JP6576906B2 - Infrared sensor and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、焦電体膜を含む赤外線検出部を備えた赤外線センサ及びその製造方法に関する。特に、本発明は、検出感度が高くなお且つ機械的強度の高い赤外線センサ及びその製造方法に関する。 The present invention relates to an infrared sensor including an infrared detector including a pyroelectric film and a method for manufacturing the same. In particular, the present invention relates to an infrared sensor having high detection sensitivity and high mechanical strength, and a method for manufacturing the same.
従来より、焦電センサ、サーモパイル、ボロメータなどの、いわゆる熱型赤外線センサが知られている（例えば、特許文献１参照）。 Conventionally, so-called thermal infrared sensors such as pyroelectric sensors, thermopiles, and bolometers are known (see, for example, Patent Document 1).
熱型赤外線センサの検出感度を向上させるには、赤外線検出部の熱容量と、赤外線検出部からの熱損失との双方を小さく設計することが肝要である。
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。In order to improve the detection sensitivity of the thermal infrared sensor, it is important to design both the heat capacity of the infrared detection unit and the heat loss from the infrared detection unit to be small.
For this reason, in the conventional general infrared sensor manufactured by the MEMS technology, the infrared detection unit is thinned in order to reduce the heat capacity while ensuring an infrared detection region of a certain area or more in the infrared detection unit. On the other hand, in order to reduce heat loss from the infrared detection unit, the infrared detection unit is supported on the semiconductor substrate by a thin support beam. As described above, in the conventional infrared sensor, in order to improve the detection sensitivity, the infrared detector is thinned and the support beam is thinned, so that the mechanical strength is lowered. For this reason, there is a practical problem.
そこで、例えば、特許文献１には、赤外線センサの機械的強度を高めるために、シリコンから形成された枠状基板部に支持梁（ビーム部）を介して支持された格子状の補強構造（シリコンの表面に酸化膜が形成された突出基材部）を備え、赤外線検出部がこの補強構造（突出基材部）の少なくとも上部側面に設けられた赤外線センサが提案されている（特許文献１の段落００３９〜００４３、図６等参照）。 Therefore, for example, in Patent Document 1, in order to increase the mechanical strength of the infrared sensor, a lattice-like reinforcing structure (silicone) supported by a frame-like substrate part made of silicon via a support beam (beam part). An infrared sensor is proposed in which an infrared sensor is provided with an infrared detecting portion provided on at least the upper side surface of the reinforcing structure (protruding substrate portion). (See paragraphs 0039-0043, FIG. 6 and the like).
しかしながら、特許文献１に記載の赤外線センサは、赤外線検出部が格子状の突出基材部の少なくとも上部側面に設けられているため、有効な赤外線検出領域の面積が小さい。すなわち、赤外線検出部の内、赤外線の入射方向に対向する（特許文献１の図６の上方に向いた）赤外線検出部の領域は、突出基材部の上端面の面積に応じて決まる小さな面積しか有さない。このため、検出すべき赤外線を十分に検出できないおそれがある。 However, the infrared sensor described in Patent Document 1 has a small area of an effective infrared detection region because the infrared detection unit is provided on at least the upper side surface of the lattice-like protruding base member. That is, among the infrared detection units, the region of the infrared detection unit (facing upward in FIG. 6 of Patent Document 1) facing the incident direction of the infrared rays is a small area determined according to the area of the upper end surface of the protruding base member. I have only. For this reason, there exists a possibility that the infrared rays which should be detected cannot fully be detected.
特許文献１に記載の赤外線センサにおいて、有効な赤外線検出領域の面積を大きくするには、枠状基板部を構成する要素基材部相互の離間寸法（すなわち、格子ピッチ）を小さくすることが考えられる。しかしながら、格子ピッチを非常に小さくした密な構造にすると、要素基材部を構成するシリコンの熱膨張率とその表面の酸化膜の熱膨張率との違いに起因した歪により、枠状基板部や支持梁に応力が生じ、その応力が集中する箇所で赤外線センサが破損するおそれがある。 In the infrared sensor described in Patent Document 1, in order to increase the area of the effective infrared detection region, it is considered to reduce the separation dimension (that is, the lattice pitch) between the element base portions constituting the frame-shaped substrate portion. It is done. However, if a dense structure with a very small lattice pitch is used, the frame-shaped substrate portion is caused by distortion caused by the difference between the thermal expansion coefficient of silicon constituting the element base portion and the thermal expansion coefficient of the oxide film on the surface. In addition, stress is generated in the support beam and the infrared sensor may be damaged at a location where the stress is concentrated.
本発明は、斯かる従来技術に鑑みてなされたものであり、焦電体膜を含む赤外線検出部を備えた赤外線センサ及びその製造方法であって、検出感度が高くなお且つ機械的強度の高い赤外線センサ及びその製造方法を提供することを課題とする。 The present invention has been made in view of such prior art, and is an infrared sensor provided with an infrared detector including a pyroelectric film and a method for manufacturing the same, and has high detection sensitivity and high mechanical strength. It is an object to provide an infrared sensor and a manufacturing method thereof.
前記課題を解決するため、本発明は、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を提供する。 In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides an infrared sensor including a semiconductor substrate, a support beam, and an infrared detection unit supported by the support substrate by the support beam, wherein the infrared detection unit is reinforced. And an infrared detector main body including a pyroelectric film formed on the reinforcing structure, and the reinforcing structure is formed by connecting a plurality of cylindrical insulating members having a hollow portion at the center . and the edge of the plan view polygonal, and having a beam member extending into the area defined by the edge from the apex of the tubular insulating member is formed with a plurality of connecting said edge portion, said edge portion In the region partitioned by the region and in the region where the beam member is not provided, there is a non-arranged region where the cylindrical insulating member is not disposed in order to relieve stress concentration, and the infrared detector main body is By the edge of the reinforcing structure The support beam is formed by connecting a plurality of the cylindrical insulating members, and extends from the edge of the reinforcement structure toward the semiconductor substrate. An infrared sensor is provided.
本発明に係る赤外線センサが備える赤外線検出部は、補強構造と、該補強構造上に形成された赤外線検出部本体とを具備する。そして、補強構造は、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を有する。このように、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を有する補強構造であるため、機械的強度に優れることが期待できる。
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。The infrared detection part with which the infrared sensor which concerns on this invention is provided comprises the reinforcement structure and the infrared detection part main body formed on this reinforcement structure. The reinforcing structure has a polygonal edge in plan view formed by connecting a plurality of cylindrical insulating members. Thus, since it is a reinforcement structure which has the edge part of the polygonal shape of planar view formed by connecting a plurality of members, it can be expected to be excellent in mechanical strength.
In addition, since a plurality of cylindrical members, that is, members having a hollow portion in the center are connected to each other, the mechanical strength can be increased without increasing the heat capacity.
Furthermore, since the cylindrical member is an insulating member, the thermal conductivity is low, and it is possible to suppress heat loss from the infrared detection unit main body to the reinforcing structure.
