JPH02219286A - 赤外線センサの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明はサーモパイル型赤外線センサとその製造方法
に関する。

（従来の技術） サーモパイル型赤外線センサでは２種類の熱電材料を用
いる。従来、理化学辞Ｊｌｔ！、（第４版）４８６ペー
ジによると、ビスマスとアンチモン、クロメルとコンス
タンクン、鉄とコンスタンタンの組合わせが用いられて
きた。また、Ｐ、　Ｍ、　５ａｒｒｏとＡ、　Ｗ、　Ｖ
。

ＨｅｒｗａａｒｄｅｎのｒＩｎｆｒａｒｅｄ　Ｄｅｔｅ
ｃｔｏｒ　Ｂａ５ｅｄ　ｏｎ　ａｎＩｎｔｅｇｒａｔｅ
ｄ　５ｉｌｉｃｏｎ　Ｔｈｅｒｍｏｐｉｌｅ　　Ｊ　（
Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆＳＰＩＥ　８０７巻１１
３ページから１１８ページ）によると、Ｐ型シリコンと
、アルミニウムが使われている。またＣ、　５ｈｉｂａ
ｔａ、　Ｃ，Ｋｉｍｕｒａ　ａｎｄ　Ｋ、　Ｍｉｋａｍ
ｉの　ｒ　ＦａｒＩｎｆｒａｒｅｄ　５ｅｎｓｏｒ　ｗ
ｉｔｈ　Ｔｈｅｒｍｏｐｉｌｅ　５ｔｒｕｃｔｕｒｅ　
　Ｊ（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　１ｓｔ　
５ｅｎｓｏｒ　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ　１９８１年２１１
ページから２５５ページ）によると、テルルとインジウ
ムアンチモンが使われている。２種類の熱電材料のうち
両方が金属の場合と、一方が半導体と他方が金属の組合
わせの場合が従来あった。

（発明が解決しようとする課題） 従来のサーモパイルは他のタイプの熱電センサである焦
電型に比較して感度が低いという欠点があった。また、
サーモパイルを一次元または二次元に配列し、赤外線イ
メージセンサを構成する場合、ＭＯＳ　＋−ランジスタ
やＣＣＤなどの走査回路とサーモパイルとを同一半導体
チップ上に形成する必要がある。しかし、従来使われて
きた熱電材料はシリコンＩＣにおいては使われていない
材料であり、半導体中にトラップレベルを形成したり、
製造ラインを汚染する可能性があり、シリコンＩＣに適
合しなしという欠点があった。

（課題を解決するだめの手段） この発明の赤外線センサは、基板の主面に設けられたダ
イヤフラム領域と、このダイヤフラム領域に一方の接点
群を有し、前記ダイヤフラム領域外部に他方の接点群を
有するサーモパイルとからなる赤外線センサにおいて、
サーモパイルの熱電材料としてＰ型半導体とｎ型半導体
を用いることを特徴とする。

さらに、この赤外線センサにおいて、接点が前記ｐ型半
導体および前記ｎ型半導体とオーミック接触した金属領
域を有することを特徴とする。

さらに、この発明の赤外線センサの製造方法は、基板の
主面に設けられたダイヤフラム領域と、このダイヤフラ
ム領域に一方の接点群を有し、前記ダイヤフラム領域外
部に他方の接点群を有し、熱電材料としてｐ型半導体と
ｎ型半導体とを用いるサーモパイルとからなる赤外線セ
ンサにおいて、半導体膜を形成し、その後、前記サーモ
パイルの配線パターンに前記半導体膜をパターニングし
、その後、前記半導体膜にｐ型不純物とｎ型不純物をそ
れぞれイオン注入することによって前記ｐ型半導体とｎ
型半導体とを形成することを特徴とする。

