,24の断面積を小さくし、且つ、長くすることによって低減される熱コンダクタンスとを比較した場合、前者に対して後者を著しく大きくできるために、熱型赤外線センサ20全体の熱コンダクタンスK2を大幅に低減できる。
【0038】
図6は、脚部28を用いて赤外線受光部21若しくはこれに連なる橋梁部24,24を支持する変形例を示す説明図である。このうち(a)は2つの脚部28,28で赤外線受光部21を支持した例、(b)は脚部28,28で赤外線受光部21及び橋梁部24,24の直線部を同時に支持した例、(c)は2つの脚部28,28で赤外線受光部21を支持し他の2つの脚部28,28で橋梁部24,24を支持した例、(d)は橋梁部24,24を長く延ばし脚部28,28で当該橋梁部24,24と赤外線受光部21を同時に支持した例、(e)は脚部28,28で赤外線受光部21及び橋梁部24,24の角部を同時に支持した例、(f)は2つの脚部28,28で赤外線受光部21を支持し他の4つの脚部28,28,28,28で長く延ばされた橋梁部(赤外線受光部21の四辺の長さに相当)24,24を支持した例、(g)は4つの脚部28,28,28,28で橋梁部24,24の8つの角部を支持した例、(h)は葛籠状に形成された橋梁部24,24を4つの脚部28,28,28,28で支持した例を示す説明図である。
【0039】
以上のものは何れも、脚部28…の数を減らして当該熱コンダクタンスを低下するもの、及び/又は橋梁部24,24を細長く形成して当該熱コンダクタンスを低下させたものであり、これらの例によれば、熱コンダクタンスは更に低下し、熱型赤外線センサ20の感度が更に向上する。
尚、この第1の実施形態では、第1及び第2の脚部25,25,26,26,27,27を熱伝導率の小さいレジストで形成した例を示したが、他の熱伝導率の小さい材質、例えば、ポリイミド樹脂、エナメル、セルロイド等の有機物質にて、これを形成してもよい。
【0040】
又、上記実施形態では、橋梁部24,24の配線層24Aをチタンで構成する例を示したが、他の導体若しくは半導体(例えば、バナジウムオキサイド膜(VOx))でこれを形成してもよい。
又、上記実施形態では、橋梁部24,24を、配線層24Aと保護層24Bの2層構造としたが、3層構造以上にしてもよい。この場合、上記した実施形態では、橋梁部24,24を形成する際に、配線層24Aの上面に保護層24Bを形成しているが、配線層24Aの上下に保護層を形成してもよい。反対に、配線層24Aを第2の脚部27,27で支持しているので、保護膜24Bを省いても強度的には問題はない。
【0041】
尚、熱型赤外線センサ20の赤外線受光部21の構造に関しては、例示した構造に限るものでなく、他のマイクロブリッジ構造の熱型赤外線センサに、本発明を適用できるのは、勿論である。
(第2の実施形態)
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。尚、この第2の実施形態は、請求項1から請求項6に対応する。
【0042】
熱型赤外線センサ40では、図7に示すように、赤外線受光部41が脚部45によって支持されている。
尚、赤外線受光部41、橋梁部44の構造は、上記した第1の実施形態の赤外線受光部21、橋梁部24と同一の構成であり、その詳細な説明は省略する。
赤外線受光部41は、図7に示すように、1つの円柱状の脚部45によって半導体基板1上方に空隙Mを空けて配置されている。
【0043】
この場合、脚部45も、上記した第1の実施形態の脚部25,26,27と同じように、熱伝導率が低いレジスト(例えば、1.0×10−3[W/cm・K])によって形成されている。このレジストで脚部45を形成することによって、入射赤外線により温度上昇が生じる赤外線受光部41から半導体基板1側に熱が伝わり難くなる。因みに、赤外線受光部41の一辺が40μm程度に作製されている場合には、脚部45は、この赤外線受光部41を支持するのに充分な太さで、且つ、当該赤外線受光部41と半導体基板1との熱の伝導が生じない空隙Mを確保するために必要な高さとなっている(例えば、横断面が直径4.0μmで高さ2.0μm程度の円柱形状)。
【0044】
