特開 2024-143829 赤外線センサ素子、赤外線センサ及び赤外線センサ素子の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024143829

(43)【公開日】2024-10-11

(54)【発明の名称】赤外線センサ素子、赤外線センサ及び赤外線センサ素子の製造方法

(51)【国際特許分類】

   G01J 1/02 20060101AFI20241003BHJP

   H10N 10/00 20230101ALI20241003BHJP

   H10N 10/01 20230101ALI20241003BHJP

   H10N 10/17 20230101ALI20241003BHJP

【ＦＩ】

G01J1/02 C

H10N10/00 S

H10N10/01

H10N10/17 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023056731

(22)【出願日】2023-03-30

(71)【出願人】

【識別番号】390009667

【氏名又は名称】セイコーＮＰＣ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001519

【氏名又は名称】弁理士法人太陽国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】菱沼 邦之

【テーマコード（参考）】

2G065

【Ｆターム（参考）】

2G065AA04

2G065AB02

2G065BA11

(57)【要約】

【課題】熱電対を構成する半導体材料のグレインサイズの制御を容易にし、熱電特性を向上させることができる赤外線センサ素子、赤外線センサ及び赤外線センサ素子の製造方法を提供する。
【解決手段】赤外線センサ素子１１は、基板８４の表面に形成される第一絶縁膜１０１と、第一絶縁膜１０１の上に形成される熱電対７５と、を備え、熱電対７５は、一対の半導体材料７５１，７５２と、半導体材料７５１，７５２よりも硬度の高い絶縁材料により形成される第二絶縁膜１０２と、を有し、第二絶縁膜１０２は、少なくとも半導体材料７５１，７５２の上面７５Ａを覆うように形成されている。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板の表面に形成される第一絶縁膜と、
前記第一絶縁膜の上に形成される熱電対と、を備え、
前記熱電対は、一対の半導体材料と、該半導体材料よりも硬度の高い絶縁材料により形成される第二絶縁膜と、を有し、
前記第二絶縁膜は、少なくとも前記半導体材料の上面の一部又は全部を覆うように形成されている、
赤外線センサ素子。

【請求項2】

前記第二絶縁膜は、シリコン窒化物により形成されている、
請求項１に記載の赤外線センサ素子。

【請求項3】

前記基板は、
枠体状に形成された枠体と、
前記枠体の内側に形成された熱吸収部と、
前記枠体と前記熱吸収部との間を接続する梁部とを備え、
前記熱電対は、前記梁部の延在方向に沿って形成されている、
請求項１又は請求項２に記載の赤外線センサ素子。

【請求項4】

前記第二絶縁膜は、前記半導体材料の上面及び両側面の一部又は全部を覆うように形成されている、
請求項１又は請求項２に記載の赤外線センサ素子。

【請求項5】

前記第二絶縁膜は、前記半導体材料の上面の一部又全部を覆うように形成され、前記半導体材料、及び前記第二絶縁膜の厚さ方向に沿った側面は同一面に配置されている、
請求項１又は請求項２に記載の赤外線センサ素子。

【請求項6】

前記第一絶縁膜と前記第二絶縁膜とが同一の材料により形成されている、
請求項１又は請求項２に記載の赤外線センサ素子。

【請求項7】

前記第一絶縁膜の上に形成され、前記半導体材料、及び前記第二絶縁膜を覆う第三絶縁膜をさらに有し、
前記第三絶縁膜は、前記半導体材料よりも高度の低い絶縁材料により形成されている、
請求項１又は請求項２に記載の赤外線センサ素子。

【請求項8】

請求項１又は請求項２に記載の赤外線センサ素子と、
前記赤外線センサ素子が支持された前記基板を含み、
前記赤外線センサ素子が封止されたパッケージと、
を備えている赤外線センサ。

【請求項9】

請求項１又は請求項２に記載の赤外線センサ素子の製造方法であって、
少なくとも前記半導体材料の上面の一部又は全部を覆うように前記第二絶縁膜を形成する成膜工程と、
前記第一絶縁膜の上に前記半導体材料、及び前記第二絶縁膜を覆う第三絶縁膜を形成する成膜工程を含む、
赤外線センサ素子の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、赤外線センサ素子、赤外線センサ及び赤外線センサ素子の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、サーモパイル型の赤外線センサ素子の熱電対として、一対の半導体材料を使用したものが知られている（例えば、特許文献１）。

【0003】

熱電対としての半導体材料は、半導体材料を形成するための成膜工程により、グレインが成長し、成膜後のグレインサイズが熱伝導に影響することが知られている（特許文献２を参照）。半導体材料のグレインは、過度な成長により熱伝導率が高まると、熱電特性を低下させる虞がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１４－７７７８３号公報

【特許文献2】特開２０１７－０１７０６８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、特許文献１のように熱電対として、一対の半導体材料を使用した赤外線センサ素子の製造工程では、半導体材料を形成するための成膜工程の後、別の工程で熱処理が行われることがある。このような場合、半導体材料を形成するための成膜工程の後、他の工程の熱処置により半導体材料のグレインの成長が更に促されることになり、グレインサイズの制御が容易ではないという課題がある。

