JP4497393B2 - 赤外線検出素子 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、赤外線検出素子に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
一般に、赤外線検出素子には、サーモパイル型、焦電型およびボロメータ型があり、サーモパイル型の赤外線検出素子には、例えば、図6または図7に示すものがある。
【0003】
図6および図7に示すサーモパイル型赤外線検出素子の違いは、マイクロマシニング技術の異方性エッチングの方法による。
【0004】
図6の赤外線検出素子では、半導体基板の表面からエッチングを行って低い熱伝導性のダイアフラムを表面側に形成し、このダイアフラムの上にサーモパイルを形成している。
【0005】
一方、図7の赤外線検出素子において、サーモパイルは半導体基板の表面に形成されているが、エッチングは裏面から実施されるようになっている。
【0006】
ここでは図6の赤外線検出素子を説明する。図6に示すように、このサーモパイル型の赤外線検出素子S1は、半導体基板101と、この半導体基板101上に設けた熱伝導性の低いダイアフラム102と、このダイアフラム102上に形成されるサーモパイル104と、半導体基板101の中央部分に層間絶縁層103を介して形成された熱吸収膜105を備えている。
【0007】
サーモパイル104は、長尺状をなしかつ中間部分よりも幅の広いコンタクト110aを両端に有するp型ポリシリコン110およびこれと同じく長尺状をなしかつ中間部分よりも幅の広いコンタクト111aを両端に有するn型ポリシリコン111をアルミニウム配線112で接続してなる熱電対113を複数対並列に配置し、そして、互いに隣接する熱電対113を電気的に直列に接続することによって形成されている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
上記したような赤外線検出素子の場合、熱伝導性の低いダイアフラム102の厚さを一定とすると、熱電対113のp型ポリシリコン110およびn型ポリシリコン111の間隔を狭めて、配置する熱電対113の対数を増すと、ダイアフラム102からの熱伝導損失がポリシリコンより相対的に減り、出力信号が増加する。また、雑音に対する出力信号の比、いわゆるSN比(Signal to Noise ratio)の性能も向上する。この際、熱電対113の対数を増やせなくても、p型ポリシリコン110およびn型ポリシリコン111の間隔を狭めることで、熱損失を低減できるため、上記と同じように性能が向上する。
【0009】
ところが、上記した従来の赤外線検出素子S1では、サーモパイル104を製造する際のフォト工程において、熱電対113のp型ポリシリコン110およびn型ポリシリコン111の各々のコンタクト110a,111aの大きさおよび間隔は、微細化技術限界(プロセスルール)で決定されてしまうことから、熱電対113のp型ポリシリコン110およびn型ポリシリコン111の間隔を狭めて半導体占有率(同型ポリシリコンの間隔に対するp型ポリシリコンとn型ポリシリコンの幅の加算値の比)を高めることができず、これに伴って、配置する熱電対113の対数を増すこともできず、したがって、性能を向上させることが困難であるという問題があり、この問題を解決することが従来の課題となっていた。
【0010】
【発明の目的】
本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたもので、熱電対のp型半導体およびn型半導体の間隔を狭めて半導体占有率を高めると共に、配置する熱電対の対数を増して、性能を大幅に向上させた赤外線検出素子を提供することを目的としている。
【0011】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載した発明は、半導体基板と、この半導体基板上に設けた熱伝導性の低いダイアフラムと、長尺状をなしかつ中間部分よりも幅の広いコンタクトを両端に有するp型半導体及びn型半導体からなる熱電対を複数対並列に配置して電気的に直列に接続してダイアフラム上に形成されたサーモパイルと、このサーモパイルの検知部の上に絶縁層を介して形成された熱吸収膜を備えた赤外線検出素子において、サーモパイルを形成する熱電対のp型半導体とn型半導体との間隔を狭めるべく各々のコンタクトを相互に長手方向にずらせて配置してあること、熱電対のp型半導体及びn型半導体のうちの少なくともいずれか一方の半導体に、隣接する他方の半導体のコンタクトと所定の間隔をおいて嵌合するコンタクト逃げ部を設けたことを特徴としている。
