JP3809718B2

JP3809718B2 - 赤外線検知素子

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Publication number: JP3809718B2
Application number: JP35924697A
Authority: JP
Inventors: 正樹廣田
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1997-12-26
Filing date: 1997-12-26
Publication date: 2006-08-16
Anticipated expiration: 2017-12-26
Also published as: JPH11191644A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、照射赤外線による発熱を熱起電力を介して検出するメンブレン構造の赤外線検知素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
メンブレン構造の赤外線検知素子として、例えば特開平８−８８３７６号公報に開示されたものが知られている。この赤外線検知素子では、図４に示すように基板２０１に凹部２０１Ａを形成し、凹部２０１Ａを覆うようにメンブレンＭＢを設けている。メンブレンＭＢには４つの孔２０２が開口され、メンブレンＭＢは孔２０２の間に形成された４つの梁２０３により支持されている。梁２０３にはそれぞれｎ型ポリシリコン配線２０４およびｐ型ポリシリコン配線２０５が形成され、これらを互いに接続することにより、４対の熱電対を直列接続してなるサーモパイルが形成される。メンブレンＭＢの中央部分には赤外線を吸収する吸収層２０６が設けられ、吸収層２０６の温度上昇によってサーモパイルに熱起電力が生ずるように構成されている。
【０００３】
図４に示すようなメンブレン構造を採るのは、吸収層２０６で発生する熱がすぐに基板２０１に逃げないようにして、サーモパイルの温接点と冷接点との温度差を拡大し、サーモパイルの熱起電力を大きくすることにより赤外線の検知感度を高めるためである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述のようなメンブレン構造を採用することにより、吸収層２０６で発生する熱が基板２０１に伝わりにくくすることができるが、さらに熱の伝達を抑制するためには梁を介しての熱伝導を抑制する必要がある。
【０００５】
本発明の目的は、メンブレン構造を採る赤外線検知素子の検知感度を向上させることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
実施の形態を示す図１および図２に対応づけて説明すると、請求項１に記載の発明の赤外線検知素子は、凹部１Ａが形成された基板１と、凹部１Ａを覆うメンブレンＭＢと、メンブレンＭＢの中央部分に形成された赤外線吸収部７と、メンブレンＭＢと基板１との間に架け渡され、メンブレンＭＢを支持する複数の梁１６Ａ〜１６Ｄと、２つの物質１１、１２を電気的に接合してなる複数の熱電対とを備え、複数の熱電対は直列に電気的に接合しており、複数の梁１６Ａ〜１６Ｄのうちすべての梁が、熱電対を構成する２つの物質のうちの一の物質１１のみを複数並列して配置された梁１６Ａ、１６Ｂと、熱電対を構成する２つの物質のうちの一の物質１１とは異なる物質１２のみを複数並列して配置された梁１６Ｃ、１６Ｄとであることを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１に記載の赤外線検知素子において、前記赤外線検知素子は４つの梁１６Ａ〜１６Ｄを有し、４つの梁のうちの２つの梁１６Ａ、１６Ｂには熱電対を構成する２つの物質のうちの一の物質１１のみを複数並列して配置し、さらに４つの梁のうちの他の２つの梁１６Ｃ、１６Ｄには前記熱電対を構成する２つの物質のうちの前記一の物質とは異なる物質１２のみを複数並列して配置することを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の赤外線検知素子において、熱電対を構成する２つの物質としてｐ型ポリシリコン１２およびｎ型ポリシリコン１１を用いるものである。