また、本発明に係る赤外線センサが備える赤外線検出部が具備する補強構造は、縁部によって区画される領域内に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。このため、筒状の絶縁部材が隙間無く配置された構成に比べて、歪の逃げ代があるため応力集中が緩和され易く、破損が生じ難くなる。 Moreover, the reinforcement structure which the infrared detection part with which the infrared sensor which concerns on this invention comprises is provided has the non-arrangement | positioning area | region where the cylindrical insulating member is not arrange | positioned in the area | region divided by an edge. For this reason, compared to the configuration in which the cylindrical insulating members are arranged without gaps, there is a strain relief, so that stress concentration is easily relaxed, and damage is less likely to occur.
また、本発明に係る赤外線センサが備える赤外線検出部が具備する赤外線検出部本体は、補強構造の縁部によって区画される領域を覆うように補強構造上に形成されている。このため、補強構造の上端面上にのみ赤外線検出部本体が形成される構成に比べて、有効な赤外線検出領域（赤外線検出部本体に対向する方向から入射する赤外線を検出可能な領域）の面積が大きくなるという利点を有する。 Moreover, the infrared detection part main body which the infrared detection part with which the infrared sensor which concerns on this invention is provided comprises is formed on the reinforcement structure so that the area | region divided by the edge of a reinforcement structure may be covered. For this reason, the area of the effective infrared detection area (area where infrared rays incident from the direction facing the infrared detection section main body can be detected) is more effective than the configuration in which the infrared detection section main body is formed only on the upper end surface of the reinforcing structure. Has the advantage of becoming larger.
さらに、本発明に係る赤外線センサが備える支持梁は、筒状の絶縁部材が複数連接されて形成され、補強構造の縁部から半導体基板に向けて延在している。このように、部材が複数連接されて形成された支持梁であるため、機械的強度に優れることが期待できる。
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。Furthermore, the support beam included in the infrared sensor according to the present invention is formed by connecting a plurality of cylindrical insulating members, and extends from the edge of the reinforcing structure toward the semiconductor substrate. Thus, since it is a support beam formed by connecting a plurality of members, it can be expected to be excellent in mechanical strength.
In addition, since a plurality of cylindrical members, that is, members having a hollow portion in the center are connected to each other, the mechanical strength can be increased without increasing the heat capacity.
Furthermore, since the cylindrical member is an insulating member, the thermal conductivity is low, and it is possible to suppress heat loss from the infrared detection unit to the support beam.
以上のように、本発明に係る赤外線センサによれば、赤外線検出部の熱容量と、赤外線検出部からの熱損失との双方を小さくできるため、検出感度が高く、なお且つ、機械的強度の高い赤外線センサを提供することが可能である。 As described above, according to the infrared sensor of the present invention, since both the heat capacity of the infrared detection unit and the heat loss from the infrared detection unit can be reduced, the detection sensitivity is high and the mechanical strength is high. An infrared sensor can be provided.
また、前記補強構造は、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を更に備え、前記梁部材は、前記筒状の絶縁部材が複数連接されて形成されている。
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。
The reinforcing structure further includes a beam member extending from a vertex of the edge portion into a region defined by the edge portion , and the beam member is formed by connecting a plurality of the cylindrical insulating members. .
Specifically, the beam member connects the vertices of the edge portions.
Alternatively, the reinforcing structure further includes an inner edge portion having a polygonal shape in plan view, which is located in a region defined by the edge portion and formed by connecting a plurality of the cylindrical insulating members, and the beam member is The vertex of the edge and the vertex of the inner edge are connected, and the non-arranged region is a region partitioned by the edge and a region where the beam member and the inner edge are not provided. It is also possible to configure.
このように、補強構造が縁部に加えて梁部材を更に備えるため、補強構造の機械的強度をより一層高めることが可能である。この梁部材は、筒状の絶縁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。 Thus, since the reinforcing structure further includes a beam member in addition to the edge, it is possible to further increase the mechanical strength of the reinforcing structure. Since this beam member is formed by connecting a plurality of cylindrical insulating members, it is possible to further increase the mechanical strength without increasing the heat capacity and suppressing heat loss. .
前記筒状の絶縁部材は、例えば、前記半導体基板の熱酸化物から形成可能である。例えば、前記半導体基板がシリコンの場合に、前記筒状の絶縁部材は酸化シリコンから形成可能である。
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。
The cylindrical insulating member can be formed from, for example, a thermal oxide of the semiconductor substrate. For example, when the semiconductor substrate is silicon, the cylindrical insulating member can be formed from silicon oxide.
The cylindrical insulating member formed from the thermal oxide of the semiconductor substrate can be formed, for example, by heating the semiconductor substrate.
好ましくは、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。 Preferably, the infrared detection unit further includes an infrared absorber formed on the infrared detection unit main body.
斯かる好ましい構成によれば、焦電体膜を含む赤外線検出部本体とは別に形成された赤外線吸収体を具備するため、赤外線検出部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。 According to such a preferable configuration, since the infrared absorber formed separately from the infrared detector main body including the pyroelectric film is provided, it is possible to reliably absorb and detect infrared rays by the infrared detector. .
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が好ましい。 It is preferable that the cylindrical insulating member has a regular hexagonal shape in plan view, and an edge portion of the reinforcing structure has a regular hexagonal shape in plan view.
斯かる好ましい構成によれば、平面視正六角形状の絶縁部材が複数連接されて、平面視正六角形状の補強構造の縁部が形成されているため、他の多角形状の縁部を有する補強構造よりも機械的強度を高めることが可能である。 According to such a preferable configuration, since a plurality of insulating members having a regular hexagonal shape in plan view are connected to form an edge portion of the reinforcing structure having a regular hexagonal shape in plan view, the reinforcement having other polygonal edge portions. It is possible to increase the mechanical strength rather than the structure.
また、前記課題を解決するため、本発明は、以下の（１）〜（４）の各工程を含む赤外線センサの製造方法としても提供される。
（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。
Moreover, in order to solve the said subject, this invention is provided also as a manufacturing method of the infrared sensor containing each process of the following (1)-(4).
(1) Groove formation step: An annular groove exists in a region partitioned by the polygonal shape so that the edge is polygonal in plan view by etching one surface of the semiconductor substrate. A plurality of annular groove portions are formed so as to be connected to each other, and a plurality of annular groove portions are formed so as to extend from the edge portion.
(2) Insulator filling step: Filling the plurality of annular grooves formed in the groove forming step with an insulator.
(3) Infrared detector main body forming step: Infrared detection including a pyroelectric film on the one surface of the semiconductor substrate in which the insulator is filled in the plurality of annular grooves by the insulator filling step Forming the main body.
