CN1236292C - 红外线传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种红外线传感器，具有支承构件、多晶硅膜、SiO2、铝膜、及热吸收层；该支承构件包含支承膜和具有空心部分并对支承膜进行支承的基板；该多晶硅膜从空心部分的上部形成到基板的上部；该SiO2形成于多晶硅膜上，具有空心部分上部的第1接触孔和基板的上部第2接触孔；该铝膜通过第1连接孔与多晶硅膜连接，与通过第2接触孔邻接的多晶硅膜连接；该热吸收层覆盖第1接触孔的上部地形成于空心部分的上部；铝膜在空心部分的上部隔着该对应的多晶硅膜和SiO2层叠。
Description
技术领域
本发明涉及一种红外线传感器，特别是涉及一种热电堆型的红外线传感器。
背景技术
作为过去的热电堆型的红外线传感器，具有图7和图8所示那样的传感器。在图7中示出红外线传感器的热电堆型结构，为由邻接的多晶硅4和铝6形成热电偶的例子。图8所示红外线传感器公开于日本专利2663612号公报，由p型半导体106和n型半导体111构成的热电偶为形成于单臂梁103的例子。这些传感器根据利用塞贝克效应获得的由热电偶的热触点与冷触点的温差产生的电动势测定入射到红外线传感器的红外线量，通过配置多个热电偶，实现红外线传感器的高灵敏度化。
然而，在图7所示红外线传感器中，由于邻接地形成多晶硅4和铝6，所以，热电偶的配置区域变大，存在不能按高密度配置热电偶的问题。在图8所示的红外线传感器中，由于在单臂梁103形成热电偶，所以，存在单臂梁103的机械强度变弱的问题。另外，由于热吸收膜105和热电偶离开地形成，所以，存在由热吸收膜105产生的热不能有效地传递到热电偶的问题。
可是，在日本专利2663612号公报中，作为过去的例子可列举出具有由铝配线和p型扩散层电阻构成的热电偶的红外线传感器，并指出，在使用铝的场合，塞贝克效应小，热阻下降，导致灵敏度下降。另外还指出，双金属效应使单臂梁翘曲，从而导致灵敏度下降。
本发明者发现由多晶硅膜和铝膜构成的热电堆适于实用，充分优良。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种可按高密度配置利用了由多晶硅膜和铝膜构成的热电堆的热电偶、可将由热吸收层产生的热有效地地传递到热电偶、机械强度大的红外线传感器。
为了解决上述问题，本发明的红外线传感器具有支承构件、多晶硅配线层、绝缘膜、铝配线层、及红外线吸收层；该支承构件包含由绝缘材料构成的支承膜和具有空心部分并对支承膜进行支承的基板；该多晶硅配线层从空心部分的上部形成到基板的上部，具有预定的导电型；该绝缘膜形成于多晶硅配线层上，具有形成于空心部分的上部的第1接触孔和形成于基板上部的第2接触孔；该铝配线层通过第1接触孔连接到多晶硅配线层，与通过第2接触孔邻接的多晶硅配线层连接；该红外线吸收层覆盖第1接触孔的上部地形成于空心部分的上部；与通过第1接触孔与对应的多晶硅配线层连接的铝配线层在空心部分的上部成为该对应的多晶硅配线层的上层地隔着绝缘膜层叠。
这样，由于将多晶硅配线层和铝配线层层叠构成热电偶，所以，可使热电偶的配置区域变窄，提高配置密度。另外，由于从空心部分的上部到基板的上部形成多晶硅配线层和铝配线层的层叠构造，所以，可提高薄壁的空心部分的机械强度。另外，由于覆盖形成于热电偶的第1接触孔地形成红外线吸收层，所以，可以良好效率将由红外线吸收层产生的热量传递到热电偶。