【0006】

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、熱電対を構成する半導体材料のグレインサイズの制御を容易にし、熱電特性を向上させることができる赤外線センサ素子、赤外線センサ及び赤外線センサ素子の製造方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の第１の態様に係る赤外線センサ素子は、基板の表面に形成される第一絶縁膜と、前記第一絶縁膜の上に形成される熱電対と、を備え、前記熱電対は、一対の半導体材料と、該半導体材料よりも硬度の高い絶縁材料により形成される第二絶縁膜と、を有し、前記第二絶縁膜は、少なくとも前記半導体材料の上面の一部又は全部を覆うように形成されている。

【0008】

第１の態様によれば、半導体材料よりも硬度の高い絶縁材料により形成される第二絶縁膜が少なくとも前記半導体材料の上面を覆うように形成されているため、半導体材料を形成する工程以外の工程の熱処理で半導体材料のグレインが成長することが抑制される。その結果、熱電対を構成する半導体材料のグレインサイズの制御を容易にし、熱電特性を向上させることができる。

【0009】

本発明の第２の態様に係る赤外線センサ素子では、第１の態様に記載の構成において、前記第二絶縁膜は、シリコン窒化物により形成されている。

【0010】

第２の態様によれば、第二絶縁膜がシリコン窒化物により形成されているため、第二絶縁膜への酸素の侵入が抑制され、半導体材料の酸化を防止することができる。その結果、半導体材料の抵抗値が低くなり、導電性に優れるため、熱電特性を向上させることができる。

【0011】

本発明の第３の態様に係る赤外線センサ素子では、第１の態様又は第２の態様に記載の構成において、前記基板は、枠体状に形成された枠体と、前記枠体の内側に形成された熱吸収部と、前記枠体と前記熱吸収部との間を接続する梁部とを備え、前記熱電対は、前記梁部の延在方向に沿って形成されている。

【0012】

第３の態様によれば、基板は、枠体状に形成された枠体と当該枠体の内側に形成された熱吸収部との間を梁部によって接続している。そして、熱電対は、基板の梁部の延在方向に沿って形成されている。このように、半導体材料からなる熱電対が梁部によって支持される構造では、製造工程の熱処理によって基板の梁部にひずみが生じやすくなる。しかしながら、上述の第二絶縁膜で半導体材料のグレインサイズの制御を良好にすることにより、基板のひずみを抑制することができ、その結果、素子の形状や寸法等の精度を高めることができる。

【0013】

本発明の第４の態様に係る赤外線センサ素子では、第１の態様又は第２の態様に記載の構成において、前記第二絶縁膜は、前記半導体材料の上面及び両側面の一部又は全部を覆うように形成されている。

【0014】

第４の態様によれば、第二絶縁膜によって、半導体材料の上面、及び両側面が覆われるため、半導体材料を形成する工程以外の工程の熱処理で半導体材料のグレインが成長することが抑制される。その結果、熱電対を構成する半導体材料のグレインサイズの制御を容易にし、熱電特性を向上させることができる。

【0015】

本発明の第５の態様に係る赤外線センサ素子では、第１の態様又は第２の態様に記載の構成において、前記第二絶縁膜は、前記半導体材料の上面の一部又は全部を覆うように形成され、前記半導体材料、及び前記第二絶縁膜の厚さ方向に沿った側面は同一面に配置されている。

【0016】

第５の態様によれば、半導体材料、及び第二絶縁膜の厚さ方向に沿った側面が同一面に配置されているため、半導体材料と第二絶縁膜を同時にエッチングすることができ、製造効率の向上を図ることができる。

【0017】

本発明の第６の態様に係る赤外線センサ素子では、第１の態様又は第２の態様に記載の構成において、前記第一絶縁膜と前記第二絶縁膜とが同一の材料により形成されている。

【0018】

第６の態様によれば、第一絶縁膜と第二絶縁膜とが同一の材料により形成されているため、半導体材料の上面、及び下面が半導体材料よりも硬度の高い絶縁膜で覆われ、半導体材料を形成する工程以外の工程の熱処理で半導体材料のグレインが成長することが抑制される。その結果、熱電対を構成する半導体材料のグレインサイズの制御を容易にし、熱電特性を向上させることができる。

【0019】

本発明の第７の態様に係る赤外線センサ素子では、第１の態様又は第２の態様に記載の構成において、前記第一絶縁膜の上に形成され、前記半導体材料、及び前記第二絶縁膜を覆う第三絶縁膜をさらに有し、前記第三絶縁膜は、前記半導体材料よりも高度の低い絶縁材料により形成されている。

【0020】

第７の態様によれば、半導体材料、及び第二絶縁膜を覆う第三絶縁膜が、半導体材料よりも高度の低い絶縁材料により形成されているため、第三絶縁膜の成膜工程の熱処理で絶縁膜の硬化時に生じる基板のひずみを抑制することができる。その結果、半導体材料に発生する応力が低減され、熱電対の剥がれやひずみを抑制し、品質の向上を図ることができる。

【0021】

本発明の第８の態様に係る赤外線センサは、上記何れかの態様の赤外線センサ素子と前記赤外線センサ素子が支持された前記基板を含み、前記赤外線センサ素子が封止されたパッケージと、を備えている。