この場合、上記橋梁部44,44は、上記赤外線受光部41を支持する必要がないため、熱コンダクタンスが小さくなるように、半導体製造技術において可能な細さ(例えば、1.0μm程度)に設計され、しかも、その長さも長くなっている(図7に示す例では、一辺40μmの赤外線受光部41の二辺に沿った長さで、約80μm)。
【0045】
尚、上記構成の熱型赤外線センサ40の製造方法は、上記した第1の実施形態の熱型赤外線センサ20の製造方法と、脚部45の形状のみが異なるものであって(図3(a)におけるマスク38のパターンのみが異なる)、他の工程は略同一であり、その詳細な説明は省略する。
又、熱型赤外線センサ40における熱コンダクタンスK30は以下のような値になる。尚、ここでは、熱型赤外線センサ40の赤外線受光部41が、上記第1の実施形態の熱型赤外線センサ20と同様に一辺がおよそ40μmの正方形とする。
【0046】
上記したように熱型赤外線センサ40の赤外線受光部41はレジストからなる唯1つの脚部45によって支えられている。
一辺が40μm程度の赤外線受光部41を支持するのであれば、脚部45は、直径が4.0μm程度、高さが2.0μm程度の円柱とすることができる。この場合、1つの脚部45の熱コンダクタンスK31は、レジストの熱伝導率を1.0×10−3[W/cm・K]とすると、次式(8)によって得られる。
【0047】
K31=1.0×10−3{π×(2.0×10−4)2/2×10−4}=6.3×10−7[W/K] …(8)
又、橋梁部44の一辺当りの熱コンダクタンスK32は、第1の実施形態の熱コンダクタンスK22と同じ値(1.8×10−7[W/K])となる。
従って、橋梁部44の1本当りの熱コンダクタンスK33は、K32の半分の値(0.9×10−7[W/K])となる。
【0048】
而して、脚部45を用いて赤外線受光部41を支持した場合の(図7に示す熱型赤外線センサ40)当該赤外線受光部41と半導体基板1との間の熱コンダクタンスK3は、次式(9)によって得られる。
K3=K31+2K33=8.1×10−7[W/K] …(9)
このように1つの脚部45を用いた場合の熱コンダクタンスK3は、赤外線受光部11,41が略同じ大きさ(一辺が40μm)の従来の熱型赤外線センサ10の熱コンダクタンスK1の、およそ1/4となる。
【0049】
以上のように、熱型赤外線センサ40では、赤外線受光部41が、当該脚部45で支えられているために、橋梁部44,44は、従来のようにその強度を強くする必要がなくなり、その断面積を小さくし、しかも半導体基板1上のレイアウトパターンが許す限りにおいて長くできるので、橋梁部44,44に係る上記熱コンダクタンスK33を著しく低減することができる。
【0050】
そして、赤外線受光部41と半導体基板1との間に脚部45を配置することにより増加する熱コンダクタンスと、橋梁部44,44の断面積を小さくし、且つ、長くすることによって低減される熱コンダクタンスとを比較した場合、前者に対して後者を著しく大きくできるために、熱型赤外線センサ40全体の熱コンダクタンスK3を大幅に低減できる。
【0051】
図8は、図7の円柱状の脚部45に代えて、断面が十字状の脚部46(図8(a))、中空の脚部47(図8(b))、断面がC型の脚部48(図8(c))、断面が長方形の脚部49(図8(d))を用いて赤外線受光部41を支持する変形例を示す説明図である。
このような脚部46,47,48,49によれば、その断面積S1,S2,S3,S4をより小さくして当該脚部46,47,48,49の熱コンダクタンスを更に小さくして、赤外線受光部41と半導体基板1との間の断熱効果を更に向上させることができ、熱型赤外線センサ40の感度が更に向上する。
【0052】
尚、これらの脚部46,47,48,49は、第1の実施形態の第1,第2の脚部25,…,27と置換して使用できるのは、勿論である。
尚、この第2の実施形態では脚部45,46,47,48,49を、熱伝導率の小さいレジストで形成した例を示したが、他の熱伝導率の小さい材質、例えば、ポリイミド樹脂、エナメル、セルロイド等の有機物質にて、これを形成してもよい。
【0053】
尚、熱型赤外線センサ40の赤外線受光部41の構造に関しては、例示した構造に限るものでなく、他のマイクロブリッジ構造の熱型赤外線センサに、本発明を適用できるのは、勿論である。
