JP3236860B2 - 熱型赤外線センサの製造方法 - Google Patents
熱型赤外線センサの製造方法Info
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
- G01J5/10—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
- G01J5/20—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using resistors, thermistors or semiconductors sensitive to radiation, e.g. photoconductive devices
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、金属膜または金属
酸化膜を用いた熱型赤外線センサの製造方法に関する。
酸化膜を用いた熱型赤外線センサの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】熱型赤外線センサのボロメータ材料とし
ては、白金等の金属薄膜、酸化バナジウム等の金属酸化
膜を用いることが知られている。
ては、白金等の金属薄膜、酸化バナジウム等の金属酸化
膜を用いることが知られている。
【０００３】例えば、センサーズ・アンド・アクチュエ
ーターズ（Ｓｈｉｅ ａｎｄ Ｗｅｎｇ，Ｓｅｎｓｏｒ
ｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ Ａ３３（１９９２）
ｐ１８３）では、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、
ヒートシンクであるＳｉ基板１０に空間１３を形成して
この空間１３上に梁８を設け、この梁８に感熱部９が設
けられたボロメータ型赤外線アレイセンサが提案されて
いる。この構造では、Ｓｉ基板から熱的に離れた位置に
感熱部９が設けられている。ここで、感熱部９はボロメ
ータ材料によって形成され、且つ、バイアス電極も兼ね
た白金電極１１とＮｉＣｒ赤外線吸収膜１２で構成され
ている。
ーターズ（Ｓｈｉｅ ａｎｄ Ｗｅｎｇ，Ｓｅｎｓｏｒ
ｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ Ａ３３（１９９２）
ｐ１８３）では、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、
ヒートシンクであるＳｉ基板１０に空間１３を形成して
この空間１３上に梁８を設け、この梁８に感熱部９が設
けられたボロメータ型赤外線アレイセンサが提案されて
いる。この構造では、Ｓｉ基板から熱的に離れた位置に
感熱部９が設けられている。ここで、感熱部９はボロメ
ータ材料によって形成され、且つ、バイアス電極も兼ね
た白金電極１１とＮｉＣｒ赤外線吸収膜１２で構成され
ている。
【０００４】ところで、このようなボロメータ型赤外線
センサにおいて、上記ボロメータ材料として酸化バナジ
ウムを用いる場合、比抵抗の制御が不可欠である。すな
わち、バナジウムの原子価数が４〜５までの間に多数の
酸化物結晶相が存在するため、比抵抗が結晶相に応じて
変化するためである。この制御方法として、ジョーゲン
セン、リー等によるソーラー・エナジー・マテリアルズ
１４巻２０５頁１９８６年（Ｊｏｒｇｅｎｓｏｎ ａｎ
ｄ Ｌｅｅ，Ｓｏｌａｒ Ｅｎｅｒｇｙ Ｍａｔｅｒｉ
ａｌｓ １４（１９８６）ｐ２０５）にＮｂ、Ｔａ、
Ｗ、Ｍｏ等の金属不純物元素をドーピングすることによ
る制御方法が開示されている。
センサにおいて、上記ボロメータ材料として酸化バナジ
ウムを用いる場合、比抵抗の制御が不可欠である。すな
わち、バナジウムの原子価数が４〜５までの間に多数の
