JP2748953B2 - 熱型赤外線センサ - Google Patents

熱型赤外線センサ

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JP2748953B2
JP2748953B2 JP6308604A JP30860494A JP2748953B2 JP 2748953 B2 JP2748953 B2 JP 2748953B2 JP 6308604 A JP6308604 A JP 6308604A JP 30860494 A JP30860494 A JP 30860494A JP 2748953 B2 JP2748953 B2 JP 2748953B2
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尚平 松本
誠 内田
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Nippon Electric Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は，赤外線センサに関し，
特に半導体基板や，薄膜下の犠牲層をエッチングして得
られるダイヤフラム構造を有する熱型赤外線センサに関
する。
【０００２】
【従来の技術】従来，この種の赤外線センサは，図７の
ように，金属若しくは半導体又は金属と半導体の両方の
パターンからなる熱電変換素子３と赤外線吸収率の高い
吸収層４を備え，かつ，シリコンエッチング液等の犠牲
層エッチング液に対し耐腐蝕性を持ち，ストッパーとし
て働く窒化シリコン膜，及び窒化シリコン膜を補強する
酸化シリコン膜を，第１の窒化シリコン膜５１−酸化シ
リコン膜Ｂ５３−第２の窒化シリコン膜５２の３層構造
にした絶縁性の薄膜が，ヒートシンクともなるシリコン
基板１を足掛かりとして中空に保持されたダイヤフラム
構造を有していた（例えば，センサ技術１９８６年７月
号（Vol.6,No.8）『サーモパイル』ｐ66-68 ，IEEE TRA
NACTIONS ON ELECTRON DEVICES Vol.ED-33, No.1, Jan
『A Silicon-Thermopile-Based Infrred Sensing Array
for Use in Automated Manufacturing 』(1986)（『ア
シリコン−サーモパイル−ベイスド インフラレッド
センシング アレイフォウ ユース イン オウトメイ
テッド マニュファクチュアリング』）。
【０００３】或いは，従来この種の赤外線センサは，２
次元信号読み出し用のＭＯＳスキャナ等を表面に設けた
シリコン基板上の酸化シリコン膜上にパターニングした
ポリシリコンの犠牲層上に，金属若しくは半導体又は金
属と半導体の両方のパターンから成る熱電変換素子を保
持した絶縁性の薄膜を成膜し，最終工程で上記の犠牲層
をエッチングして得られるダイヤフラム構造を有してい
た。
【０００４】このような犠牲層方式により形成されたダ
イヤフラム構造の最も進んだ構造として，犠牲層エッチ
ングにより形成されたダイヤフラムが，受光部とヒート
シンクともなる基板との間を連結する細長い梁によって
保持されるタイプがある。このタイプは，熱を分離する
効率（熱分離効率）が更に高く，赤外線に対し高感度を
実現するダイヤフラム構造として有望視されている。こ
のような例は，エスピーアイイー誌 巻．１６８９ イ
ンフラレッド イメージング システムズ （１９９２
３７９頁 「ステータス オブ アンクールド イン
フラレッド シメージャーズ」（SPIE Vol. 1689 Infra
red Imaging Systems (1992)/379「Status of uncooled
infrared imagers 」）に記載されている。この例で
は，バイポーラトランジスタからなる信号処理回路上
に，図８に示すような主な第２の窒化シリコン膜５２か
らなる，２本の梁１８によって支えられたダイヤフラム
構造６０が形成されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】図７の従来例におい
て，窒化シリコン膜と酸化シリコン膜の内部応力は，そ
れぞれ引張り応力，圧縮応力である。このため，窒化シ
リコン膜と酸化シリコン膜でダイヤフラム構造を形成す
るには，窒化シリコン膜−酸化シリコン膜−窒化シリコ
ン膜のようなサンドイッチ構造にして，それぞれの応力
を相殺し，全体としてダイヤフラム構造に張りを持たせ
ている。その結果，薄膜の厚さが厚くなり，赤外線セン
サとしての応答性が悪くなる。又，窒化シリコンの熱伝
導率は，１．８×１０-1Ｗ／ｃｍＫ程度であり，酸化シ
リコンの熱伝導度１．４×１０-2Ｗ／ｃｍＫに比較し
て，熱伝導度が約１０倍大きいので，窒化シリコン膜厚
が少しでも厚くなると，薄膜の熱は，外周のヒートシン
クに逃げ易くなり，さらに温度上昇が小さくなるので熱
型赤外線センサとしての感度は急激に悪くなる。即ち，
被写体の温度分解能，あるいは，吸収した熱量の測定精
度が悪くなる。
【０００６】また，酸化シリコン膜の内部応力は通常で
