JP6006602B2 - 量子型赤外線センサ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、量子型赤外線センサ及びその製造方法に関し、より詳細には、受光部がメサ構造である量子型赤外線センサ及びその製造方法に関する。

温度、圧力、光等の物理量を、電流や電圧などの電気信号に変換するものとしてセンサが知られている。このセンサにより、様々な対象物を数値として測定することが可能となる。例えば、近年、省エネルギー化や環境センサの観点から注目されているセンサとして赤外線センサがある。人体から放射される赤外線を検知することによって、照明やエアコンの省エネルギー化に貢献している。

赤外線センサは、測定対象物から入射する赤外線のエネルギー量を定量し、温度を検出する、非接触式温度計としても期待されている。一般に、波長が５μｍ以上の長波長帯の赤外線は、その熱的効果やガスによる赤外線吸収の効果から、人体を検知する人感センサや非接触温度センサ、ガスセンサ等に使用されている。これらの使用例の内、人体検知や非接触温度センサとして用いられる赤外線センサとしては、焦電センサやサーモパイルの様な熱型の赤外線センサや、半導体受光素子を使用した量子型の赤外線センサがある。熱型の赤外線センサに比べて、量子型の赤外線センサの方が、高感度、高速応答、静態検知が可能といった大きな特徴がある。

量子型の赤外線センサを実現するためには、波長が５μｍ以上の長波長帯の赤外線に感度を持つ赤外線センサが必要となる。
量子型の赤外線センサの代表的な構造としては、基板上に、ＰＮ接合またはＰＩＮ接合のフォトダイオード構造を有する半導体積層部を備えた半導体積層基板を準備し、半導体積層部にメサ構造部と底部を形成し、半導体積層部のメサ構造部の頂部および底部のそれぞれに電極を形成して得られる量子型赤外線センサが知られている（特許文献１参照）。

基板側から入射され、半導体積層部において吸収された赤外線によって発生した電子及び正孔が、半導体積層部の空乏層における内部電界によって電荷分離されることで、光電変換が行われ、量子型の赤外線センサとして働く。

特開２００７−０８１２２５号公報 特開２００８−０６６５８３号公報

しかしながら、赤外線センサを実用化するためには、赤外線センサ素子をモールド樹脂等で封止してパッケージングする必要がある。一般にモールド樹脂は赤外線を吸収するため、上述した特許文献１のようなメサ構造の半導体積層部を備える量子型赤外線センサの場合、この半導体積層部側を封止して、基板側から半導体積層部に赤外線を入射させる構造が採用されている。

基板側から入射された赤外線は、そのすべてが半導体積層部に吸収されるわけではなく、一部は基板外への反射や、半導体積層部以外での吸収によりセンサ感度が低下してしまう。このような課題を解決するために、特許文献２では、導電性の遮蔽部材で半導体積層部側を覆う技術が開示されている。しかし、導電性の遮蔽部材を形成するためのプロセスが別途必要であり、工程が増加し煩雑なプロセスとなってしまう。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、複雑なプロセスの追加なく、基板から入射された赤外線の損失を抑制することが可能な量子型赤外線センサ及びその製造方法を提供することにある。

本発明者は、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、以下の発明により上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成させた。
本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、受光部がメサ構造である量子型赤外線センサ（１）において、赤外線透過性を有する基板（１０）と、該基板（１０）上に形成されたメサ構造部（２０１）と該メサ構造部以外の部位を有する半導体積層部（２０）と、前記メサ構造部（２０１）と該メサ構造部以外の部位（２０２）それぞれの少なくとも一部に形成された電極（３１，３２）とからなる赤外線受光素子と、前記基板（１０）及び前記赤外線受光素子を覆う保護膜（４０）と、該保護膜（４０）を介して、前記基板（１０）及び前記赤外線受光素子をパッケージングするモールド樹脂（５０）とを備え、前記基板（１０）と前記半導体積層部（２０）の界面を基準としたときの前記保護膜（４０）の上面高さが、前記メサ構造部（２０１）上と該メサ構造部以外の部位（２０２）上とで異なり、前記メサ構造部以外の部位（２０２）の上方の少なくとも一部において、前記保護膜（４０）と前記モールド樹脂（５０）との間に空洞（４１）が形成されていることを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記空洞（４１）の厚みが、０．１μｍ以上１．５μｍ以下であることを特徴とする。
また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記保護膜（４０）と前記モールド樹脂（５０）の線膨張係数の差が、５０ｐｐｍ以上５００ｐｐｍ以下であることを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１，２又は３に記載の発明において、前記赤外線受光素子が、複数直列又は並列接続され、一方の赤外線受光素子のメサ構造部（２０１）上の電極（３１）と、他方の赤外線受光素子の前記メサ構造部以外の部位（２０２）上の電極（３２）とが、前記一方の赤外線受光素子のメサ構造部（２０１）の斜面の一部上で電気的に接続され、前記一方の赤外線受光素子のメサ構造部（２０１）の斜面の他の一部が金属で覆われていないことを特徴とする。