酸化物結晶相が存在するため、比抵抗が結晶相に応じて
変化するためである。この制御方法として、ジョーゲン
セン、リー等によるソーラー・エナジー・マテリアルズ
１４巻２０５頁１９８６年（Ｊｏｒｇｅｎｓｏｎ ａｎ
ｄ Ｌｅｅ，Ｓｏｌａｒ Ｅｎｅｒｇｙ Ｍａｔｅｒｉ
ａｌｓ １４（１９８６）ｐ２０５）にＮｂ、Ｔａ、
Ｗ、Ｍｏ等の金属不純物元素をドーピングすることによ
る制御方法が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ボロメータ材料のう
ち、白金は酸化されにくいという利点を持つ反面、加工
性に乏しく、Ｓｉ−ＩＣ製造工程では一般に使われてい
ない金属であるため、白金に代わる金属材料が望まれて
いた。
ち、白金は酸化されにくいという利点を持つ反面、加工
性に乏しく、Ｓｉ−ＩＣ製造工程では一般に使われてい
ない金属であるため、白金に代わる金属材料が望まれて
いた。
【０００６】また、金属酸化膜の場合は、薄膜形成手法
のゾルゲル法、スパッタ法、化学堆積法などでの不純物
ドーピング量の制御が困難であるため、前記の制御方法
では十分な比抵抗の制御ができないという問題があっ
た。また、ドーピング量の増加と共に抵抗温度係数が小
さくなってしまうという問題もあった。更に、これらボ
ロメータ材料の膜形成・加工を行った後、少なくとも保
護膜ないし赤外線吸収膜を被せるまでの工程期間でボロ
メータ材料自身の特性が劣化するという問題があった。
のゾルゲル法、スパッタ法、化学堆積法などでの不純物
ドーピング量の制御が困難であるため、前記の制御方法
では十分な比抵抗の制御ができないという問題があっ
た。また、ドーピング量の増加と共に抵抗温度係数が小
さくなってしまうという問題もあった。更に、これらボ
ロメータ材料の膜形成・加工を行った後、少なくとも保
護膜ないし赤外線吸収膜を被せるまでの工程期間でボロ
メータ材料自身の特性が劣化するという問題があった。
【０００７】本発明の目的は、ボロメータ材料を熱型赤
外線センサに適用する際に生じる問題を解決できる製造
方法を提供することにある。
外線センサに適用する際に生じる問題を解決できる製造
方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、白金に代
わるボロメータ材料として、熱伝導率が小さく、Ｓｉ−
ＩＣ製造工程に良く用いられている金属材料のうちＴｉ
をボロメータ材料として使用することを試みた。しか
し、Ｔｉは化学的に活性で、Ｔｉ成膜後の加工や保護膜
形成工程等で酸化されてしまい、ボロメータ材料として
使用するのに重要なファクターである抵抗温度係数が低
下し、感度が落ちてしまうという問題があることがわか
った。しかし、感熱部を形成した後に還元処理を行うこ
とで抵抗温度係数をほぼもとの値に戻すことができるこ
とを見いだした。加えてこの方法は、従来の酸化バナジ
ウム等の金属酸化物材料をボロメータ材料として用いた
場合には抵抗温度係数を保ったまま比抵抗を線形的に制
御することが可能であることが認められた。
わるボロメータ材料として、熱伝導率が小さく、Ｓｉ−
ＩＣ製造工程に良く用いられている金属材料のうちＴｉ
をボロメータ材料として使用することを試みた。しか
し、Ｔｉは化学的に活性で、Ｔｉ成膜後の加工や保護膜
形成工程等で酸化されてしまい、ボロメータ材料として
使用するのに重要なファクターである抵抗温度係数が低
下し、感度が落ちてしまうという問題があることがわか
った。しかし、感熱部を形成した後に還元処理を行うこ
とで抵抗温度係数をほぼもとの値に戻すことができるこ
とを見いだした。加えてこの方法は、従来の酸化バナジ
ウム等の金属酸化物材料をボロメータ材料として用いた
場合には抵抗温度係数を保ったまま比抵抗を線形的に制
御することが可能であることが認められた。