【0012】
ここで、熱電対のp型半導体とn型半導体との間隔(ピッチ)を狭めるとは、ダイアフラム上における半導体占有率を高めることであり、図5に示すように、熱電対13のp型半導体10からこれと隣接する熱電対13のp型半導体10までの距離をw、p型半導体10の幅をwp、n型半導体11の幅をwnとした場合において、半導体占有率(wp+wn)/w をできる限り1に近づけることが性能向上にとって望ましい。
【0013】
本発明の請求項2に係わる赤外線検出素子は、熱電対のp型半導体およびn型半導体のうちの電気伝導率の大きい方の半導体を電気伝導率の小さい方の半導体よりも長く設定した構成とし、本発明の請求項3に係わる赤外線検出素子は、電気伝導率の大きい方の半導体のコンタクトを電気伝導率の小さい方の半導体のコンタクトよりも大きく設定した構成とし、本発明の請求項4に係わる赤外線検出素子は、熱電対のp型半導体およびn型半導体のうちの電気伝導率の小さい方の半導体を電気伝導率の大きい方の半導体よりも長く設定し、電気伝導率の小さい方の半導体のコンタクトを電気伝導率の大きい方の半導体のコンタクトよりも大きく設定した構成としている。
【0014】
請求項5に記載の発明は、請求項1〜4のいずれか1項に記載した熱電対のp型半導体及びn型半導体の各中間部分の幅を互いに違えてある。
請求項6に記載の発明は、請求項1〜5のいずれか1項に記載した熱電対のp型半導体及びn型半導体をいずれもポリシリコンとしている。
【0015】
上記した赤外線検出素子は、半導体基板と熱吸収領域との間の温度差、すなわち、熱電対のp型半導体およびn型半導体の各コンタクト間の温度差によって起電力が発生する現象(ゼーベック効果)を利用したものであり、この起電力(出力信号S)は、数式に示すように、熱電対の対数nと、ゼーベック係数αと、熱抵抗Rthと、入射する赤外線エネルギが熱吸収膜で吸収されて熱に変換されたエネルギPで表わすことができる。
【0016】
S=P・R=n・α・ΔT=n・α・Rth・P・・・数式
【0017】
但し、Rは感度、ΔTは半導体基板と熱吸収領域との温度差を示す。
【0018】
つまり、熱電対の対数を増すと、熱抵抗が小さくなるが、対数を増す分の効果がこれを優り、感度Rが向上して、高い出力信号Sが得られることが分かる。
【0019】
【発明の作用】
請求項1に記載した赤外線検出素子は、上記した構成としているので、熱電対のp型半導体及びn型半導体の間隔が狭まる分だけ半導体占有率が高まることとなって、ダイヤフラムからの熱損失が相対的に低減され、加えて、両半導体の間隔を狭め得るのに伴って、配置する熱電対の対数を増し得ることとなり、その結果、性能の向上が図られることとなる。
また、熱電対のp型半導体及びn型半導体の各幅を個別に設定し得ることとなり、その結果、SN比の向上を図ることができる。
【0020】
本発明の請求項2および3に係わる赤外線検出素子は、上記した構成としたため、n型半導体とp型半導体の構成において、電気伝導率の大きい方の半導体を電気伝導率の小さい方の半導体よりも長くしたり、電気伝導率の大きい方のコンタクトを電気伝導率の小さい方のコンタクトよりも大きく設定したりすることによる電気抵抗の増分が、半導体全体の総抵抗に比して極僅かに抑えられ、ノイズの増分が抑えられることとなり、本発明の請求項4に係わる赤外線検出素子においても、対数が増すと、コンタクト抵抗が増すが、コンタクトのサイズを大きくしているので、抵抗の低減が図られることとなる。
【0021】
請求項5に記載した赤外線検出素子は、上記した構成としているので、より一層半導体占有率が高まることとなって、熱の逃げを妨げ得ることとなるのに加えて、より多くの熱電対を配置し得ることとなり、したがって、大幅な性能の向上が図られることとなる。
【0022】