また、請求項５に記載の発明は、受光部がメサ構造である量子型赤外線センサ（１）の製造方法において、赤外線透過性を有する半導体基板（１０）と、該半導体基板（１０）上に、ｎ型半導体層（２１）と真性半導体層（２２）とｐ型半導体層（２３）とからなるＰＩＮ接合のフォトダイオード構造を有する半導体積層部（２０）とを形成してなる半導体ウエハ（１００）を準備する準備工程と、該準備工程により準備された半導体ウエハ（１００）の半導体積層部（２０）にメサ構造部（２０１）と該メサ構造部以外の部位（２０２）を形成し、それぞれの少なくとも一部に電極（３１，３２）を形成して赤外線受光素子となすメサ形成工程と、該メサ形成工程により形成された前記赤外線受光素子と前記基板（１０）上に保護膜（４０）を覆う保護膜形成工程と、該保護膜形成工程により形成された前記保護膜（４０）を介して、前記基板（１０）及び前記赤外線受光素子をモールド樹脂（５０）でパッケージングする封止工程とを有し、前記基板（１０）と前記半導体積層部（２０）の界面を基準としたときの前記保護膜（４０）の上面高さが、前記メサ構造部（２０１）上と該メサ構造部以外の部位（２０２）上とで異なり、前記メサ構造部以外の部位（２０２）の上方の少なくとも一部において、前記保護膜（４０）と前記モールド樹脂（５０）との間に空洞（４１）が形成されていることを特徴とする。

また、請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の発明において、前記空洞（４１）の厚みが、０．１μｍ以上１．５μｍ以下であることを特徴とする。
また、請求項７に記載の発明は、請求項５又は６に記載の発明において、前記保護膜（４０）と前記モールド樹脂（５０）の線膨張係数の差が、５０ｐｐｍ以上５００ｐｐｍ以下であることを特徴とする。
また、請求項８に記載の発明は、基板（１０）と、該基板上に形成されたｎ型半導体層（２１）と、前記ｎ型半導体層上に形成されたメサ構造部（２０１）と、を有する赤外線受光素子と、前記赤外線受光素子を覆う保護膜（４０）と、該保護膜を介して、前記赤外線受光素子をパッケージングする樹脂封止部（５０）と、を備え、前記ｎ型半導体層（２１）の前記メサ構造部以外の部位の上方の少なくとも一部において、前記保護膜と前記樹脂封止部との間に空洞（４１）が形成されていることを特徴とする量子型赤外線センサである。
また、請求項９に記載の発明は、請求項８に記載の発明において、前記基板と前記ｎ型半導体層との界面を基準としたときの前記保護膜の上面高さが、前記メサ構造部上と前記ｎ型半導体層の前記メサ構造部以外の部位上とで異なることを特徴とする。
また、請求項１０に記載の発明は、請求項８又は９に記載の発明において、前記空洞の厚みが、０．１μｍ以上１．５μｍ以下であることを特徴とする。
また、請求項１１に記載の発明は、請求項８，９又は１０に記載の発明において、前記メサ構造部の頂部と、前記ｎ型半導体層の前記メサ構造部以外の部位に形成された電極をさらに備えることを特徴とする。
また、請求項１２に記載の発明は、請求項８〜１１のいずれか一項に記載の発明において、前記保護膜は、前記ｎ型半導体層の前記メサ構造部以外の部位上の保護膜の厚みに対する、前記メサ構造部の最上部からの厚みの比が、０．１〜０．９であることを特徴とする。
また、請求項１３に記載の発明は、請求項８〜１２のいずれか一項に記載の発明において、前記保護膜の前記メサ構造部の最上部からの厚みが、１ｕｍ以上３ｕｍ以下であることを特徴とする。
また、請求項１４に記載の発明は、請求項８〜１３のいずれか一項に記載の発明において、前記樹脂封止部は、モールド樹脂であることを特徴とする。
また、請求項１５に記載の発明は、請求項８〜１４のいずれか一項に記載の発明において、前記メサ構造部は、前記ｎ型半導体層の一部と真性半導体層とｐ型半導体層とを有することを特徴とする。
また、請求項１６に記載の発明は、請求項８〜１５のいずれか一項に記載の発明において、前記空洞は、前記メサ構造部の斜面の上方にも形成されることを特徴とする。
また、請求項１７に記載の発明は、請求項８〜１６のいずれか一項に記載の発明において、前記基板は、赤外線透過性を有する基板であることを特徴とする。