【0022】

第８の態様によれば、熱電対を構成する半導体材料のグレインサイズの制御を容易にし、熱電特性を向上させることができる。

【0023】

本発明の第９の態様に係る赤外線センサ素子の製造方法は、上記何れかの態様の赤外線センサ素子の製造方法であって、少なくとも前記半導体材料の上面の一部又は全部を覆うように前記第二絶縁膜を形成する成膜工程と、前記第一絶縁膜の上に前記半導体材料、及び前記第二絶縁膜を覆う第三絶縁膜を形成する成膜工程を含んでいる。

【0024】

第９の態様によれば、第二絶縁膜の成膜工程の後に行われる第三絶縁膜の成膜工程の熱処理で半導体材料のグレインが成長することが抑制される。その結果、熱電対を構成する半導体材料のグレインサイズの制御を容易にし、熱電特性を向上させることができる。

【発明の効果】

【0025】

本発明によれば、熱電対を構成する半導体材料のグレインサイズの制御を容易にし、熱電特性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0026】

【図1】本実施形態に係る赤外線センサの斜視断面図である。

【図2】リッド基板を取り外した状態の赤外線センサを示す斜視図である。

【図3】図２のＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿って切断した状態を示す赤外線センサ素子の断面図である。

【図4】図２のＩＶ－ＩＶ線に沿って切断した状態を示す赤外線センサ素子の断面図である。

【図5】実施形態に係る赤外線センサ素子を備える半導体装置を示す概略的な断面図である。

【図6】実施形態に係る赤外線センサ素子の製造工程の一例を説明するための概略的な断面図である。

【図7】本実施形態の第１の変形例に係る赤外線センサ素子であり、図３に対応する断面図である。

【図8】本実施形態の第２の変形例に係る赤外線センサ素子であり、図３に対応する断面図である。

【図9】本実施形態の第２の変形例に係る赤外線センサ素子であり、図４に対応する断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0027】

以下、本発明に係る実施形態について図１～図５を参照して説明する。以下で説明する実施形態や変形例において、対応する構成については同一の符号を付して説明を省略する場合がある。なお、以下の説明において、例えば「平行」や「直交」、「中心」、「同軸」等の相対的又は絶対的な配置を示す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差や同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。

【0028】

＜赤外線センサ１＞
図１は、赤外線センサ１の斜視断面図である。図２は、リッド基板２２を取り外した状態の赤外線センサ１を示す斜視図である。図１及び図２に示すように、赤外線センサ１は、パッケージ１０と、パッケージ１０内に封止された赤外線センサ素子１１と、を備えている。以下の説明では、赤外線センサ素子１１の厚さ方向をＺ方向（対向方向）とし、Ｚ方向に直交する２方向をそれぞれＸ方向（第１方向）、Ｙ方向（第２方向）として説明する。

【0029】

＜パッケージ１０＞
パッケージ１０は、いわゆる真空パッケージである。具体的に、パッケージ１０は、ベース基板２１と、リッド基板２２と、を備えている。

【0030】

ベース基板２１は、Ｚ方向を厚さ方向とする矩形板状である。ベース基板２１の第１面２１ａ（＋Ｚ側を向く面）には、＋Ｚ側に向けて開口する凹部２４が形成されている。凹部２４は、Ｚ方向から見た平面視において、ベース基板２１の中央部に形成されている。したがって、ベース基板２１の第１面２１ａは、平面視において凹部２４の周囲を取り囲んでいる。なお、ベース基板２１の材料は、例えばシリコン等により形成されている。

【0031】

図１に示すように、リッド基板２２は、Ｚ方向に沿う断面視で－Ｚ側に開口するカップ状に形成されている。具体的に、リッド基板２２は、頂壁部３１と、頂壁部３１の外周縁から－Ｚ側に延びる周壁部３２と、を備えている。
頂壁部３１は、ベース基板２１に対してＺ方向で対向している。頂壁部３１は、平面視での外形がベース基板２１と同等に形成されている。
周壁部３２における－Ｚ側端面は、ベース基板２１の第１面２１ａの外周部分に、全周に亘って接合されている。これにより、ベース基板２１とリッド基板２２とで囲まれた部分は、赤外線センサ素子１１を収容する収容空間Ｓ１を構成する。本実施形態において、収容空間Ｓ１は、真空（又は減圧）封止されていることが好ましい。但し、収容空間Ｓ１は、断熱性に優れた気体（アルゴンやクリプトン等）が封入されていてもよい。

【0032】

リッド基板２２は、赤外線透過率の高い材料であることが好ましい。このような材料としては、シリコンやゲルマニウム、カルコゲン化物ガラス等が好適に用いられる。すなわち、本実施形態の赤外線センサ１は、対象物から放射される赤外線がリッド基板２２を通じて収容空間Ｓ１内に入射する。なお、本実施形態では、ベース基板２１とリッド基板２２との２枚の基板により収容空間Ｓ１を形成する構成について説明したが、この構成に限られない。例えば、３枚以上の基板の重ね合わせによって収容空間Ｓ１を形成してもよい。また、本実施形態では、基板の重ね合わせによって収容空間Ｓ１を形成した場合について説明したが、例えばベース基板２１に対して金属缶を組み付けて収容空間Ｓ１を形成してもよい。また、パッケージ１０は、赤外線センサ素子１１に効率的に赤外線を供給するためにレンズ等を備えていてもよい。