は圧縮応力のため，犠牲層をエッチングにより除去した
後は，圧縮応力が解放され酸化シリコン膜が伸張しよう
とする伸張力を得る。それゆえ，ダイヤフラムの薄膜が
酸化シリコン膜のみから成る場合，ダイヤフラムの周囲
が固定されているためダイヤフラムに，たるみが生じ垂
れ下がる。その結果，犠牲層の下地に接触してダイヤフ
ラムの熱は下地に逃げ，熱型赤外線センサとしての感度
は極端に悪くなる。
【０００７】図８の細長い梁で支えるダイヤフラムの場
合においても，酸化膜のダイヤフラムの場合は，図７の
場合と同様の垂れ下がりが生じる。そのため窒化膜を用
いてダイヤフラムに張りを持たせている。従って図７の
場合と同様に熱の逃げが大きいという欠点があることは
明かである。
【０００８】又，極めて薄い窒化シリコン膜の内部応力
は，成膜条件により大きく左右されるため，窒化シリコ
ン膜を使用したサンドイッチ構造の複合膜の内部応力
は，予想するのが難しい。このため，シリコンエッチン
グ終了後，薄膜が反り返ったり，割れたりする可能性が
ある。
【０００９】又，極めて薄い窒化シリコン膜の形成は，
厚膜の形成とは異なり，ウエハ面内での膜厚のばらつき
が無視できない程大きい。このため，上記ダイヤフラム
を２次元アレイ化した場合，ダイヤフラム間のバラツキ
が大きく，赤外線センサの２次元化には適さない。
【００１０】そこで，本発明の第１の技術的課題は，熱
伝導率の高い窒化シリコン膜を主な薄膜として用いるこ
と無く，ダイヤフラムの垂れ下がりによる下地接触を防
止し，感度の向上した熱型赤外センサを提供することに
ある。
【００１１】また，本発明の第２の技術的課題は，ダイ
ヤフラムを２次元アレイ化した場合，ダイヤフラム間の
ばらつきがなく，赤外線センサの２次元化に適した熱型
赤外線センサを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明によれば，熱電変
換素子および赤外線吸収層とを基板に橋架保持された絶
縁性の薄膜に設けたダイヤフラム構造を備えた熱型赤外
線センサにおいて，前記薄膜は，前記赤外線吸収層を設
けた薄膜部分から延在し前記基板と連結し前記薄膜部分
を支持する支持部を備えるとともに，前記基板面寄りの
第１の絶縁層と，前記第１の絶縁層よりも前記基板面か
ら離間した第２の絶縁層とを備え，前記支持部において
は，前記第１の絶縁層は，前記支持部の前記薄膜部分周
辺の領域で，前記第２の絶縁層よりも強い伸張力を有
し，前記第１の絶縁層及び前記第２の絶縁層は，互いに
成膜方法又は熱履歴の異なる酸化シリコンで形成されて
おり，前記第１の絶縁層は，熱処理を施した常圧ＣＶＤ
による酸化シリコンからなり，第２の絶縁層は熱処理を
弱く施すか，又は熱処理を全く施さない常圧ＣＶＤによ
る酸化シリコンからなることを特徴とする熱型赤外線セ
ンサが得られる。
【００１３】また，本発明によれば，熱電変換素子およ
び赤外線吸収層とを基板に橋架保持された絶縁性の薄膜
に設けたダイヤフラム構造を備えた熱型赤外線センサに
おいて，前記薄膜は，前記赤外線吸収層を設けた薄膜部
分から延在し前記基板と連結 し前記薄膜を支持する支持
部を備えるとともに，前記基板面寄りの第１の絶縁層
と，前記第１の絶縁層よりも前記基板面から離間した第
２の絶縁層とを備え，前記支持部においては，前記第１
の絶縁層は，前記支持部の前記薄膜部分周辺の領域で，
前記第２の絶縁層よりも強い伸張力を有し，前記第１の
絶縁層及び前記第２の絶縁層は，互いに成膜方法又は熱
履歴の異なる酸化シリコンで形成されており，前記第１
の絶縁層が減圧ＣＶＤ成長による酸化シリコンからな
り，前記第２の絶縁層は，プラズマＣＶＤ成長もしくは
常圧ＣＶＤ成長による酸化シリコンからなることを特徴
とする熱型赤外線センサが得られる。
【００１４】また，本発明によれば，熱電変換素子およ
び赤外線吸収層とを基板に橋架保持された絶縁性の薄膜
に設けたダイヤフラム構造を備えた熱型赤外線センサに
おいて，前記薄膜は，前記赤外線吸収層を設けた薄膜部
分から延在し前記基板と連結し前記薄膜を支持する支持
部を備えるとともに，前記基板面寄りの第１の絶縁層
と，前記第１の絶縁層よりも前記基板面から離間した第
２の絶縁層とを備え，前記支持部においては，前記第１
の絶縁層は，前記支持部の前記薄膜部分周辺の領域で，
前記第２の絶縁層よりも強い伸張力を有し，前記第１の
絶縁層及び前記第２の絶縁層は，互いに成膜方法又は熱
履歴の異なる酸化シリコンで形成されており，前記第１
の絶縁層がプラズマＣＶＤ成長による酸化シリコンから
なり，前記第２の絶縁層が常圧ＣＶＤ成長による酸化シ
リコンからなることを特徴とする熱型赤外線センサが得
られる。
【００１５】また，本発明によれば，前記いずれかの熱
型赤外線センサにおいて，前記第１の絶縁層は前記中央
領域では支持部側もしくは外周寄りの領域に比べより薄
いか若しくは無いことを特徴とする熱型赤外線センサが
得られる。
【００１６】また，本発明によれば，熱電変換素子およ
び赤外線吸収層とを基板に橋架保持された絶縁性の薄膜
に設けたダイヤフラム構造を備えた熱型赤外線センサに
おいて，前記薄膜は，前記赤外線吸収層を設けた薄膜部