本発明の量子型赤外線センサによれば、基板と半導体積層部の界面を基準としたときの保護膜の上面高さが、メサ構造部上と底部上とで異なり、底部の上方の少なくとも一部において、保護膜とモールド樹脂との間に空洞が形成されているので、基板から入射された赤外線の損失を効果的に抑制することが可能である。

本発明に係る量子型赤外線センサの実施形態を説明するための断面構成図である。 本発明の赤外線センサを用いない場合の赤外線センサに入射した光の経路を示す図である。 本発明の赤外線センサを用いた場合の赤外線センサに入射した光の経路を示す図である。 （ａ）乃至（ｄ）は、本発明に係る量子型赤外線センサの製造方法を説明するための断面工程図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明に係る量子型赤外線センサの実施形態を説明するための断面構成図である。図中符号１は量子型赤外線センサ、１０は半導体基板、２０は半導体積層部、２１はｎ型半導体層、２２は真性半導体層、２３はｐ型半導体層、２４はレジスト、３１，３２は電極、３３は絶縁性被覆層、２０１はメサ構造部、２０２は底部（メサ構造部以外の部位）、４０は保護膜、４１は空洞、５０はモールド樹脂を示している。

本実施形態の量子型赤外線センサ１は、受光部がメサ構造である量子型赤外線センサで、半導体基板１０と赤外線受光素子と保護膜４０とモールド樹脂５０とを備えている。
半導体基板１０は、赤外線透過性を有するものである。また、赤外線受光素子は、半導体基板１０上に形成されたメサ構造部２０１と底部２０２を有する半導体積層部２０と、メサ構造部２０１と底部２０２それぞれの少なくとも一部に形成された電極３１，３２とから構成されている。

また、保護膜４０は、半導体基板１０及び赤外線受光素子を覆うものである。また、モールド樹脂５０は、保護膜４０を介して、半導体基板１０及び赤外線受光素子をパッケージングするものである。
半導体基板１０と半導体積層部２０の界面を基準としたときの保護膜４０の上面高さが、メサ構造部２０１上と底部２０２上とで異なり、底部２０２の上方の少なくとも一部において、保護膜４０とモールド樹脂５０との間に空洞４１が形成されている。

また、空洞４１の厚みは、０．１μｍ以上１．５μｍ以下であるが好ましい。また、保護膜４０とモールド樹脂５０の線膨張係数の差は、５０ｐｐｍ以上５００ｐｐｍ以下であることが好ましい。
また、図示していないが、赤外線受光素子は、複数直列又は並列接続され、一方の赤外線受光素子のメサ構造部２０１上の電極３１と、他方の赤外線受光素子の底部２０２上の電極３２とが、一方の赤外線受光素子のメサ構造部２０１の斜面の一部上で電気的に接続され、一方の赤外線受光素子のメサ構造部２０１の斜面の他の一部が金属で覆われていないように構成することも可能である。

以下、本実施形態の各構成要素について順次説明する。
＜赤外線センサ＞
上述したように、図１に本発明の量子型赤外線センサを示している。この赤外線センサ１は、基板１０と、ｎ型半導体層２１と真性半導体層２２とｐ型半導体層２３からなる半導体積層部２０と電極３１，３２と絶縁性被覆層３３とからなる赤外線受光素子１００と、保護膜４０と、モールド樹脂５０とから構成されている。

＜基板＞
本発明において、基板１０としては、ＰＮ接合又はＰＩＮ接合のフォトダイオード構造の半導体積層部を製膜することが可能で、赤外線透過性を有するものであれば特に制限されない。基板の一例としては、ＳｉやＧａＡｓやＩｎＰからなる基板を上げることが出来る。半導体積層部２０にＩｎＳｂを含む層を用いる場合、格子欠陥の少ない半導体積層部を製膜する観点から、ＧａＡｓ基板を用いることが好ましい。本実施形態において「赤外線透過性を有する」とは、赤外線透過率が１０％以上の物質を示し、好ましくは５０％以上であり、より好ましくは６５％以上である。

＜半導体積層部＞
本実施形態の赤外線センサ１における半導体積層部２０は、ｎ型半導体層２１と真性半導体層２２とｐ型半導体層２３からなるＰＩＮ接合のフォトダイオード構造を有している。本発明における半導体積層部２０としては、ＰＮ接合又はＰＩＮ接合のフォトダイオード構造を有する半導体積層部であれば特に制限されない。本実施形態では、ｎ型半導体層２１と真性半導体層２２とｐ型半導体層２３からなるＰＩＮ接合としているが、ｎ型半導体層２１とｐ型半導体層２３からなるＰＮ接合であってもよい。半導体積層部２０は、赤外線に対して感度を有する公知の物質を適用することが可能であり、例えば、ＩｎＳｂを含む半導体層を適用することが出来る。