另外，本发明的红外线传感器也可具有这样的特征，即，基板由多晶硅构成，空心部分由腐蚀形成。由于空心部分由腐蚀形成，所以，可精密地实现空心部分的形状。
另外，本发明的红外线传感器也可具有这样的特征，即，铝配线层在至少空心部分的上部比多晶硅配线层更细地形成。由于热传导系数良好的铝配线层较细地形成，所以，热量不易散失。另外，可减少形成红外线吸收层的空心部分的上部的铝配线层对红外线的反射。
另外，本发明的红外线传感器也可具有这样的特征，即，形成多个隔着绝缘膜在多晶硅配线层的上部层叠铝配线层的层叠构造体，多个第1接触孔由一体形成的红外线吸收层覆盖。由于层叠构造体的多根作为与红外线吸收层成一体的支承构造起作用，所以，可进一步提高薄壁的空心部分的机械强度。
附图说明
图1A和图1B为分别示出第1实施形式的红外线传感器的断面图和热电堆结构的图。
图2为示出第2实施形式的红外线传感器的热电堆结构的图。
图3A和图3B为分别示出第3实施形式的红外线传感器的断面图和热电堆结构的图。
图4A和图4B为示出第4实施形式的红外线传感器的断面图和热电堆结构的图。
图5为示出第5实施形式的红外线传感器的热电堆结构的图。
图6为示出第6实施形式的红外线传感器的热电堆结构的图。
图7为示出过去的红外线传感器的热电堆结构的图。
图8A和图8B为分别示出过去的红外线传感器的断面图和热电堆结构的图。
具体实施方式
下面参照附图说明本发明的实施形式。相同的要素采用相同符号，省略重复的说明。
图1A和图1B示出第1实施形式的红外线传感器的断面和热电堆结构。图1A示出图1B的A-A′断面图，如图所示那样，膜片构造的支承构件包括具有空心部分2的硅基板1和对其进行支承的支承膜3。在支承膜3上隔着掺入了1018～1020cm-3的n型或p型的杂质的多晶硅膜4和成为绝缘膜的SiO2膜5层叠铝膜6。利用SiO2膜5的开口孔部连接多晶硅膜4和铝膜6，形成热电偶。支承膜3和热电偶的露出表面由用SiN制成的钝化膜7覆盖，在空心部分2的上部的钝化膜7形成热吸收膜8。
钝化膜7也可为SiO2和聚酰亚胺膜等绝缘膜。另外，也可在热吸收膜8使用黑化树脂，该黑化树脂也可使用混合了碳填料等的树脂(环氧系、硅酮系、丙烯酸系、聚氨酯系、聚酰亚胺系等)、黑色抗蚀剂等。
如图1B所示那样，多晶硅膜4和铝膜6的长尺寸的层叠构造在硅基板1上部到空心部分2上部从与矩形(正方形或长方形)的空心部分2的四边垂直的4个方向到空心部分2的中央延伸地形成。
另外，多晶硅膜4和铝膜6在空心部分2上层叠，铝膜6的宽度形成得比多晶硅膜4的宽度窄。在形成热吸收膜8的区域的SiO2膜5的开口孔部，连接层叠的多晶硅膜4和铝膜6，形成热触点11。另外，在硅基板1上部的SiO2膜5的开口孔部连接邻接的多晶硅膜4和铝膜6，形成冷触点12。这些热电偶串联地连接，由塞贝克效应产生的电动势由取出电极10取出。在形成取出电极10的区域，钝化膜7开口。
下面说明空心部分的形成方法。在不形成空心部分的硅基板1的表面形成支承膜3、热电堆结构、钝化膜7、热吸收膜8后，在硅基板1的与形成支承膜3的相反侧的面(背面)形成由耐硅腐蚀液性的SiN等构成的保护层9。在希望形成空心部分2的区域对保护层9进行开口，在保护硅基板1的表面的状态下进行腐蚀。这样，从背面的保护层9的开口部开始腐蚀，当到达具有耐腐蚀液性的支承膜3时停止腐蚀。腐蚀液使用例如氢氧化钾溶液等，当对硅基板1使用(100)面时，可进行各向异性的腐蚀，可形成具有图1(a)所示的空心部分2的膜片构造。在保护层9也可由包含SiN单层、SiO2单层、或SiN、SiO2、PSG、BPSG中的任一个的多层膜构成，膜厚为0.5～5μm。