分から延在し前記基板と連結し前記薄膜を支持する支持
部を備えるとともに，前記基板面寄りの第１の絶縁層
と，前記第１の絶縁層よりも前記基板面から離間した第
２の絶縁層とを備え，前記支持部においては，前記第１
の絶縁層は，前記支持部の前記薄膜部分周辺の領域で，
前記第２の絶縁層よりも強い伸張力を有し，前記第１の
絶縁層は前記中央領域では支持部側もしくは外周寄りの
領域に比べより薄いか若しくは無いことを特徴とする熱
型赤外線センサが得られる。
【００１７】また，本発明によれば，前記熱型赤外線セ
ンサにおいて，前記第１の絶縁層及び前記第２の絶縁層
は，互いに成膜方法又は熱履歴の異なる酸化シリコンで
形成されていることを特徴とする熱型赤外線センサが得
られる。
【００１８】また，本発明によれば，前記いずれかの熱
型赤外線センサにおいて，前記ダイヤフラム構造の中央
領域において，前記第１の絶縁層の下に接して前記第１
の絶縁層より収縮力の強い収縮補強層を設けたことを特
徴とする熱型赤外線センサが得られる。
【００１９】また，本発明によれば，熱電変換素子およ
び赤外線吸収層とを基板に橋架保持された絶縁性の薄膜
に設けたダイヤフラム構造を備えた熱型赤外線センサに
おいて，前記薄膜は，前記赤外線吸収層を設けた薄膜部
分から延在し前記基板と連結し前記薄膜を支持する支持
部を備えるとともに，前記基板面寄りの第１の絶縁層
と，前記第１の絶縁層よりも前記基板面から離間した第
２の絶縁層とを備え，前記支持部においては，前記第１
の絶縁層は，前記支持部の前記薄膜部分周辺の領域で，
前記第２の絶縁層よりも強い伸張力を有し，前記ダイヤ
フラム構造の中央領域において，前記第１の絶縁層の下
に接して前記第１の絶縁層より収縮力の強い収縮補強層
を設けたことを特徴とする熱型赤外線センサが得られ
る。
【００２０】また，本発明によれば，前記熱型赤外線セ
ンサにおいて，前記第１の絶縁層及び前記第２の絶縁層
は，互いに成膜方法又は熱履歴の異なる酸化シリコンで
形成されていることを特徴とする熱型赤外線センサが得
られる。
【００２１】また，本発明によれば，前記いずれかの熱
型赤外線センサにおいて，前記ダイヤフラム構造の中央
領域においてのみ，前記第２の絶縁層の上に前記第２の
絶縁層より伸張力の強い伸長補強層を設けたことを特徴
とする熱型赤外線センサが得られる。
【００２２】また，本発明によれば，熱電変換素子およ
び赤外線吸収層とを基板に橋架保持された絶縁性の薄膜
に設けたダイヤフラム構造を備えた熱型赤外線センサに
おいて，前記薄膜は，前記赤外線吸収層を設けた薄膜部
分から延在し前記基板と連結し前記薄膜を支持する支持
部を備えるとともに，前記基板面寄りの第１の絶縁層
と，前記第１の絶縁層よりも前記基板面から離間した第
２の絶縁層とを備え，前記支持部においては，前記第１
の絶縁層は，前記支持部の前記薄膜部分周辺の領域で，
前記第２の絶縁層よりも強い伸張力を有し，前記ダイヤ
フラム構造の中央領域においてのみ，前記第２の絶縁層
の上に前記第２の絶縁層より伸張力の強い伸長補強層を
設けたことを特徴とする熱型赤外線センサが得られる。
【００２３】また，本発明によれば，前記熱型赤外線セ
ンサにおいて，前記第１の絶縁層及び前記第２の絶縁層
は，互いに成膜方法又は熱履歴の異なる酸化シリコンで
形成されていることを特徴とする熱型赤外線センサが得
られる。
【００２４】また，本発明によれば，前記いずれかの熱
型赤外線センサにおいて，前記薄膜は，前記支持部を介
して前記基板もしくはダイヤフラム外周部から支持され
ていることを特徴とする熱型赤外線センサが得られる。
【００２５】また，本発明によれば，前記いずれかの熱
型赤外線センサにおいて，前記薄膜は，前記支持部を介
して前記基板面に対して離間して保持されていることを
特徴とする熱型赤外線センサが得られる。
【００２６】また，本発明によれば，熱電変換素子およ
び赤外線吸収層とを基板に橋架保持された絶縁性の薄膜
に設けたダイヤフラム構造を備えた熱型赤外線センサに
おい て，前記薄膜は，前記赤外線吸収層を設けた薄膜部
分から延在し前記基板と連結し前記薄膜を支持する支持
部を備えるとともに，前記基板面寄りの第１の絶縁層
と，前記第１の絶縁層よりも前記基板面から離間した第
２の絶縁層とを備え，前記支持部においては，前記第１
の絶縁層は，前記支持部の前記薄膜部分周辺の領域で，
前記第２の絶縁層よりも強い伸張力を有し，前記薄膜
は，前記支持部を介して前記基板面に対して離間して保
持されていることを特徴とする熱型赤外線センサが得ら
れる。
【００２７】また，本発明によれば，前記熱型赤外線セ
ンサにおいて，前記第１の絶縁層及び前記第２の絶縁層
は，互いに成膜方法又は熱履歴の異なる酸化シリコンで
形成されていることを特徴とする熱型赤外線センサが得
られる。
【００２８】さらに，本発明によれば，前記いずれかの
熱型赤外線センサにおいて，前記支持部は前記薄膜の一
端と前記基板とを接続する梁からなることを特徴とする
熱型赤外線センサが得られる。
【００２９】
【実施例】次に，本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。