【０００７】
【発明の効果】
請求項１〜３に記載の発明によれば、複数の梁のすべての梁には熱電対を構成する２つの物質のうちの一の物質のみを配置するので、熱電対を構成する物質を複数並列して配置した梁の幅を縮小することにより梁の断面積を小さくして赤外線の検知感度を向上することができる。また、請求項１〜３に記載の発明によれば、複数の梁のうちの全ての梁に、一の物質を複数並列して配置したので、熱電対を複数直列接続することにより赤外線の検知感度を向上することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
−第１の実施の形態−
以下、図１および図２を用いて、本発明による赤外線検知素子の第１の実施の形態について説明する。第１の実施の形態の赤外線素子を、例えば、１つの基板上にマトリクス状に多数配列することにより、被写体から放射される赤外線を捉えて被写体を２次元的な像として撮像することができる。
【０００９】
図１は第１の実施の形態の赤外線検知素子の構成要素の配置を示す正面図、図２は図１のII−II線における断面図である。図１において、１はシリコン等からなる基板であり、図２に示す点Ｔを頂点とし、図２において上方向に向けて断面が拡大する四角錐形状を呈する凹部１Ａが形成されている。この凹部１Ａは後述するメンブレンＭＢをシリコン基板１から熱的に分離することにより、センサの感度を高めるためのものであり、図２において基板１の上面に相当する基板主表面（（１００）面）からの異方性エッチングにより形成される。
【００１０】
図２において、ＭＢは凹部１Ａを覆うように基板１の主表面に沿って略平板状に形成されたメンブレン（膜）である。図１に示すように、メンブレンＭＢにはエッチング孔２が４つ開口され、メンブレンＭＢで仕切られる凹部１Ａの内部空間と、図２における上方の外部空間とがエッチング孔２を介して互いに連通している。後述するように、エッチング孔２は、凹部１Ａを形成するためのシリコン基板１のエッチング工程において、エッチング液をシリコン基板１に到達させるために用いられる。エッチング孔２が形成されている結果、図１に示すように、メンブレンＭＢは矩形状の中央部分１５と、中央部分１５と基板１との間に架け渡され、中央部分１５を支持する４本の梁１６Ａ〜１６Ｄとから構成される。
【００１１】
図１および図２に示すように、メンブレンＭＢは窒化膜（ＳｉＮ膜）３、酸化膜（ＳｉＯ₂ 膜）４、酸化膜（ＳｉＯ₂ 膜）５、保護膜６、吸収膜７、ｎ型ポリシリコン配線１１（図１、図２）、ｐ型ポリシリコン配線１２（図１）、およびアルミニウム配線１３ａ〜１３ｄ（図１、図２）を備える。
【００１２】
図２に示すように、メンブレンＭＢの最下層、すなわち基板１のすぐ上層には窒化膜３がメンブレンＭＢの全領域にわたり形成されている。また、窒化膜３の上には、図１および図２に示すように梁１６Ａおよび梁１６Ｂの部分において並列に３本のｎ型ポリシリコン配線１１が、梁１６Ｃおよび梁１６Ｄの部分において並列に３本のｐ型ポリシリコン配線１２がそれぞれ形成されている。
【００１３】
図２に示すように、窒化膜３、ｎ型ポリシリコン配線１１あるいはｐ型ポリシリコン配線１２の上層には酸化膜４が設けられている。酸化膜４には図１に示す温接点ＨＰ、冷接点ＣＰおよび接続部１８の部分において電気的な接続を確保するための開口（コンタクトホール）が形成されるとともに、酸化膜４の上からｎ型ポリシリコン配線１１あるいはｐ型ポリシリコン配線１２と接続される６本のアルミニウム配線１３ａおよび５本のアルミニウム配線１３ｂが形成されている。図１のアルミニウム配線１３ｃはアルミニウム配線１３ｂよりも上層に配置されており、アルミニウム配線１３ｃとアルミニウム配線１３ｂとの間には絶縁層としての酸化膜５が設けられる。