さらに、この発明の赤外線センサの製造方法は、基板主
面に設けられたダイヤフラム領域と、このダイヤフラム
領域に一方の接点群を有し、前記ダイヤフラム領域外部
に他方の接点群を有し、熱電材料としてｐ型半導体とｎ
型半導体とを用いる一弊 サーモパイルとからなる赤外線センサにおいて、第１導
電型半導体膜を形成し、その後、前記サーモパイルの配
線パターンに前記第１導電型半導体膜をパターニングし
、その後、第１導電型とは反対導電型の第２導電型半導
体膜を形成し、その後、前記サーモパイルの配線パター
ンに前記第２導電型半導体膜をパターニングすることに
よって、前記サーモパイルを形成することを特徴とする
。

（実施例） 次に、この発明について図面を参照して説明する。

第１図（ａ）、（ｂ）は、それぞれこの発明の第１の実
施例のサーモパイル型赤外線センサの平面図と断面図で
ある。面方位（１００）のシリコン基板１上にＣＶＤ法
やプラズマＣＶＤ法で作成されたシリコン窒化膜２が形
成されており、窒化膜２の中央部分の下のシリコン基板
が４角錐台状にエノーチングされ、空洞３が形成されて
いる。空洞３の上面を被っている膜をダイヤフラム４と
呼ぶ。窒化膜２の上に熱電材料としてのｎ型シリコン膜
５とＰ型シリコン膜６とが形成されている。接点部７は
アルミニウムなどの金属層を有しており、ｎ型シリコン
膜５と接点部７、ｐ型シリコン膜６と接点部７とはそれ
ぞれオーミックコンタクトをなしている。サーモパイル
ではダイヤフラム４上の接点を温接点、ダイヤフラム領
域４外部のシリコン基板上に設けられた接点を冷接点と
呼んでいる。これらの接点を多くするとサーモパイルの
感度は向上するので、図のようなつづら折り状のパター
ンになっている。ｎ型シリコン膜５とｐ型シリコン膜６
と接点部７を保護する目的でシリコン窒化膜やシリコン
酸化膜の保護膜８が形成されている。保護膜８と窒化膜
２にはスリット９が形成されている。

スリット９はダイヤフラム領域４の対角線に位置してい
る。このスリット９より異方性エツチング液を用いて空
洞３を形成する。保護膜８や窒化膜２は異方性エツチン
グ液からｎ型シリコン膜５とｐ型シリコン膜６と接点部
７を保護する目的がある。

この赤外線センサの第１の製造方法を第２図を用いて説
明する。第２図において第１図と同一記号は同一構成要
素を示す。面方位（１００）のシリコン基板１上にＣＶ
Ｄ法あるいはプラズマＣＶＤ法により窒化膜２を形成し
、フォトレジスト工程によりダイヤフラム領域よりやや
大きな大きさにエツチングする。

その後、ＣＶＤ法やスパッタ法や蒸着法により多結晶質
のシリコ膜１０を形成し、フォトレジスト工程とエツチ
ング工程によりサーモパイルのパターンを形成する。そ
の後、フォトレジスト１１によりｎ型にドープしない部
分を被い、リンのイオン注入を行い、ｎ型シリコン膜５
を形成する。この様子を示したのが第２図（ａ）である
。その後、フォトレジスト１２によりｐ型にドープしな
い部分を被い、ポロンのイオン注入を行い、ｐ型シリコ
ン膜６を形成する。