請求項6に記載した赤外線検出素子は、上記した構成としたため、熱電対の半導体に、Bi(ビスマス)や、Sb(アンチモン)や、Te(テルル)などからなる化合物半導体を用いたり、単結晶シリコンやアモルファスシリコンを採用したりした場合と比較して、シリコンのCMOS工程との両立性があり、製造が簡単でしかも低コストでなされることとなる。
【0023】
【発明の効果】
本発明の請求項1に係わる赤外線検出素子によれば、熱電対のp型半導体及びn型半導体の間隔を狭めることができるので、半導体占有率が高まる分だけ余分な熱の逃げを阻止したり、多数の熱電対を配置したりすることが可能となり、その結果、性能の向上を実現することができるという非常に優れた効果がもたらされる。
また、性能のより一層の向上及びノイズの大幅な低減を実現でき、SN比を向上させることが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。
【0024】
本発明の請求項2および3に係わる赤外線検出素子は、上記した構成としたため、電気抵抗の増分を少なく抑えることができ、ノイズの増分を抑えて性能を向上させることが可能であり、とくに、熱電対の対数が増すと、コンタクト抵抗も増すが、コンタクトのサイズを大きくすることで、抵抗の低減を実現することができるという非常に優れた効果がもたらされ、本発明の請求項4に係わる赤外線検出素子は、上記した構成としたから、請求項1に係わる赤外線検出素子と同じ効果が得られるのに加えて、熱電対の対数を増すことによるコンタクト抵抗の増分を少なく抑えることが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。
【0025】
請求項5に記載した赤外線検出素子によれば、上記した構成としているので、性能のより一層の向上及びノイズの大幅な低減を実現でき、SN比を向上させることが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。
【0026】
請求項6に記載した赤外線検出素子によれば、上記した構成としたため、シリコンのCMOSプロセスとの両立が可能となって、簡単かつ安価に製造することが可能になるという非常に優れた効果がもたらされる。
【0027】
【実施例】
以下、本発明を図面に基づいて説明する。
【0028】
図1は本発明に係わる赤外線検出素子の一実施例を示している。
【0029】
図1(a)の平面図および図1(b)の断面図に示すように、このサーモパイル型赤外線検出素子Seは、半導体基板1と、この半導体基板1上に空洞6を介して設けた熱伝導性の低いダイアフラム2と、このダイアフラム2上に形成されるサーモパイル4と、半導体基板1の中央部分に層間絶縁層3を介して形成された熱吸収膜5を備えている。
【0030】
サーモパイル4は、長尺状をなしかつ中間部分よりも幅の広いコンタクト10aを両端に有するp型ポリシリコン(p型半導体)10およびこれと同じく長尺状をなしかつ中間部分よりも幅の広いコンタクト11aを両端に有するn型ポリシリコン(n型半導体)11をアルミニウム配線12で接続してなる熱電対13を複数対並列に配置し、そして、互いに隣接する熱電対13を電気的に直列に接続することによって形成されている。
【0031】
この場合、サーモパイル4を形成する熱電対13のp型ポリシリコン10およびn型ポリシリコン11のうちの電気伝導率の大きい方のポリシリコン(この実施例ではn型ポリシリコン11)を電気伝導率の小さい方のポリシリコン(この実施例ではp型ポリシリコン10)よりも長くして、両ポリシリコン10,11の各コンタクト10a,11aが相互に長手方向にずれるようにして配置することにより、両ポリシリコン10,11の間隔Pが狭まるようにしてあり、この実施例において、電気伝導率の大きい方のn型ポリシリコン11のコンタクト11aは、電気伝導率の小さい方のp型ポリシリコン10のコンタクト10aよりも大きく設定してある。
【0032】
なお、ポリシリコン10,11の実際の長さ(赤外線検出素子Seの実際の縦横長さ)は、間隔Pに比して格段に大きいため、図1において、紙面の都合上ポリシリコン10,11の長さと間隔Pとをスケールを変えて表している。
【0033】