(4) Reinforcing structure / support beam forming step: removing the other surface of the semiconductor substrate on which the infrared detecting portion main body is formed on the one surface by the infrared detecting portion main body forming step, wherein by exposing the semiconductor substrate, wherein an edge of that having a hollow portion Do Ri from central insulator tubular insulating member is more articulated plan view polygonal shape formed, the tubular insulating member with having a beam member extending in a region defined from the apex of the edge formed by a plurality of articulated by the edge, and the beam member in the area defined is provided by the edge A reinforcing structure having a non-arranged region in which the cylindrical insulating member is not disposed to relieve stress concentration in a region that is not , and a plurality of the cylindrical insulating members connected to each other. The semiconductor from the edge Forming a support beam extending toward the substrate.
本発明に係る赤外線センサの製造方法によれば、前述のように、検出感度が高く、なお且つ、機械的強度の高い赤外線センサを製造することが可能である。特に、本発明に係る赤外線センサの製造方法によれば、補強構造・支持梁形成工程で絶縁物を露出させる（補強構造及び支持梁を形成する）前に、赤外線検出部本体形成工程で半導体基板の一方の面（環状の溝部内に絶縁物が充填された平滑な面）上に焦電体膜を含む赤外線検出部本体を形成することになる。このため、形成される焦電体膜等の面内均一性に優れ、この点でも検出感度の高い赤外線センサを製造することが可能である。 According to the infrared sensor manufacturing method of the present invention, as described above, it is possible to manufacture an infrared sensor having high detection sensitivity and high mechanical strength. In particular, according to the method of manufacturing an infrared sensor of the present invention, the semiconductor substrate is formed in the infrared detection unit main body forming step before exposing the insulator in the reinforcing structure / supporting beam forming step (forming the reinforcing structure and the supporting beam). The infrared detector main body including the pyroelectric film is formed on one surface (a smooth surface in which an insulator is filled in the annular groove). For this reason, it is possible to manufacture an infrared sensor having excellent in-plane uniformity of the formed pyroelectric film or the like and having high detection sensitivity in this respect.
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が好ましい。 In the insulator filling step, it is preferable to fill the insulator in the plurality of annular grooves by heating the semiconductor substrate formed by connecting the plurality of annular grooves in the groove forming step.
斯かる好ましい構成によれば、比較的容易に複数の環状の溝部内に絶縁物（半導体基板の熱酸化物）を充填することができ、ひいては比較的容易に絶縁物からなる筒状の絶縁部材を形成することが可能である。一方、半導体基板を加熱することで溝部内に熱酸化物を充填するため、半導体基板の熱膨張に起因して、補強構造に応力が生じ易い。しかしながら、前述のように、補強構造には未配置領域が設けられるため、応力集中が緩和され易く、破損は生じ難い。 According to such a preferable configuration, it is possible to fill the plurality of annular grooves with an insulator (the thermal oxide of the semiconductor substrate) relatively easily, and as a result, a cylindrical insulating member made of an insulator relatively easily. Can be formed. On the other hand, since the thermal oxide is filled in the groove portion by heating the semiconductor substrate, stress is easily generated in the reinforcing structure due to the thermal expansion of the semiconductor substrate. However, as described above, since the reinforcement structure is provided with the non-arranged region, the stress concentration is easily relieved and the damage is hardly caused.
本発明によれば、検出感度が高く、なお且つ、機械的強度の高い赤外線センサを得ることが可能である。 According to the present invention, an infrared sensor having high detection sensitivity and high mechanical strength can be obtained.
以下、添付図面を適宜参照しつつ、本発明の一実施形態について説明する。
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。Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings as appropriate.
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an infrared sensor according to an embodiment of the present invention. 1A is a top view, FIG. 1B is a bottom view, and FIG. 1C is an end view taken along line XX of FIG. 1A. The insulating layer 4 shown in FIG. 1 (b) should be originally shown in black as in FIG. 1 (c), but from the viewpoint of visibility, it is transparent in FIG. 1 (b). Yes. Moreover, the aspect ratio of FIG.1 (c) is expanding and showing the vertical direction (up-down direction) rather than the actual aspect ratio from a viewpoint of visibility.
As shown in FIG. 1, an infrared sensor 100 according to this embodiment includes a semiconductor substrate (Si substrate in this embodiment) 1, a support beam 2, and an infrared detection unit 3 supported on the semiconductor substrate 1 by the support beam 2. And.
本実施形態の赤外線検出部３は、補強構造３１と、補強構造３１上に形成された焦電体膜３２１を含む赤外線検出部本体３２とを具備している。本実施形態の赤外線検出部３は、好ましい態様として、補強構造３１と、赤外線検出部本体３２とに加え、赤外線検出部本体３２上に形成された赤外線吸収体３３を更に具備している。 The infrared detection unit 3 according to the present embodiment includes a reinforcing structure 31 and an infrared detecting unit main body 32 including a pyroelectric film 321 formed on the reinforcing structure 31. As a preferable aspect, the infrared detection unit 3 of the present embodiment further includes an infrared absorber 33 formed on the infrared detection unit main body 32 in addition to the reinforcing structure 31 and the infrared detection unit main body 32.
本実施形態の補強構造３１は、筒状の絶縁部材Ａが複数連接されて形成された平面視多角形状の縁部３１１を有すると共に、縁部３１１によって区画される領域内に筒状の絶縁部材Ａが配置されていない未配置領域３１２を有する。なお、図１（ｂ）では、理解し易いように縁部３１１を構成する絶縁部材Ａにハッチングを施しているが、実際には、他の絶縁部材Ａと同様に、中心に空洞部を有する筒状の絶縁部材である。
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。The reinforcing structure 31 of the present embodiment has a planar-shaped polygonal edge 311 formed by connecting a plurality of cylindrical insulating members A, and has a cylindrical insulating member in a region partitioned by the edge 311. It has a non-arranged area 312 where A is not arranged. In FIG. 1B, the insulating member A constituting the edge portion 311 is hatched for easy understanding, but actually, as with the other insulating members A, a hollow portion is provided at the center. It is a cylindrical insulating member.
The cylindrical insulating member A of this embodiment is formed from the thermal oxide (silicon oxide in this embodiment) of the semiconductor substrate 1 as a preferable aspect. Moreover, the cylindrical insulating member A of the present embodiment has a regular hexagonal shape in plan view (top view or bottom view), and the edge 311 of the reinforcing structure 31 has a regular hexagonal shape in plan view (top view or bottom view). It is.
However, the present invention is not limited to this, and for example, it is possible to use the insulating member A having a triangular or quadrangular shape in plan view or the reinforcing structure 31 having an edge 311 having a triangular or quadrangular shape in plan view. It is.
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、縁部３１１の頂点同士を繋ぐ梁部材３１３を更に備えている。本実施形態では、平面視正六角形状である縁部３１１の六つの頂点の内、対向する各頂点同士を繋ぐ３本の梁部材３１３を備えている。梁部材３１３は、縁部３１１と同様に、筒状の絶縁部材Ａが複数連接されて形成されている。縁部３１１によって区画される領域の内、梁部材３１３が設けられていない領域が、前述した未配置領域３１２に相当する。 The reinforcement structure 31 of this embodiment is further provided with the beam member 313 which connects the vertex of the edge part 311 in addition to the edge part 311 as a preferable aspect. In the present embodiment, three beam members 313 are provided to connect the opposing vertices among the six vertices of the edge 311 having a regular hexagonal shape in plan view. Similar to the edge 311, the beam member 313 is formed by connecting a plurality of cylindrical insulating members A. A region where the beam member 313 is not provided among regions defined by the edge 311 corresponds to the above-described non-arranged region 312.