【0033】

＜赤外線センサ素子１１＞
図１及び図２に示すように、赤外線センサ素子１１は、メンブレン構造により形成された、いわゆるサーモパイル型のセンサ素子である。赤外線センサ素子１１は、赤外線を受光するとともに、赤外線による温度変化に応じて熱起電力を発生させる。赤外線センサ素子１１は、収容空間Ｓ１内に収容されている。具体的に、赤外線センサ素子１１は、枠体４９と、熱吸収部５０と、第１梁部（梁部）５１と、第２梁部（梁部）５２と、を備えている。

【0034】

枠体４９は、平面視で矩形枠状に形成された薄膜状の基板である。枠体４９は、ベース基板２１の第１面２１ａ上に凹部２４の周囲を取り囲むように設けられている。なお、本実施形態の一例において、枠体４９は、シリコン等により形成されている。

【0035】

熱吸収部５０は、Ｚ方向を厚さ方向とする矩形（正方形）板状に形成されている。熱吸収部５０は、Ｙ方向に沿って延びるとともに、Ｘ方向で対向する第１辺（接続辺）５０ａ及び第２辺（接続辺）５０ｂと、Ｘ方向に沿って延びるとともに、Ｙ方向で対向する第３辺５０ｃ及び第４辺５０ｄと、を備えている。熱吸収部５０は、凹部２４に対してＺ方向で対向する位置で、枠体４９の内側に配置されている。図示の例において、熱吸収部５０の平面視での外形は、凹部２４のＺ方向から見た外形よりも小さくなっている。なお、熱吸収部５０の平面視外形は、適宜変更が可能である。また、熱吸収部５０の平面視外形は、矩形状以外の多角形状や円形状等であってもよい。さらに、本実施形態では、熱吸収部５０とベース基板２１との対向方向をＺ方向としている。この場合、対向方向とは、Ｘ方向及びＹ方向の何れかの方向から見てベース基板２１と重なり合っている方向である。

【0036】

第１梁部５１及び第２梁部５２は、熱吸収部５０の外周縁のうち、Ｚ方向から見た熱吸収部５０の中心Ｏに対して回転対称（図示の例では、２回対称）となる位置に設けられている具体的に、第１梁部５１は、熱吸収部５０の第１辺５０ａのうち、－Ｙ側端部に設けられている。第２梁部５２は、熱吸収部５０の第２辺５０ｂのうち、＋Ｙ側端部に設けられている。なお、以下の説明では、第１梁部５１を例にして説明し、第２梁部５２のうち第１梁部５１と対応する構成については適宜説明を省略する。

【0037】

第１梁部５１は、Ｚ方向から見てＬ字状に形成されている。第１梁部５１は、突出部（第１延在部）６０と、接続部（第２延在部）６１と、を備えている。

【0038】

突出部６０は、熱吸収部５０第１辺５０ａから－Ｘ側に突出している。すなわち、突出部６０は、基端部（第１端部：熱吸収部５０側の端部）において、熱吸収部５０に接続されている。突出部６０の基端部は、赤外線センサ素子１１の温接点として機能する。突出部６０は、Ｙ方向の寸法（幅）及びＺ方向の寸法（厚さ）が、Ｘ方向の全体に亘って一様に形成されている。

【0039】

接続部６１は、突出部６０の先端部（第３端部：熱吸収部５０とは反対側の端部）から＋Ｙ側に延在している。接続部６１は、熱吸収部５０の第１辺５０ａに対してＸ方向に離間した状態で、第１辺５０ａに沿って延在している。接続部６１は、Ｘ方向の寸法及びＺ方向の寸法が、Ｙ方向の全体に亘って一様に形成されている。接続部６１の先端部（第２端部：突出部６０とは反対側の端部）は、枠体４９に接続されている。接続部６１の先端部は、赤外線センサ素子１１における冷接点として機能する。

【0040】

第２梁部５２は、第１梁部５１と同様に、突出部（第１延在部）７０及び接続部（第２延在部）７１を備えている。
突出部７０は、熱吸収部５０第２辺５０ｂから＋Ｘ側に突出している。
接続部７１は、突出部７０の先端部から－Ｙ側に延在している。接続部７１は、熱吸収部５０の第２辺５０ｂに対してＸ方向に離間した状態で、第２辺５０ｂに沿って延在している。接続部７１の先端部（突出部６０とは反対側の端部）は、枠体４９に接続されている。したがって、熱吸収部５０は、梁部５１，５２を介して枠体４９に支持されている。

【0041】

図２に示すように、各梁部５１，５２には、各梁部５１，５２の延在方向に沿って形成された熱電対７５が各別に設けられている。熱電対７５は、一対の導電材により形成されている。本実施形態では、一対の導電材が、一対の半導体材料により形成されている。各半導体材料は、各梁部５１，５２上において、枠体４９と熱吸収部５０との間を架け渡すように延びている。熱電対７５を構成する一対の半導体材料は、熱吸収部５０側の端部において接続されている。熱電対７５のうち、熱吸収部５０側の端部は、突出部６０（又は突出部７０）の基端部（温接点）と熱吸収部５０との境界部分に跨って配置されている。熱電対７５のうち、枠体４９側の端部は、接続部６１（又は接続部７１）の先端部（冷接点）と枠体４９との境界部分に跨って配置されている。