【０００９】すなわち、本発明の熱型赤外線センサの製
造方法は、従来と同様な方法によって少なくとも金属も
しくは金属酸化物よりなるボロメータ材料と、赤外線吸
収膜とを備えた感熱部を形成した後に、水素ガスを含む
還元性雰囲気中で熱処理を行う工程を有することを特徴
としている。還元性雰囲気は、真空排気された容器にア
ルゴンと水素混合ガスよりなる還元性ガスを導入するこ
とや、薄膜を形成したウェハを常圧の拡散炉に置き、水
素ガスよりなる還元性ガスを一定量流すことによって得
ることが可能である。
造方法は、従来と同様な方法によって少なくとも金属も
しくは金属酸化物よりなるボロメータ材料と、赤外線吸
収膜とを備えた感熱部を形成した後に、水素ガスを含む
還元性雰囲気中で熱処理を行う工程を有することを特徴
としている。還元性雰囲気は、真空排気された容器にア
ルゴンと水素混合ガスよりなる還元性ガスを導入するこ
とや、薄膜を形成したウェハを常圧の拡散炉に置き、水
素ガスよりなる還元性ガスを一定量流すことによって得
ることが可能である。
【００１０】この時、熱処理温度は、Ｔｉの場合３５０
〜４００℃で水素ガス中で熱処理を行うことで短時間で
抵抗温度係数を本来の値である０．２％／℃以上にする
ことが可能となる。
〜４００℃で水素ガス中で熱処理を行うことで短時間で
抵抗温度係数を本来の値である０．２％／℃以上にする
ことが可能となる。
【００１１】また、酸化バナジウムは３５０〜４５０℃
程度で熱処理を行うことで抵抗値が０．００２〜０．５
Ωｃｍの酸化バナジウム膜を得ることができる。また、
熱処理を行う雰囲気は還元性の雰囲気であればよいが、
水素を系内に２〜５％程度含むことがボロメータ材料と
の反応が促進されるために好ましい。
程度で熱処理を行うことで抵抗値が０．００２〜０．５
Ωｃｍの酸化バナジウム膜を得ることができる。また、
熱処理を行う雰囲気は還元性の雰囲気であればよいが、
水素を系内に２〜５％程度含むことがボロメータ材料と
の反応が促進されるために好ましい。
【００１２】なお、ボロメータ材料の成膜方法は適宜最
適な方法（ゾルゲル法、スパッタ法、化学堆積法、パル
スレーザーアブレーション法等）を選択することができ
る。
適な方法（ゾルゲル法、スパッタ法、化学堆積法、パル
スレーザーアブレーション法等）を選択することができ
る。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下、本発明による熱型赤外線セ
ンサの製造方法についてより具体的に説明する。
ンサの製造方法についてより具体的に説明する。
【００１４】（実施の形態１）図２（ａ）及び（ｂ）の
ような構造の熱型赤外線センサ素子を、センサ材料、即
ち、ボロメータ材料として膜厚５００オングストローム
（以下、Ａと略記する）のＴｉ薄膜を用いて形成した。
ここでこの素子を単体で、もしくは同素子が一次元もし
くは二次元に配列されたアレイセンサを形成した後、セ
ンサを形成した試料ウェハ１を試料ホルダ２に図１
（ａ）のようにセットし、真空容器に入れて１０-6Ｔｏ
ｒｒ以下の圧力まで真空排気した後、水素ガスを０．２
５気圧導入した。
ような構造の熱型赤外線センサ素子を、センサ材料、即
ち、ボロメータ材料として膜厚５００オングストローム
（以下、Ａと略記する）のＴｉ薄膜を用いて形成した。
ここでこの素子を単体で、もしくは同素子が一次元もし
くは二次元に配列されたアレイセンサを形成した後、セ
ンサを形成した試料ウェハ１を試料ホルダ２に図１
（ａ）のようにセットし、真空容器に入れて１０-6Ｔｏ
ｒｒ以下の圧力まで真空排気した後、水素ガスを０．２
５気圧導入した。
【００１５】次に、ウェハ１をヒータ５によって４００
℃に加熱し、２４時間熱処理を行った。その結果、還元
処理前のＴｉ薄膜の抵抗温度係数０．０７％／℃が、３
倍の０．２１％／℃に向上した。以後、Ｔｉ薄膜は真空