本実施形態の支持梁２も、補強構造３１の縁部３１１と同様に、筒状の絶縁部材Ａが複数連接されて形成され、縁部３１１から半導体基板１に向けて延在している。具体的には、本実施形態の支持梁２は、縁部３１１の外方において、縁部３１１の頂点から縁部３１１に沿って延在している。本実施形態では、図１に示すように、３本の支持梁２が設けられており、その内、１本の支持梁２上には後述する下部電極３２２、焦電体膜３２１及び上部電極３２３が形成され、残りの２本の支持梁２上には下部電極３２２及び焦電体膜３２１が形成されている。焦電体膜３２１に発生した電荷を上部電極３２３及び下部電極３２２から出力するための配線の引き回しの都合上、本実施形態のように、少なくとも１本の支持梁２上には、下部電極３２２、焦電体膜３２１及び上部電極３２３が形成されるのが好ましい。しかしながら、他の２本の支持梁２上には、下部電極３２２、焦電体膜３２１及び上部電極３２３の何れも形成しなくても良い。 Similarly to the edge 311 of the reinforcing structure 31, the support beam 2 of the present embodiment is formed by connecting a plurality of cylindrical insulating members A, and extends from the edge 311 toward the semiconductor substrate 1. Specifically, the support beam 2 of the present embodiment extends along the edge 311 from the apex of the edge 311 outside the edge 311. In the present embodiment, as shown in FIG. 1, three support beams 2 are provided, of which a lower electrode 322, a pyroelectric film 321, and an upper electrode described later are provided on one support beam 2. A lower electrode 322 and a pyroelectric film 321 are formed on the remaining two support beams 2. For the convenience of routing the wiring for outputting charges generated in the pyroelectric film 321 from the upper electrode 323 and the lower electrode 322, the lower electrode 322 is provided on at least one support beam 2 as in the present embodiment. The pyroelectric film 321 and the upper electrode 323 are preferably formed. However, none of the lower electrode 322, the pyroelectric film 321, and the upper electrode 323 need be formed on the other two support beams 2.
なお、本実施形態の補強構造３１及び支持梁２上には、縁部３１１、縁部３１１によって区画される領域及び支持梁２を覆うように、絶縁層４が形成されている。本実施形態の絶縁層４も、筒状の絶縁部材Ａと同様に、半導体基板１の熱酸化物（酸化シリコン）から形成されている。 Note that the insulating layer 4 is formed on the reinforcing structure 31 and the support beam 2 of this embodiment so as to cover the edge 311, the region defined by the edge 311 and the support beam 2. The insulating layer 4 of the present embodiment is also formed from the thermal oxide (silicon oxide) of the semiconductor substrate 1, similarly to the cylindrical insulating member A.
本実施形態の赤外線検出部本体３２は、補強構造３１の縁部３１１によって区画される領域を覆うように補強構造３１上に形成されている。具体的には、赤外線検出部本体３２は、絶縁層４上に形成された下部電極３２２と、下部電極３２２上に形成された焦電体膜３２１と、焦電体膜３２１上に形成された上部電極３２３とを備えている。
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。The infrared detection unit main body 32 of the present embodiment is formed on the reinforcing structure 31 so as to cover a region partitioned by the edge 311 of the reinforcing structure 31. Specifically, the infrared detection unit main body 32 is formed on the lower electrode 322 formed on the insulating layer 4, the pyroelectric film 321 formed on the lower electrode 322, and the pyroelectric film 321. And an upper electrode 323.
As the lower electrode 322, for example, a laminated electrode of Pt and Ti having a Pt thickness of about 100 nm and a Ti thickness of about 20 nm can be exemplified.
As the pyroelectric film 321, for example, PZT is used, and the thickness thereof is about 3 μm.
As the upper electrode 323, for example, a stacked electrode of Au and Ti, with a thickness of Au of about 300 nm and a thickness of Ti of about 20 nm can be exemplified.
また、本実施形態の赤外線吸収体３３としては、例えば、Ａｕ又はＡｌを主成分とする金属膜であり、表面を粗化したり、膜自体を多孔とすることで、赤外線の吸収率を向上したものを例示できる。 Moreover, as the infrared absorber 33 of this embodiment, it is a metal film which has Au or Al as a main component, for example, and the infrared absorption rate was improved by roughening the surface or making the film itself porous. The thing can be illustrated.
以上の構成を有する赤外線センサ１００によれば、赤外線吸収体３３で赤外線が吸収されて発熱し、その熱が焦電体膜３２１に伝導することで電荷が発生し、上部電極３２３と、下部電極３２２とから出力されることで、赤外線を検出可能である。 According to the infrared sensor 100 having the above-described configuration, infrared rays are absorbed by the infrared absorber 33 to generate heat, and the heat is conducted to the pyroelectric film 321 to generate electric charges. The upper electrode 323 and the lower electrode By being output from 322, infrared rays can be detected.
本実施形態の赤外線検出部３は、補強構造３１と、補強構造３１上に形成された赤外線検出部本体３２とを具備する。そして、補強構造３１は、筒状の絶縁部材Ａが複数連接されて形成された平面視多角形状の縁部３１１を有する。このように、部材Ａが複数連接されて形成された平面視多角形状の縁部３１１を有する補強構造３１であるため、機械的強度に優れることが期待できる。
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。The infrared detection unit 3 according to the present embodiment includes a reinforcing structure 31 and an infrared detection unit main body 32 formed on the reinforcing structure 31. The reinforcing structure 31 has a polygonal edge 311 in plan view formed by connecting a plurality of cylindrical insulating members A together. Thus, since it is the reinforcement structure 31 which has the edge part 311 of the planar view polygonal shape formed by connecting the member A in multiple numbers, it can be anticipated that it is excellent in mechanical strength.
In addition, since the cylindrical member A, that is, the member A having a hollow portion at the center is formed in a continuous manner, the mechanical strength can be increased without increasing the heat capacity.
Furthermore, since the cylindrical member A is an insulating member, the thermal conductivity is low, and it is possible to suppress heat loss from the infrared detection unit main body 32 to the reinforcing structure 31.
In particular, since the infrared detection unit 3 of the present embodiment includes an infrared absorber 33 formed separately from the infrared detection unit main body 32 including the pyroelectric film 321 as a preferable aspect, Absorption and detection can be performed reliably.
