JP2009250856A

JP2009250856A - 赤外線検知素子

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Publication number: JP2009250856A
Application number: JP2008101074A
Authority: JP
Inventors: Masaki Hirota; 正樹廣田
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2008-04-09
Filing date: 2008-04-09
Publication date: 2009-10-29
Anticipated expiration: 2028-04-09
Also published as: JP5206083B2

Abstract

【課題】屈曲部において熱流路長が電流路長に比べて短くなることによって信号雑音比が悪化することを抑制する。
【解決手段】梁３を伝導する熱流とｐ型ポリシリコン層６及びｎ型ポリシリコン層７を流れる電流の中心が一致しない屈曲部３ａ，３ｂ，３ｃにおけるｐ型ポリシリコン層６及びｎ型ポリシリコン層７の導電率がその他の部位の導電率より高いので、屈曲部３ａ，３ｂ，３ｃにおいて熱流路長が電流路長に比べて短くなることによって信号雑音比が悪化することを抑制できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、伝導不純物のエネルギー準位が動作温度に対応する熱励起エネルギーよりも深い位置にある半導体材料によって形成された赤外線検知素子に関する。

従来より、赤外線を受光する受光部と、梁を介して受光部を支持する基板と、梁上に形成された導体又は半導体からなる感熱体とを備える赤外線検知素子が知られている（特許文献１参照）。このような赤外線検知素子では、信号雑音比（Signal to noise ratio : SNR）は以下の数式（１）のように表される。数式（１）中、Ｓは信号電圧、Ｎはノイズ電圧、Ｒは感度、Ｐは入射赤外線エネルギーを示す。従って、赤外線検知素子の信号雑音比を向上させるためには、信号電圧Ｓ、換言すれば感度Ｒ又は入射赤外線エネルギーＰを増大させると共にノイズ電圧Ｎを低減させる必要がある。一方、感熱体の感度Ｒは以下の数式（２）のように表される。数式（２）中、ｎは対数，ａはゼーベック係数，Ｒｔｈは温接点と冷接点間の熱抵抗、ηは開口率を示す。従って、感度Ｒを増大させるためには、温接点と冷接点間の熱抵抗Ｒｔｈと開口率ηを同時に増大させる必要がある。このような背景から、従来の赤外線検知素子では、基板は細長く屈曲部を有する梁を介して受光部及び温度検知部を支持している。

信号雑音比SNR ＝ S／N ＝ R ・P／N …（１）
感度R = n・a・ Rth ・η … （２）
特開２０００−１１１３９６号公報

従来の赤外線検知素子では、梁は導電部とそれを保護する被覆部からなり、電流は導電部のみを流れるのに対し熱流は導電部と被服部の両方を流れる。このため従来の赤外線検知素子では、屈曲部において熱流は最も内側の被覆部を集中的に流れるのに対し電流は外側の導電部を流れることにより、熱流路長が電流路長に比べて短くなり信号雑音比が悪化する。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的、屈曲部において熱流路長が電流路長に比べて短くなることによって信号雑音比が悪化することを抑制する赤外線検知素子を提供することにある。

本発明に係る赤外線検知素子では、屈曲部における感熱体の抵抗値がそれ以外の部分の抵抗値よりも小さく形成されている。

本発明に係る赤外線検知素子によれば、屈曲部において熱流路長が電流路長に比べて短くなることによって信号雑音比が悪化することを抑制できる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態となる赤外線検知素子の構成について説明する。なお以下で参照する図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法の関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。すなわち、具体的な厚みや平面寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