【0042】

＜熱電対７５＞
次に、図３及び図４を参照して、熱電対７５について詳細に説明する。図３は、図２のＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿って切断した状態を示す赤外線センサ素子１１の断面図である。図４は、図２のＩＶ－ＩＶ線に沿って切断した状態を示す赤外線センサ素子１１の断面図である。

【0043】

図３及び図４に示すように、赤外線センサ素子１１は、枠体４９、熱吸収部５０、第１梁部５１、及び第２梁部５２を構成する基板８４と、基板８４の表面に形成される第一絶縁膜１０１と、第一絶縁膜１０１の上に形成される熱電対７５を有している。第一絶縁膜１０１は、一例として、シリコン窒化物により形成されている。

【0044】

熱電対７５は、一対の半導体材料としての第一半導体材料７５１と第二半導体材料７５２とを有している。第一半導体材料７５１及び第二半導体材料７５２は、ゼーベック係数の極性の異なる異種材料を対にして用いることができる。第一半導体材料７５１は、例えば、Ｐ型ポリシリコンである。第二半導体材料７５２は、例えば、Ｎ型ポリシリコンである。第一半導体材料７５１と第二半導体材料７５２は、第一絶縁膜１０１の上面の同一平面上に形成されている。

【0045】

また、熱電対７５は、各半導体材料７５１，７５２の上面７５Ａ、及び両側面７５Ｂを覆うように形成された第二絶縁膜１０２を有している。より具体的には、各半導体材料７５１，７５２の上面７５Ａ、及び両側面７５Ｂは、第二絶縁膜１０２に接している。この第二絶縁膜１０２は、一例として、シリコン窒化物により形成されている。即ち、本実施形態では、各半導体材料７５１，７５２の上面７５Ａ、両側面７５Ｂ、及び下面７５Ｃが、シリコン窒化物により形成された絶縁膜で覆われている。

【0046】

第一絶縁膜１０１及び第二絶縁膜１０２を形成するシリコン窒化物は、第一半導体材料７５１及び第二半導体材料７５２を形成するＰ型及びＮ型のポリシリコンよりも硬度の高い絶縁材料となっている。このため、第一絶縁膜１０１及び第二絶縁膜１０２の成膜後の熱処理による各半導体材料７５１，７５２のグレインの成長を抑制することができる。

【0047】

なお、ここでいう「硬度が高い」とは、ビッカーズ硬度［ＨＶ］及び曲げ強度［ＭＰａ］の少なくとも一方の値が高いことであり、好ましくは、両方の値が高いことである。
また、一例として、第一半導体材料７５１及び第二半導体材料７５２の厚さは２００［ｎｍ］～５００［ｎｍ］に設定することができ、第二絶縁膜１０２の厚さ（膜厚）は１５［ｎｍ］～２００［ｎｍ］に設定することができる。また、上記数値範囲の中で、第二絶縁膜１０２の厚さは、第一半導体材料７５１及び第二半導体材料７５２の厚さよりも小さく設定することができ、好ましくは、第二絶縁膜１０２の厚さは、第一半導体材料７５１及び第二半導体材料７５２の厚さの１５［％］以下に設定されている。

【0048】

ここで、図４には、熱電対７５のうち、熱吸収部５０側の端部の断面が示されている。熱電対７５のうち、熱吸収部５０側の端部では、第一半導体材料７５１の端部と第二半導体材料７５２の端部とが突出部６０（又は突出部７０）の基端部（温接点）と熱吸収部５０との境界部分に跨って配置され、電気的に接続されている。

【0049】

本実施形態の一例では、第一半導体材料７５１と第二半導体材料７５２は、コンタクトホール１０６を介して導電材料１０８で接続されている。また、導電材料１０８（温接点）を覆うように赤外線吸収膜１１０が形成されている。

【0050】

第一半導体材料７５１及び第二半導体材料７５２は、基板８４上に形成された第一絶縁膜１０１の上に形成されている。また、第一絶縁膜１０１上に第一半導体材料７５１及び第二半導体材料７５２を覆う第二絶縁膜１０２が形成されている。第一絶縁膜１０１上には、さらに、各半導体材料７５１，７５２、及び第二半導体材料７５２を覆って第三絶縁膜１０３が形成される。この第三絶縁膜１０３は、一例として、シリコン酸化物により形成された酸化膜である。第三絶縁膜１０３は、層間絶縁膜とも称してもよい。
第三絶縁膜１０３を形成するシリコン酸化物は、第一半導体材料７５１及び第二半導体材料７５２を形成するＰ型及びＮ型のポリシリコンよりも硬度の低い絶縁材料となっている。

【0051】

本実施形態では、第三絶縁膜１０３の上に導電材料１０８が形成されている。また、第一半導体材料７５１及び第二半導体材料７５２と導電材料１０８の間の第三絶縁膜１０３にコンタクトホール１０６が形成されている。そして、導電材料１０８を覆う第三絶縁膜１０３の上に赤外線吸収膜１１０が形成されることにより、熱吸収部５０を構成している。図３及び図４では、これらの第三絶縁膜１０３を一体化して図示している。また、図１及び図２では、第三絶縁膜１０３と赤外線吸収膜１１０の図示を省略している。