【００１４】
アルミニウム配線１３ａはメンブレンＭＢの中央部分１５において配設され、それぞれｎ型ポリシリコン配線１１とｐ型ポリシリコン配線１２との間を接続している。アルミニウム配線１３ａとｎ型ポリシリコン配線１１と、およびアルミニウム配線１３ａとｐ型ポリシリコン配線１２との接点は、それぞれ温接点ＨＰを構成する。
【００１５】
一方、アルミニウム配線１３ｂおよび１３ｃはエッチングされずに基板１の主表面が残された凹部１Ａよりも外側の領域に配置され、ｎ型ポリシリコン配線１１とｐ型ポリシリコン配線１２との間を接続している。アルミニウム配線１３ｂとｎ型ポリシリコン配線１１と、およびアルミニウム配線１３ｂとｐ型ポリシリコン配線１２との接点は、それぞれ冷接点ＣＰを構成する。
【００１６】
図１に示すように、それぞれ全部で６本あるｎ型ポリシリコン配線１１およびｐ型ポリシリコン配線１２はアルミニウム配線１３ａ〜１３ｃを介して直列に接続され、これにより６対の熱電対を互いに直列接続したサーモパイルが構成される。このように複数の熱電対を直列接続することにより、熱起電力を増大させ、赤外線検知素子の感度を高めることができる。
【００１７】
図２に示す保護膜６は、例えばプラズマＳｉＮ等からなり、メンブレンＭＢの全領域に渡って設けられている。さらに、メンブレンＭＢの中央部分１５において吸収層７が保護膜６上に形成されている。吸収層７は、中央部分１５に照射された赤外線のエネルギーを効率よく熱に変換できるように、例えば金黒（Ａｕ−Ｂｌａｃｋ）等の赤外線の吸収率の高い材質からなる。図１に示すように、吸収層７を温接点ＨＰにかかように形成することにより、赤外線の照射によって温接点ＨＰと冷接点ＣＰとの間に温度差を生み出すように構成されている。
【００１８】
次に、以上のように構成された第１の実施の形態の赤外線検知素子の動作について説明する。図２において上方から吸収層７に赤外線が照射されると、吸収層７の部分（中央部分１５）の温度が上昇し、熱伝導によって温接点ＨＰに熱が伝えられ温接点ＨＰの温度を上昇させる。上述のようにメンブレンＭＢの中央部分１５は基板１から中吊りの状態とされているため、基板１への直接的な熱伝導がなく、梁１６Ａ〜１６Ｄを介して熱が基板へ伝わっていく。
【００１９】
メンブレンＭＢを構成する各材質の熱伝導度κは、例えばポリシリコンでκ＝４０（Ｗ／ｍ／Ｋ）、ＳｉＯ₂ でκ＝１．４（Ｗ／ｍ／Ｋ）、ＳｉＮでκ＝５（Ｗ／ｍ／Ｋ）と大きな値をとり、温接点ＨＰの熱はなかなか冷接点ＣＰには伝わらない。その結果、両者には大きな温度差が生じ、ゼーベック効果によって起電力が生じる。サーモパイル全体の熱起電力Ｓは個々のサーモカップル（熱電対）の起電力の和になり、一般的に次の式で表される。
【数１】
Ｓ＝ｎ（αp ＋αn ）・Ｒth ・Ｐ・・・式（１）
【００２０】
ここで、ｎはサーモカップルの対数、αp およびαn はそれぞれｐ型ポリシリコンおよびｎ型ポリシリコンのゼーベック係数、Ｒth はメンブレンＭＢの合成熱抵抗、Ｐは入射エネルギーである。式（１）によれば、熱起電力Ｓは入射エネルギーＰに比例するので、この熱起電力Ｓの大きさを測定することにより、入射赤外線強度を計測することができる。
【００２１】
式（１）から明らかなように、赤外線検知素子の感度を向上させるためには合成熱抵抗Ｒth の値は大きいほうがよく、そのためには梁１６Ａ〜１６Ｄの断面積を小さくする必要がある。第１の実施の形態では、梁１６Ａ〜１６Ｄのそれぞれにｎ型ポリシリコン配線１１およびｐ型ポリシリコン配線１２のうちの１種類のみを配置しているため、１つの梁に熱電対を構成する２種類の物質を配線する場合と比較して、梁の幅を小さくすることができる。したがって、第１の実施の形態では梁１６Ａ〜１６Ｄの断面積を小さくすることができ、よって赤外線検知感度を向上させることができる。なお、このような第１の実施の形態の利点については、製造方法との関係でさらに後述する。
