JPH03191834A - シリコンを使用したサーモパイル及びその製造方法 - 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〕 本発明は、赤外線などのセンサに利用できる、シリコン
を使用したサーモパイルとその製造方法に関する。

〔従来の技術〕

単結晶シリコンを用いたサーモパイルとしては、Ｐ型シ
リコンストリップとアルミニウムを用いたものが報告さ
ている（Ｇ、Ｄ、ＮＩＥＶＥＬＤ、　Ｔｈｅｒｍｏｐｉ
ｌｅｓＦａｂｒｉｃａｔｅｄ　ｕｓｉｎｇ　５ｉｌｉｃ
ｏｎ　Ｐｌａｎａｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＋５ｅｎｓ
ｏｒｓ　ａｎｄ　Ａｃｔｕａｔｏｒｓ、　３．（１９８
２／８３）１７９−１８３）。

このサーモパイルは、ｎ型シリコン単結晶内に形成され
た１０〔μｍ）Ｘｌ、５（閣〕　（マスク寸法）の形状
を持つＰ型シリコンストリップと、その上部に形成され
たシリコン酸化膜で該ストリップと絶縁されたアルミニ
ウムストリップとを直列に接続してなる熱電対を多数用
いた構造である。

比抵抗が５Ｘ１０−”（ΩＯａ）のシリコンストリップ
を持つこのサーモパイルの熱起電力は、熱電対を１５２
組直列に接続したもので７６（ｍＶ／Ｋ）得られ、内部
抵抗値は２５０（ｋΩ）である。

このように、サーモパイルの熱電対としてＰ型シリコン
ストリップとアルミニウムストリップを使用した場合、
サーモパイルの出力である熱起電力への双方の材料の寄
与を比較すると、ｐ型車結晶シリコンのゼーベック係数
は、そのドーピング濃度にも依存するが、その値はほぼ
４５０〜１６００〔μＶ／Ｋ）をとるのに対し、アルミ
ニウムは−１，７〔μＶ／Ｋ　）程度となり、熱電対の
出力感度に対するアルミニウムの寄与は相対的に極めて
小さい。従って、サーモパイルの出力を大きくするには
アルミニウムを大きなゼーベック係数をもつ別の材料に
代える必要がある。

アルミニウムに代わる他の材料の候補としては、上述の
大きなゼーベック係数を持つ単結晶シリコンが挙げられ
る。熱電対としての条件は異種金属であること、である
が、これは、基板に形成されたＰ型シリコンストリップ
に対しアルミニウムに代るシリコンストリップはｎ型に
するなど、導電型を逆にすることで満足させることがで
きる。但し、両方とも単結晶というのは、作り方が問題
である。即ちこれらは絶縁する必要があり、アルミニウ
ムに代るシリコンストリップは、ｐ型シリコンストリッ
プを形成したシリコン単結晶層の表面に絶縁膜を被着し
その上に形成することになるが、絶縁膜上に単結晶層は
形成しにくい。絶縁膜上に単結晶シリコンを形成する方
法としては、ＣＶＤ法等によって絶縁膜上に堆積した多
結晶シリコンや非晶質シリコンをレーザー光などで照射
して溶融、再結晶化する方法、または、絶縁膜に穴を開
けて単結晶シリコン層の表面を露出させ、その穴から単
結晶シリコンを放射状に成長させる方法などがあるが、
これらは、結晶面方位の制御性や均一な結晶性と不純物
濃度を得ることなどに問題があり、まだ技術は確立して
いない。

〔発明が解決しようとする課題〕

このように、シリコン単結晶とアルミニウムの熱電対で
は、熱起電力が十分でない。この熱電対ではアルミニウ
ムの寄与が少ないので、それを太き（すべく、同じ単結
晶シリコンを、導電型を変えて使用すると、熱起電力は
大きくなるが、製造が難かしい。

それ故本発明は、単結晶シリコンとアルミニウムの熱電
対より熱起電力が大きく、製造は比較的容易でコストも
低廉な製造法を工夫して、どちらもサーモパイルとその
製造法を提供することを目的とするものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明では単結晶シリコンストリップと多結晶または非
晶質シリコンストリップを用い、一方をｎ型、他方をｐ
型として熱電対を作り、この熱電対の複数個でサーモパ
イルとする。単結晶シリコンストリップは単結晶シリコ
ン基板に形成し、多結晶または非晶質シリコンストリッ
プは、該シリコン基板の表面に絶縁層を形成し、その上
にシリコン層を堆積させ、それをパターニングして作る
。