【００３０】（実施例１） まず，実施例１を製造プロセスを追って説明する。図１
にダイヤフラムの薄膜が二層の酸化シリコン膜から形成
されている場合の熱型赤外線センサの断面図を示す。下
面に基板保護の酸化シリコン膜５６を有するシリコン基
板２の赤外線入射側に厚さ約２０００オングストローム
の常圧ＣＶＤ酸化シリコン膜（第１の酸化シリコン膜）
１１を成長させ，次に９００℃，３０分間の熱処理を施
す。引き続き，厚さ約１０００オングストロームの常圧
ＣＶＤ酸化シリコン膜（第２の酸化シリコン膜Ａ）１２
を成長させ，今度は熱処理しない。その後も，完成する
迄，７００℃以上の熱処理は行なわない。
【００３１】次に，熱電変換素子３をパターニングした
後，常圧ＣＶＤ成長により全面に保護用の，厚さ約３０
００オングストロームの第２の酸化シリコン膜Ｂ１３を
成長させる。
【００３２】熱処理後の第１の酸化シリコン膜１１の圧
縮応力は，−５〜−６×１０9 dyn/cm2 程度で，その大
きさは，第２の酸化シリコン膜Ａ１２及び第２の酸化シ
リコン膜Ｂ１３の圧縮応力の約２倍の大きさである。こ
のため，ダイヤフラムのシリコン基板２側の第１の酸化
シリコン膜１１と，ダイヤフラムの赤外線入射側の第２
の酸化シリコン膜Ａ１２及び保護膜（第２の酸化シリコ
ン膜Ｂ１３）の応力差のため，下向きに反り返ることに
より，その撓みを吸収し，ダイヤフラムに張りを生じる
ことができる。
【００３３】薄膜上に赤外線吸収層４をパターニングし
た後，薄膜とは逆の方向からＴＭＡＨ（テトラメチルア
ンモニウムハイドロオキサイド），ヒドラジン，水酸化
カリウム等で，シリコン基板２をエッチングし，ダイヤ
フラムを完成する。尚，本発明において，薄膜におい
て，赤外線吸収層４を保持した薄膜部分以外の薄膜部分
周辺の薄膜を支持部と呼び，以下の実施例においても同
様に呼ぶ。
【００３４】又，図示はしないが，本発明の実施例１
は，犠牲層をエッチングして作るタイプのダイヤフラム
に対しても適用できる。
【００３５】（実施例２） 本発明の実施例２について，２次元信号読み出し用のＭ
ＯＳスキャナを表面に設けたシリコン基板上に，犠牲層
方式によりダイヤフラムを形成する熱型赤外線センサの
場合を例に取り説明する。
【００３６】図２（ａ）及び（ｂ）はダイヤフラム構造
の薄膜が２種類の酸化シリコン膜から形成されている場
合の熱型赤外線センサを示す断面図である。
【００３７】図２（ａ）に示すように，熱型赤外線セン
サは，２次元信号読み出し用のＭＯＳスキャナ等を表面
に作り込んであるシリコン基板２と，シリコン基板２の
表面に形成された酸化シリコン基板保護膜２ａと，空洞
部１１ｂを有し，上部に孔部１１ａを有する２０００オ
ングストロームの厚さの第１の酸化シリコン膜１１と，
孔部１１ａを塞いで形成され，中央部に窪み１２ａを有
する２０００オングストロームの厚さの第２の酸化シリ
コン膜Ａ１２と，この窪み１２ａを含む第２のシリコン
膜Ａ１２を覆うとともに，熱電変換素子３と，中央部に
くぼみ１３ａを有し，この熱電変換素子３を覆う第２の
シリコン膜Ｂ１３と，このくぼみ１３ａを覆うように形
成された赤外線吸収層４とを備えている。尚，符号６は
製造工程の際，空洞を形成するために用いられるスルー
ホールである。
【００３８】次に，図２（ｂ）を用いて，図２（ａ）に
示された熱型赤外線センサのダイヤフラム構造の製造方
法について説明する。図２（ｂ）に示すように，先ず，
２次元信号読み出し用のＭＯＳスキャナ等を表面に作り
込んであるシリコン基板２の最表面の酸化シリコン基板
保護膜２ａ上に，犠牲層となるポリシリコンを厚さ５０
００オングストローム成長させた後，フォトレジスト法
と選択エッチング法とによりメサ状の犠牲層ポリシリコ
ン７を形成する。その後，成長温度８００℃にて減圧Ｃ
ＶＤ法により厚さ約２０００オングストロームの第１の
酸化シリコン膜１１を成長させ，フォトレジスト法と選
択エッチング法によりダイヤフラムの中央部を除去し
て，孔部１１ａを形成する。引き続き，常圧ＣＶＤ法に
より厚さ約２０００オングストロームの第２の酸化シリ
コン膜Ａ１２を成長させた。
【００３９】次に，熱電変換素子３を中央にパターニン
グした後，全面に，厚さ約２０００オングストロームの
表面保護用の第２の酸化シリコン膜Ｂ１３をプラズマＣ
ＶＤ法により成長させる。ダイヤフラムの表面保護膜用
の第２の酸化シリコン膜Ｂ１３上に真空蒸着法及びフォ
トレジストを用いたリフトオフ法等によりニッケルクロ
ムの赤外線吸収層４を形成した後，フォトレジスト法と
選択エッチング法とによりダイヤフラムの周辺の一部に
犠牲層ポリシリコン７まで至るようにスルーホール６を
形成し，最後にＴＭＡＨ（テトラメチルアンモニウムハ
イドロオキサイド），ヒドラジン等により形成されたス
ルーホール６を通して犠牲層ポリシリコン７を選択的に
エッチングすることにより，図２（ａ）に示すように薄
膜の下に空洞１１ｂを有するダイヤフラムが出来上が
る。
【００４０】減圧ＣＶＤ法により成長した第１の酸化シ
リコン膜１１の圧縮応力は，プラズマＣＶＤ法による第
２の酸化シリコン膜Ａ１２及び第２の酸化シリコン膜Ｂ
１３の圧縮応力の２倍以上の大きさである。従って，ダ