这样按照第1实施形式的红外线传感器，通过层叠地形成多晶硅膜4和铝膜6，与并列配置图7所示的多晶硅膜4和铝膜6的过去的例子相比，由于相对1个热电偶的配置区域变窄，所以可以高密度配置热电偶。另外，隔着SiO2膜5将多晶硅膜4和铝膜6层叠的热电堆结构通过形成3层构造提高机械的支承强度，由于它从空心部分2上部到硅基板1上部形成为高台状，所以，可提高空心部分2的机械强度。另外，在空心部分2上部由具有粘结力的材料构成的单一的块的热吸收膜8使支承膜3和热电堆结构全部固定，所以，可进一步提高在空心部分2成为薄壁的区域的机械的强度。另外，热吸收膜8由于将热电堆结构的热触点11全部覆盖地形成，所以，可将由红外线的吸收在热吸收膜8发生的热以良好的效率传递到热触点11。
另外，铝膜6由于热传导性良好，所以，将在热触点获得的热传递到硅基板1而散失，存在导致红外线传感器的灵敏度下降的可能性，但在第1实施形式中，铝膜6隔着SiO2膜5薄而窄地层叠到多晶硅膜4上，所以，与硅基板1热绝缘，不会使红外线传感器的灵敏度下降，但在第1实施形式中，由于铝膜6隔着SiO2膜5薄而窄地层叠到多晶硅膜4上，所以，与硅基板1热绝缘，不会使红外线传感器的灵敏度下降。另外，SiO2膜5不仅为多晶硅膜4和铝膜6的电绝缘，也具有用于不将多晶硅膜4的热传递到铝膜6的热绝缘功能。另外，入射到热吸收膜8的红外线通过由形成于热吸收膜8下的铝膜6反射，可能导致红外线传感器的灵敏度下降，但由于铝膜6形成得较窄，所以，可使反射为最小限度，反射的红外线进一步由热吸收膜8吸收，所以不会使红外线传感器的灵敏度下降。
第1实施形式不限于此。空心部分2的形状不限于矩形，也可为圆形等，可对应于其形状形成热电堆结构。
图2示出第2实施形式的红外线传感器的热电堆结构。第2实施形式的红外线传感器扩大图1B示出的第1实施形式的红外线传感器的多晶硅膜4的宽度，将处于空心部分2上部的多晶硅膜4前端形状作为枪型。
在热电材料使用多晶硅等的半导体材料的场合，由于其电阻率高，所以，热电堆的电阻大，为此存在噪声增加的问题。然而，按照第2实施形式的红外线传感器，层叠形成多晶硅膜4和铝膜6，从而与图7所示过去的例子相比，即使对于相同或更多的热电偶数量，由于可扩大多晶硅膜4的宽度，所以，可减小热电偶的电阻，可减少热噪声，提高S/N比。另外，虽然图中未示出，但实际上也可为使热电偶数量比图7的过去的例子增加、热电偶的电阻值不变的设计，这样，虽然灵敏度上升但噪声不变，所以，可提高S/N比。另外，通过使处于空心部分2上部的多晶硅膜4的前端形状为枪型，使多晶硅膜4的前端朝空心部分2的中央方向深入，从而可使热触点11偏向空心部分2的中央。这样，在热触点的温度上升增大，灵敏度提高。另外，该形状可使处于空心部分2上部的多晶硅膜4的面积增大，成为空心部分2的薄壁的区域的机构强度进一步提高。
另外，第2实施形式的红外线传感器扩大第1实施形式的红外线传感器的多晶硅膜4的宽度，使处于空心部分2上部的多晶硅膜4的前端形状为枪型，热电偶等的构成同样，所以，作为红外线传感器可获得与第1实施形式同样的效果。另外，通过将第2实施形式的处于空心部分2上部的多晶硅膜4的前端形成为枪型的形状适应于本实施形式和其它实施形式，可获得同样的效果。