【0054】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項1の発明によれば、橋梁部は赤外線受光部を支持する必要がなくなるため、絶縁性脚部による熱コンダクタンスの上昇分と橋梁部の熱コンダクタンスの低下分とを調整して、全体として、熱型赤外線センサの熱コンダクタンスを低下させて、センサ感度の向上が図れる。この場合、絶縁性脚部はその横断面が、赤外線受光部を支持するに必要な最小の大きさに決定すれば、熱コンダクタンスの上昇が最小限に抑えられ、センサ感度の向上が図れる。又、橋梁部は、赤外線受光部を支持する必要がないため、配線としての機能があればよく、従って、その断面積を小さく且つ長さを長くして、熱コンダクタンスを低下させれば、センサ感度の更なる向上が図れる。又、橋梁部をも絶縁性脚部によって支持するのであれば、橋梁部の全長を更に長くでき、この橋梁部の熱コンダクタンスを更に低下させて、更なるセンサ感度の向上が図れる。
【0055】
又、請求項2の発明によれば、絶縁性脚部の熱コンダクタンスが下がり、センサ感度の向上が図れる。
又、請求項3の発明によれば、半導体製造技術で一般的に用いられる材料で、絶縁性脚部が容易に形成できる。
又、請求項4の発明によれば、赤外線受光部を支持する強固さが要求されないため、橋梁部はその表面を絶縁するだけで、簡単に作製できる。
【0056】
又、請求項5の発明によれば、容易に橋梁部の保護膜を形成できる。
又、請求項6の発明によれば、一般的に用いられている半導体製造装置で、センサ感度の高い熱型赤外線センサを容易に作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施形態の熱型赤外線センサ20を示す斜視図である。
【図2】
熱型赤外線センサ20の橋梁部24の構造を示す斜視図である。
【図3】熱型赤外線センサ20の製造工程を示す断面図である。
【図4】熱型赤外線センサ20の製造工程を示す断面図である。
【図5】熱コンダクタンスK2の算出のための熱型赤外線センサ20の模式図である。
【図6】熱型赤外線センサ20の橋梁部24,24の形状及び脚部25,25,26,26,27,27の配置を異ならせた変形例を示す説明図である。
【図7】第2の実施形態の熱型赤外線センサ40を示す斜視図である。
【図8】熱型赤外線センサ40の脚部の形状を異ならせた変形例を示す説明図である。
【図9】従来の熱型赤外線センサ10を示す斜視図である。
【図10】従来の熱型赤外線センサ10の橋梁部14の構造を示す斜視図である。
【図11】熱コンダクタンスK1の算出のための従来の熱型赤外線センサ10の模式図である。
【符号の説明】
1 半導体基板
1A 電極
20,40 熱型赤外線センサ
21,41 赤外線受光部
24,44 橋梁部
24A 配線層
24B 保護膜(絶縁膜)
25,26 第1の脚部(絶縁性脚部)
27 第2の脚部(絶縁性脚部)
31 レジスト
32 酸化シリコン膜(充填体)
33 チタン膜
34 窒化シリコン膜
45,46,47,48,49 脚部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a thermal infrared sensor, and more particularly to a thermal infrared sensor having a microbridge structure and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
Consists of an infrared light receiving unit on which infrared light is incident and a wiring unit for sending an electrical signal indicating the physical property value of the infrared light receiving unit when the temperature is changed by absorbing the photon energy of the incident infrared light to the semiconductor substrate side A thermal infrared sensor is known.