【0052】

なお、コンタクトホール１０６に埋め込まれる導電材料や導電材料１０８は、一例として、アルミニウムである。赤外線吸収膜１１０としては、シリコン酸化物、シリコン窒化物、金黒膜等を使用することができる。

【0053】

次に、図５及び図６（Ａ）～図６（Ｄ）を参照して、上記赤外線センサ素子１の製造工程の一例を説明する。図５は、赤外線センサ１を備える半導体装置Ｓ１の概略的な断面図である。この図に示されるように、半導体装置Ｓ１は、共通のベース基板２１上に赤外線センサ１と周辺回路部２が形成されたモノリシックＩＣを構成している。周辺回路部２は、一例として、トランジスタ部２０１を含む。

【0054】

トランジスタ部２０１は、一例としてＭＯＳＦＥＴで構成されている。トランジスタ部２０１は、ベース基板２１の上層領域の一部に形成されたトランジスタ領域２０２と、当該トランジスタ領域２０２の上に酸化絶縁膜２０３を介して設けられたゲート電極２０４を有している。トランジスタ領域２０２は、所定の導電型の不純物を適切な濃度で注入することにより形成されている。

【0055】

即ち、半導体装置Ｓ１は、周辺回路部２が形成されるベース基板２１と、上記赤外線センサ素子１１が形成される基板８４とを有し、ベース基板２１の上に基板８４を配置して構成されている。

【0056】

図６（Ａ）には、半導体材料の形成工程が示されている。この工程では、基板８４の表面に形成された第一絶縁膜１０１上に第一半導体材料７５１と第二半導体材料７５２が形成される。各半導体材料は、一例として、第一絶縁膜１０１上に半導体層を形成し、当該半導体層にＰ型又はＮ型の不純物のイオンを注入することで、対応する導電型となる。そして、フォトリソグラフィによるパターン成形により、第一及び第二半導体材料７５１，７５２は、基板８４の梁部５１，５２の延在方向に沿って長尺状に形成される。

【0057】

図６（Ｂ）には、第二絶縁膜１０２の成膜工程が示されている。この工程では、第一及び第二半導体材料７５１，７５２を覆うように第二絶縁膜１０２を形成する。この成膜工程により第一及び第二半導体材料７５１，７５２の上面７５Ａ及び両側面７５Ｂには、第二絶縁膜１０２が接した状態となる。

【0058】

次に、ベース基板２１の上に基板８４が配置され、トランジスタ部２０１が形成される（周辺回路部形成工程）。周辺回路部形成工程では、ベース基板２１の上層領域の一部に所定の導電型の不純物のイオンを注入し、トランジスタ領域２０２を形成する。その後、図６（Ｃ）に示されるように、ベース基板８４を酸素雰囲気中で加熱することで、トランジスタ領域２０２の表面を酸化させ、酸化絶縁膜２０３を形成する。この際の加熱温度は、一例として７００［℃］～９００［℃］とされ、ベース基板２１の上に配置された赤外線センサ素子１１も加熱される。ここで、第一及び第二半導体材料７５１，７５２は、第二絶縁膜１０２との接触面（上面７５Ａ及び両側面７５Ｂ）を有し、当該接触面において酸化絶縁膜２０３の成膜時の熱処理によるグレインの成長が抑制される。

【0059】

酸化絶縁膜２０３の成膜後、酸化絶縁膜２０３の上にポリシリコンからなる半導体層が形成される。当該半導体層には、ゲート電極２０４に対応する導電型の不純物イオンが注入される。その後、酸化絶縁膜２０３とともに半導体層をエッチングし、ゲート電極２０４を形成する。これにより、ベース基板２１のトランジスタ領域２０２の上に酸化絶縁膜２０３を介してゲート電極２０４が形成される。

【0060】

その後、図６（Ｄ）に示されるように、ベース基板２１の上面に第三絶縁膜１０３を形成する成膜工程が行われる。その後、第三絶縁膜１０３にコンタクトホール１０６を形成し、導電材料１０８を堆積し、所望の配線パターン形状にパターニングする。第三絶縁膜１０３上に赤外線吸収膜１１０を形成し、熱吸収部５０とする。これにより、赤外線センサ素子１１が形成される。

【0061】

最後に、ベース基板２１の全体をアニール（熱処理）し、トランジスタ部２０１の半導体層の活性化を行うことで、ベース基板２１に赤外線センサ素子１と周辺回路部２が形成される。この際の加熱温度は、一例として４００［℃］～１０００［℃］とされる。ここでも、ベース基板２１の上に配置された赤外線センサ素子１１が加熱されるが、第一及び第二半導体材料７５１，７５２は、第二絶縁膜１０２との接触面においてグレインの成長が抑制される。