本実施形態の赤外線センサ１における半導体積層部２０は、メサ構造部２０１と底部２０２とに分けられる。メサ構造部２０１は台地状に隆起した部分を示し、底部２０２はそれ以外の部分を示す。本実施形態においては、ｎ型半導体層２１の一部と真性半導体層２２とｐ型半導体層２３がメサ構造部２０１を形成している。また、ｎ型半導体層２１の他の一部が底部２０２を形成している。
なお、メサ構造部２０１と底部２０２は、フォトリソグラフィーとエッチングにより形成できる。エッチング方法は、ウェットエッチングやドライエッチングを用いればよい。

＜電極＞
本実施形態の赤外線センサ１は、半導体積層部２０のメサ構造部２０１の頂部と、底部２０２の一部に電極３１，３２を備えている。電極の材料としては、半導体積層部２０と電気的なコンタクトが取れる材料であれば特に制限されない。また、複数の赤外線センサの素子を直列接続する場合は、一方の赤外線センサの素子の底部の電極と、他方の赤外線センサ素子のメサ構造部２０１の頂部の電極とを接続するように電極を形成すればよい。基板側から入射された赤外線の一部は、電極によって反射され得る。そのため、半導体積層部２０を大面積の電極で覆えば受光効率は増加するが、工程が増加しプロセスが煩雑になってしまう。

＜絶縁性被覆層＞
本実施形態の赤外線センサ１は、半導体積層部２０において電極に覆われていない領域及び基板１０の一部を覆う絶縁性被覆層３３を備えている。本発明の赤外線センサ１は、この絶縁性被覆層３３を備えることを必須とはしていない。絶縁性被覆層３３を備えることにより半導体積層部２０への物理的／化学的ダメージが低減されることが期待される。絶縁性被覆層３３の材料としては、絶縁性を有し、物理的／化学的ダメージを低減し得るものであればよく、例えば、ＳｉＯ２やＳｉＮ及びそれらの積層体を適用することが出来る。なお、一般的にこの絶縁性被覆層では入射した赤外線の反射は生じず大部分が透過する。

＜保護膜＞
本実施形態の赤外線センサ１は、基板１０及び赤外線受光素子を覆う保護膜４０を備えている。この保護膜４０は、基板１０と半導体積層部２０の界面を基準として時に、メサ構造部２０１上の保護膜４０の上面高さが、底部２０２上の保護膜４０の上面高さよりも高くなっている。そして、保護膜４０上に形成されたモールド樹脂５０との間に空洞４１が形成されている。

保護膜４０としては、例えば、感光性シリコーンやエポキシ系レジストなどが挙げられる。空洞４１の形成しやすさの観点から、表面の撥水性が高いものが好ましい。また、空洞４１の形成しやすさの観点から、平滑性が高く凹凸への追従性の良い材料が好適である。
保護膜４０の厚さは、特に制限されないが、素子の保護と保護膜のプロセスマージンの観点から、保護膜４０は、メサ構造部２０１の最上部からの厚みが１μｍ以上３μｍ以下が好ましく、底部２０２上の保護膜の厚みに対するメサ構造部２０１の最上部からの保護膜の厚みの比が、０．１〜０．９であることがより好ましい。１μｍ以上であれば、空洞を発生し得る応力が発生することに加え、メサ構造部２０１の形状がプロセスばらつきにより歪な形状になっていても、十分に素子全体を覆うことができ保護膜として機能する。３μｍ以下であれば、保護膜のフォトリソ工程において、膜の下部まで安定した露光が可能であることに加え、ベークの際に熱が膜全体に伝わりやすいといったプロセス上のメリットがある。

光電流の出力を決める要因の一つに感光部に入射してくる光量がある。電極３１，３２が存在しない領域は基板から入射してきた赤外光が保護膜４０の方向に出て行く。
図２は、本発明の赤外線センサを用いない場合の赤外線センサに入射した光の経路を示す図で、図３は、本発明の赤外線センサを用いた場合の赤外線センサに入射した光の経路を示す図である。
図２に示すような空洞４１を有さない従来の赤外線センサにおいては、半導体積層部２０で吸収されずに保護膜４０側に透過した赤外線はモールド樹脂５０で吸収されたり、外部に透過したりするため、基板側から入射した赤外線の一部は半導体積層部２０に吸収されず、光吸収量が減少し出力が低下する。