【００２２】
＜製造方法＞
次に、図１および図２を用いて、第１の実施の形態の赤外線検知素子の製造方法について説明する。まず、主表面が（１００）面である基板１にフォトレジストをパターニングし、パターニングにより形成されたフォトレジストの開口部分にＳｉ⁺ をイオン注入し、欠陥層を形成する。この欠陥層が形成される領域は、図１の４つのエッチング孔２を四隅に配置するようにして規定される矩形の領域（図１に示す凹部１Ａに対応する領域）である。
【００２３】
次に、フォトレジストを剥離後、ＣＶＤ法を用いてＳｉＮを基板１の主表面に堆積し、窒化膜３を形成する。次に、ＣＶＤ法を用いて窒化膜３上にポリシリコンを成膜した後、ｎ型ポリシリコン配線１１およびｐ型ポリシリコン配線１２の部分を残す形状にフォトレジストをパターニングし、パターニングされたフォトレジストをマスクとしてポリシリコン膜をエッチングする。このような工程により、図１のｎ型ポリシリコン配線１１およびｐ型ポリシリコン配線１２に相当するパターンのポリシリコン層が形成される。ポリシリコンのエッチング後、フォトレジストを剥離する。
【００２４】
次に、図１のｎ型ポリシリコン配線１１の部分に開口を有するようにフォトレジストをパターニングし、そのフォトレジストをマスクとしてイオン注入法によりリンイオンをポリシリコン層にドープする。その後、アニールを行うことでｎ型ポリシリコンを電気的に活性化させ、ｎ型ポリシリコン配線１１を形成する。さらに、リンイオンのドープに際してマスクとして用いたフォトレジストを剥離する。
【００２５】
フォトレジストを剥離後、図１のｐ型ポリシリコン配線１２の領域に開口を有するように新たなフォトレジストをパターニングし、そのフォトレジストをマスクとしてイオン注入法によりボロンイオンをポリシリコン層にドープする。その後、アニールを行うことでｐ型ポリシリコンを電気的に活性化させ、ｐ型ポリシリコン配線１２を形成する。さらに、ボロンイオンのドープに際してマスクとして用いたフォトレジストを剥離する。
【００２６】
以上のようにして、サーモパイルを構成するｎ型ポリシリコン配線１１およびｐ型ポリシリコン配線１２を形成した後、メンブレンＭＢ上に酸化膜４を堆積させ、さらに酸化膜４に温接点ＨＰおよび冷接点ＣＰのためのコンタクトホールを形成する。次に、Ａｌ-Ｓｉをスパッタ法によって酸化膜４上に堆積し、パターニングしてアルミニウム配線１３ａ、１３ｂ、温接点ＨＰおよび冷接点ＣＰを形成する。さらに、絶縁膜として機能する酸化膜５をメンブレンＭＢ上に堆積させた後、酸化膜５に接点１８のためのコンタクトホールを形成し、その後、アルミニウム配線１３ｃを形成する。次いで、メンブレンＭＢの全面にＰＳＧやプラズマＣＶＤ法によりＳｉＮを堆積して保護層６を形成する。
【００２７】
次に、欠陥層の四隅に対応する位置に、各々窒化膜３、酸化膜４、酸化膜５および保護層６を貫通して欠陥層（基板１）に到達する矩形のエッチング孔２を形成する。次に、エッチング孔２を介して異方性エッチング液であるヒドラジンを注入し、シリコン基板１のエッチングを行う。このようなエッチングにより、メンブレンＭＢの下方に欠陥層の全領域を底面とする四角錐形状の凹部１Ａが形成される。このように凹部１Ａが四角錐形状となるのは実質的にエッチングが（１１１）面で停止するためである。なお、基板１の異方性エッチングについては特開平８−８８３７６号公報に開示されているので、詳細説明は省略する。最後に吸収層７である金黒等を保護層６上に蒸着等により成膜し、パターニングする。
【００２８】