In such a thermal infrared sensor, the sensitivity of the sensor increases as the physical property value (for example, the resistance value) of the infrared light receiving portion changes in response to the intensity of incident infrared light.
[0003]
Therefore, conventionally, as shown in FIG. 9, a gap M is provided between the infrared light receiving unit 11 and the
In this thermal infrared sensor 10, an infrared absorption layer and a thermoelectric conversion layer (both not shown) are formed in the infrared light receiver 11, and the two
[0004]
In this case, as shown in FIG. 10, the
[0005]
Thus, the
Since the thermal infrared sensor 10 having such a structure is provided with a gap M between the infrared light receiving part 11 and the
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in order to further increase the sensor sensitivity, the length of the
[0007]
However, in the thermal infrared sensor 10 having the above structure, since the infrared light receiving unit 11 needs to be supported by the
The present invention has been made in view of such circumstances, and the thermal conductance between the infrared light receiving part and the semiconductor substrate of the thermal infrared sensor in which the infrared light receiving part is arranged on the semiconductor substrate while providing a predetermined gap is reduced. An object of the present invention is to provide a thermal infrared sensor with improved sensor sensitivity.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 converts infrared rays incident on a semiconductor substrate into thermal energy, and electrically changes a physical property value that changes according to the magnitude of the converted thermal energy. An infrared light receiving unit for reading the light, and the infrared light receiving unit the above Supports at least one of the bridge portion provided with wiring for electrically connecting the semiconductor substrate and the infrared light receiving portion or the bridge portion. And an insulating material different from that of the semiconductor substrate. Insulating legs.
[0009]
According to a second aspect of the present invention, the insulating leg is formed of an organic material.
According to a third aspect of the present invention, the insulating leg is formed of any one of resist, polyimide resin, enamel, and celluloid.
According to a fourth aspect of the present invention, the bridge portion has a two-layer structure including at least a wiring layer and an insulating layer or a multilayer structure having more than that.
[0010]
According to a fifth aspect of the present invention, the insulating layer is composed of a silicon nitride film.
Further, the invention according to
Forming an insulating film on the semiconductor substrate, etching the insulating film in accordance with the shape of the insulating legs,
The insulating legs and the filler that can ensure selectivity during etching are deposited on this,
Selectively etching the filler;
Forming a conductive film or a semiconductor film constituting at least the infrared light receiving part or the bridge part on the upper surface,
Etching these conductive film or semiconductor film according to the shape of the infrared light receiving part or bridge part,
Thereafter, the filler is removed,
A thermal infrared sensor is produced.
[0011]
(Function)
According to the first aspect of the present invention, since the bridge portion does not need to support the infrared light receiving portion, the bridge portion is made longer than the increase in thermal conductance caused by newly providing the insulating legs. The thermal conductance between the infrared light receiving part and the semiconductor substrate can be reduced as a whole by increasing the decrease in thermal conductance due to the reduced cross-sectional area. In this case, if the cross-sectional area of the insulating leg portion is determined to be the minimum size necessary to support the infrared light receiving portion, the increase in thermal conductance between the infrared light receiving portion and the semiconductor substrate is minimized. It can be suppressed to the limit. In addition, since the bridge portion does not need to support the infrared light receiving portion, it only needs to function as a wiring. Therefore, its cross-sectional area is made as small as possible in the semiconductor manufacturing technology, and its length is as long as the layout allows. The thermal conductance between the infrared light receiving part and the semiconductor substrate can be reduced by lengthening the length. Further, when the bridge portion is supported by the insulating legs, the entire length of the bridge portion can be further increased, and the thermal conductance of the bridge portion can be further reduced.
[0012]
According to the invention of
According to the invention of
[0013]
According to the invention of
According to the invention of
According to the invention of
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(First embodiment)
DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, a first embodiment of the invention will be described with reference to the accompanying drawings. The first embodiment corresponds to
[0015]
FIG. 1 is a perspective view conceptually showing a thermal infrared sensor 20 having a microbridge structure according to the first embodiment. FIG. 2 is a perspective view showing a structure of a
First, the outline of the structure of the thermal infrared sensor 20 will be described with reference to FIGS.