【0062】

（作用並びに効果）
本実施形態の赤外線センサ１では、対象物から放射される赤外線がリッド基板２２の頂壁部３１等を透過して熱吸収部５０の赤外線吸収膜１１０に入射する。これにより、熱吸収部５０の温度が上昇する。熱吸収部５０で吸収した熱は、各梁部５１，５２において突出部６０，７０に伝達された後、接続部６１，７１を通じてパッケージ１０に伝達される。この際、突出部６０，７０の基端部（温接点）と接続部６１，７１の先端部（冷接点）との温度差に基づき、熱電対７５に熱起電力が生じる。赤外線センサ素子１１では、各熱電対７５で発生した熱起電力が足し合わされ、電気信号として出力される。

【0063】

ここで、本実施形態では、熱電対７５を構成する第一半導体材料７５１及び第二半導体材料７５２よりも、硬度の高い絶縁材料により形成される第二絶縁膜１０２が各半導体材料７５１，７５２の上面７５Ａ及び両側面７５Ｂを覆うように形成されているため、半導体材料を形成する工程以外の工程の熱処理で半導体材料のグレインが成長することが抑制される。その結果、熱電対を構成する半導体材料のグレインサイズの制御を容易にし、熱電特性を向上させることができる。

【0064】

また、本実施形態では、第二絶縁膜１０２がシリコン窒化物により形成されているため、第二絶縁膜１０２への酸素の侵入が抑制され、各半導体材料７５１，７５２の酸化を防止することができる。その結果、各半導体材料７５１，７５２の抵抗値が低くなり、導電性に優れるため、熱電特性を向上させることができる。

【0065】

また、本実施形態では、赤外線センサ素子１１の基板８４は、枠体状に形成された枠体４９と当該枠体４９の内側に形成された熱吸収部５０との間を梁部５１，５２によって接続している。そして、熱電対７５は、基板８４の梁部５１，５２の延在方向に沿って形成されている。このように、半導体材料からなる熱電対７５が梁部５１，５２によって支持される構造では、製造工程の熱処理によって基板８４の梁部５１，５２にひずみが生じやすくなる。しかしながら、上述の第二絶縁膜１０２で半導体材料のグレインサイズの制御を良好にすることにより、基板８４のひずみを抑制することができ、その結果、素子の形状や寸法等の精度を高めることができる。

【0066】

しかも、本実施形態では、第一絶縁膜１０１と第二絶縁膜１０２とが同一の材料により形成されているため、各半導体材料７５１，７５２の上面７５Ａ、及び下面７５Ｃが各半導体材料７５１，７５２よりも硬度の高い絶縁膜で覆われる。これにより、半導体材料を形成する工程以外の工程の熱処理で半導体材料のグレインが成長することが抑制される。その結果、熱電対７５を構成する半導体材料のグレインサイズの制御を容易にし、熱電特性を向上させることができる。

【0067】

さらに、本実施形態では、各半導体材料７５１，７５２、及び第二絶縁膜１０２を覆う第三絶縁膜１０３が、各半導体材料７５１，７５２よりも高度の低い絶縁材料により形成されている。このため、第三絶縁膜１０３の成膜工程の熱処理で絶縁膜の硬化時に生じる基板８４のひずみを抑制することができる。その結果、各半導体材料７５１，７５２に発生する応力が低減され、熱電対７５の剥がれやひずみを抑制し、品質の向上を図ることができる。

【0068】

本実施形態の赤外線センサ１では、上述した赤外線センサ素子１１を備えているので、熱電対７５を構成する第一半導体材料７５１と第二半導体材料７５２のグレインサイズの制御を容易にし、熱電特性を向上させることができる。

【0069】

即ち、図６（Ｂ）～図６（Ｄ）等に示すように、第二絶縁膜の成膜工程の後に行われる第三絶縁膜の成膜工程の熱処理で各半導体材料７５１，７５２のグレインが成長することが抑制される。その結果、熱電対７５を構成する半導体材料のグレインサイズの制御を容易にし、熱電特性を向上させることができる。

【0070】

＜赤外線センサ素子の第１の変形例＞
なお、本発明の技術範囲は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば、上記実施形態では、第一半導体材料７５１及び第二半導体材料７５２の上面７５Ａ、及び両側面７５Ｂを覆う第二絶縁膜１０２が形成される構成としたが、これに限らない。例えば、図７に示す第１の変形例に係る赤外線センサ素子１１１Ａのように、第二絶縁膜１０２は、第一半導体材料７５１と第二半導体材料７５２の上面７５Ａを覆うように形成してもよい。この赤外線センサ素子１１１Ａでは、各半導体材料７５１，７５２、及び第二絶縁膜１０２の厚さ方向に沿った側面は同一面に配置されている。

【0071】

かかる構成では、第一半導体材料７５１と第二半導体材料７５２を形成する半導体層の上に第二絶縁膜１０２を形成した後、各半導体材料７５１，７５２と第二絶縁膜１０２を同時にエッチングすることができ、製造効率の向上を図ることができる。

【0072】

また、上記構成では、熱処理による影響の大きい半導体材料の上面に硬度の高い第二絶縁膜１０２が接するため、第二絶縁膜１０２の成膜工程の後に行われる他の工程の熱処理で各半導体材料７５１，７５２のグレインが成長することを抑制することができる。

【0073】

＜赤外線センサ素子の第２の変形例＞
上記実施形態では、第一半導体材料７５１と第二半導体材料７５２とが第一絶縁膜１０１上に形成される構成としたが、これに限らない。図８及び図９に示す第２の変形例に係る赤外線センサ素子１１１Ｂのように、第一半導体材料７５１と第二半導体材料７５２が積層状態で配置される構成としてもよい。

