γ-Al2O3/Si(100)基板上のPb(Zr,Ti)O3薄膜焦電型赤外線センサの集積化に関する研究

Abstract

本研究は結晶配向Pb(Zr,TiO)O3 (PZT) 薄膜赤外線センサとCMOS(complementary metal oxide semiconductor) 回路をγ-Al2O3/Si 基板上へ集積化するために必要な要素技術を確立することを目的として研究を行った。γ-Al2O3/SiとCMOS 回路との集積化におけるプロセス適合性を調査した。また焦電型赤外線センサ応用へ向けた積層赤外線吸収膜の検討、γ-Al2O3/Si 上へPZT 薄膜の形成を行い、赤外線センサとしての評価を行った。有機金属化学気相成長法(MOCVD 法)により成長したSi 基板上の結晶配向γ-Al2O3 薄膜について、CMOS 回路作製工程のアニールプロセスを行い、γ-Al2O3薄膜の結晶性を調査した。結晶性は高速反射電子線回折、X 線回折を用い分析した。また構成元素の結合状態、表面状態の変化をX 線光電子分光、走査型電子顕微鏡を用いて調べた。γ-Al2O3 薄膜は結晶配向PZT 薄膜をSi 基板上に集積化するための重要な下地材料であるが、CMOS 作製プロセスにおけるアニールプロセスの温度はγ -Al2O3 薄膜の成長温度に比べて高く、再結晶化や雰囲気ガスによる化学反応等による結晶性、膜質の変化が考えられる。結果より、H2Ovapor 雰囲気における1000度C のアニールによりγ-Al2O3/Si でγ-Al2O3 表面にSiO2が形成される等膜質の変化を確認できた。この膜質変化を防ぐためH2O 分子を通さないSi3N4/SiO2 膜をγ-Al2O3 上の保護膜として提案し、その有用性を確認した。そしてこれらの結果からγ-Al2O3/Si 基板のアニールによる影響について考察をした。またCMOS 回路とγ-Al2O3 薄膜を集積化した際のCMOS 回路特性について評価した。結晶配向PZT 薄膜赤外線センサをγ-Al2O3/Si 基板へ形成するデバイスの応用として、PZT 薄膜に適合する赤外線吸収膜の検討・設計・作製・評価を行った。赤外線センサに用いる8 μm から14 μm の波長帯で赤外線吸収特性をもつCMOS適合材料を積層させたSiO2/SiN 積層膜を設計・作製してPZT 薄膜赤外線センサ上へ形成した。その結果、平均が86%となるような赤外線吸収率が得られた。また検出感度向上に向けて有限要素法を用いた過渡伝熱解析に基づき、センサ構造の設計を行った。本センサの赤外線応用評価を行った結果、1.15 x 10(exp 7)cmHz1/2/W の比検出能D*が得られ、デバイス応用に用いることができる値であった。最後にγ-Al2O3/Si 基板上へPZT 薄膜赤外線センサとCMOS 回路の集積化を行った。全140 工程、マスク20 枚を要してデバイスの作製を行った。全工程後のPZT 薄膜の強誘電体特性及びCMOS 回路特性を評価した結果、両方とも特性の劣化なく作製することに成功し、結晶配向PZT 薄膜赤外線センサをCMOS 回路と集積化するプロセスの確立に成功した。本研究により、CMOS 回路とPZT 薄膜赤外線センサをγ-Al2O3/Si 基板上へ集積化するためのプロセスを確立した。これらの研究成果より、γ-Al2O3/Si 基板上の結晶配向したPZT 薄膜を用いることで赤外線センサとCMOS 回路の集積化デバイス実現への見通しが得られた。

In this study, integration processes of crystalline orientated Pb(Zr,Ti)O3 (PZT) film infrared detectors and complementary-metal -oxide-semiconductor (CMOS) circuits on a γ-Al2O3/Si substrate was investigated. The process compatibility of γ-Al2O3/Si and CMOS circuits was investigated. A multilayer-stack infrared absorber was proposed, designed, fabricated, and characterized in order to apply on a PZT film infrared detector on γ-Al2O3/Si substrate. The infrared detectivity of the fabricated detector with the proposed infrared absorber was characterized. The crystalliniti es of the γ-Al2O3 film grown by metal organic chemical vapor deposition were investigated after anneal processes in CMOS fabrication. The crystallinities were analyzed by rflection high energy electron diffraction and x-ray diffraction. The chemical bonding state of the film surface was analyzed by x-ra y photoelectron spectroscopy. As a result, anneal of γ-Al2O3/Si at 1000 C in H2O vapor atmosphere appeared to change condition of γ-Al2O3 film. In order to prevent the annealed effect, Si3N4/SiO2 passivation films which H2O molecules are not able to penetrate through the films were proposed. The effect of the annealing process on γ-Al2O3/Si substrate was proposed and considered based on above experimental results. Circuit characteristics of fabricated transist ors integrated on γ-Al2O3/Si substrate were evaluated. An infrared absorber for an application of crystalline PZT film infrared detectors on γ-Al2O3/Si substrate was proposed, designed, fabricated, and characterized. SiO2/SiN multilayer-stack film based on CMOS compatible materials which possess infrared absorption in the wavelength rage from 8 to 14μm was designed and fabricated on the PZT film infrared detectors. Average infrared absorptance of 86% was obtained on the proposed multilayer-stack film integrated PZT film detectors. Detector structures were also designed based on transient heat analysis using finite element model in order to improve se nsitivity of the PZT film detectors. Specific detectivity of 1.15 x 10(exp 7 )cmHz0. 5/W, a useful value for device applications for infrared detector, was achieved at 30 Hz on the fabricated PZT pyroelectric detector. At last, the integration of the PZT thin film infrared detectors and CMOS circuits based onγ-Al2O3/Si substrate was carried out. 140 processes and 20 masks were required to fabricate the device. The characterization on the polarization of the PZT thin film and CMOS circuits after all fabrication processes were obtained without inferior characteristics. The fabrication processes of PZT thin film infrared detector integrated on CMOS circuits were successfully established. In conclusion, integration processes of CMOS circuits and PZT film infrared detector on γ-Al2O3/Si substrate were established. The research results suggest that realization of high performance infrared detector based on integration of CMOS circuits and PZT film infrared detector using γ-Al2O3/Si substrate.