〔赤外線検知素子の構成〕
始めに、図1(a),(b),(c)を参照して、本発明の実施形態となる赤外線検知素子の構成について説明する。

図1(a),(b),(c)はそれぞれ、本発明の実施形態となる赤外線検知素子の上面図，図1(a)に示す領域Ａの拡大図，及び梁の断面図を示す。

本発明の実施形態となる赤外線検知素子１は、図1(a)に示すように、赤外線を受光する受光部２と、梁３を介して受光部２を支持するシリコンからなる基板４とを備える。本実施形態では、梁３は、３箇所の屈曲部３ａ，３ｂ，３ｃと４箇所の直線部３ｄ，３ｅ，３ｆ，３ｇを有する。梁３は、図1(c)に示すように、支持体５と、支持体５の幅方向中央表面上に長手方向に沿って形成されたｐ型ポリシリコン層６及びｎ型ポリシリコン層７と、支持体５，ｐ型ポリシリコン層６，及びｎ型ポリシリコン層７を被覆する被覆部８を備える。ｐ型ポリシリコン層６とｎ型ポリシリコン層７は支持体５の幅方向に間隔を空けて形成され、各ポリシリコン層の幅方向端部にはポリシリコン層を保護するために余裕部９が形成されている（図1(b),(c)参照）。余裕部９の幅寸法はプロセス条件によって決定されるが、余裕部９はシリコン酸化膜や窒化シリコン膜により形成されているので電気伝導に寄与しない。ｐ型ポリシリコン層６の受光部２側長手方向端部とｎ型ポリシリコン層７の受光部２側長手方向端部は受光部２表面に形成された温接点１０において接続されている。ｐ型ポリシリコン層６及びｎ型シリコン層７の基板４側長手方向端部はそれぞれ冷接点１１ａ，１１ｂに接続されている。屈曲部３ａ，３ｂ，３ｃ表面に形成されたｐ型ポリシリコン層６とｎ型ポリシリコン層７（図1(b)に示す領域Ｒ１，Ｒ２のｐ型ポリシリコン層６とｎ型ポリシリコン層７）は不純物濃度を他の領域の不純物濃度よりも高くすることにより他の領域よりも低抵抗化されている。

〔赤外線検知素子の動作〕
次に、図2を参照して、上記赤外線検知素子１の動作について説明する。

この赤外線検知素子１では、受光部２に赤外線が入射すると、赤外線を吸収することにより受光部２の温度が上昇する。受光部２の熱は梁３を介してシートシンクである基板４に流れる。梁３には熱抵抗があるので、温接点１０と冷接点１１ａ，１１ｂ間には温度差が形成され、ゼーベック効果によって冷接点１１ａと冷接点１１ｂの間には起電力が生じる。梁３が発生する雑音は熱雑音のみを考えればよく、梁３全体の電気抵抗値をＲｅとするとノイズ電圧Ｎは以下の数式（３）のように表される。また梁３全体の電気抵抗値Ｒｅは以下の数式（４）に示すようにｐ型ポリシリコン層６とｎ型ポリシリコン層７の合成抵抗により表される。数式（４）中、ρｎはｎ型ポリシリコン層７の導電率、Ｌｔｈｎはｎ型ポリシリコン層７の長さ、Ｓｔｈｎはｎ型ポリシリコン層７の断面積、ρｐはｐ型ポリシリコン層６の導電率、Ｌｔｈｐはの長さ、Ｓｔｈｐはｐ型ポリシリコン層７の断面積を示す。従って、熱雑音を小さくするためには、ｐ型ポリシリコン層６及びｎ型ポリシリコン層７の長さＬｔｈｐ，Ｌｔｈｎが短い方がよい。

ノイズ電圧N＝√（4kT・Δｆ・Re） …（３）
電気抵抗値Re=（ρn*Lthn/Sthn）+（ρp*Lthp/Sthp） …（４）
一方、梁３の熱抵抗Ｒｔｈは以下の数式（５），（６）に示すように支持体５，ｐ型ポリシリコン層６，及びｎ型ポリシリコン層７の合成熱抵抗で表される。数式（６）中、χｔｈｐはｐ型ポリシリコン層６の熱伝導率、χｔｈｎはｎ型ポリシリコン層７の熱伝導率、Ｌｔｈｓは支持体５の長さ、Ｓｔｈｓは支持体５の断面積、χｔｈｓは支持体５の熱伝導率を示す。梁３が直線である場合、支持体５，ｐ型ポリシリコン層６，及びｎ型ポリシリコン層７の長さＬｔｈｓ，Ｌｔｈｐ，Ｌｔｈｎは等しくなるが、図1(a)に示すように梁３が屈曲している場合には、支持体５，ｐ型ポリシリコン層６，及びｎ型ポリシリコン層７の長さＬｔｈｓ，Ｌｔｈｐ，Ｌｔｈｎはｐ型ポリシリコン層６，ｎ型ポリシリコン層７，及び支持体５の順に短くなる。このため梁３が屈曲している場合、熱の伝送経路が短くなることによって梁３が直線である場合よりも信号電圧Ｓが減るが、電気抵抗は減少しないためにノイズ電圧Ｎは減少せず信号雑音比が低下する。