また、本実施形態の補強構造３１は、縁部３１１によって区画される領域内に筒状の絶縁部材Ａが配置されていない未配置領域３１２を有する。このため、筒状の絶縁部材Ａが隙間無く配置された構成に比べて、歪の逃げ代があるため応力集中が緩和され易く、破損が生じ難くなる。
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。Further, the reinforcing structure 31 of the present embodiment has a non-arranged region 312 in which the cylindrical insulating member A is not disposed in a region partitioned by the edge 311. For this reason, compared with the structure in which the cylindrical insulating member A is arranged without a gap, since there is a strain relief, the stress concentration is easily relieved and damage is less likely to occur.
In particular, since the reinforcing structure 31 of the present embodiment further includes a beam member 313 in addition to the edge 311 as a preferable aspect, the mechanical strength of the reinforcing structure 31 can be further increased. Since the beam member 313 is formed by connecting a plurality of cylindrical insulating members A, it is possible to further increase the mechanical strength without increasing the heat capacity and suppressing heat loss. It is.
また、本実施形態の赤外線検出部本体３２は、補強構造３１の縁部３１１によって区画される領域を覆うように補強構造３１上に形成されている。このため、補強構造３１の上端面上にのみ赤外線検出部本体が形成される構成に比べて、有効な赤外線検出領域（赤外線検出部本体３２に対向する方向から入射する赤外線を検出可能な領域）の面積が大きくなるという利点を有する。 In addition, the infrared detection unit main body 32 of the present embodiment is formed on the reinforcing structure 31 so as to cover a region partitioned by the edge 311 of the reinforcing structure 31. For this reason, compared with the structure in which the infrared detection unit main body is formed only on the upper end surface of the reinforcing structure 31, an effective infrared detection region (a region where infrared rays incident from the direction facing the infrared detection unit main body 32 can be detected). This has the advantage of increasing the area.
また、本実施形態の支持梁２は、筒状の絶縁部材Ａが複数連接されて形成され、補強構造３１の縁部３１１から半導体基板１に向けて延在している。このように、部材Ａが複数連接されて形成された支持梁２であるため、機械的強度に優れることが期待できる。
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。Further, the support beam 2 of the present embodiment is formed by connecting a plurality of cylindrical insulating members A, and extends from the edge 311 of the reinforcing structure 31 toward the semiconductor substrate 1. Thus, since it is the support beam 2 formed by connecting a plurality of members A, it can be expected to be excellent in mechanical strength.
In addition, since the cylindrical member A, that is, the member A having a hollow portion at the center is formed in a continuous manner, the mechanical strength can be increased without increasing the heat capacity.
Furthermore, since the cylindrical member A is an insulating member, the thermal conductivity is low, and it is possible to suppress heat loss from the infrared detection unit 3 to the support beam 2.
さらに、本実施形態では、平面視正六角形状の絶縁部材Ａが複数連接されて、平面視正六角形状の補強構造３１の縁部３１１が形成されているため、他の多角形状の縁部を有する補強構造よりも機械的強度を高めることが可能である。 Further, in the present embodiment, a plurality of insulating members A having a regular hexagonal shape in plan view are connected to form an edge portion 311 of the reinforcing structure 31 having a regular hexagonal shape in plan view. It is possible to increase the mechanical strength as compared with the reinforcing structure.
なお、本実施形態に係る赤外線センサ１００は、適宜の材料で封止することが好ましく、この際、真空封止を適用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。Note that the infrared sensor 100 according to this embodiment is preferably sealed with an appropriate material, and in this case, vacuum sealing can also be applied.
By sealing the infrared sensor 100, heat transfer from the outside to the infrared detection unit main body 32 via the reinforcing structure 31 can be suppressed, so that the infrared detection sensitivity can be improved.
以下、図２〜図３４を適宜参照しつつ、本実施形態に係る赤外線センサ１００の製造方法の一例について説明する。
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。Hereinafter, an example of a method for manufacturing the infrared sensor 100 according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.
2 to 34 are diagrams for explaining a method of manufacturing an infrared sensor according to an embodiment of the present invention. (A) of each figure is a top view, (b) is an XX line end view of (a). In addition, the aspect ratio of (b) of each figure has expanded and illustrated the vertical direction (up-down direction) rather than the actual aspect ratio from a viewpoint of visibility.
The manufacturing method of the infrared sensor 100 according to the present embodiment includes a groove portion forming step, an insulator filling step, an infrared detecting portion main body forming step, and a reinforcing structure / support beam forming step. Moreover, in this embodiment, an infrared absorber formation process is included between an infrared detection part main body formation process and a reinforcement structure and support beam formation process as a preferable aspect. Hereinafter, it demonstrates concretely in order of said each process.
＜溝部形成工程＞
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。<Groove formation process>
In this step, first, as shown in FIG. 2, a Si wafer as a semiconductor substrate 1 is prepared. As the Si wafer, for example, a Si bulk wafer having a thickness of about 625 μm and 5 inches can be exemplified. Then, as shown in FIG. 3, the semiconductor substrate 1 is subjected to a thermal oxidation process to form an oxide film 5 made of silicon oxide on the surface. The thickness of the oxide film 5 is about 400 nm, for example. The oxide film 5 shown in FIG. 3A should be originally shown in black as in FIG. 3B, but from the viewpoint of visibility, it is transparent in FIG. 3A. Yes.
次に、図４に示すように、半導体基板１の一方の面１１上（具体的には、半導体基板１の一方の面１１に形成された酸化膜５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、前述した補強構造３１及び支持梁２（図１参照）の形状に対応するパターンである。次いで、図５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、酸化膜５にエッチングを施す。エッチング方法としては、例えば、プラズマエッチングが用いられる。なお、図５（ｃ）は、図５（ａ）の領域Ｂの拡大図である。 Next, as shown in FIG. 4, a resist R is applied on one surface 11 of the semiconductor substrate 1 (specifically, on the oxide film 5 formed on the one surface 11 of the semiconductor substrate 1). A resist R is formed in a predetermined pattern by lithography. The pattern of the resist R is a pattern corresponding to the shapes of the reinforcing structure 31 and the support beam 2 (see FIG. 1) described above. Next, as shown in FIG. 5, the oxide film 5 is etched through the resist R formed in a predetermined pattern. As the etching method, for example, plasma etching is used. In addition, FIG.5 (c) is an enlarged view of the area | region B of Fig.5 (a).
次に、図６に示すように、レジストＲを除去した後、図７に示すように、酸化膜５が除去された箇所の半導体基板１にエッチングを施し、溝部１２を形成する。エッチング深さ（溝部１２の深さ）は、例えば、５０μｍとされる。エッチング方法としては、例えば、誘導結合型プラズマ処理装置を用いたプラズマエッチングが用いられる。次いで、図８に示すように、酸化膜５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。なお、図６（ａ）に示す酸化膜５は、本来、図６（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６（ａ）では透明に図示している。図７（ａ）に示す酸化膜５についても同様である。 Next, as shown in FIG. 6, after removing the resist R, as shown in FIG. 7, etching is performed on the semiconductor substrate 1 where the oxide film 5 has been removed to form the groove 12. The etching depth (depth of the groove 12) is, for example, 50 μm. As an etching method, for example, plasma etching using an inductively coupled plasma processing apparatus is used. Next, as shown in FIG. 8, the oxide film 5 is removed by etching. As an etching method, for example, wet etching is used. The oxide film 5 shown in FIG. 6 (a) should be originally shown in black as in FIG. 6 (b), but from the viewpoint of visibility, it is shown transparent in FIG. 6 (a). Yes. The same applies to the oxide film 5 shown in FIG.