イヤフラムの外周寄りの領域においては上層の絶縁膜が
下層の絶縁膜に比べ，より圧縮応力の小さいバイメタル
構造となっている。このため，犠牲層エッチングにより
薄膜の内部応力が解放されると下層の第１の酸化シリコ
ン膜１１は第２の酸化シリコン膜Ａ及びＢ１２及び１３
より伸張する形でその先端が上に反り，中央部の酸化膜
のたるみを吸収し，ダイヤフラム全体を上方部に維持す
る張りを生じさせる。
【００４１】また，第１の酸化シリコン膜１１として減
圧ＣＶＤの代わりに，圧縮応力のより小さいプラズマＣ
ＶＤ法による酸化シリコン膜を使用し第２の酸化シリコ
ン膜として圧縮応力が，前記プラズマＣＶＤ法による酸
化シリコン膜より更に小さい常圧ＣＶＤ法を使用する場
合のように，製法が異なる組み合わせによっても，下層
の方が圧縮応力がより大きいならば本発明の実施例２に
よるものと同様の効果が期待できることは明かである。
【００４２】（実施例３） 図３（ａ）及び図３（ｂ）は本発明の実施例３に係る赤
外線センサを示す図で，図３（ａ）は完成図を，図３
（ｂ）は製造工程をそれぞれ示している。
【００４３】図２（ａ），（ｂ）の実施例２において
は，ダイヤフラムの中央部において，第１の酸化シリコ
ン膜１１を選択エッチングにより完全に除去したが，途
中迄のエッチングにより，例えば，５００オングストロ
ーム程度に薄く残した図３（ａ），（ｂ）で示されるよ
うな実施例３においても本発明の実施例２によるものと
同様の効果は期待される。図３（ａ）及び（ｂ）で示さ
れる実施例３の場合は，また，熱電変換素子３が露出し
ないため図２の第２の酸化シリコン膜Ａ１２は無くても
良いことは明かである。
【００４４】（実施例４） 図４は本発明の実施例４による熱型赤外線センサを示す
断面図であり，このセンサはダイヤフラム構造の薄膜が
窒化膜と２種類の酸化シリコン膜とから形成されてい
る。図４（ａ）に示すように，図２（ａ）に示す実施例
２の構造から，第２の酸化シリコン膜Ａ１２を除去し，
空洞１１ｂ上部の中央部に窒化シリコン膜８を形成し，
その上から全面に第１の酸化シリコン膜１１を設けた構
造を有している。その他は，実施例２と同様である。窒
化シリコン膜８の内部応力は引っ張り応力であり，その
値は，５〜１０×１０9 dyn/cm2 で第１の酸化シリコン
膜１１の圧縮応力値と符号が反対であるため，ダイヤフ
ラム構造の中央において平坦ないしは中心部が上に凸の
形状あるいは平坦に近い形状が得られる形でダイヤフラ
ムに張りが生じる。ダイヤフラム構造の外周寄りの領域
では図２（ａ）同様，ダイヤフラム構造の中央部に向か
って上に反る形状である。尚，第２の酸化シリコン膜Ａ
１２は除去しなくとも，本発明が成り立つことはいうま
でもない。図４（ａ）に示す構造の製造方法は，図４
（ｂ）に示すように図２（ｂ）の第１の酸化シリコン膜
１１を形成する前に，ＬＰＣＶＤ法により厚さ約５００
オングストローム成長した窒化シリコン膜８を受光部領
域となるダイヤフラムの中央部のみに残し，それ以外は
図２（ｂ）と同様に作製している。
【００４５】（実施例５） 図５は本発明の実施例５に係る赤外線センサを示す断面
図であり，このセンサはダイヤフラム構造の薄膜が２種
類ないし３種類の酸化シリコン膜から形成されている。
図５（ａ）に示すように，図４（ａ）に示す実施例４の
構造において，窒化シリコン膜８を省略して，第２の酸
化シリコン膜Ｂ１３と，赤外線吸収層６との間に第２の
酸化シリコン膜Ｃ１４を介在させた構造を有している。
プラズマＣＶＤ法による第２の酸化シリコン膜Ｃ１５の
内部応力は圧縮応力であり，その値は，２×１０9 dyn/
cm2 程度で減圧ＣＶＤ法による第１の酸化シリコン膜１
１の圧縮応力値の約１／２倍であるが，プラズマＣＶＤ
による第２の酸化シリコン膜の厚さを第１の酸化シリコ
ン膜の２倍以上にすることにより，ダイヤフラムの中央
部において中心部が上に凸か平坦な形状あるいは平坦に
近い形状となる。一方ダイヤフラムの外周寄りの領域で
は図４（ａ）と同様に，ダイヤフラム中央部に向かって
上に反る形状であり，このダイヤフラムの外周寄りの領
域での反りによりダイヤフラムに張りが生じる。図５
（ａ）に示す熱型赤外線センサは以下のように作製され
ている。図５（ｂ）に示すように，図４（ｂ）の第２の
酸化シリコン膜Ｂ１３を成長後に，プラズマ法により厚
さ約２０００オングストローム成長した第２の酸化シリ
コン膜Ｃ１５をフォトレジスト法と選択エッチング法に
より，受光領域となるダイヤフラムの中央部のみに残
し，それ以外は図２（ｂ）と同様に作成したものであ
る。
【００４６】（実施例６） 図６は本発明の実施例６に係る赤外線センサを示す俯瞰
図である。上記の実施例２〜実施例５は図８で示す従来
例のように受光部を二つの梁で中空若しくは真空中に支
えるタイプのダイヤフラムの場合にも同様に適用でき，
ダイヤフラム構造の赤外線吸収層４を保持する薄膜部分
を支持する支持部もしくは外周寄りの領域を梁の部分と
考えれば良い。
【００４７】図６の俯瞰図において，実施例２の図２
（ａ）に適用した場合では，梁領域の支持部もしくは外
周寄りでは下層に減圧ＣＶＤ法による第１の酸化シリコ