一方、図３に示すように、保護膜４０上に形成されたモールド樹脂５０との間に空洞４１が形成されている本実施形態の赤外線センサは、半導体積層部２０で吸収されずに保護膜４０側に抜けた赤外線の一部が、空洞４１で反射し、再度、半導体積層部２０に入射される。本発明は、この点に着目してなされたものであり、空洞４１の存在により、赤外線の吸収効率が高まる。
なお、空洞４１は、底部２０２の上方の少なくとも一部において形成されていればよく、空洞４１の一部がメサ構造部２０１の斜面上に形成されていてもよいし、素子分離のためにエッチングされた基板上に形成されていてもよい。

＜モールド樹脂＞
本実施形態の赤外線センサ１は、保護膜４０を介して、基板１０及び赤外線受光素子を封止するモールド樹脂５０を備えている。本実施形態の赤外線センサ１においては、上面のみがモールド樹脂５０によって封止されているが、基板１０を介して半導体積層部２０に赤外線が入射できるように形成されていれば特に制限されず、例えば、上面のみではなく、赤外線センサの側面部の一部又は全部がモールド樹脂５０によって封止されていてもよい。

モールド樹脂５０としては、公知の材料を用いることが出来、エポキシ樹脂が挙げられるがこれに制限されない。空洞４１を発生させる観点から、モールド樹脂５０の線膨張係数と保護膜４０の線膨張係数の差が、５０ｐｐｍ以上であることが好ましく、１００ｐｐｍ以上であることがより好ましく、１５０ｐｐｍ以上であることが更に好ましい。また、プロセスマージンの観点から、５００ｐｐｍ以下であることが好ましく、４００ｐｐｍ以下であることがより好ましく、３００ｐｐｍ以下であることがさらに好ましい。

以下に、本実施形態に記載したような量子型赤外線センサの製造方法の一例について説明する。
＜量子型赤外線センサの製造方法＞
図４（ａ）乃至（ｄ）は、本発明に係る量子型赤外線センサの製造方法を説明するための断面工程図で、図４（ａ）は準備工程、図４（ｂ）はメサ形成工程、図４（ｃ）は保護膜形成工程、図４（ｄ）は封止工程を示している。

図４（ａ）に示す準備工程では、半導体基板１０と、ＰＮ接合又はＰＩＮ接合のフォトダイオード構造を有する半導体積層部２０とを備える半導体ウエハ１００を準備している。また、図４（ａ）では、ｎ型半導体層２１と真性半導体層２２とｐ型半導体層２３とからなるＰＩＮ接合のフォトダイオード構造の半導体積層部２０を形成している。
図４（ｂ）に示すメサ形成工程では、半導体積層部２０を部分的にエッチングして、メサ構造部２０１と底部２０２を形成する。図４（ｂ）では、半導体積層部２０上にレジスト２４を部分的に形成し、レジスト２４が部分的に形成された半導体ウエハ１００の半導体積層部２０をウェットエッチングし、半導体積層部２０にメサ構造部２０１を形成している。その後、イオンミリングによる素子分離、コンタクトホールの形成、電極パターンの形成工程を経た後、図４（ｃ）では、保護膜４０を赤外線センサ素子上に塗布する工程を示している。
図４（ｄ）に示す封止工程では、保護膜４０を介して赤外線センサ素子をモールド樹脂５０で封止する。

＜準備工程＞
図４（ａ）に示す準備工程は、半導体基板１０と、ＰＮ接合又はＰＩＮ接合のフォトダイオード構造を有する半導体積層部２０とを備える半導体ウエハ１００を準備する工程である。半導体ウエハ１００を準備する方法は、特に制限されないが、例えば、半導体基板１０の上にＰＮ接合又はＰＩＮ接合となる半導体積層部２０をＭＯＣＶＤやＭＢＥなどの製膜技術によって形成する方法が挙げられる。
半導体積層部２０としては、入射された赤外線によって光起電力を生じる公知のＰＮ接合または、光電変換の効率化を図るためにｐ型ドープされたｐ型半導体層２３とｎ型ドープされたｎ型半導体層２１の間に真性半導体層２２を設けたＰＩＮ接合を備える積層体が使用できる。また、真性半導体層２２とｐ型半導体層２３又はｎ型半導体層２１の間に、それらの半導体層よりもバンドギャップの広いバリア層を設けてもよい。赤外線によって光起電力を生じる積層体としては、例えば、ＩｎＳｂを含む化合物半導体積層体が好適に用いられる。ＩｎＳｂを含む化合物半導体積層体を用いる場合、ＰＮ接合の形成に用いるドーパントとしては、Ｐ型のドーパントとしてＺｎ、Ｎ型のドーパントとしてＳｎが好適に用いられる。ＩｎＳｂを含む化合物半導体積層体を半導体基板上に成膜する場合、半導体基板の材料としては、ＧａＡｓからなる半導体基板１０を好適に用いることができる。

