JP6197312B2 - センサ素子およびセンサ素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、センサ素子およびセンサ素子の製造方法に関する。

従来、基板の上面に積層された一対の熱電要素からなる熱電対を備えたセンサ素子が知られている（たとえば、特開２００２−１７６２０４号公報：特許文献１参照）。

上記特開２００２−１７６２０４号公報には、基板の上面において直線状に延びるように形成された熱電対を備えた赤外線検出素子（センサ素子）が開示されている。この赤外線検出素子では、熱電対は、一対の熱電要素としてのｐ型ポリシリコンおよびｎ型ポリシリコンが上下に積層されることにより構成されている。また、この赤外線素子では、上下に積層されたｐ型ポリシリコンとｎ型ポリシリコンとを接続配線を介して電気的に接続するために、直線状に延びるｐ型ポリシリコンおよびｎ型ポリシリコンの互いに対応する端部が他の部分よりも大きく（太く）形成されているとともに、その太い部分に接続配線を配置するための穴部が形成されていると考えられる。

しかしながら、上記特開２００２−１７６２０４号公報に開示された構成では、直線状に延びるｐ型ポリシリコンおよびｎ型ポリシリコンの互いに対応する端部が他の部分よりも大きく（太く）形成されていると考えられるため、基板の上面に熱電対を複数配置する場合に、太い部分を複数配置するための大きい配置スペースが必要になると考えられる。このため、素子の小型化を図るのが困難であると考えられる。また、個々の熱電対が太い部分を含む分、熱電対間の距離が大きくなり、多くの熱電対を基板の上面に配置するのが困難であると考えられるため、高感度化を図るのが困難であるという問題点もあると考えられる。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、小型化を図りながら高感度化を図ることが可能なセンサ素子を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明によるセンサ素子は、冷接点領域と温接点領域とを有する基板と、冷接点領域と温接点領域との間で直線状に延びるように形成され、基板の上面に積層された一対の熱電要素からなる熱電対とを備え、一対の熱電要素のうち上側に配置された熱電要素の端部近傍の領域全てが除去されることにより、熱電対の端部近傍に段差部が形成されており、熱電対の少なくとも端部近傍の側面を覆うように設けられ、当該側面に沿って、基板の上面から、上側に配置された熱電要素の上面と略同じ高さまで延びる側壁部をさらに備え、段差部と側壁部とにより構成された領域には、一対の熱電要素を互いに電気的に接続するための金属製の配線部が充填されている。

本発明では、上記のように構成されていることによって、上下に積層された一対の熱電要素を接続配線を介して電気的に接続する場合と異なり、一対の熱電要素の互いに対応する端部を他の部分よりも大きく（太く）形成し、その太い部分に接続配線を配置するための穴部を形成する必要がない。これにより、基板の上面に熱電対を複数配置する場合に、より小さい配置スペースに複数の熱電対を配置することができるので、素子の小型化を図ることができる。また、個々の熱電対が太い部分を含まない分、熱電対間の距離を近づけて、より多くの熱電対を基板の上面に配置することができるので、高感度化を図ることもできる。これらの結果、素子の小型化を図りながら高感度化を図ることができる。

図１は、本実施形態によるセンサ素子の要部の構成を示した平面図である。 図２は、図１のＡ−Ａ線に沿った模式的な断面図である。 図３は、図２のＢ−Ｂ線に沿った模式的な断面図である。 図４は、本実施形態によるセンサ素子の製造プロセスを説明するためのＹ方向に沿った断面図である。 図５は、本実施形態によるセンサ素子の製造プロセスを説明するためのＸ方向に沿った断面図である。 図６は、本実施形態によるセンサ素子の製造プロセスを説明するためのＸ方向に沿った断面図である。 図７は、本実施形態によるセンサ素子の製造プロセスを説明するためのＸ方向に沿った断面図である。 図８は、本実施形態によるセンサ素子の製造プロセスを説明するためのＹ方向に沿った断面図である。 図９は、図８を上側から平面的に見た図である。 図１０は、本実施形態によるセンサ素子の製造プロセスを説明するためのＹ方向に沿った断面図である。 図１１は、図１０を上側から平面的に見た図である。 図１２は、本実施形態によるセンサ素子の製造プロセスを説明するためのＹ方向に沿った断面図である。 図１３は、図１２を上側から平面的に見た図である。