容器内に封止され、赤外線センサと構成した。このよう
にして得られた熱型赤外線センサは３倍の感度を有して
いた。
℃に加熱し、２４時間熱処理を行った。その結果、還元
処理前のＴｉ薄膜の抵抗温度係数０．０７％／℃が、３
倍の０．２１％／℃に向上した。以後、Ｔｉ薄膜は真空
容器内に封止され、赤外線センサと構成した。このよう
にして得られた熱型赤外線センサは３倍の感度を有して
いた。
【００１６】（実施の形態２）図１（ｂ）に示すように
熱型赤外線センサのウェハ１を試料ホルダ２に搭載し、
拡散炉の石英管６の中に設置する。同拡散炉はヒータ５
により予め４００℃に昇温されており、水素ガス７を定
常的に毎分１２リットル流しておく。センサ材料として
実施の形態１と同様な５００ＡのＴｉ薄膜を用いた。２
４時間の熱処理後、処理前のＴｉ薄膜の抵抗温度係数
０．０７％／℃が約４倍の０．３％／℃に改善された。
以後、実施の形態１と同様に赤外線センサを構成したと
ころ、センサの感度が４倍に向上した。
熱型赤外線センサのウェハ１を試料ホルダ２に搭載し、
拡散炉の石英管６の中に設置する。同拡散炉はヒータ５
により予め４００℃に昇温されており、水素ガス７を定
常的に毎分１２リットル流しておく。センサ材料として
実施の形態１と同様な５００ＡのＴｉ薄膜を用いた。２
４時間の熱処理後、処理前のＴｉ薄膜の抵抗温度係数
０．０７％／℃が約４倍の０．３％／℃に改善された。
以後、実施の形態１と同様に赤外線センサを構成したと
ころ、センサの感度が４倍に向上した。
【００１７】（実施の形態３）バナジウムを含むゾル液
を使用ウェハ１上に滴下し、ゾルゲル法によって成膜
し、これを大気中で熱処理することによって膜厚１００
ｎｍの酸化バナジウム膜を形成した。図１（ａ）に示す
ようにこの試料ウェハ１を使用ホルダ２にセットし、真
空容器３に入れて１０-6Ｔｏｒｒ以下の圧力まで真空排
気した後、水素を含む雰囲気としてアルゴンと水素混合
ガスを導入した。水素濃度は５％程度とした。封入時の
圧力を０．２５〜０．５気圧の範囲で変化させ、処理温
度４００℃で８時間の熱処理を行った。その結果、図３
（ａ）に示すように、比抵抗を封入時の圧力に比例して
０．１７〜０．４Ωｃｍの間で変化させることができ
た。
を使用ウェハ１上に滴下し、ゾルゲル法によって成膜
し、これを大気中で熱処理することによって膜厚１００
ｎｍの酸化バナジウム膜を形成した。図１（ａ）に示す
ようにこの試料ウェハ１を使用ホルダ２にセットし、真
空容器３に入れて１０-6Ｔｏｒｒ以下の圧力まで真空排
気した後、水素を含む雰囲気としてアルゴンと水素混合
ガスを導入した。水素濃度は５％程度とした。封入時の
圧力を０．２５〜０．５気圧の範囲で変化させ、処理温
度４００℃で８時間の熱処理を行った。その結果、図３
（ａ）に示すように、比抵抗を封入時の圧力に比例して
０．１７〜０．４Ωｃｍの間で変化させることができ
た。
【００１８】また、抵抗温度係数は図３（ｂ）に示すよ
うに−１．８〜−２．０％／Ｋと圧力にほとんど無関係
で一定とすることができた。また、本発明により還元さ
れた膜４価バナジウムのＶＯ2 よりも酸素がわずかに少
ない、（００１）に配向した数１式であらわされるよう
な結晶相を有していた。
うに−１．８〜−２．０％／Ｋと圧力にほとんど無関係
で一定とすることができた。また、本発明により還元さ
れた膜４価バナジウムのＶＯ2 よりも酸素がわずかに少
ない、（００１）に配向した数１式であらわされるよう
な結晶相を有していた。
【００１９】
【数１】 この結果をＸ線回折で調べた結果を図５に示す。この相
は半導体−金属相転移が１００℃以上と高く、極めて安
定であった。このように、抵抗温度係数に影響を与える
ことなく、膜の比抵抗を制御することができた。
は半導体−金属相転移が１００℃以上と高く、極めて安