＜メサ形成工程＞
図４（ｂ）に示すメサ形成工程は、半導体積層部２０の表面の所望の位置にレジスト２４を形成し、このレジスト２４が形成された半導体ウエハ１００の半導体積層部２０をウェットエッチングし、半導体積層部２０にメサ構造部２０１を形成する工程である。所望の位置にレジスト２４を形成する方法としては、半導体ウエハ１００にレジスト材料をコーティングした後に、フォトリソグラフィー法や電子線描画法により所望の位置以外のレジスト２４を除去し、所望の位置のみにレジスト２４を形成する方法を用いることができる。

＜保護膜形成工程、封止工程＞
図４（ｃ）に示す保護膜形成工程は、赤外線センサ素子を外部の衝撃から保護するための保護膜４０を形成する工程である。この保護膜４０の形成工程は、用いる保護膜の材料に応じて適宜実行すればよい。例えば、保護膜として感光性の保護膜を用いる場合は、保護膜を回転型塗布装置により赤外線センサ素子上に塗布し、ベーキングを行った後、水銀ランプのｇ線もしくはｉ線で露光を行い、現像でパターニングを施した後、熱処理により硬化させる。保護膜を適切な膜厚にすることで、応力の効果により、所望の空洞を発生させることが出来る。そのため、メサのない部分及び電極で覆われていない部分で優先的に空洞が発生するように適切な膜厚を選択する必要がある。

上述した前工程プロセスにより作製したウエハをダイシングでチップに個片化し、Ａｕワイヤーをボンディングし、モールド樹脂５０で封止する。このモールド樹脂５０の硬化は、保護膜材料と樹脂いずれのガラス転移点より高い温度で行えばよく、また、冷却は応力による空洞発生を推進する為、加熱終了後に即室温に戻すことが好ましい。さらに保護膜４０とモールド樹脂５０の選択において、線膨張係数の差が大きな組み合わせとすることで応力が強くなり、所望の空洞４１が形成できる。
以下に、本発明に係る量子型赤外線センサの各実施例について説明する。

次の手順でＰＩＮダイオード構造の赤外線センサを作製した。まず、ＭＢＥ法により、半絶縁性のＧａＡｓ単結晶半導体基板の上にＳｎを１．０×１０^１９原子／ｃｍ^３ドーピングしたＩｎＳｂ層（ｎ型半導体層）を１．０μｍ成長し、この上にＺｎを１×１０^１６原子／ｃｍ^３ドーピングしたＩｎＳｂ層（真性半導体層）を２．０μｍ成長し、この上にＺｎを５×１０^１８原子／ｃｍ^３ドーピングしたＡｌ_０．２Ｉｎ_０．８Ｓｂ層（バリア層）を０．０２μｍ成長し、この上にＺｎを５×１０^１８原子／ｃｍ^３ドーピングしたＩｎＳｂ層（ｐ型半導体層）を０．５μｍ成長した。これにより、ＧａＡｓ単結晶半導体基板１０と、ＰＩＮ接合のフォトダイオード構造を有する半導体積層部２０とを備える半導体ウエハ１００を準備した。

このようにして準備した半導体ウエハ１００の表面にｉ線用ポジ型フォトレジストを塗布し、縮小投影型露光機によりｉ線を使用し露光を行った。次に現像を行い、半導体積層部２０の表面にレジストパターンを規則的に複数形成した。次に、塩酸過水水溶液を用いてウェットエッチングを行って半導体積層部２０にメサ構造部２０１と底部２０２とを形成した。

メサ形状を有する素子上に、ハードマスクとしてＳｉＯ２を成膜後、イオンミリングで素子分離を行い、その後、保護膜４０としてＳｉＮを成膜し、フォトリソグラフィーとドライエッチングによりコンタクトホールを形成した。その後、フォトリソグラフィーとスパッタリングにより、メサ構造部２０１の頂部と底部２０２のそれぞれに電極３１，３２を形成し、メサ構造部２０１の面積が４２０μｍ^２の赤外線センサ素子を得た。

上述したプロセスで作製した素子に保護膜４０として信越アステック社製の感光性シリコーンをスピンコーターにより回転数３５００ｒｐｍで塗布した。その後、１２０℃のベーキングをホットプレートにより実施し、縮小投影型露光機によりｉ線を使用し露光を行った。次に、光架橋反応を促進させるため、１２０℃のポストベークをホットプレートで行ってからＩＰＡを使用して現像を行い、最後に熱硬化を実施して保護膜４０を形成した。