この際、リンをドープする領域とポロンをドープする領
域を一部オーバラツプさせた。この様子を示したのが第
２図（ｂ）である。なおｎ型、ｐ型のシリコン膜５．６
の不純物濃度は１０　ｃｍ・〜固溶限までの濃度を用い
ることができる。出力インピーダンスを低くしたいとき
は濃度を上げて抵抗を下げればよいし、熱電能を高くし
たいときは濃度を下げて抵抗を上げればよい。その後、
接合部にアルミニウムや高融点金属やシリサイドなどの
金属領域１３を形成し、ｎ型シリコン膜５と金属領域１
３、ｐ型シリコン膜６と金属領域１３との間をそれぞれ
オーミック接触ならしめる。さらに、ＣＶＤ法やプラズ
マＣＶＤ法により窒化膜や酸化膜の保護膜８を形成する
。この様子を示したのが第２図（Ｃ）である。フォトレ
ジスト工程を用いて、保護膜８と窒化膜２をスリット状
にエツチングする。水酸化カリウム溶液やヒドラジン溶
液などのシリコン異方性エツチング液をこのスリットか
ら浸透させることにより、空洞３を形成する。空洞３を
被う膜ダイヤフラム領域４と呼ばれる。この様子を示す
のが第２図（ｄ）であり、サーモパイル型赤外線センサ
は出来上がる。ここでは図示しなかったが、赤外線吸収
層や外部引出し電極も適宜形成される。

第３図を用いてこの発明による赤外線センサの第２の製
造方法を説明する。第１図、第２図と同一記号は同一構
成要素を示す。面方位（１００）のシリコン基板１上に
ＣＶＤ法あるいはプラズマＣＶＤ法によりシリコン窒化
膜２を形成し、フォトレジスト工程によりダイヤフラム
領域よりやや大きな大きさにエツチングする。その後、
ＣＶＤ法やスパッタ法や蒸着法により多結晶のシリコン
膜を形成し、ｎ型にドープする。フォトレジスト工程と
エツチング工程によりｎ型シリコン膜５を形成する。こ
の様子を示したのが第３図（ａ）である。その後図示さ
れていないが、ｎ型シリコン膜５をシリコン窒化膜やシ
リコン酸化膜でカバーし、再びシリコン膜を形成し、ｐ
型にドープする。フォトレジスト工程とエツチング工程
によりｐ型シリコン膜６を形成する。接合部にアルミニ
ウムや高融点金属やシリサイドなどの金属領域１４を形
成し、ｎ型シリコン膜５ど金属領域１４、ｐ型シリコン
膜６と金属領域１４との間をそれぞれオーミック接触さ
せる。この様子を示したのが第３図（ｂ）である。その
後、ＣＶＤ法やプラズマＣＶＤ法によりシリコン窒化膜
やシリコン酸化膜の保護膜８を形成する。さらに、フォ
トレジスト工程を用いて、保護膜８と窒化膜２をスリッ
ト状にエツチングする。

水酸化カリウム溶液やヒドラジン溶液などのシリコン異
方性エツチング液をこのスリットから浸透させることに
より、四角錐台状の空洞３を形成する。空洞３を被う膜
はダイヤフラム領域４とよばれる。この様子を示すのが
第３図（ｅ）であり、サーモパイル型赤外線センサは出
来上がる。ここでは図示しなかったが、赤外線吸収層や
外部取出電極も適宜形成される。

（発明の効果） この発明によるサーモパイル型赤外線センサでは両方の
熱電材料に半導体を用いている。−船釣に半導体の熱電
能の絶対値は金属の熱電能の絶対値に比較して一桁程度
太きい。このため、この発明の赤外線センサは大きな感
度を有することができる。

ｎ型半導体膜とｎ型半導体膜との接合は整流性を示す。

結晶基板を用いた場合とは異なり、半導体膜を用いた接
合では理惣、状態の整流特性を作ることは難しい上に製
造ばらつきも太きい。さらにサーモパイルの出力インピ
ーダンスが大きくなる。そこで、この発明のサーモパイ
ル型赤外線センサでは、接点部に金属領域を設け、ｎ型
半導体と金属領域、ｎ型半導体と金属領域とがオーミッ
ク接触し、その結果、ｎ型半導体とｎ型半導体とがオー
ミック接触していることになり、製造ばらつきがなくな
り、サーモパイルの出力インピーダンスが小さくするこ
とができる。