この赤外線検出素子Seでは、熱電対13のp型ポリシリコン10およびn型ポリシリコン11の間隔Pを狭めて、ダイアフラム2上に多数の熱電対13を配置するようにしているので、その分だけ半導体占有率が高まることとなって、余分な熱が逃げてしまうのを回避し得ることとなるうえ、性能の大幅な向上が図られることとなる。
【0034】
また、上記した赤外線検出素子Seでは、熱電対13の電気伝導率の大きい方のn型ポリシリコン11を電気伝導率の小さい方のp型ポリシリコン10よりも長くすることで、両ポリシリコン10,11の各コンタクト10a,11aを相互に長手方向にずらすようにしていることから、このn型ポリシリコン11のコンタクト11aをp型ポリシリコン10のコンタクト10aよりも大きく設定していることとも相俟って、この処置による電気抵抗の増加が、両ポリシリコン10,11全体の総抵抗に比して極めて少なく抑えられることとなり、その結果、ノイズの増分を少なく抑えられることとなる。
【0035】
上記した実施例では、図2(a)にも示すように、熱電対13のn型ポリシリコン11をp型ポリシリコン10よりも長くすることによって、両ポリシリコン10,11の各コンタクト10a,11aを長手方向にずらして両ポリシリコン10,11の間隔Pを狭める場合を示したが、これに限定されるものではなく、例えば、図2(b)に示すように、同じ長さのp型ポリシリコン10およびn型ポリシリコン11を全体的に千鳥状に配置して、両ポリシリコン10,11の各コンタクト10a,11aが長手方向にずれるようにしてもよい。
【0036】
また、図2(c)に示すように、p型ポリシリコン10よりも長くしたn型ポリシリコン11の中間部分に、隣接するp型ポリシリコン10のコンタクト10aと所定の間隔をおいて嵌合するコンタクト逃げ部11bを設けたり、図2(d)に示すように、熱電対13のp型ポリシリコン10およびn型ポリシリコン11の各中間部分の幅を互いに違えたりする構成としてもよく、前者の場合には、より一層ポリシリコン10,11の半導体占有率が高まることとなって、余分な熱の逃げを阻止し得ることとなるうえ、より多くの熱電対を配置し得ることとなって、大幅な性能の向上が図られ、後者の場合には、熱電対13のp型ポリシリコン10およびn型ポリシリコン11の各幅を個別に設定し得ることとなって、SN比の向上が図られることとなる。
【0037】
そこで、図2(a)のポリシリコン配置パターン(図1に示した赤外線検出素子Seのポリシリコン配置パターン)を採用してポリシリコン10,11の間隔Pを2.2μmとしたときの相対SN比と、図2(b)のポリシリコン配置パターンを採用してポリシリコン10,11の間隔Pを2.2μmとしたときの相対SN比と、図2(c)のポリシリコン配置パターンを採用してポリシリコン10,11の間隔Pを2.1μmとしたときの相対SN比と、図2(d)のポリシリコン配置パターンを採用してポリシリコン10,11の間隔Pを2.1μmとしたときの相対SN比と、従来のポリシリコン配置パターンを採用してポリシリコンの間隔Pを2.6μmとしたときの相対SN比とを比較したところ、図3に示す結果を得た。
【0038】
なお、いずれの場合も、ポリシリコン10,11の長さを約40μmとし、コンタクト10a,11aを一辺が1.8μmの正方形とし、ポリシリコンの中間部分の幅を1.0μmとしている(但し、図2(d)のポリシリコン配置パターンでは、p型ポリシリコン10の幅を1.8μm、n型ポリシリコン11の幅を0.8μmとしている)。
【0039】
図3のグラフにおいて、(a),(b),(c),(d)は、図2(a),図2(b),図2(c),図2(d)にそれぞれ対応(従来例は(従)で示す)し、数字は、各ポリシリコン配置パターンを採用した際に配置可能な熱電対の対数を示しており、したがって、図3のグラフから、図2(a)〜図2(d)の各ポリシリコン配置パターンを用いると、従来の各ポリシリコン配置パターンを用いたときと比較して、熱電対の対数が増えて、相対SN比が1%〜13%向上することが判り、本発明に係わる赤外線検出素子では、性能が大幅に向上することが実証できた。
【0040】