上述した前工程プロセスにより作製したウエハをダイシングでチップに個片化し、Ａｕワイヤーをボンディングし、京セラケミカル社製のエポキシ系モールド樹脂５０で封止した。このモールド樹脂５０の硬化は樹脂のガラス転移点より高温の１７５℃で実施し、加熱終了後に即室温に戻した。
このようにして作製した赤外線センサにおいて、感光性シリコーンの膜厚を測定したところメサ構造部２０１上の厚みが２μｍであった。さらに赤外線センサの断面観察をＳＥＭにより実施したところ、保護膜４０は半導体積層部２０のメサ構造部２０１と底部２０２の凹凸に応じた形状となっていた。さらに、メサ構造のない部分及び電極で覆われていない部分で、保護膜４０とモールド樹脂５０の間に厚み０．７μｍの空洞４１が観察された。さらに、赤外線センサの光出力測定を、５００Ｋの黒体炉を光源として実施したところ、後述する比較例１，比較例２に対して５％高い光出力電流を得た。

スピンコーターの回転数を１５００ｒｐｍとした以外は、上述した実施例１と同様の方法で赤外線センサを作製した。実施例１と同様の評価を行ったところ、感光性シリコーンのメサ構造部２０１上の厚みが３μｍであり、メサ構造のない部分及び電極で覆われていない部分で、保護膜４０とモールド樹脂５０の間に厚み１．１μｍの空洞４１が観察された。さらに、赤外線センサの光出力測定を、５００Ｋの黒体炉を光源として実施したところ、後述する比較例１，比較例２に対して５％高い光出力電流を得た。

スピンコーターの回転数を６０００ｒｐｍとした以外は、上述した実施例１と同様の方法で赤外線センサ１を作製した。実施例１と同様の評価を行ったところ、感光性シリコーンのメサ構造部２０１上の厚みが１μｍであり、メサ構造のない部分及び電極で覆われていない部分で、保護膜４０とモールド樹脂５０の間に厚み０．３μｍの空洞４１が観察された。赤外線センサの光出力測定を、５００Ｋの黒体炉を光源として実施したところ、後述する比較例１，比較例２に対して５％高い光出力電流を得た。

［比較例１］
保護膜４０の材料を、モールド樹脂５０との線膨張係数の差が、およそ１０ｐｐｍであるポリイミド系の保護膜材料にした以外は、上述した実施例１と同様の方法で赤外線センサ１を作製した。実施例１と同様の評価を行ったところ、感光性シリコーンのメサ構造部２０１上の厚みが２μｍであり、保護膜４０とモールド樹脂５０の間に空洞４１は観察されなかった。さらに、光出力電流が、実施例１，実施例２，実施例３より５％低いという結果であった。

［比較例２］
保護膜４０の材料を、粘度が低く薄膜化が容易である環化ゴム系の樹脂材料とした以外は、上述した実施例１と同様の方法で赤外線センサ１を作製した。実施例１と同様の評価を行ったところ、感光性シリコーンのメサ構造部２０１上の厚みが０．３μｍであり、モールド樹脂５０が保護膜４０の凹凸うねりに追従しており、保護膜４０とモールド樹脂５０の間に空洞４１は観察されなかった。さらに、光出力電流が、実施例１，実施例２，実施例３より５％低いという結果であった。

本発明は、受光部がメサ構造である量子型赤外線センサに関し、本発明の量子型赤外線センサの構造は、出力が高くＳ／Ｎが良いため、微小な赤外線の検知をするためのセンサとして好適である。したがって、本発明の量子型赤外線センサは、照明やエアコンなどの省エネルギー化の機器や環境センサに用いることができる。

１ 赤外線センサ
１０ 半導体基板
２０ 半導体積層部
２１ ｎ型半導体層
２２ 真性半導体層
２３ ｐ型半導体層
２４ レジスト
３１，３２ 電極
３３ 絶縁性被覆層
４０ 保護膜
４１ 空洞
５０ モールド樹脂
２０１ メサ構造部
２０２ 底部
１００ 半導体ウエハ

Claims (17)