[0016]
As shown in FIG. 1, the thermal infrared sensor 20 includes an
Among these, the infrared
[0017]
When a thin film titanium film having a film thickness of 1000 mm or less is used as the thermoelectric conversion layer, the film also functions as an infrared absorption layer. Therefore, the infrared light receiving part is constituted by a single layer of the thin film titanium film. You can also.
On the other hand, as shown in FIG. 2, the
[0018]
By the way, as shown in FIG. 1, the infrared
The
[0019]
On the other hand, since the
[0020]
Next, a method for manufacturing the thermal infrared sensor 20 having the above configuration will be described with reference to FIGS. 3 and 4 correspond to a cross section taken along line III-III in FIG.
The thermal infrared sensor 20 is generally manufactured according to the following procedure.
(1) On the
[0021]
(2) The exposed portion is removed with, for example, a developer to form first and
(3) The
[0022]
(4) A titanium film (metal film) 33 constituting the thermoelectric conversion layer (not shown) of the infrared
[0023]
(5) The thus formed titanium film 33 and silicon nitride film 34 are etched into a desired shape using a mask produced by a photolithography technique to form the infrared
(6) The thermal infrared sensor 20 in which the
[0024]
Next, with reference to FIGS. 5 and 11, between the infrared
[0025]
Incidentally, the thermal conductance “K” is generally given by the following equation (1).
K = k × S / L (1)
Here, “k” is the thermal conductivity determined by the substance, “S” is the cross-sectional area of the heat conduction path, and “L” is the length of the heat conduction path. Based on this calculation formula, thermal conductances K1 and K2 between the infrared
[0026]
Incidentally, the thermal conductances K1 and K2 between the infrared
First, a thermal conductance K1 between the infrared light receiving unit 11 of the conventional thermal infrared sensor 10 and the
Here, a case is considered in which the
[0027]
As described above, in the conventional thermal infrared sensor 10, the
[0028]
Here, assuming that the thermal conductivity of titanium (Ti) is 0.2 [W / cm · K] and the thermal conductivity of silicon nitride (SiN) is 0.557 [W / cm · K], the
Thus, the conventional thermal infrared sensor 10 shown in FIGS. 9 and 11 has the two infrared light receiving portions 11 supported on the
[0029]
K1 = 2K11 = 3.0 × 10 -6 [W / K] (3)
Next, the thermal conductance K2 between the infrared
As described above, the
[0030]
If the infrared
[0031]
Further, the thermal conductance K22 per one side of the bridge portion 24 (between P1 and P2 and between P2 and P3 in FIG. 5) is obtained as follows.
That is, the
[0032]
The thermal conductance between P1 and P3 using the thermal conductance K21 per one of the leg portions (first and
[0033]
The thermal conductance K23 is a thermal conductance between P1 and P3, and is a value corresponding to one thermal conductance K11 of the
[0034]
As described above, in the thermal infrared sensor 20, even when the
Thus, when the infrared
[0035]
K2 = 4K21 + 2K23 = 3.5 × 10 -7 [W / K] (7)
As described above, when the first and
[0036]
As described above, in the thermal infrared sensor 20, since the infrared
[0037]
Then, the thermal conductance which is increased by arranging the
[0038]
FIG. 6 is an explanatory view showing a modification in which the infrared
[0039]
In any of the above, the number of
In the first embodiment, the first and
[0040]
In the above embodiment, an example in which the wiring layer 24A of the
Moreover, in the said embodiment, although the
[0041]
Note that the structure of the infrared
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described. The second embodiment corresponds to
[0042]
In the thermal infrared sensor 40, as shown in FIG. 7, the infrared light receiving part 41 is supported by a leg part 45.