以下、実施形態を図面に基づいて説明する。

まず、図１〜図３を参照して、本実施形態によるセンサ素子１００の構成について説明する。なお、センサ素子１００は、画像形成装置の温度センサや赤外線センサなどに用いられるいわゆるサーモパイル素子である。

図１〜図３に示すように、センサ素子１００は、シリコン基板１と、シリコン基板１の上面に形成された複数（図１では、４つ）の熱電対２とを備える。なお、シリコン基板１は、「基板」の一例である。図１に示すように、シリコン基板１は、上面に冷接点領域Ｒ１と温接点領域Ｒ２とを有する。また、複数の熱電対２は、それぞれ、冷接点領域Ｒ１と温接点領域Ｒ２との間で直線状に延びるように形成されている。

ここで、図２および図３に示すように、複数の熱電対２は、それぞれ、一対の熱電要素（Ｎ型ポリシリコン膜２１およびＰ型ポリシリコン膜２２）がシリコン基板１の上面に積層されることにより構成されている。具体的には、シリコン基板１の上面には、シリコン酸化膜３が形成されており、このシリコン酸化膜３の上面に、Ｎ型ポリシリコン膜２１が形成されている。また、Ｎ型ポリシリコン膜２１の上面にも、シリコン酸化膜４が形成されており、このシリコン酸化膜４の上面に、Ｐ型ポリシリコン膜２２が形成されている。なお、Ｐ型ポリシリコン膜２２の上面は、後述する側壁部６ａと一体的に形成されたシリコン酸化膜６ｂにより覆われている。

また、図１に示すように、Ｎ型ポリシリコン膜２１およびＰ型ポリシリコン膜２２のそれぞれの冷接点領域Ｒ１側の端部には、接続ホール２１ａおよび２２ａを有する接続部２１ｂおよび２２ｂが形成されている。これらの接続部２１ｂおよび２２ｂは、共に、一辺の長さが熱電対２のＸ方向の幅Ｗよりも大きい正方形形状を有する。なお、接続部２１ｂは、シリコン基板１の上面において接続部２２ｂからはみ出すように形成されている。これにより、接続部２１ｂおよび２２ｂは、シリコン基板１の上面において互いに隣接するように配置されている。そして、接続部２１ｂおよび２２ｂは、接続ホール２１ａおよび２２ａに形成される金属配線（図示せず）を介して互いに電気的に接続されている。

ここで、本実施形態では、図２に示すように、Ｐ型ポリシリコン膜２２およびシリコン酸化膜４の温接点領域Ｒ２側の端部が除去されることにより、熱電対２の温接点領域Ｒ２側の端部に段差部５が形成されている。この段差部５には、Ｎ型ポリシリコン膜２１の温接点領域Ｒ２側の端部とＰ型ポリシリコン膜２２の温接点領域Ｒ２側の端部とを互いに電気的に接続するための埋め込みメタル２３（詳細は、後述する）が形成されている。なお、埋め込みメタル２３は、「配線部」の一例である。