定であった。このように、抵抗温度係数に影響を与える
ことなく、膜の比抵抗を制御することができた。
【００２０】（実施の形態４）金属酸化膜として酸化バ
ナジウム膜が形成された試料ウェハ１を図１（ｂ）に示
すように、試料ホルダ２に設置し、拡散炉の石英管６内
に設置した。同拡散炉はヒータ５により予め４００℃に
昇温されており、水素ガス７が定常的に流されている。
水素量を変化させることにより還元力の制御が可能とな
る。図４（ａ）に示すように、水素流量を毎分０．２〜
２．０リットルまで変化させることにより、比抵抗は
０．１２〜０．３Ωｃｍの範囲で制御することができ
た。また、図４（ｂ）に示すように抵抗温度係数は水素
流量に無関係に−２．２％／Ｋで一定とすることができ
た。
ナジウム膜が形成された試料ウェハ１を図１（ｂ）に示
すように、試料ホルダ２に設置し、拡散炉の石英管６内
に設置した。同拡散炉はヒータ５により予め４００℃に
昇温されており、水素ガス７が定常的に流されている。
水素量を変化させることにより還元力の制御が可能とな
る。図４（ａ）に示すように、水素流量を毎分０．２〜
２．０リットルまで変化させることにより、比抵抗は
０．１２〜０．３Ωｃｍの範囲で制御することができ
た。また、図４（ｂ）に示すように抵抗温度係数は水素
流量に無関係に−２．２％／Ｋで一定とすることができ
た。
【００２１】また本発明の製造方法により膜の結晶相は
実施の形態３と４で示した図５の４価のＶＯ2 よりも酸
素がわずかに少ない数２式の結晶相で構成されていた。
実施の形態３と４で示した図５の４価のＶＯ2 よりも酸
素がわずかに少ない数２式の結晶相で構成されていた。
【００２２】
【数２】 この相は、半導体−金属相転移が１００℃以上と高く、
極めて安定であった。
極めて安定であった。
【００２３】
【発明の効果】以上のように、本発明による熱型赤外線
センサの製造方法によれば、プロセスが終了した後に水
素ガスを含む還元性雰囲気中で熱処理を行うことによっ
て、金属または金属酸化膜の抵抗温度係数として所望の
値を得ることができるので、ボロメータ型赤外線センサ
の感度を数倍向上することが可能となる。また、金属酸
化膜の場合には、容易に同膜の比抵抗の制御が可能であ
る。
センサの製造方法によれば、プロセスが終了した後に水
素ガスを含む還元性雰囲気中で熱処理を行うことによっ
て、金属または金属酸化膜の抵抗温度係数として所望の
値を得ることができるので、ボロメータ型赤外線センサ
の感度を数倍向上することが可能となる。また、金属酸
化膜の場合には、容易に同膜の比抵抗の制御が可能であ
る。
【図１】本発明の実施例に開示された製造方法を示す図
である。
である。
【図２】従来のボロメータ型赤外線センサの構造を示す
図である。
図である。
【図３】本発明の実施例２で示したアルゴン・５％水素
混合ガスの封入圧力による酸化バナジウム膜比抵抗・及
び膜の抵抗温度係数の制御を示す図である。
混合ガスの封入圧力による酸化バナジウム膜比抵抗・及
び膜の抵抗温度係数の制御を示す図である。
【図４】本発明の実施例４で示した水素ガス流量による
酸化バナジウム膜比抵抗・温度係数の制御を示す図であ
る。
酸化バナジウム膜比抵抗・温度係数の制御を示す図であ
る。
【図５】Ｘ線回折で調べて、本発明の製造方法を実施し
た後の酸化バナジウム膜の結晶相を示す図である。
た後の酸化バナジウム膜の結晶相を示す図である。
１ 試料ウェハ ２ 試料ホルダ ３ 真空容器 ４ アルゴンと水素混合ガス ５ ウェハ加熱ヒータ ６ 石英管 ７ 水素ガス ８ 梁 ９ 感熱部 １０ Ｓｉ基板 １１ 白金薄膜 １２ ＮｉＣｒ赤外線吸収膜 １３ 熱分離用間隙（空間）