このように第１の実施の形態では、梁１６Ａおよび梁１６Ｂにはｎ型ポリシリコン配線１１のみを、梁１６Ｃおよび梁１６Ｄにはｐ型ポリシリコン配線１２のみをそれぞれ配置している。このため、ｎ型ポリシリコン配線１１あるいはｐ型ポリシリコン配線１２の間隔を定めるに際して、マスクの位置合わせ精度を考慮する必要がなく、その分配線の間隔を小さくできる。つまり、配線の間隔を決定するのは、ｎ型ポリシリコン配線１１およびｐ型ポリシリコン配線１２に共通のエッチングマスクを用いたポリシリコンのパターニング精度と、ｎ型ポリシリコン配線１１およびｐ型ポリシリコン配線１２のそれぞれに別のマスクを用いてリンまたはボロンをドープするドープ工程の精度である。そして、前者の精度はフォトリソグラフィー工程が１回で済むため、単にそのフォトリソグラフィー工程とそれに続くエッチング工程の加工精度により規定されるのに対して、後者の工程では２つのドープ物質のそれぞれについてフォトリソグラフィー工程が必要であるために、後者の精度はドープ工程のそれぞれの精度に加えて２枚のマスクの合わせ精度を加味したものとなる。一般に、マスクの合わせ精度を高精度なものとするのは困難であるため、マスクの合わせ精度が配線の間隔に影響を与えるようなパターン配置の場合には、最終的に配線の間隔を大きく設定せざるを得なくなる。
【００２９】
従来の赤外線検知素子では、ｎ型ポリシリコン配線１１およびｐ型ポリシリコン配線１２の両者が１つの梁に配置されているため、梁の幅を狭めるためにはｎ型ポリシリコン配線１１とｐ型ポリシリコン配線１２とを接近させる必要があるが（図４（ａ）参照）、このような配置の場合にはドープ工程におけるマスクの合わせ精度が問題となる。したがって、従来の素子ではマスクの合わせ精度を加味して配線の間隔を設定しなければならない。
【００３０】
これに対して、第１の実施の形態では１つの梁にはｎ型ポリシリコンおよびｐ型ポリシリコンのうちの１種類のみが配線されている。したがって、ドープ工程におけるマスクの合わせ精度を考慮する必要がなく、ポリシリコンのパターニング精度のみを考慮して配線の間隔を決めることができる。すなわち、リンイオンをドープする際にはｐ型ポリシリコン配線１２の部分をマスクし、かつｎ型ポリシリコン配線１１の部分をマスクしない形状のレジストを得ればよく、ボロンイオンをドープする際にはｎ型ポリシリコン配線１１の部分のみをマスクする形状のレジストを得ればよい。ところが第１の実施の形態では、ｎ型ポリシリコン配線１１とｐ型ポリシリコン配線１２とが互いに離れて配置されているため、仮にフォトレジストの合わせ精度が悪くても全く問題がない。このため、配線の間隔を狭めることができ、その分だけ梁１６Ａ〜１６Ｄの幅を小さくすることができるから、梁の断面積が抑制される。
【００３１】
以上説明したように、第１の実施の形態では１つの梁に対して熱電対を構成する１種類の物質のみを配線するようにしたので、配線の間隔を小さくして梁の幅を狭めることができる。したがって、断面積の減少により梁を熱が伝導しにくくなり、よって赤外線の検知感度を向上させることができる。本実施の形態では、１つの梁に対して、それぞれ３本の配線を配するようにしているが、本数をさらに増加させてもよいし、本数を減少させてもよい。本発明の赤外線検知素子は配線間隔の縮小によって梁の断面積を減少させ、これにより検知感度を向上させるものであるため、一般的には１つの梁に対する配線の数、すなわちサーモパイルの対数が大きな場合に、より大きな効果を奏することができる。
【００３２】
−第２の実施の形態−
以下、図３を用いて本発明による赤外線検知素子の第２の実施の形態について説明する。
【００３３】