また、本実施形態では、図２および図３に示すように、複数の熱電対２の周囲には、シリコン酸化膜からなる側壁部６ａが形成されている。この側壁部６ａは、複数の熱電対２の間に充填されているとともに、熱電対２の全側面を覆うように設けられている。これにより、熱電対２の温接点領域Ｒ２側（図２では、左側）の端部には、段差部５と側壁部６ａとにより構成された領域（Ｐ型ポリシリコン膜２２の温接点領域Ｒ２側の端面と、Ｎ型ポリシリコン膜２１のＰ型ポリシリコン膜２２からはみ出した部分の上面と、側壁部６ａの内側面とにより構成された直方体形状の空間）が設けられている。そして、この直方体形状の空間内に密着層２４を介して埋め込みメタル２３が充填されることにより、Ｎ型ポリシリコン膜２１の温接点領域Ｒ２側の端部と、Ｐ型ポリシリコン膜２２の温接点領域Ｒ２側の端部とが、密着層２４と埋め込みメタル２３とを介して互いに電気的に接続されている。なお、密着層２４は、チタンを主成分とする材料により構成されている。また、埋め込みメタル２３は、タングステンを主成分とする材料により構成されている。

なお、本実施形態では、図１に示すように、複数の熱電対２は、シリコン基板１の上面においてＸ方向に略等間隔で配置されている。また、複数の熱電対２は、互いに近傍に配置されている。ここで、複数の熱電対２のＸ方向の配置間隔Ｄは、熱電対２のＸ方向の幅Ｗと略等しい長さに設定されている。なお、図１では、簡単化のため、図２および図３に示したシリコン酸化膜３、側壁部６ａ、シリコン酸化膜６ｂおよび密着層２４の図示を省略している。

次に、図４〜図１３を参照して、本実施形態によるセンサ素子１００の製造プロセスについて説明する。

まず、図４に示すように、シリコン基板１の上面に、シリコン酸化膜３と、Ｎ型ポリシリコン膜２１と、シリコン酸化膜４と、Ｐ型ポリシリコン膜２２とをこの順番で積層する。具体的には、まず、シリコン基板１の上面に、酸化温度を１０００℃とする条件下でウェット酸化を行って、約５００ｎｍの厚みを有するシリコン酸化膜３を形成する。そして、シリコン酸化膜３の上面に、ＳｉＨ_４ガスを用いたＬＰＣＶＤ（減圧化学気相成長）法により、真空度を６６．６Ｐａとし、製膜温度を６２０℃とする条件下で、約３５０ｎｍの厚みを有するＮ型ポリシリコン膜２１を形成する。

そして、Ｎ型ポリシリコン膜２１の上面に、酸化温度を９２０℃のウェット酸化を行って、約１５ｎｍの厚みを有するシリコン酸化膜４を形成する。そして、シリコン酸化膜４の上面に、ＳｉＨ_４ガスを用いたＬＰＣＶＤ（減圧化学気相成長）法により、真空度を６６．６Ｐａとし、製膜温度を６２０℃とする条件下で、約３５０ｎｍの厚みを有するＰ型ポリシリコン膜２２を形成する。

なお、ポリシリコン膜をＮ型化する方法（Ｎ型ポリシリコン膜２１を形成する方法）としては、Ｎ_２ガス、Ｏ_２ガスおよびＰＨ_３ガスの流量をそれぞれ３４０００ｓｃｃｍ、３００ｓｃｃｍおよび３０００ｓｃｃｍとし、製膜温度を９５０℃とする条件下で、Ｐが不純物として導入されたシリコン酸化膜をＬＰＣＶＤ法により形成することにより、製膜後のポリシリコン膜に対してＰの不純物拡散を行なう方法や、エネルギーを３０ＫｅＶとし、ドーズ量を１Ｅ１６ｃｍ^−２ とする条件下で、製膜後のポリシリコン膜にＰイオンを注入する方法などが考えられる。また、ポリシリコン膜をＰ型化する方法（Ｐ型ポリシリコン膜２２を形成する方法）としては、エネルギーを１５ＫｅＶとし、ドーズ量を１Ｅ１６ｃｍ^−２とする条件下で、製膜後のポリシリコン膜にＢイオンを注入する方法などが考えられる。