【0074】

図８に示すように、第２の変形例に係る赤外線センサ素子１１１Ｂでは、第一絶縁膜１０１の上に第一半導体材料７５１が形成され、その上に第一半導体材料７５１を覆う第二絶縁膜１０２が形成さて、その上に、第二半導体材料７５２が形成され、その上に、第二半導体材料７５２を覆う第二絶縁膜１０２が形成されている。各半導体材料７５１，７５２の上に形成された二つの第二絶縁膜１０２は、各別、第一半導体材料７５１と第二半導体材料７５２の上面を覆っている。また、各半導体材料７５１，７５２及び二つの第二は、厚さ方向に沿った側面が同一面に配置されている。なお、積層状態の第一半導体材料７５１と第二半導体材料７５２の上下関係は特に限定されず、下層側を第二半導体材料７５２で構成してもよい。

【0075】

図９に示すように、各半導体材料７５１，７５２の端部に電気的接続を得るためのコンタクトホールが形成されている。本変形例においても上記実施形態と同様に、各半導体材料７５１，７５２の熱吸収部５０側の端部同士がコンタクトホール１０６と導電材料１０８を介して電気的に接続されている。

【0076】

かかる構成による赤外線センサ素子１１１Ｂの製造方法は、基板８４上に形成した第一絶縁膜１０１の上に第一半導体材料７５１を形成する半導体層を設け、その上に第一半導体材料７５１を覆う第二絶縁膜１０２を形成し、当該第二絶縁膜１０２の上に第二半導体材料７５２を形成する半導体層を設け、その上に第二半導体材料７５２を覆う第二絶縁膜１０２を形成する。その後、二つの半導体層と二つの第二絶縁膜１０２を同時にエッチングし、第一半導体材料７５１、第二半導体材料７５２、及び二つの第二絶縁膜１０２を形成する。そして、第一絶縁膜１０１の上に各半導体材料７５１，７５２及び第二絶縁膜１０２を覆う第三絶縁膜１０３を形成し、コンタクトホール１０６を形成する。その後、導電材料１０８を堆積し、所望の配線パターン形状にパターニングする。最後に、第三絶縁膜１０３上に赤外線吸収膜１１０を形成し、熱吸収部５０とする。これにより、赤外線センサ素子１１１Ｂが形成される。

【0077】

また、上記構成においても、熱処理による影響の大きい半導体材料の上面に硬度の高い第二絶縁膜１０２が接するため、第二絶縁膜１０２の成膜工程の後に行われる他の工程の熱処理で各半導体材料７５１，７５２のグレインが成長することを抑制することができる。

【0078】

また、第一半導体材料７５１と第二半導体材料７５２が積層状態で配置されることにより、所定の単位面積に上記実施形態の二倍の数の熱電対を配置することができるため、赤外線センサの感度を高めることができる。

【0079】

なお、上記実施形態では、梁部５１，５２が突出部６０，７０及び接続部６１，７１を有するＬ字状に形成された構成について説明したが、この構成に限られない。梁部５１，５２の形状は、基端部の断面積が先端部の断面積よりも大きい構成であれば、適宜変更が可能である。この場合、梁部は、直線状や曲線状に延在していてもよい。
上述した実施形態では、熱吸収部５０の２回対称となる位置に梁部５１，５２を設ける構成について説明したが、この構成に限られない。梁部は、熱吸収部５０の任意の位置に、任意の数設けることが可能である。
上述した実施形態では、１つのパッケージ１０に対して１つの赤外線センサ素子１１が封止された構成を例にして説明したが、１つのパッケージ１０に対して複数の赤外線センサ素子１１がアレイ状に配列された構成であってもよい。

【0080】

上記実施形態及び各変形例では、第一絶縁膜１０１がシリコン窒化物で形成される構成としたが、これに限らず、シリコン酸化物で形成される構成としてもよい。
また、上記実施形態及び各変形例では第三絶縁膜１０３がシリコン酸化物で形成される構成としたが、これに限らず、シリコン窒化物で形成される構成としてもよい。

【0081】

上記実施形態及び各変形例では、第一及び第二半導体材料７５１，７５２の上面７５Ａ及び両側面７５Ｂの全部が第二絶縁膜１０２で覆われる構成としたが、これに限らず、一部を覆う構成としてもよい。例えば、第一及び第二半導体材料７５１，７５２の上面７５Ａ及び両側面７５Ｂにおいて、コンタクトホール１０６が設けられる端部（第一半導体材料７５１と第二半導体材料７５２のコンタクト部）は、第二絶縁膜１０２で覆わない構成としてもよい。

【0082】

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上述した実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上述した各変形例を適宜組み合わせても構わない。

【符号の説明】

【0083】

１ 赤外線センサ
１０ パッケージ
１１ 赤外線センサ素子
８４ 基板
７５ 熱電対
１０１ 第一絶縁膜
１０２ 第二絶縁膜
１０３ 第三絶縁膜
７５１ 第一半導体材料（半導体材料）
７５２ 第二半導体材料（半導体材料）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】