熱電材料として特にｎ型シリコンとｐ型シリコンを用い
た場合、シリコンＩＣ技術に適合し、シリコンＩＣと製
造ラインを共用でき、また、ＭＯＳ　）ランジスタやＣ
ＯＤと同一チップ上にサーモパイルを形成することが容
易になる。

実施例で示した第１の製造方法では、サーモパイルのパ
ターンの形成が一回のフォトレジスト工程で行なえるた
め、工程が簡略になる長所がある。

第２の製造方法ではｎ型半導体膜とｎ型半導体膜との間
にマージンとしてのギャップを必要としないため、より
多数の接点を同一面積のダイヤフラム上に集積すること
が可能となる。

また第４図（ａ）、（ｂ）に示すように、空洞１５の形
成をシリコン基板１の裏面より異方性エツチングを行な
つ赤外線センサにおいても、この発明の効果は同様であ
る。第４図において、第１図と同一記号で示したものは
同一構成要素を示す。

ダイヤフラムとサーモパイルを一次元ないしは二次元に
配列し、ＭＯＳ　）ランジスタやＣＯＤなどの走査回路
を同一シリコン基板上に形成した赤外線イメージセンサ
においても、この発明の効果は同様である。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、（ｂ）はそれぞれこの発明の一実施例の
赤外線センサの平面図と断面図、第２図はこの発明の第
１の実施例による赤外線センサの製造方法を示す断面図
、第３図はこの発明の第２の実施例による赤外線センサ
の製造方法を示す断面図、第４図（ａ）、（ｂ）はそれ
ぞれこの発明の他の実施例の赤外線センサの平面図と断
面図である。 図において、 １４．、シリコン基板、４・・・ダイヤフラム領域、５
・・・ｎ型シリコン膜（ｎ型半導体）、６・・・ｐ型シ
リコン（ｎ型半導体）、７・・・接点部、１ａ；　１４
・・・金属領域。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、基板の主面に設けられたダイヤフラム領域と、この
   ダイヤフラム領域に一方の接点群を有し、前記ダイヤフ
   ラム領域外部に他方の接点群を有するサーモパイルとか
   らなる赤外線センサにおいて、サーモパイルの熱電材料
   としてｐ型半導体とｎ型半導体を用いることを特徴とす
   る赤外線センサ。 ２、請求項１の赤外線センサにおいて、接点が前記ｐ型
   半導体および前記ｎ型半導体とオーミック接触した金属
   領域を有することを特徴とする赤外線センサ。 ３、基板の主面に設けられたダイヤフラム領域と、この
   ダイヤフラム領域に一方の接点群を有し、前記ダイヤフ
   ラム領域外部に他方の接点群を有し、熱電材料としてｐ
   型半導体とｎ型半導体とを用いるサーモパイルとからな
   る赤外線センサを製造する方法であって、半導体膜を形
   成し、その後、前記サーモパイルの配線パターンに前記
   半導体膜をパターニングし、その後、前記半導体膜にｐ
   型不純物とｎ型不純物をそれぞれイオン注入することに
   よって前記ｐ型半導体とｎ型半導体とを形成することを
   特徴とする赤外線センサの製造方法。 ４、基板主面に設けられたダイヤフラム領域と、このダ
   イヤフラム領域に一方の接点群を有し、前記ダイヤフラ
   ム領域外部に他方の接点群を有し、熱電材料としてｐ型
   半導体とｎ型半導体とを用いるサーモパイルとからなる
   赤外線センサを製造する方法であって、第１導電型半導
   体膜を形成し、その後、前記第１導電型半導体膜を前記
   サーモパイルの配線パターンにパターニングし、その後
   、第１導電型とは反対導電型の第２導電型半導体膜を形
   成し、その後、前記サーモパイルの配線パターンに前記
   第２導電型半導体膜をパターニングすることによって、
   前記サーモパイルを形成することを特徴とする赤外線セ
   ンサの製造方法。