次に、図５に示すように、シリコン酸化膜３の上面に形成されたＮ型ポリシリコン膜２１、シリコン酸化膜４およびＰ型ポリシリコン膜２２にエッチングを施して、熱電対２（図１参照）を構成する部分を複数（図５では、４つ）形成する。この場合、Ｎ型ポリシリコン膜２１およびＰ型ポリシリコン膜２２に対しては、ＨＢｒガス、Ｃｌ_２ガスおよびＯ_２ガスの流量をそれぞれ１００ｓｃｃｍ、３０ｓｃｃｍおよび１ｓｃｃｍとし、ＲＦパワーを２０Ｗとする条件下でドライエッチング処理を行うのが好ましい。また、シリコン酸化膜４に対しては、Ａｒガス、ＣＨＦ_３ガスおよびＣＦ_４ガスの流量をそれぞれ３００ｓｃｃｍ、３０ｓｃｃｍおよび５０ｓｃｃｍとし、ＲＦパワーを５５０Ｗとする条件下でドライエッチング処理を行うのが好ましい。

次に、図６に示すように、上記図５に示した構造体の表面全体に、側壁部６ａおよびシリコン酸化膜６ｂを構成する約８００ｎｍの厚みを有するシリコン酸化膜６を形成する。このシリコン酸化膜６の製膜方法としては、ＳｉＨ_４ガスおよびＮ_２Ｏガスの流量をそれぞれ５０ｃｃ／ｍｉｎおよび２３００ｃｃ／ｍｉｎとし、製膜温度を８００℃とする条件下におけるＬＰＣＶＤ法や、ＴＥＯＳガスおよびＯ_２ガスの流量をそれぞれ５２０ｃｃ／ｍｉｎおよび５００ｃｃ／ｍｉｎとし、ＲＦパワーを５００Ｗとする条件下におけるプラズマＣＶＤ法などが考えられる。

次に、図７に示すように、上記図６に示した構造体にエッチング（エッチバック処理）を施して、約８００ｎｍの厚みを有するシリコン酸化膜６（図６参照）の厚みを約１００ｎｍまで薄くして、側壁部６ａとシリコン酸化膜６ｂとを形成する。このようにシリコン酸化膜６の厚みを薄くする方法としては、Ａｒガス、ＣＨＦ_３ガスおよびＣＦ_４ガスの流量をそれぞれ３００ｓｃｃｍ、３０ｓｃｃｍおよび５０ｓｃｃｍとし、ＲＦパワーを５５０Ｗとする条件下におけるドライエッチング法などがある。これにより、熱電対２を構成する部分の上面（Ｐ型ポリシリコン膜２２の上面）に、シリコン酸化膜６ｂが形成されるとともに、熱電対２を構成する部分の周囲（側面）に側壁部６ａが形成される。なお、シリコン酸化膜６ｂは、後述する埋め込みメタル２３を形成する工程（図１２および図１３参照）におけるエッチバック処理の際に、Ｐ型ポリシリコン膜２２がエッチングされるのを防ぐ機能を有する。

次に、図８および図９に示すように、図７に示した構造体の上面に、フォトレジストパターンＲＰを設置する。このフォトレジストパターンＲＰは、シリコン酸化膜６ｂ、Ｐ型ポリシリコン膜２２およびシリコン酸化膜３にエッチングを施して後述する段差部５（図１０および図１１参照）を形成するためのものであり、シリコン酸化膜６ｂの上面の段差部５に対応する領域以外の領域を覆うように配置される。なお、後述するように、埋め込みメタル２３は、側壁部６ａと段差部５とによって自己整合的に形成される空間に充填されることにより形成されるため、この図８および図９に示す工程において、フォトレジストパターンＲＰの精密な位置合わせを行う必要がない。