以上に説明した溝部形成工程により、縁部が平面視多角形状（本実施形態では正六角形状）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１２が存在しない部位が生じるように、環状の溝部１２が複数連接した状態で形成される。また、前記縁部から（具体的には、前記多角形状の頂点から）延在するように環状の溝部１２が複数連接した状態で形成される。 Through the groove forming step described above, the annular groove 12 does not exist in the region partitioned by the polygonal shape so that the edge has a polygonal shape in plan view (regular hexagonal shape in the present embodiment). A plurality of annular grooves 12 are formed so as to be connected to each other so as to form a part. In addition, a plurality of annular groove portions 12 are formed in a state of being connected to each other so as to extend from the edge portion (specifically, from the vertex of the polygonal shape).
＜絶縁物充填工程＞
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。<Insulator filling process>
In this step, the insulator 13 is filled into the plurality of annular grooves 12 formed by the groove forming process.
Specifically, in this embodiment, as shown in FIG. 9, an insulator made of silicon oxide, which is a thermal oxide of the semiconductor substrate 1, is heated in the plurality of annular grooves 12 by heating the semiconductor substrate 1. 13 is filled. The oxide film 5 shown in FIG. 9 (a) should be originally shown in black as in FIG. 9 (b), but is transparent in FIG. 9 (a) from the viewpoint of visibility. Yes.
During the filling, an oxide film 5 made of silicon oxide is also formed on the surface of the semiconductor substrate 1 other than the groove 12. In addition, as a method of filling the thermal oxide in the groove 12 by thermally oxidizing the semiconductor substrate 1, for example, a method described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2011-143518 can be applied.
However, the present invention is not limited to the method of filling the insulator 13 in the groove 12 by thermal oxidation as described above. For example, an insulating material such as a silicon oxide film, a silicon nitride film, PSG (Phosphorus Silicon Glass), or BPSG (Boron Phosphorus Silicon Glass) can be filled by a CVD method.
次に、本工程では、図１０に示すように、溝部１２内に充填された絶縁物１３以外の酸化膜５をエッチングで除去すると共に、溝部が１２が形成された半導体基板１の一方の面１１を研磨、研削、エッチング等により平坦な面にする。
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。Next, in this step, as shown in FIG. 10, the oxide film 5 other than the insulator 13 filled in the groove 12 is removed by etching, and one surface of the semiconductor substrate 1 on which the groove 12 is formed is formed. 11 is made flat by polishing, grinding, etching or the like.
In this embodiment, since the semiconductor substrate 1 is heated to fill the trench 12 with the thermal oxide of the semiconductor substrate 1, the thermal oxide grows so as to fill the trench 12 from the inner surface of the trench 12. Go. Accordingly, since a concave portion is likely to be formed in the central portion of the groove portion 12, it is effective to provide a step of flattening the upper surface (surface 11) of the groove portion 12 after the thermal oxide filling as described above. When the method of filling the trench 12 with an insulator by the CVD method is used, the target material is deposited in the trench 12 from above the trench 12, so that the upper surface (surface 11) of the trench 12 after deposition is relatively It is possible to make it flat. However, even when the CVD method is used, it is preferable to provide a step of making the surface 11 flat by polishing or the like, as in the case of thermal oxidation.
Following the above steps, as shown in FIG. 11, the semiconductor substrate 1 is subjected to a thermal oxidation process to form an insulating layer 4 made of silicon oxide on the surface. The thickness of the insulating layer 4 is about 100 nm, for example. The insulating layer 4 shown in FIG. 11 (a) should be originally shown in black as in FIG. 11 (b), but from the viewpoint of visibility, it is transparent in FIG. 11 (a). Yes.
＜赤外線検出部本体形成工程＞
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。<Infrared detector body forming process>
In this step, first, a lower electrode 322 is formed on the semiconductor substrate 1 as shown in FIG. Next, a pyroelectric film 321 is formed on the lower electrode 322. As a method for forming the lower electrode 322 and the pyroelectric film 321, for example, sputtering is used.
次に、図１３に示すように、焦電体膜３２１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。次いで、図１４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、焦電体膜３２１にエッチングを施す。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。 Next, as shown in FIG. 13, a resist R is applied on the pyroelectric film 321, and the resist R is formed into a predetermined pattern by photolithography. Next, as shown in FIG. 14, the pyroelectric film 321 is etched through a resist R formed in a predetermined pattern. As an etching method, for example, wet etching is used.
次に、図１５に示すように、レジストＲを除去した後、図１６に示すように、焦電体膜３２１上又は下部電極３２２上に上部電極３２３を成膜する。成膜方法としては、例えば、スパッタリングが用いられる。 Next, as shown in FIG. 15, after removing the resist R, an upper electrode 323 is formed on the pyroelectric film 321 or the lower electrode 322 as shown in FIG. For example, sputtering is used as the film forming method.
次に、図１７に示すように、上部電極３２３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、前述した赤外線検出部本体３２（図１参照）の形状に対応する正六角形状を含むパターンである。次いで、図１８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、上部電極３２３と焦電体膜３２１の一部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１９に示すように、レジストＲを除去する。 Next, as shown in FIG. 17, a resist R is applied on the upper electrode 323, and the resist R is formed into a predetermined pattern by photolithography. The pattern of the resist R is a pattern including a regular hexagonal shape corresponding to the shape of the infrared detecting unit main body 32 (see FIG. 1) described above. Next, as shown in FIG. 18, the upper electrode 323 and a part of the pyroelectric film 321 are etched through a resist R formed in a predetermined pattern. As an etching method, for example, ion beam etching is used. Next, as shown in FIG. 19, the resist R is removed.
以上に説明した赤外線検出部本体形成工程により、半導体基板１の一方の面１１上に、赤外線検出部本体３２（焦電体膜３２１、下部電極３２２、上部電極３２３）が形成される。 Through the infrared detecting unit main body forming step described above, the infrared detecting unit main body 32 (pyroelectric film 321, lower electrode 322, upper electrode 323) is formed on one surface 11 of the semiconductor substrate 1.
＜赤外線吸収体形成工程＞
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。<Infrared absorber formation process>
In this step, an infrared absorber 33 is formed on the infrared detector main body 32 formed by the infrared detector main body forming step.
Specifically, first, as shown in FIG. 20, an infrared absorber 33 is formed on the entire surface 11 of the semiconductor substrate 1 on which the infrared detector main body 32 is formed. For example, vacuum deposition is used as the film forming method.