Note that the structures of the infrared light receiving section 41 and the bridge section 44 are the same as those of the infrared
As shown in FIG. 7, the infrared light receiving unit 41 is arranged with a gap M above the
[0043]
In this case, the leg 45 is also a resist having a low thermal conductivity (for example, 1.0 × 10 10), like the
[0044]
In this case, since the bridge portions 44 and 44 do not need to support the infrared light receiving portion 41, the bridge portions 44 and 44 are designed to be as thin as possible in the semiconductor manufacturing technology (for example, about 1.0 μm) so as to reduce the thermal conductance. Moreover, the length is also long (in the example shown in FIG. 7, the length along the two sides of the infrared light receiving section 41 having a side of 40 μm is about 80 μm).
[0045]
The manufacturing method of the thermal infrared sensor 40 having the above configuration is different from the manufacturing method of the thermal infrared sensor 20 of the first embodiment described above only in the shape of the leg 45 (FIG. 3A ) Only the pattern of the mask 38 is different), and other processes are substantially the same, and the detailed description thereof is omitted.
Further, the thermal conductance K30 in the thermal infrared sensor 40 has the following value. Here, it is assumed that the infrared light receiving portion 41 of the thermal infrared sensor 40 is a square having a side of approximately 40 μm, similar to the thermal infrared sensor 20 of the first embodiment.
[0046]
As described above, the infrared light receiving portion 41 of the thermal infrared sensor 40 is supported by only one leg portion 45 made of resist.
If the infrared light receiving part 41 having a side of about 40 μm is supported, the leg part 45 can be a cylinder having a diameter of about 4.0 μm and a height of about 2.0 μm. In this case, the thermal conductance K31 of one leg 45 has a thermal conductivity of 1.0 × 10 × 10. -3 When [W / cm · K], it is obtained by the following equation (8).
[0047]
K31 = 1.0 × 10 -3 {Π × (2.0 × 10 -4 ) 2 / 2 × 10 -4 } = 6.3 × 10 -7 [W / K] (8)
Further, the thermal conductance K32 per side of the bridge portion 44 is the same value (1.8 × 10 10) as the thermal conductance K22 of the first embodiment. -7 [W / K]).
Therefore, the thermal conductance K33 per one bridge portion 44 is half the value of K32 (0.9 × 10 -7 [W / K]).
[0048]
Thus, the thermal conductance K3 between the infrared light receiving unit 41 and the
K3 = K31 + 2K33 = 8.1 × 10 -7 [W / K] (9)
Thus, the thermal conductance K3 when using one leg 45 is approximately 1 of the thermal conductance K1 of the conventional thermal infrared sensor 10 in which the infrared light receiving portions 11 and 41 have substantially the same size (one side is 40 μm). / 4.
[0049]
As described above, in the thermal infrared sensor 40, since the infrared light receiving part 41 is supported by the leg part 45, the bridge parts 44 and 44 do not need to be increased in strength as in the related art. Since the cross-sectional area can be reduced and increased as long as the layout pattern on the
[0050]
And the thermal conductance which increases by arrange | positioning the leg part 45 between the infrared rays light-receiving part 41 and the
[0051]
FIG. 8 shows a cross-shaped leg 46 (FIG. 8A), a hollow leg 47 (FIG. 8B), and a C-shaped section instead of the columnar leg 45 of FIG. It is explanatory drawing which shows the modification which supports the infrared rays light-receiving part 41 using the leg part 48 (FIG.8 (c)), and the leg part 49 (FIG.8 (d)) whose cross section is a rectangle.
According to
[0052]
Of course, these
In the second embodiment, the
[0053]
It should be noted that the structure of the infrared light receiving portion 41 of the thermal infrared sensor 40 is not limited to the illustrated structure, and the present invention can of course be applied to other thermal infrared sensors having a microbridge structure.
[0054]
【The invention's effect】
As described above, according to the invention of
[0055]
According to the invention of
According to the third aspect of the present invention, the insulating legs can be easily formed with a material generally used in semiconductor manufacturing technology.
According to the fourth aspect of the present invention, since the strength for supporting the infrared light receiving portion is not required, the bridge portion can be easily manufactured simply by insulating the surface thereof.
[0056]
According to the invention of
According to the invention of
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a thermal infrared sensor 20 of a first embodiment.