ン膜１１を形成し，上層にプラズマＣＶＤ法による第２
の酸化シリコン膜Ａ１２及びＢ１３を形成し，受光部及
び梁の受光部寄りでは下層の第１の酸化シリコン膜１１
がない構造となっている。このような構造でも梁領域の
外周寄りから受光部のある中央領域寄りに向けてダイヤ
フラムが上に反り，下地に接触することはない。
【００４８】以上の実施例について，第１の酸化シリコ
ン膜，第２の酸化シリコン膜の組み合わせとして，熱処
理を施した常圧ＣＶＤ法による膜，ＬＰＣＤ法による膜
とプラズマＣＶＤ法による膜，あるいは，プラズマＣＶ
Ｄ法による膜と常圧ＣＶＤ法による膜等の組み合わせの
ように，前者よりも後者の方が圧縮応力が小さい。ある
いは，引っ張り応力がより大きい膜の組み合わせについ
ても，本発明が成立するのは当然である。
【００４９】
【発明の効果】以上説明したように本発明は，金属若し
くは半導体又は金属と半導体の両方のパターンを支持
し，かつ，半導体のエッチング液に対し耐腐蝕性を持つ
絶縁物の薄膜を，成膜方法又は熱履歴の異なる２種類以
上の酸化シリコンで形成する。
【００５０】酸化シリコン膜の内部応力は，成膜方法や
熱履歴により，引張り・圧縮のいずれにすることも可能
である。従って，本発明のように，応力の向きが異なる
かもしくは応力の程度の異なる２種類の酸化シリコン膜
を組み合わせることで，従来，応力緩和のために使用し
てきた酸化シリコン膜全体を覆う窒化シリコン膜を広範
囲の面積に使用することが不要となる。その結果，薄膜
の熱がヒートシンクへ逃げ難くなり，薄膜とヒートシン
クとの温度差が大きくなり，熱型赤外線センサとしての
感度が向上する。
【００５１】又，予想し難い内部応力を持つ，極めて薄
く広範囲の面積の窒化シリコン膜を使用しなくて済むの
で，薄膜の内部応力は十分予測可能となり，シリコンエ
ッチング終了後に薄膜が不均一に反り返ったり，割れた
りすることは無い。
【００５２】又，極めて薄い窒化シリコン膜を使用しな
くて済むので，ウエハ面内での膜厚のばらつきは，無視
できる程度に小さい。このため上記ダイヤフラムを２次
元アレイ化した場合，ダイヤフラム間の浮き方のばらつ
きは殆ど無い。
【００５３】また，本発明では，金属若しくは半導体又
は金属と半導体の両方のパターンからなる熱電変換素子
および赤外線吸収層を有する絶縁性の薄膜により構成さ
れるダイヤフラム，若しくは前記ダイヤフラムの受光部
を基板と連結し支持する梁が，少なくともその外周寄り
の領域において，下層部である第１の絶縁層の方が，上
層部である第２の絶縁層より圧縮応力がより強く，従っ
て伸張力のより強いバイメタル構造を持ち，また下層部
である第１の絶縁層が，ダイヤフラムの基板寄りの領域
に比べ中央領域において，薄いか若しくは無いことによ
って，あるいは最下層に窒化膜を形成したり，最上層に
プラズマ酸化膜を形成することによって，中央部が上に
凸の力を受けるためダイヤフラムの中央領域を中空に持
ち上げ熱分離を効果的に行うことができる。
【００５４】更に，ダイヤフラムの基板寄りの領域にお
いて，第１の絶縁層が減圧ＣＶＤ法による酸化シリコン
層からなり，第２の絶縁層がプラズマ酸化膜又は常圧Ｃ
ＶＤ法による酸化シリコン層からなることによって，上
記薄膜が熱伝導率が，例えば，１．４×１０-2Ｗ／ｃｍ
Ｋのように小さい酸化シリコン膜からなり，従来のよう
な熱伝導率が，例えば，１．８×１０-1Ｗ／ｃｍＫのよ
うに一桁大きい窒化シリコン膜を用いるときと比べ熱分
離効率が高められるため，非常に高感度の赤外線センサ
を実現できる。
【００５５】酸化シリコン膜の内部応力は，成膜方法に
より，引張り・圧縮のいずれにすることも可能である。
従って，本発明のように，応力の向きが異なるあるいは
応力の差の大きい２種類の酸化シリコン膜を組み合わせ
ることで，薄膜の反り具合も調節可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１のダイヤフラムの薄膜が２層
から形成される熱型赤外線センサの断面図である。
【図２】本発明の実施例２の，ダイヤフラムの薄膜が基
板寄りの領域においてのみ上層に比べ下層がより伸張力
を有する熱型赤外線センサの断面図であり，各々（ａ）
は犠牲層エッチング後，（ｂ）は犠牲エッチング前の断
面図を示す。
【図３】本発明の実施例３の，ダイヤフラムの薄膜が基
板寄りの領域においてのみ上層に比べ下層がより伸張力
を有する熱型赤外線センサの断面図であり，各々（ａ）
は犠牲層エッチング後，（ｂ）は犠牲層エッチング前の
断面図を示す。
【図４】本発明の実施例４の，ダイヤフラムの薄膜が基
板寄りの領域においてのみ上層に比べ下層がより伸張力
を有する熱型赤外線センサの断面図であり，各々（ａ）
は犠牲層エッチング後，（ｂ）は犠牲エッチング前の断
面図を示す。
【図５】本発明の実施例５の，ダイヤフラムの薄膜が基
板寄りの領域においてのみ上層に比べ下層がより伸張力
を有する熱型赤外線センサの断面図であり，各々（ａ）
は犠牲層エッチング後，（ｂ）は犠牲エッチング前の断
面図を示す。
【図６】本発明の実施例６の，受光部が梁により基板と
連結されたダイヤフラムの薄膜が，窒化膜を含まない熱