次に、図１０および図１１に示すように、上記図８および図９に示した構造体にエッチングを施して、シリコン酸化膜６ｂ、Ｐ型ポリシリコン膜２２およびシリコン酸化膜４の端部（図１０では、左端部、図１１では、下端部）を除去することにより、段差部５を形成する。これにより、側壁部６ａと段差部５とによって（Ｐ型ポリシリコン膜２２およびシリコン酸化膜４のエッチングされた端面と、Ｎ型ポリシリコン膜２１のＰ型ポリシリコン膜２２からはみ出した部分の上面と、側壁部６ａの内側面とによって）、埋め込みメタル２３を充填するための直方体形状の空間が構成される。

次に、図１２および図１３に示すように、上記図１０および図１１に示した構造体の上面からフォトレジストパターンＲＰを取り除くとともに、側壁部６ａと段差部５とにより構成された直方体形状の空間内に、密着層２４を介して埋め込みメタル２３を充填する。具体的には、まず、上記直方体形状の空間内に、スパッタリング法を用いて、約１００ｎｍの厚みを有するチタンからなる密着層２４を形成する。このとき、ランプアニール法を用いて、７６０℃の温度で３０秒間熱処理を行う。そして、熱ＣＶＤ法を用いて、ＷＦ_６ガスおよびＡｒガスの流量をそれぞれ５ｓｃｃｍおよび１５０ｓｃｃｍとし、製膜温度を５８０℃とする条件下で、密着層２４の内側に、タングステンを約８００ｎｍの厚み分蒸着させる。そして、ドライエッチング法を用いて、ＳＦ_６ガスおよびＡｒガスの流量をそれぞれ４００ｓｃｃｍおよび２００ｓｃｃｍとし、ＲＦパワーを８００Ｗとする条件下で、上記約８００ｎｍの厚み分のタングステンのエッチバック処理を行う。これにより、密着層２４の内側の空間にタングステンからなる埋め込みメタル２３が形成される。

なお、埋め込みメタル２３を形成する方法としては、上記の方法の他、以下の方法なども考えられる。たとえば、まず、ＬＰＣＶＤ法を用いて、Ｎ_２ガス、ＳｉＨ_４ガスおよびＰＨ_３ガスの流量をそれぞれ２０００ｓｃｃｍ、１８００ｓｃｃｍおよび１５０ｓｃｃｍとし、製膜温度を６２０℃とする条件下でＮ型ポリシリコンを製膜し、その後、ＨＢｒガス、Ｃｌ_２ガスおよびＯ_２ガスの流量をそれぞれ１００ｓｃｃｍ、３０ｓｃｃｍおよび１ｓｃｃｍとし、ＲＦパワーを２０Ｗとする条件下で、ドライエッチング法を用いてエッチバック処理を行う方法などが考えられる。

以上のようにして、本実施形態によるセンサ素子１００が製造される。

本実施形態では、上記のように、Ｐ型ポリシリコン膜２２の温接点領域Ｒ２側の端部が除去されて熱電対２の温接点領域Ｒ２側の端部に段差部５が形成され、その段差部５には、Ｎ型ポリシリコン膜２１とＰ型ポリシリコン膜２２とを互いに電気的に接続するための埋め込みメタル２３が形成されている。これにより、上下に積層されたＮ型ポリシリコン膜２１とＰ型ポリシリコン膜２２とを接続配線を介して電気的に接続する場合と異なり、Ｎ型ポリシリコン膜２１およびＰ型ポリシリコン膜２２の互いに対応する端部を他の部分よりも大きく（太く）形成し、その太い部分に接続配線を配置するための穴部を形成する必要がない。その結果、シリコン基板１の上面に熱電対２を複数配置する場合に、より小さい配置スペースに複数の熱電対２を配置することができるので、センサ素子１００の小型化を図ることができる。また、個々の熱電対２が太い部分を含まない分、熱電対２間の距離を近づけて、より多くの熱電対２をシリコン基板１の上面に配置することができるので、高感度化を図ることもできる。これらの結果、センサ素子１００の小型化を図りながら高感度化を図ることができる。