なお、本発明に係わる赤外線検出素子の詳細な構成は、上記した実施例に限定されるものではなく、他の構成として、例えば、図4に示すように、サーモパイル4を形成する熱電対23のp型ポリシリコン20およびn型ポリシリコン21のうちの電気伝導率の小さい方のp型ポリシリコン20を電気伝導率の大きい方のn型ポリシリコン21よりも長くして、両ポリシリコン20,21の各コンタクト20a,21aが相互に長手方向にずれるようにして配置することにより、両ポリシリコン20,21の間隔Pを狭めるようにしてもよく、この際、電気伝導率の小さい方のp型ポリシリコン20のコンタクト20aを電気伝導率の大きい方のn型ポリシリコン21のコンタクト21aよりも大きく設定することで、熱電対13の対数を増すことによるコンタクト抵抗の増分を少なく抑え得ることとなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係わる赤外線検出素子の一実施例を示す平面説明図(a)および断面説明図(b)である。
【図2】図1の赤外線検出素子で採用したポリシリコン配置パターン説明図(a)および他のポリシリコン配置パターン説明図(b),(c),(d)である。
【図3】図2におけるポリシリコン配置パターンを採用した際の相対SN比とポリシリコンの間隔との関係を示すグラフである。
【図4】図2におけるポリシリコン配置パターンとはさらに異なるポリシリコン配置パターン説明図である。
【図5】本発明に係わる赤外線検出素子のポリシリコン半導体占有率について説明する図である。
【図6】従来の赤外線検出素子を示す平面説明図(a)および部分断面説明図(b)である。
【図7】従来の他の赤外線検出素子を示す平面説明図(a)および部分断面説明図(b)である。
【符号の説明】
Se 赤外線検出素子
1 半導体基板
2 ダイアフラム
3 層間絶縁層
4 サーモパイル
5 熱吸収膜
10 p型ポリシリコン(p型半導体)
10a コンタクト
11 n型ポリシリコン(n型半導体)
11a コンタクト
11b コンタクト逃げ部
13 熱電対
Claims (6)
- 半導体基板と、この半導体基板上に設けた熱伝導性の低いダイアフラムと、長尺状をなしかつ中間部分よりも幅の広いコンタクトを両端に有するp型半導体及びn型半導体からなる熱電対を複数対並列に配置して電気的に直列に接続してダイアフラム上に形成されたサーモパイルと、このサーモパイルの検知部の上に絶縁層を介して形成された熱吸収膜を備えた赤外線検出素子において、
サーモパイルを形成する熱電対のp型半導体とn型半導体との間隔を狭めるべく各々のコンタクトを相互に長手方向にずらせて配置してあること、熱電対のp型半導体及びn型半導体のうちの少なくともいずれか一方の半導体に、隣接する他方の半導体のコンタクトと所定の間隔をおいて嵌合するコンタクト逃げ部を設けたことを特徴とする赤外線検出素子。 - 熱電対のp型半導体及びn型半導体のうちの電気伝導率の大きい方の半導体を電気伝導率の小さい方の半導体よりも長く設定した請求項1に記載の赤外線検出素子。
- 電気伝導率の大きい方の半導体のコンタクトを電気伝導率の小さい方の半導体のコンタクトよりも大きく設定した請求項2に記載の赤外線検出素子。
- 熱電対のp型半導体及びn型半導体のうちの電気伝導率の小さい方の半導体を電気伝導率の大きい方の半導体よりも長く設定し、電気伝導率の小さい方の半導体のコンタクトを電気伝導率の大きい方の半導体のコンタクトよりも大きく設定した請求項1に記載の赤外線検出素子。
- 熱電対のp型半導体及びn型半導体の各中間部分の幅を互いに違えてあることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の赤外線検出素子。
- 熱電対のp型半導体及びn型半導体のいずれもポリシリコンとしたことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の赤外線検出素子。
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JP2000307159A (ja) * | 1999-04-23 | 2000-11-02 | Horiba Ltd | シリコンサーモパイル |
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