型赤外線センサの俯瞰図である。
【図７】ダイヤフラムの薄膜が全体に窒化膜を含む従来
例の熱型赤外線センサの断面図である。
【図８】受光部が梁により基板と連結されたダイヤフラ
ムの薄膜が，全体に窒化膜を含む従来例の熱型赤外線セ
ンサの俯瞰図である。
【符号の説明】
２ シリコン基板 ３ 熱電変換素子 ４ 赤外線吸収層 ６ スルーホール ７ 犠牲層ポリシリコン ８ 窒化シリコン膜 １１ 第１の酸化シリコン膜 １１ｂ 空洞 １２ 第２の酸化シリコン膜Ａ １３ 第２の酸化シリコン膜Ｂ １５ 第２の酸化シリコン膜Ｃ １７ 受光部 １８ 梁 ２０ ダイヤフラム構造
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G01J 1/02 C G01J 1/02 R G01J 5/02 B

Claims (17)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 熱電変換素子および赤外線吸収層とを基
    板に橋架保持された絶縁性の薄膜に設けたダイヤフラム
    構造を備えた熱型赤外線センサにおいて，前記薄膜は，
    前記赤外線吸収層を設けた薄膜部分から延在し前記基板
    と連結し前記薄膜部分を支持する支持部を備えるととも
    に，前記基板面寄りの第１の絶縁層と，前記第１の絶縁
    層よりも前記基板面から離間した第２の絶縁層とを備
    え， 前記支持部においては，前記第１の絶縁層は，前記支持
    部の前記薄膜部分周辺の領域で，前記第２の絶縁層より
    も強い伸張力を有し，前記第１の絶縁層及び前記第２の
    絶縁層は，互いに成膜方法又は熱履歴の異なる酸化シリ
    コンで形成されており，前記第１の絶縁層は，熱処理を
    施した常圧ＣＶＤによる酸化シリコンからなり，第２の
    絶縁層は熱処理を弱く施すか，又は熱処理を全く施さな
    い常圧ＣＶＤによる酸化シリコンからなることを特徴と
    する熱型赤外線センサ。
  2. 【請求項２】 熱電変換素子および赤外線吸収層とを基
    板に橋架保持された絶縁性の薄膜に設けたダイヤフラム
    構造を備えた熱型赤外線センサにおいて，前記薄膜は，
    前記赤外線吸収層を設けた薄膜部分から延在し前記基板
    と連結し前記薄膜を支持する支持部を備えるとともに，
    前記基板面寄りの第１の絶縁層と，前記第１の絶縁層よ
    りも前記基板面から離間した第２の絶縁層とを備え，前
    記支持部においては，前記第１の絶縁層は，前記支持部
    の前記薄膜部分周辺の領域で，前記第２の絶縁層よりも
    強い伸張力を有し，前記第１の絶縁層及び前記第２の絶
    縁層は，互いに成膜方法又は熱履歴の異なる酸化シリコ
    ンで形成されており，前記第１の絶縁層が減圧ＣＶＤ成
    長による酸化シリコンからなり，前記第２の絶縁層は，
    プラズマＣＶＤ成長もしくは常圧ＣＶＤ成長による酸化
    シリコンからなることを特徴とする熱型赤外線センサ。
  3. 【請求項３】 熱電変換素子および赤外線吸収層とを基
    板に橋架保持された絶縁性の薄膜に設けたダイヤフラム
    構造を備えた熱型赤外線センサにおいて，前記薄膜は，
    前記赤外線吸収層を設けた薄膜部分から延在し前記基板
    と連結し前記薄膜を支持する支持部を備えるとともに，
    前記基板面寄りの第１の絶縁層と，前 記第１の絶縁層よ
    りも前記基板面から離間した第２の絶縁層とを備え，前
    記支持部においては，前記第１の絶縁層は，前記支持部
    の前記薄膜部分周辺の領域で，前記第２の絶縁層よりも
    強い伸張力を有し，前記第１の絶縁層及び前記第２の絶
    縁層は，互いに成膜方法又は熱履歴の異なる酸化シリコ
    ンで形成されており，前記第１の絶縁層がプラズマＣＶ
    Ｄ成長による酸化シリコンからなり，前記第２の絶縁層
    が常圧ＣＶＤ成長による酸化シリコンからなることを特
    徴とする熱型赤外線センサ。
  4. 【請求項４】 請求項１乃至３の内のいずれかに記載の
    熱型赤外線センサにおいて，前記第１の絶縁層は前記中
    央領域では支持部側もしくは外周寄りの領域に比べより
    薄いか若しくは無いことを特徴とする熱型赤外線セン
    サ。
  5. 【請求項５】 熱電変換素子および赤外線吸収層とを基
    板に橋架保持された絶縁性の薄膜に設けたダイヤフラム
    構造を備えた熱型赤外線センサにおいて，前記薄膜は，
    前記赤外線吸収層を設けた薄膜部分から延在し前記基板
    と連結し前記薄膜を支持する支持部を備えるとともに，
    前記基板面寄りの第１の絶縁層と，前記第１の絶縁層よ
    りも前記基板面から離間した第２の絶縁層とを備え，前
    記支持部においては，前記第１の絶縁層は，前記支持部
    の前記薄膜部分周辺の領域で，前記第２の絶縁層よりも
    強い伸張力を有し，前記第１の絶縁層は前記中央領域で
    は支持部側もしくは外周寄りの領域に比べより薄いか若