[Figure 2]
2 is a perspective view showing a structure of a
3 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the thermal infrared sensor 20. FIG.
4 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the thermal infrared sensor 20. FIG.
FIG. 5 is a schematic diagram of a thermal infrared sensor 20 for calculating a thermal conductance K2.
FIG. 6 is an explanatory view showing a modification in which the shape of the
FIG. 7 is a perspective view showing a thermal type infrared sensor 40 of the second embodiment.
FIG. 8 is an explanatory view showing a modified example in which the shape of the leg portion of the thermal infrared sensor 40 is changed.
9 is a perspective view showing a conventional thermal infrared sensor 10. FIG.
10 is a perspective view showing a structure of a
FIG. 11 is a schematic diagram of a conventional thermal infrared sensor 10 for calculating a thermal conductance K1.
[Explanation of symbols]
1 Semiconductor substrate
1A electrode
20, 40 Thermal infrared sensor
21, 41 Infrared detector
24,44 Bridge
24A wiring layer
24B Protective film (insulating film)
25, 26 First leg (insulating leg)
27 Second leg (insulating leg)
31 resist
32 Silicon oxide film (filler)
33 Titanium film
34 Silicon nitride film
45, 46, 47, 48, 49 Legs
Claims (6)
上記赤外線受光部と上記半導体基板とを電気的に接続する配線が設けられた橋梁部と、
上記赤外線受光部又は上記橋梁部の少なくとも一方を支持し、上記半導体基板とは異なる絶縁性物質からなる絶縁性脚部と
を備えていることを特徴とする熱型赤外線センサ。Infrared light receiving unit for converting incident infrared rays into heat energy on a semiconductor substrate and electrically reading out physical property values that change according to the magnitude of the converted heat energy;
A bridge portion on which a wiring for electrically connecting the and the semiconductor substrate said infrared receiving portion is provided,
A thermal infrared sensor characterized by comprising at least one of the infrared light receiving portion or the bridge portion and an insulating leg portion made of an insulating material different from the semiconductor substrate .
ことを特徴とする請求項1に記載の熱型赤外線センサ。2. The thermal infrared sensor according to claim 1, wherein the insulating legs are formed of an organic material.
ことを特徴とする請求項2に記載の熱型赤外線センサ。3. The thermal infrared sensor according to claim 2, wherein the insulating legs are formed of any one of resist, polyimide resin, enamel, and celluloid.
ことを特徴とする請求項1から請求項3の何れかに記載の熱型赤外線センサ。The thermal infrared sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein the bridge portion has a two-layer structure including at least a wiring layer and an insulating layer or a multilayer structure of more than that.
ことを特徴とする請求項4に記載の熱型赤外線センサ。5. The thermal infrared sensor according to claim 4, wherein the insulating layer is made of a silicon nitride film.
該絶縁膜を上記絶縁性脚部の形状に合わせてエッチングし、
これに上記絶縁性脚部と、エッチング時の選択性が確保できる充填体を堆積させ、
該充填体を選択的にエッチングし、
その上面に少なくとも上記赤外線受光部若しくは橋梁部を構成する導電膜又は半導体膜を形成し、
これら導電膜又は半導体膜を当該赤外線受光部若しくは橋梁部の形状に合わせてエッチングし、
その後、上記充填体を除去して、
請求項1から請求項5の何れかに記載の熱型赤外線センサを形成する
ことを特徴とする熱型赤外線センサの製造方法。Forming an insulating film on the semiconductor substrate;
Etching the insulating film according to the shape of the insulating legs,
The insulating legs and the filler that can ensure the selectivity during etching are deposited on this,
Selectively etching the filler;
Forming a conductive film or a semiconductor film constituting at least the infrared light receiving part or the bridge part on the upper surface,
Etching these conductive film or semiconductor film according to the shape of the infrared light receiving part or bridge part,
Thereafter, the filler is removed,
A method for manufacturing a thermal infrared sensor, comprising forming the thermal infrared sensor according to any one of claims 1 to 5.
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