次に、図２１に示すように、赤外線吸収体３３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、前述した補強構造３１の縁部３１１（図１参照）の形状に対応する正六角形状である。次いで、図２２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、赤外線吸収体３３にエッチングを施す。エッチング方法としては、例えば、ウェットエッチングが用いられる。次いで、図２３に示すように、レジストＲを除去し、赤外線検出部本体３２上に赤外線吸収体３３が形成される。 Next, as shown in FIG. 21, a resist R is applied on the infrared absorber 33, and the resist R is formed into a predetermined pattern by photolithography. The pattern of the resist R has a regular hexagonal shape corresponding to the shape of the edge 311 (see FIG. 1) of the reinforcing structure 31 described above. Next, as shown in FIG. 22, the infrared absorber 33 is etched through a resist R formed in a predetermined pattern. As an etching method, for example, wet etching is used. Next, as shown in FIG. 23, the resist R is removed, and an infrared absorber 33 is formed on the infrared detector main body 32.
＜補強構造・支持梁形成工程＞
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。<Reinforcement structure / support beam forming process>
In the reinforcing structure / support beam forming step of this embodiment, first, the pyroelectric film 321, the lower electrode 322, and the upper electrode 323 formed on the support beam 2 (see FIG. 1) are patterned.
Specifically, as shown in FIG. 24, a resist R is applied on the infrared absorber 33, the upper electrode 323, the pyroelectric film 321 or the lower electrode 322, and the resist R is applied to a predetermined pattern by photolithography. To form. The pattern of the resist R is a pattern including a shape corresponding to the shape of the support beam 2 described above. Next, as shown in FIG. 25, etching is performed on the pyroelectric film 321, the lower electrode 322, and the insulating layer 4 until the one surface 11 of the semiconductor substrate 1 is exposed through the resist R formed in a predetermined pattern. Apply. As an etching method, for example, ion beam etching is used. Next, as shown in FIG. 26, the resist R is removed, and patterning of the pyroelectric film 321, the lower electrode 322, and the upper electrode 323 formed on the support beam 2 is completed.
次に、本工程では、赤外線検出部本体３２等が形成された半導体基板１の他方の面を除去して、絶縁物１３を半導体基板１から露出させることで、補強構造３１及び支持梁２を形成する。
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。Next, in this step, the other surface of the semiconductor substrate 1 on which the infrared detection unit main body 32 and the like are formed is removed, and the insulator 13 is exposed from the semiconductor substrate 1, whereby the reinforcing structure 31 and the support beam 2 are formed. Form.
Specifically, first, as shown in FIG. 27, a resist R is applied to the entire surface 11 side of the semiconductor substrate 1 on which the infrared detection unit main body 32 and the like are formed, and the infrared detection unit main body 32 and the like are then mounted. Protect. Next, as shown in FIG. 28, the insulating layer 4 other than the insulating layer 4 formed on the one surface 11 side of the semiconductor substrate 1 is removed by etching. As an etching method, for example, wet etching is used.
次に、図２９に示すように、レジストＲを除去した後、図３０に示すように、半導体基板１の他方の面１４にバックグラインディングを施し、半導体基板１の厚みを小さくする。例えば、このバックグライディングにより、半導体基板１の厚みは６２５μｍから１５０μｍにまで低減する。 Next, as shown in FIG. 29, after removing the resist R, as shown in FIG. 30, backgrinding is performed on the other surface 14 of the semiconductor substrate 1 to reduce the thickness of the semiconductor substrate 1. For example, this back gliding reduces the thickness of the semiconductor substrate 1 from 625 μm to 150 μm.
次に、図３１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側全体に再度レジストＲを塗布し、赤外線検出部本体３２等を保護する。次いで、図３２に示すように、半導体基板１の他方の面１４側にレジスト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、前述した補強構造３１及び支持梁２（図１参照）の形状に対応するパターンである。 Next, as shown in FIG. 31, a resist R is applied again on the entire surface 11 of the semiconductor substrate 1 on which the infrared detection unit main body 32 and the like are formed to protect the infrared detection unit main body 32 and the like. Next, as shown in FIG. 32, a resist R is applied to the other surface 14 side of the semiconductor substrate 1, and the resist R is formed into a predetermined pattern by photolithography. The pattern of the resist R is a pattern corresponding to the shapes of the reinforcing structure 31 and the support beam 2 (see FIG. 1) described above.
次に、図３３に示すように、半導体基板１の他方の面１４側に形成されたレジストＲを介して、半導体基板１にエッチングを施し、絶縁物１３を半導体基板１から露出させる。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３４に示すように、レジストＲを除去する。 Next, as shown in FIG. 33, the semiconductor substrate 1 is etched through a resist R formed on the other surface 14 side of the semiconductor substrate 1 to expose the insulator 13 from the semiconductor substrate 1. As an etching method, for example, ion beam etching is used. Next, as shown in FIG. 34, the resist R is removed.
以上に説明した補強構造・支持梁形成工程により、絶縁物１３からなる筒状の絶縁部材Ａが複数連接されて形成された平面視多角形状の縁部３１１を有すると共に、縁部３１１によって区画される領域内に筒状の絶縁部材Ａが配置されていない未配置領域３１２を有する補強構造３１と、筒状の絶縁部材Ａが複数連接されて形成され、補強構造３１の縁部３１１から半導体基板１に向けて延在する支持梁２とが形成される。 In the reinforcing structure / support beam forming process described above, the cylindrical insulating member A made of the insulator 13 has a polygonal edge portion 311 formed in a continuous manner and is partitioned by the edge portion 311. A reinforcing structure 31 having a non-arranged region 312 in which the cylindrical insulating member A is not disposed in the region, and a plurality of cylindrical insulating members A connected to each other, and from the edge 311 of the reinforcing structure 31 to the semiconductor substrate A support beam 2 extending toward 1 is formed.
以上のようにして、本実施形態に係る赤外線センサ１００は製造される。本実施形態に係る製造方法によれば、補強構造・支持梁形成工程で絶縁物１３を露出させる（補強構造３１及び支持梁２を形成する）前に、赤外線検出部本体形成工程で半導体基板１の一方の面１１（環状の溝部１２内に絶縁物１３が充填された平滑な面）上に焦電体膜３２１を含む赤外線検出部本体３２を形成することになる。また、絶縁物１３を露出させる前に、赤外線吸収体形成工程で赤外線吸収体３３を形成することになる。このため、形成される焦電体膜３２１等の面内均一性に優れ、検出感度の高い赤外線センサ１００を製造することが可能である。 As described above, the infrared sensor 100 according to the present embodiment is manufactured. According to the manufacturing method according to the present embodiment, before exposing the insulator 13 in the reinforcing structure / supporting beam forming process (forming the reinforcing structure 31 and the supporting beam 2), the semiconductor substrate 1 is formed in the infrared detection unit main body forming process. The infrared detector main body 32 including the pyroelectric film 321 is formed on the one surface 11 (a smooth surface in which the insulator 13 is filled in the annular groove 12). In addition, before the insulator 13 is exposed, the infrared absorber 33 is formed in the infrared absorber forming step. For this reason, it is possible to manufacture the infrared sensor 100 having excellent in-plane uniformity of the pyroelectric film 321 and the like and high detection sensitivity.