图3A和图3B示出第3实施形式的红外线传感器的断面图和热电堆结构。第3实施形式的红外线传感器改变了图1A所示第1实施形式的红外线传感器的空心部分2的形状。更为详细地说，如作为图3B的B-B′断面图的图3A所示那样，在第1实施形式中空心部分2的背面侧开放，而在第3实施形式中背面侧由硅基板1封锁，成为在表面的钝化膜7的4个部位具有腐蚀孔13的构造，空心部分2形成于支承膜3的部。
下面说明第3实施形式的红外线的空心部分2的形成方法。首先，在硅基板1的支承膜3侧形成与空心部分2相同尺寸的多晶硅腐蚀替代层(图中未示出)。形成支承膜3、热电堆结构、钝化膜7后，如图3B所示那样，在支承膜3和钝化膜7开口，形成腐蚀孔13。另外，在硅基板1的背面形成保护层9，但与第1实施形式不同，保护层9不开口。腐蚀液通过对1，2-乙二胺、邻苯二酚、及水的混合液加热后获得，对硅基板1使用(100)面进行腐蚀。此时，腐蚀液从腐蚀孔13浸透到多晶硅腐蚀替代层，对所有多晶硅腐蚀替代层进行腐蚀，此后开始硅基板1的各向异性腐蚀。这样，可形成具有图3A所示的空心部分2的膜片构造。腐蚀按深度2～10μm左右进行。
第3实施形式的红外线传感器仅第1实施形式的红外线传感器的空心部分2的形状不同，热电堆结构相同，所以，作为红外线传感器可获得与第1实施形式相同的效果。此外，在第3实施形式的红外线传感器由于成为背侧由硅基板1关闭的构造，所以，容易在引线框等支承构件进行小片接合，具有机械强度提高的效果。第3实施形式不限于此。空心部分2的形状不限于矩形，也可为圆形等，可相应于其形状形成热电堆结构。另外，腐蚀孔形状、部位不限于图3所示情形，也可根据热电堆结构改变。另外，为了形成膜片构造，也可仅腐蚀多晶硅腐蚀替代层。在该场合，使多晶硅腐蚀替代层的厚度为0.3μm～1.5μm。
图4A和图4B示出第4实施形式的红外线传感器的断面图和热电堆结构。第4实施形式的红外线传感器通过改变图1B所示第1实施形式的红外线传感器的热电堆结构而获得。在图1B中，热电偶在长方形的空心部分2的四边分别垂直地形成，但在第4实施形式的红外线传感器中如图4B所示那样，仅在矩形的空心部分2的相对的2边从垂直的方向延伸到空心部分2的中央地形成热电偶。从该2个方向延伸到空心部分2的中央的相对的热电堆结构的距离为2μm～40μm，通过尽可能地缩小距离，热触点的温度上升，使灵敏度提高。
在第4实施形式的红外线传感器中，仅第1实施形式的红外线传感器的热电堆结构不同，热电偶等的构成相同，所以，作为红外线传感器可获得与第1实施形式相同的效果。此外，在第1～第3实施形式的红外线传感器中，虽然特别适合于红外线的照射斑点为同心圆状时的用途，但在第4实施形式中，适合于红外线的照射斑点为线状或长尺寸形状时的用途。第4实施形式不限于此，空心部分2的形状、形成方法也可与第3实施形式相同。
图5示出第5实施形式的红外线传感器的热电堆结构。第5实施形式的红外线传感器将图3B所示第3实施形式的红外线传感器作为1个单元20，在硅基板1上将其排列成1维阵列状。在第5实施形式的红外线传感器中，将图3B所示取出电极10的单侧作为各单元的共用电极连接，设置共用取出电极15。
按照第5实施形式的红外线传感器，可根据从各单元的输出测定由于位置变化带来的红外线的照射量的不同。另外，由于1个单元的红外线传感器的构造与第3实施形式相同，所以，可获得与第3实施形式相同的效果，