1. 受光部がメサ構造である量子型赤外線センサにおいて、
   赤外線透過性を有する基板と、
   該基板上に形成されたメサ構造部と該メサ構造部以外の部位を有する半導体積層部と、前記メサ構造部と該メサ構造部以外の部位それぞれの少なくとも一部に形成された電極とからなる赤外線受光素子と、
   前記基板及び前記赤外線受光素子を覆う保護膜と、
   該保護膜を介して、前記基板及び前記赤外線受光素子をパッケージングするモールド樹脂とを備え、
   前記基板と前記半導体積層部の界面を基準としたときの前記保護膜の上面高さが、前記メサ構造部上と該メサ構造部以外の部位上とで異なり、
   前記メサ構造部以外の部位の上方の少なくとも一部において、前記保護膜と前記モールド樹脂との間に空洞が形成されていることを特徴とする量子型赤外線センサ。
2. 前記空洞の厚みが、０．１μｍ以上１．５μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の量子型赤外線センサ。
3. 前記保護膜と前記モールド樹脂の線膨張係数の差が、５０ｐｐｍ以上５００ｐｐｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の量子型赤外線センサ。
4. 前記赤外線受光素子が、複数直列又は並列接続され、一方の赤外線受光素子のメサ構造部上の電極と、他方の赤外線受光素子の前記メサ構造部以外の部位上の電極とが、前記一方の赤外線受光素子のメサ構造部の斜面の一部上で電気的に接続され、前記一方の赤外線受光素子のメサ構造部の斜面の他の一部が金属で覆われていないことを特徴とする請求項１，２又は３に記載の量子型赤外線センサ。
5. 受光部がメサ構造である量子型赤外線センサの製造方法において、
   赤外線透過性を有する半導体基板と、該半導体基板上に、ｎ型半導体層と真正半導体層とｐ型半導体層とからなるＰＩＮ接合のフォトダイオード構造を有する半導体積層部とを形成してなる半導体ウエハを準備する準備工程と、
   該準備工程により準備された半導体ウエハの半導体積層部にメサ構造部と該メサ構造部以外の部位を形成し、それぞれの少なくとも一部に電極を形成して赤外線受光素子となすメサ形成工程と、
   該メサ形成工程により形成された前記赤外線受光素子と前記基板上に保護膜を覆う保護膜形成工程と、
   該保護膜形成工程により形成された前記保護膜を介して、前記基板及び前記赤外線受光素子をモールド樹脂でパッケージングする封止工程とを有し、
   前記基板と前記半導体積層部の界面を基準としたときの前記保護膜の上面高さが、前記メサ構造部上と該メサ構造部以外の部位上とで異なり、
   前記メサ構造部以外の部位の上方の少なくとも一部において、前記保護膜と前記モールド樹脂との間に空洞が形成されていることを特徴とする量子型赤外線センサの製造方法。
6. 前記空洞の厚みが、０．１μｍ以上１．５μｍ以下であることを特徴とする請求項５に記載の量子型赤外線センサの製造方法。
7. 前記保護膜と前記モールド樹脂の線膨張係数の差が、５０ｐｐｍ以上５００ｐｐｍ以下であることを特徴とする請求項５又は６に記載の量子型赤外線センサの製造方法。
8. 基板と、
   該基板上に形成されたｎ型半導体層と、前記ｎ型半導体層上に形成されたメサ構造部と、を有する赤外線受光素子と、
   前記赤外線受光素子を覆う保護膜と、
   該保護膜を介して、前記赤外線受光素子をパッケージングする樹脂封止部と、を備え、
   前記ｎ型半導体層の前記メサ構造部以外の部位の上方の少なくとも一部において、前記保護膜と前記樹脂封止部との間に空洞が形成されていることを特徴とする量子型赤外線センサ。
9. 前記基板と前記ｎ型半導体層との界面を基準としたときの前記保護膜の上面高さが、前記メサ構造部上と前記ｎ型半導体層の前記メサ構造部以外の部位上とで異なることを特徴とする請求項８に記載の量子型赤外線センサ。
10. 前記空洞の厚みが、０．１μｍ以上１．５μｍ以下であることを特徴とする請求項８又は９に記載の量子型赤外線センサ。
11. 前記メサ構造部の頂部と、前記ｎ型半導体層の前記メサ構造部以外の部位に形成された電極をさらに備えることを特徴とする請求項８，９又は１０に記載の量子型赤外線センサ。
12. 前記保護膜は、前記ｎ型半導体層の前記メサ構造部以外の部位上の保護膜の厚みに対する、前記メサ構造部の最上部からの厚みの比が、０．１〜０．９であることを特徴とする請求項８〜１１のいずれか一項に記載の量子型赤外線センサ。
13. 前記保護膜の前記メサ構造部の最上部からの厚みが、１ｕｍ以上３ｕｍ以下であることを特徴とする請求項８〜１２のいずれか一項に記載の量子型赤外線センサ。
14. 前記樹脂封止部は、モールド樹脂であることを特徴とする請求項８〜１３のいずれか一項に記載の量子型赤外線センサ。
15. 前記メサ構造部は、前記ｎ型半導体層の一部と真性半導体層とｐ型半導体層とを有することを特徴とする請求項８〜１４のいずれか一項に記載の量子型赤外線センサ。
16. 前記空洞は、前記メサ構造部の斜面の上方にも形成されることを特徴とする請求項８〜１５のいずれか一項に記載の量子型赤外線センサ。
17. 前記基板は、赤外線透過性を有する基板であることを特徴とする請求項８〜１６のいずれか一項に記載の量子型赤外線センサ。

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