Rth=（Rth(ポリSi)）// （Rth(支持体)） …（５）
=（Lthp/Sthp/χthp）//（Lthn/Sthn/χthn）// (Lths/Sths/χths) …（６）
そこで短くなった支持体５の長さＬｔｈｓに合わせてｐ型ポリシリコン層６及びｎ型ポリシリコン層７の長さＬｔｈｐ，Ｌｔｈｎを短くすれば、ノイズ電圧Ｎが減少して信号雑音比を改善することができる。具体的には、図1(a)に示す構成ではｐ型ポリシリコン層６及びｎ型ポリシリコン層７の長さＬｔｈｐ，Ｌｔｈｎは物理的に短くすることができないので、屈曲部３ａ，３ｂ，３ｃ表面に形成されたｐ型ポリシリコン層６とｎ型ポリシリコン層７への不純物のドーズ量を他の領域への不純物のドーズ量よりも多くすることによって、屈曲部３ａ，３ｂ，３ｃ表面に形成されたｐ型ポリシリコン層６とｎ型ポリシリコン層７の導電率ρｐ，ρｎを高くすることにより梁３全体の電気抵抗値Ｒｅを減少させる。例えばイオン注入によって不純物をドープする場合、屈曲部３ａ，３ｂ，３ｃ表面に形成されたｐ型ポリシリコン層６とｎ型ポリシリコン層７への不純物のドーズ量は１Ｅ１６／ｃｍ^２とし、直線部３ｄ，３ｅ，３ｆ，３ｇ表面に形成されたｐ型ポリシリコン層６とｎ型ポリシリコン層７への不純物のドーズ量は１Ｅ１５／ｃｍ^２とする。

〔屈曲部の製造方法〕
次に、図3(a),(b),(c)を参照して、屈曲部３ａ，３ｂ，３ｃの製造方法について説明する。

屈曲部３ａ，３ｂ，３ｃを形成する際は、始めに、梁３の表面全体にポリシリコン膜を成膜した後にパターンニングし、ｐ型ポリシリコン層６に対応するポリシリコン領域にボロン、ｎ型ポリシリコン層７に対応するポリシリコン領域にはリンをドープすることにより、図3(a)に示すようにｐ型ポリシリコン層６とｎ型ポリシリコン層７を形成する。次に図3(b)に示すように、梁３の直線部３ｄ，３ｅ，３ｆ，３ｇ表面にレジスト膜１２を成膜した後にイオン注入を行うことにより、露出している屈曲部３ａ，３ｂ，３ｃ表面に形成されたｐ型ポリシリコン層６とｎ型ポリシリコン層７に不純物を注入する。そして最後に、レジスト膜１２を除去することにより、図3(c)に示す屈曲部３ａ，３ｂ，３ｃが形成される。

以上の説明から明らかなように、本発明の実施形態となる赤外線検知素子１では、梁３を伝導する熱流とｐ型ポリシリコン層６及びｎ型ポリシリコン層７を流れる電流の中心が一致しない屈曲部３ａ，３ｂ，３ｃにおけるｐ型ポリシリコン層６及びｎ型ポリシリコン層７の導電率がその他の部位の導電率より高いので、屈曲部３ａ，３ｂ，３ｃにおいて熱流路長が電流路長に比べて短くなることによって信号雑音比が悪化することを抑制できる。

なお図4(a)に示す支持体５，ｐ型ポリシリコン層６，及びｎ型ポリシリコン層７の表面に図4(b)に示すように酸化膜１３を形成し、図4(c)に示すように屈曲部３ａ，３ｂ，３ｃ表面に形成されたｐ型ポリシリコン層６とｎ型ポリシリコン層７の表面の酸化膜１３をフォトリソグラフィ及びエッチングにより除去し、図４（ｄ）に示すように露出したｐ型ポリシリコン層６及びｎ型ポリシリコン層７の表面にチタン（Ｔｉ），コバルト（Ｃｏ），鉄（Ｆｅ），ニッケル（Ｎｉ）等の金属薄膜１４をスパッタリング等により成膜し、熱処理した後に金属薄膜１４を除去することにより、図4(e)に示すようにｐ型ポリシリコン層６及びｎ型ポリシリコン層７と金属薄膜１４が直接接している部分にシリサイド層１５を形成して低抵抗化を実現してもよい。なおｐ型ポリシリコン層６及びｎ型ポリシリコン層７と金属薄膜１４が酸化膜１３を介して接している領域にはシリサイド層が形成されない。