なお、本実施形態に係る赤外線センサ１００は、波長可変フィルタと共に用いることで、赤外分光光度計として使用することも可能である。また、本実施形態に係る赤外線センサ１００を、１次元アレイ状に配列したり、２×２や、４×４など２次元アレイ状に配列することで、赤外線イメージセンサとして使用することも可能である。 In addition, the infrared sensor 100 according to the present embodiment can be used as an infrared spectrophotometer by being used together with a wavelength tunable filter. Further, the infrared sensor 100 according to the present embodiment can be used as an infrared image sensor by arranging in a one-dimensional array or in a two-dimensional array such as 2 × 2 or 4 × 4. is there.
また、本実施形態に係る赤外線センサ１００は、前述のように、平面視多角形状（正六角形状）の縁部３１１と、縁部３１１の頂点同士を繋ぐ梁部材３１３とを備え、縁部３１１によって区画される領域の内、梁部材３１３が設けられていない領域が、未配置領域３１２とされている。
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。Further, as described above, the infrared sensor 100 according to the present embodiment includes the edge portion 311 having a polygonal shape (regular hexagon shape) in plan view and the beam member 313 that connects the apexes of the edge portion 311, and the edge portion 311. Among the areas partitioned by, the area where the beam member 313 is not provided is the non-arranged area 312.
However, the reinforcing structure provided in the infrared sensor of the present invention is not limited to this, and for example, a reinforcing structure 31A as shown in FIG. 35 can be used.
図３５に示す補強構造３１Ａは、筒状の絶縁部材Ａが複数連接されて形成された平面視多角形状の外縁部（本発明の縁部に相当）３１１と、外縁部３１１の頂点に一端側が接続され、筒状の絶縁部材Ａが複数連接されて形成された６本の梁部材３１３と、６本の梁部材３１３の他端側にその頂点が接続され、筒状の絶縁部材Ａが複数連接されて形成された平面視多角形状の内縁部３１４とを備えている。そして、外縁部３１１によって区画される領域の内、梁部材３１３及び内縁部３１４が設けられていない領域が、未配置領域３１２とされている。なお、図３５では、理解し易いように外縁部３１１及び内縁部３１４を構成する絶縁部材Ａにハッチングを施しているが、実際には、他の絶縁部材Ａと同様に、中心に空洞部を有する筒状の絶縁部材である。
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。A reinforcing structure 31A shown in FIG. 35 has a polygonal outer edge portion (corresponding to an edge portion of the present invention) 311 formed by connecting a plurality of cylindrical insulating members A, and one end side at the apex of the outer edge portion 311. Six beam members 313 formed by connecting and connecting a plurality of cylindrical insulating members A, and the apexes thereof are connected to the other ends of the six beam members 313, and a plurality of cylindrical insulating members A are connected. And an inner edge portion 314 having a polygonal shape in plan view formed by being connected. A region where the beam member 313 and the inner edge portion 314 are not provided among the regions partitioned by the outer edge portion 311 is a non-arranged region 312. In FIG. 35, the insulating member A constituting the outer edge portion 311 and the inner edge portion 314 is hatched for easy understanding, but actually, as with the other insulating members A, a hollow portion is formed at the center. It is a cylindrical insulating member.
Unlike the above-described reinforcing structure 31, the reinforcing structure 31A has a configuration including not only the outer edge portion 311 having a polygonal shape in a plan view but also the inner edge portion 314 having a polygonal shape in a plan view, thereby obtaining even more excellent mechanical strength. Can be expected.
Although the shape of the support beam 2A shown in FIG. 35 is different from that of the support beam 2 described above, a plurality of cylindrical insulating members A are formed in a manner connected to each other in the same manner as the support beam 2, and outside the outer edge portion 311, It extends along the outer edge 311 from the apex of the outer edge 311.
１・・・半導体基板
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DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Semiconductor substrate 2, 2A ... Support beam 3 ... Infrared detector 31, 31A ... Reinforcement structure 32 ... Infrared detector main part 33 ... Infrared absorber 100 ... Infrared sensor 311 ... Edge 312 ... Unarranged region 313 ... Beam member 321 ... Pyroelectric film A ... Insulating member
Claims (9)
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。 An infrared sensor comprising a semiconductor substrate, a support beam, and an infrared detection unit supported by the semiconductor substrate by the support beam,
The infrared detection unit includes a reinforcing structure and an infrared detection unit main body including a pyroelectric film formed on the reinforcing structure,
The reinforcing structure includes a polygonal edge in plan view formed by connecting a plurality of cylindrical insulating members having a hollow portion in the center , and the edge formed by connecting a plurality of cylindrical insulating members. together and a beam member which extends into the area defined by the edge from the apex of the region not provided and the beam member in the area defined by the edges, in order to alleviate the stress concentration It has a non-arranged area where the cylindrical insulating member is not arranged,
The infrared detection unit main body is formed on the reinforcing structure so as to cover a region partitioned by an edge of the reinforcing structure,
The infrared beam sensor, wherein the support beam is formed by connecting a plurality of the cylindrical insulating members, and extends from an edge of the reinforcing structure toward the semiconductor substrate.
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、The beam member connects the apex of the edge and the apex of the inner edge,
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。2. The infrared sensor according to claim 1, wherein the non-arranged region is a region in which the beam member and the inner edge are not provided in a region partitioned by the edge.
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。 The cylindrical insulating member has a regular hexagonal shape in plan view,
Edges, infrared sensor according to any one of claims 1 to 6, characterized in that in plan view the shape of a regular hexagon the reinforcing structure.
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。 Etching one surface of the semiconductor substrate so that the edge has a polygonal shape in plan view, and a region in which no annular groove is present in the region defined by the polygonal shape is generated. Forming a plurality of annular groove portions, and forming a plurality of annular groove portions so as to extend from the edge portion; and
An insulator filling step of filling an insulator into the plurality of annular grooves formed by the groove forming step;
Forming an infrared detector body including an infrared detector body including a pyroelectric film on the one surface of the semiconductor substrate in which the insulator is filled in the plurality of annular grooves by the insulator filling step Process,
By removing the other surface of the semiconductor substrate on which the infrared detection unit main body is formed on the one surface by the infrared detection unit main body forming step, and exposing the insulator from the semiconductor substrate, the insulation A polygonal edge in plan view formed by connecting a plurality of cylindrical insulating members having a hollow portion at the center and a vertex of the edge formed by connecting a plurality of the cylindrical insulating members the tube and having a beam member extending in a region defined in a region not provided and the beam member in the area defined by the edges, in order to alleviate the stress concentration by the edge from A reinforcing structure having a non-arranged region where no insulating member is arranged, and a support beam formed by connecting a plurality of the cylindrical insulating members and extending from an edge of the reinforcing structure toward the semiconductor substrate And A reinforcing structure, support beam forming step of forming,
The manufacturing method of the infrared sensor characterized by including.
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