第5实施形式不限于此。在第5实施形式中，将1个单元排列成1维阵列状，但也可排列成2维阵列状。这样，可测定2维位置带来的红外线照射量的不同。
图6示出第6实施形式的红外线传感器的热电堆结构。第6实施形式的红外线传感器将图4B所示第4实施形式的红外线传感器作为1个单元30，在硅基板1上将其排列成1维阵列状。在第6实施形式的红外线传感器中，将图4B所示取出电极10的单侧作为各单元的共用电极连接，设置共用取出电极15。
按照第6实施形式的红外线传感器，可根据从各单元的输出测定由于位置变化带来的红外线的照射量的不同。另外，由于1个单元的红外线传感器的构造与第4实施形式相同，所以，可获得与第4实施形式相同的效果，
第6实施形式不限于此。在第6实施形式中，将1个单元排列成1维阵列状，但也可排列成2维阵列状。这样，可测定2维位置带来的红外线照射量的不同。
如以上详细说明的那样，按照本发明的红外线传感器，由于将多晶硅配线层和铝配线层层叠后构成热电偶，所以，热电偶的配置区域狭小，可提高配置密度。另外，由于从空心部分的上部到基板的上部形成多晶硅配线层和铝配线层的层叠构造，所以，可提高薄壁的空心部分的机械强度。另外，由于形成隔着绝缘膜的多晶硅配线层和铝配线层的层叠构造体，层叠构造体的多个作为与红外线吸收层成一体的支承构造起作用，所以，可进一步提高薄壁的空心部分的机械强度。另外，由于覆盖形成于热电偶的第1接触孔地形成红外线吸收层，所以，可有效地将由红外线吸收层产生的热传递到热电偶。
这样，获得机械强度大、灵敏度高的红外线传感器。
Claims (6)
1.一种红外线传感器，其特征在于：具有支承构件、多晶硅配线层、绝缘膜、铝配线层、及红外线吸收层，
该支承构件包含由绝缘材料构成的支承膜和具有空心部分并对上述支承膜进行支承的基板；
该多晶硅配线层具有规定的导电型，从上述空心部分的上部形成到上述基板的上部，并且，位于上述空心部分上的上述多晶硅配线层的前端部分形成向着前端逐渐变细的形状；
该绝缘膜形成于上述多晶硅配线层上，具有形成于上述空心部分的上部的第1接触孔和形成于上述基板上部的第2接触孔；
该铝配线层通过上述第1接触孔连接到上述多晶硅配线层，并通过上述第2接触孔与邻接的上述多晶硅配线层连接；
该红外线吸收层覆盖上述第1接触孔的上部地形成于上述空心部分的上部，
通过上述第1接触孔与对应的多晶硅配线层连接的铝配线层在上述空心部分的上部成为该对应的多晶硅配线层的上层地隔着上述绝缘膜层叠。
2.根据权利要求1所述的红外线传感器，其特征在于：上述基板由多晶硅构成，上述空心部分通过腐蚀形成。
3.根据权利要求1所述的红外线传感器，其特征在于：上述铝配线层在至少上述空心部分的上部比上述多晶硅配线层更细地形成。
4.根据权利要求1所述的红外线传感器，其特征在于：形成多个隔着上述绝缘膜在上述多晶硅配线层的上部层叠上述铝配线层的层叠构造体，多个上述第1接触孔由一体形成的上述红外线吸收层覆盖。
5.根据权利要求1所述的红外线传感器，其特征在于：上述铝配线层在至少上述空心部分的上部比上述多晶硅配线层更细地形成，绝缘性的钝化膜被设置在上述支承膜的露出部分以及上述多晶硅配线层和上述铝配线层的连接部的露出部分上。
6.根据权利要求1所述的红外线传感器，其特征在于：上述红外线吸收层为由黑化树脂材料构成的一块红外线吸收层。
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