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐々木 得人 東京都港区芝五丁目７番１号 日本電気 株式会社内 (72)発明者 小田 直樹 東京都港区芝五丁目７番１号 日本電気 株式会社内 (56)参考文献 特開 平９−257565（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−145481（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−128889（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−105794（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01J 1/02 G01J 5/02 G01J 5/20 - 5/26 H01L 31/00 - 31/02 H01L 31/08 H01L 31/18 H01L 37/00 - 37/02 H01C 7/02 - 7/22
Claims (8)
- 【請求項１】少なくとも金属よりなるボロメータ材料膜
の形成と加工を行い、該ボロメータ材料膜の上に赤外線
吸収膜を含む被膜が形成された感熱部を形成した後に、
水素ガスを含む還元雰囲気中における水素ガスの気圧、
流量を選択する工程と、当該還元雰囲気で熱処理を行う
ことによって前記被膜で覆われたボロメータ材料膜の抵
抗温度係数を大きくし、これによって、感度を改善する
工程を有することを特徴とする熱型赤外線センサの製造
方法。 - 【請求項２】前記金属としてチタン（Ｔｉ）を使用する
ことを特徴とする請求項１記載の熱型赤外線センサの製
造方法。 - 【請求項３】前記熱処理を３５０〜４００℃で行うこと
を特徴とする請求項２記載の熱型赤外線センサの製造方
法。 - 【請求項４】少なくとも金属酸化物よりなるボロメータ
材料膜の形成と加工を行い、該ボロメータ材料膜の上に
赤外線吸収膜を含む被膜が形成された感熱部を形成した
後に、水素ガスを含む還元雰囲気中における水素ガスの
気圧、流量を変化させる工程と、当該還元雰囲気で熱処
理を行うことにより、前記被膜によって覆われたボロメ
ータ材料膜の抵抗温度係数を保ったまま比抵抗のみを変
化させる工程とを有することを特徴とする熱型赤外線セ
ンサの製造方法。 - 【請求項５】前記金属酸化物として酸化バナジウムを用
いることを特徴とする請求項４記載の熱型赤外線センサ
の製造方法。 - 【請求項６】前記熱処理を３５０〜４５０℃で行うこと
を特徴とする請求項５記載の熱型赤外線センサの製造方
法。 - 【請求項７】真空排気された容器にアルゴンと水素混合
ガスよりなる還元性ガスを導入することによって還元性
雰囲気とすることを特徴とする請求項１から６のいずれ
か一項に記載の熱型赤外線センサの製造方法。 - 【請求項８】前記混合ガス中の水素濃度が２〜５％であ
ることを特徴とする請求項７記載の熱型赤外線センサの
製造方法。
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| US08/960,216 US5966590A (en) | 1996-10-29 | 1997-10-29 | Method for manufacturing thermal-type infrared sensor |
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|---|---|---|---|
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-
1997
- 1997-10-29 US US08/960,216 patent/US5966590A/en not_active Expired - Lifetime
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