図３に示すように、シリコン等からなる基板１には第１の実施の形態と同様の四角錐状の凹部１Ａが形成され、凹部１Ａを覆うメンブレンＭＢにはシリコン基板１をエッチングする際のエッチング液を供給するための４つの台形のエッチング孔１０２が形成されている。エッチング孔１０２が形成されている結果、メンブレンＭＢは矩形の中央部分１１５と、中央部分１１５を支持する４本の梁１１６Ａ〜１１６Ｄとから構成される。図３に示すように、第１の実施の形態とは異なり、梁１１６Ａ〜１１６Ｄは凹部１Ａを指し示す図３の矩形領域の対角線に沿って設けられている。このため、梁１１６Ａ〜１１６Ｄを長くすることができ、梁１１６Ａ〜１１６Ｄの熱抵抗が大きくなるので赤外線検知の高感度化に有利である。
【００３４】
第２の実施の形態では、梁１１６Ａおよび梁１１６Ｂにはそれぞれ２本のｎ型ポリシリコン配線１１１が、梁１１６Ｃおよび梁１１６Ｄにはそれぞれ２本のｐ型ポリシリコン配線１１２が、それぞれ中央部分１１５の温接点ＨＰと、凹部１Ａの外側の冷接点ＣＰとの間に延設されている。
【００３５】
中央部分１１５には温接点ＨＰどうしを結ぶ４本のアルミニウム配線１１３ａが形成されている。また、凹部１Ａの外側には冷接点ＣＰどうし、あるいは冷接点ＣＰと接点１１８とを結ぶアルミニウム配線１１３ｂと、接点１１８どうしを結ぶアルミニウム配線１１３ｃとが形成されている。アルミニウム配線１１３ｂとアルミニウム配線１１３ｃとの間には絶縁層（不図示）が設けられ、互いに絶縁されている。図３に示すように、第２の実施の形態ではｎ型ポリシリコン配線１１１およびｐ型ポリシリコン配線１１２をアルミニウム配線１１３ａ〜１１３ｃを介して直列に接続することにより、４対の熱電対を直列接続したサーモパイルが構成されている。また、中央部分１１５には温接点ＨＰにかかるように赤外線を吸収する吸収層（不図示）が設けられている。
【００３６】
第２の実施の形態では、吸収層が形成された中央部分は梁１１６Ａ〜１１６Ｄのみにより支持されている。しかも、梁１１６Ａ〜１１６Ｄにはそれぞれｎ型ポリシリコン１１１あるいはｐ型ポリシリコン１１２のうちの１種類のみが配置されているので、第１の実施の形態と同様、梁１１６Ａ〜梁１１６Ｄの幅を小さくすることができる。したがって、梁１１６Ａ〜１１６Ｄの断面積を縮小でき、梁を熱が伝わりにくくなるから、第１の実施の形態と同様に赤外線の検知感度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態の赤外線検知素子の構成を示す図。
【図２】図１のII−II線における断面図。
【図３】第２の実施の形態の赤外線検知素子の構成を示す図。
【図４】従来の赤外線検知素子の構成を示す図であり、（ａ）は正面から見た図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線における断面図。
【符号の説明】
１基板
１Ａ凹部
７吸収層
１１ｎ型ポリシリコン配線
１２ｐ型ポリシリコン配線
１６Ａ〜１６Ｄ梁
ＭＢメンブレン

Claims

凹部が形成された基板と、
前記凹部を覆うメンブレンと、
前記メンブレンの中央部分に形成された赤外線吸収部と、
前記メンブレンと前記基板との間に架け渡され、前記メンブレンを支持する複数の梁と、
２つの物質を電気的に接合してなる複数の熱電対とを備え、
前記複数の熱電対は直列に電気的に接合しており、
前記複数の梁のすべての梁が、前記熱電対を構成する２つの物質のうちの一の物質のみを複数並列して配置された梁と、前記熱電対を構成する２つの物質のうちの前記一の物質とは異なる物質のみを複数並列して配置された梁とであることを特徴と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、
前記赤外線検知素子は４つの梁を有し、
前記４つの梁のうちの２つの梁には前記熱電対を構成する２つの物質のうちの一の物質のみを複数並列して配置し、さらに前記４つの梁のうちの他の２つの梁には前記熱電対を構成する２つの物質のうちの前記一の物質とは異なる物質のみを複数並列して配置することを特徴とする赤外線検知素子。
前記熱電対を構成する２つの物質としてｐ型ポリシリコンおよびｎ型ポリシリコンを用いることを特徴とする請求項１または２に記載の赤外線検知素子。