    しくは無いことを特徴とする熱型赤外線センサ。
  6. 【請求項６】 請求項５記載の熱型赤外線センサにおい
    て，前記第１の絶縁層及び前記第２の絶縁層は，互いに
    成膜方法又は熱履歴の異なる酸化シリコンで形成されて
    いることを特徴とする熱型赤外線センサ。
  7. 【請求項７】 請求項１乃至６の内のいずれかに記載の
    熱型赤外線センサにおいて，前記ダイヤフラム構造の中
    央領域において，前記第１の絶縁層の下に接して前記第
    １の絶縁層より収縮力の強い収縮補強層を設けたことを
    特徴とする熱型赤外線センサ。
  8. 【請求項８】 熱電変換素子および赤外線吸収層とを基
    板に橋架保持された絶縁性の薄膜に設けたダイヤフラム
    構造を備えた熱型赤外線センサにおいて，前記薄膜は，
    前記赤外線吸収層を設けた薄膜部分から延在し前記基板
    と連結し前記 薄膜を支持する支持部を備えるとともに，
    前記基板面寄りの第１の絶縁層と，前記第１の絶縁層よ
    りも前記基板面から離間した第２の絶縁層とを備え，前
    記支持部においては，前記第１の絶縁層は，前記支持部
    の前記薄膜部分周辺の領域で，前記第２の絶縁層よりも
    強い伸張力を有し，前記ダイヤフラム構造の中央領域に
    おいて，前記第１の絶縁層の下に接して前記第１の絶縁
    層より収縮力の強い収縮補強層を設けたことを特徴とす
    る熱型赤外線センサ。
  9. 【請求項９】 請求項８記載の熱型赤外線センサにおい
    て，前記第１の絶縁層及び前記第２の絶縁層は，互いに
    成膜方法又は熱履歴の異なる酸化シリコンで形成されて
    いることを特徴とする熱型赤外線センサ。
  10. 【請求項１０】 請求項１乃至６の内のいずれかに記載
    の熱型赤外線センサにおいて，前記ダイヤフラム構造の
    中央領域においてのみ，前記第２の絶縁層の上に前記第
    ２の絶縁層より伸張力の強い伸長補強層を設けたことを
    特徴とする熱型赤外線センサ。
  11. 【請求項１１】 熱電変換素子および赤外線吸収層とを
    基板に橋架保持された絶縁性の薄膜に設けたダイヤフラ
    ム構造を備えた熱型赤外線センサにおいて，前記薄膜
    は，前記赤外線吸収層を設けた薄膜部分から延在し前記
    基板と連結し前記薄膜を支持する支持部を備えるととも
    に，前記基板面寄りの第１の絶縁層と，前記第１の絶縁
    層よりも前記基板面から離間した第２の絶縁層とを備
    え，前記支持部においては，前記第１の絶縁層は，前記
    支持部の前記薄膜部分周辺の領域で，前記第２の絶縁層
    よりも強い伸張力を有し，前記ダイヤフラム構造の中央
    領域においてのみ，前記第２の絶縁層の上に前記第２の
    絶縁層より伸張力の強い伸長補強層を設けたことを特徴
    とする熱型赤外線センサ。
  12. 【請求項１２】 請求項１１記載の熱型赤外線センサに
    おいて，前記第１の絶縁層及び前記第２の絶縁層は，互
    いに成膜方法又は熱履歴の異なる酸化シリコンで形成さ
    れていることを特徴とする熱型赤外線センサ。
  13. 【請求項１３】 請求項１乃至１２の内のいずれかに記
    載の熱型赤外線センサにおいて，前記薄膜は，前記支持
    部を介して前記基板もしくはダイヤフラム外周部から支
    持されていることを特徴とする熱型赤外線センサ。
  14. 【請求項１４】 請求項１乃至１２の内のいずれかに記
    載の熱型赤外線セン サにおいて，前記薄膜は，前記支持
    部を介して前記基板面に対して離間して保持されている
    ことを特徴とする熱型赤外線センサ。
  15. 【請求項１５】 熱電変換素子および赤外線吸収層とを
    基板に橋架保持された絶縁性の薄膜に設けたダイヤフラ
    ム構造を備えた熱型赤外線センサにおいて，前記薄膜
    は，前記赤外線吸収層を設けた薄膜部分から延在し前記
    基板と連結し前記薄膜を支持する支持部を備えるととも
    に，前記基板面寄りの第１の絶縁層と，前記第１の絶縁
    層よりも前記基板面から離間した第２の絶縁層とを備
    え，前記支持部においては，前記第１の絶縁層は，前記
    支持部の前記薄膜部分周辺の領域で，前記第２の絶縁層
    よりも強い伸張力を有し，前記薄膜は，前記支持部を介
    して前記基板面に対して離間して保持されていることを
    特徴とする熱型赤外線センサ。
  16. 【請求項１６】 請求項１５記載の熱型赤外線センサに
    おいて，前記第１の絶縁層及び前記第２の絶縁層は，互
    いに成膜方法又は熱履歴の異なる酸化シリコンで形成さ
    れていることを特徴とする熱型赤外線センサ。
  17. 【請求項１７】 請求項１乃至１６の内のいずれかに記
    載の熱型赤外線センサにおいて，前記支持部は前記薄膜
    の一端と前記基板とを接続する梁からなることを特徴と
    する熱型赤外線センサ。
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