また、本実施形態では、上記のように、一対の熱電要素（Ｎ型ポリシリコン膜２１およびＰ型ポリシリコン膜２２）のうち、上側に配置されたＰ型ポリシリコン膜２２の温接点領域Ｒ２側の端部が除去されることにより、熱電対２の温接点領域Ｒ２側の端部に段差部５が形成されている。これにより、下側に配置されたＮ型ポリシリコン膜２１の端部を除去して形成した段差部に埋め込みメタルを形成する場合と異なり、埋め込みメタル２３をシリコン基板１の上面側から容易に形成することができる。

また、本実施形態では、上記のように、複数の熱電対２の周囲（側面）に側壁部６ａが設けられており、埋め込みメタル２３は、段差部５と側壁部６ａとにより構成された領域（Ｐ型ポリシリコン膜２２およびシリコン酸化膜４の温接点領域Ｒ２側の端面と、Ｎ型ポリシリコン膜２１のＰ型ポリシリコン膜２２からはみ出した部分の上面と、側壁部６ａの内側面とにより構成された直方体形状の空間）に充填されている。これにより、側壁部６ａと段差部５とによって自己整合的に形成される空間を用いて、容易に、Ｎ型ポリシリコン膜２１とＰ型ポリシリコン膜２２とを電気的に接続するための埋め込みメタル２３を形成することができる。

また、本実施形態では、上記のように、複数の熱電対２は、互いに近傍に配置されている。これにより、複数の熱電対２を高密度に配置することができるので、センサ素子１００の高感度化を効果的に図ることができる。

なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

１ シリコン基板（基板）
２ 熱電対
５ 段差部
６ａ 側壁部
２１ Ｎ型ポリシリコン膜（熱電要素）
２２ Ｐ型ポリシリコン膜（熱電要素）
２３ 埋め込みメタル（配線部）
１００ センサ素子
Ｒ１ 冷接点領域
Ｒ２ 温接点領域

特開２００２−１７６２０４号公報

Claims (4)

1. 冷接点領域と温接点領域とを有する基板と、
   前記冷接点領域と前記温接点領域との間で直線状に延びるように形成され、前記基板の上面に積層された一対の熱電要素からなる熱電対とを備え、
   前記一対の熱電要素のうち上側に配置された前記熱電要素の端部近傍の領域全てが除去されることにより、前記熱電対の端部近傍に段差部が形成されており、
   前記熱電対の少なくとも端部近傍の側面を覆うように設けられ、当該側面に沿って、前記基板の上面から、前記上側に配置された前記熱電要素の上面と略同じ高さまで延びる側壁部をさらに備え、
   前記段差部と前記側壁部とにより構成された領域には、前記一対の熱電要素を互いに電気的に接続するための金属製の配線部が充填されている、センサ素子。
2. 前記段差部を有する前記熱電対は、複数設けられており、
   複数の前記熱電対は、互いに近傍に配置されている、請求項１に記載のセンサ素子。
3. 前記一対の熱電要素は、それぞれ、Ｐ型のポリシリコン膜およびＮ型のポリシリコン膜により構成されている、請求項１または２に記載のセンサ素子。
4. 冷接点領域と温接点領域とを有する基板の上面に、一対の熱電要素を積層することにより、前記冷接点領域と前記温接点領域との間で直線状に延びる熱電対を形成する工程と、
   前記一対の熱電要素のうちの上側に配置された前記熱電要素の端部近傍の領域全てを除去することにより、前記熱電対の端部近傍に段差部を形成する工程と、
   前記熱電対の少なくとも端部近傍の側面を覆うように設けられ、当該側面に沿って、前記基板の上面から、前記上側に配置された前記熱電要素の上面と略同じ高さまで延びる側壁部を形成する工程と、
   前記段差部と前記側壁部とにより構成された領域に、前記一対の熱電要素を互いに電気的に接続するための金属製の配線部を充填する工程とを備える、センサ素子の製造方法。

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