また図5(a)に示す支持体５，ｐ型ポリシリコン層６，及びｎ型ポリシリコン層７の表面に図5(b)に示すようにポリシリコンエッチング時の停止層として機能させるために１０ｎｍ以上の膜厚の酸化膜１３を形成し、図5(c)に示すように屈曲部３ａ，３ｂ，３ｃ表面に形成されたｐ型ポリシリコン層６とｎ型ポリシリコン層７の表面の酸化膜１３をフォトリソグラフィ及びエッチングにより除去し、図5（ｄ）に示すように表面全体にｐ型ポリシリコン層６，及びｎ型ポリシリコン層７と同程度の膜厚のポリシリコン層１６を形成し、屈曲部３ａ，３ｂ，３ｃ表面に形成されたｐ型ポリシリコン層６及びｎ型ポリシリコン層７の表面上以外のポリシリコン層１６をフォトリソグラフィ及びエッチングによって除去し、ｐ型ポリシリコン層６及びｎ型ポリシリコン層７表面のポリシリコン層１６にそれぞれボロン及びリンをドープすることにより、図5(e)に示すようにｐ型ポリシリコン層６及びｎ型ポリシリコン層７の厚みを増して断面積を大きくすることによって低抵抗化を実現してもよい。このような低抵抗化方法によれば、製造プロセスが若干複雑になるがパターンレイアウトを一切変更することなく低抵抗化を実現できるので、梁３の幅が小さくｐ型ポリシリコン層６を太くすることが困難な場合等に有効となる。

また図6に示すように、屈曲部３ａ，３ｂ，３ｃ表面に形成されたｐ型ポリシリコン層６及びｎ型ポリシリコン層７（領域Ｒ１，Ｒ２のｐ型ポリシリコン層６とｎ型ポリシリコン層７）の幅をその他の領域のｐ型ポリシリコン層６とｎ型ポリシリコン層７の幅より大きくして断面積を大きくすることによって低抵抗化を実現してもよい。このような低抵抗化方法によれば、梁３の幅が通常より広くなるが、製造プロセスを一切変更することなくパターンレイアウトの変更のみで簡便に低抵抗化を実現することができる。

以上、本発明者によってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、本実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。

本発明の実施形態となる赤外線検知素子の構成を示す上面図及び部分拡大図である。梁を伝導する熱流とポリシリコン層を流れる電流の中心が一致しない部位を示す図である。図１に示す赤外線検知素子の製造方法を説明するための断面工程図である。図３に示す赤外線検知素子の製造方法の応用例を説明するための断面工程図である。図３に示す赤外線検知素子の製造方法の応用例を説明するための断面工程図である。図１に示す赤外線検知素子の応用例の構成を示す部分拡大図である。

符号の説明

１：赤外線検知素子
２：受光部
３：梁
３ａ，３ｂ，３ｃ：屈曲部
３ｄ，３ｅ，３ｆ，３ｇ：直線部
４：基板
５：支持体
６：ｐ型ポリシリコン層
７：ｎ型ポリシリコン層
８：被覆部
９：余裕部
１０：温接点
１１ａ，１１ｂ：冷接点

Claims

赤外線を受光する受光部と、
梁を介して前記受光部を支持する基板と、
前記梁上に形成された導体又は半導体からなる感熱体とを有し、
前記感熱体の導電率が場所によって異なり、前記梁を伝導する熱流と感熱体を流れる電流の中心が一致しない部位における感熱体の導電率がその他の部位の導電率より高いこと
を特徴する赤外線検知素子。
請求項１に記載の赤外線検知素子において、
前記梁の屈曲部上に形成された感熱体の導電率がその他の部位の導電率よりも高いことを特徴する赤外線検知素子。
請求項２に記載の赤外線検知素子において、
前記梁の屈曲部上に形成された感熱体の周囲に感熱体よりも導電率の高い材料が感熱体と一体的に形成されていることを特徴とする赤外線検知素子。
請求項２又は請求項３に記載の赤外線検知素子において、
前記感熱体がシリコンにより形成され、感熱体の屈曲部にシリコンとチタン、コバルト、又はタングステンの合金が形成されていることを特徴とする赤外線検知素子。
赤外線を受光する受光部と、
梁を介して前記受光部を支持する基板と、
前記梁上に形成された導体又は半導体からなる感熱体とを有し、
前記感熱体の断面積が場所によって異なり、前記梁の屈曲部上に形成された感熱体の断面積がその他の部位の断面積より大きいこと
を特徴する赤外線検知素子。
請求項５に記載の赤外線検知素子において、
前記梁の屈曲部上に形成された感熱体の厚さがその他の部位の厚さよりも厚いことを特徴する赤外線検知素子。
請求項５又は請求項６に記載の赤外線検知素子において、
前記梁の屈曲部上に形成された感熱体の幅がその他の部位の幅よりも広いことを特徴する赤外線検知素子。