これには通常のトランジスタの製造工程を応用でき、製
造容易である。

第１図で１４が単結晶シリコンストリップ、１６が多結
晶または非晶質シリコンストリップであり、これらは一
方がＰ型、他方がｎ型と、導電型を異にする。こ〜では
シリコンストリップ１６１４を第１、第２導電型層とい
う。

第２導電型層１４はシリコン単結晶層１２に不純物を導
入（拡散またはイオン注入）して作られ、第１導電型層
１６は絶縁層１３上に堆積させた多結晶または非晶質シ
リコン層により作られるが、この多結晶または非晶質シ
リコン層は第１図の段階ではエツチングで除去され、層
１６の部分を除いては残っていない。シリコン単結晶層
１２はこ−では単結晶シリコン基板１１上に成長させた
シリコンエピタキシャル層であるが、これは単結晶シリ
コン基板１１そのものでもよい。シリコン単結晶層１２
は第１導電型例えばｎ型とし、第２導電型本例ではＰ゛
型の層１４の各々は層１２との間に形成されるｐｎ接合
で絶縁する。第１導電型層１６の絶縁は周囲の絶縁層１
３．１５ａ、１５ｂ、１８が行なう。

第１１第２導電型１６．１４はその両端で、金属層１７
により接続し、第１図（ｂ）に示すようにジグザグ状の
直列接続体にする。これらの両端の一方が温接点、他方
が冷接点となり、その温接点側に絶縁層１日を介して電
磁波吸収体層１９を配設する。

電磁波吸収体ｊｌｉ１９は赤外線などの電磁波を吸収、
昇温（降温）するもので、その昇温（降温）で温接点側
を加熱（冷却）する。

〔作用〕

このサーモパイルでは電磁波吸収体１９に入射した電磁
波により該吸収体の温度が上昇（降温）し、この近傍に
ある熱電対の温接点の温度が冷接点側よりも上昇（降温
）する。これにより、熱電対の温接点と冷接点の間に温
度差が生じて、ゼーベック効果により熱起電力が発生す
る。電磁波は例えば赤外線であるが、電磁波吸収体１９
に吸収されて熱になるものであれば何でもよく、全波長
帯域型である。第１導電型層１６は多結晶または非晶質
シリコン、第２導電型層１４はシリコン単結晶であるか
らゼーベック係数が大きく（シリコン単結晶は前記の４
５０〜１６００　（μＶ／ｋ）、多結晶または非晶質シ
リコンは１００〜２４０〔μＶ／ｋ］）、これらで構成
される熱電対の熱起電力は大きい。

サーモパイルは、か＼る熱電対の複数個を直列に接続し
て構成するので、その紛然起電力は各々の熱電対が発生
する熱起電力の総和となる。

電磁波吸収体層１９を設ける部分の厚みは薄くしておく
と、熱容量が小さく、昇温（降温）が速やかになるから
、応答性がよくなる。冷接点側は厚くしておくとシート
シンクになり、温度差をとることが容易になる。

このサーモパイルでは異種金属（第１、第２導電型層）
を直接接続しないで、金属Ｎ１７を介して接続する。温
接点側の温度はどこも等温と見做せるので、中間金属の
法則が適用され、金属層１７は熱電対の起電力には影響
を及ぼさない。絶縁層１８．１５ａ、１５ｂは、電磁波
吸収体層１９の熱を周囲に逃さぬよう、熱伝導率の小さ
いものがよい。

〔実施例〕

第１図（ａ）のサーモパイルで、単結晶シリコン基Ｉｌ
ｌはＰ型、シリコンエピタキシャル層１２はｎ型、第２
導電型層Ｉ４はｐ゛型、第１導電型層１６はｎ°型とす
る。また絶縁層１５ａ、１５ｂ。

１８はシリコン酸化膜、電磁波吸収体層１９は合焦とす
る。

第２導電型層１４の寸法は例えば長さ１（ｍｍ）、幅３
０Ｃμｍ〕、厚さ（拡散深さ）５〔μｍ〕とし、第１導
電型層１６の寸法は長さ１　（ａｍ、）　、幅３０〔μ
ｍ〕、厚さ１　〔μｍ〕とする。か＼る第１、第２導電
型層で構成される熱電対の９６対を１（ｍ”）の面積を
持つ合焦１９の周辺に十字状に配置した。

このサーモパイルの素子寸法は４×４〔皿〕の大きさで
、ウェハ上のスクライプラインから０．５〔閣〕内側に
形成される。ｐ゛シリコンらなる第２導電型層１４の面
抵抗は１０〔Ω／口〕であり、ｎ゛シリコンらなる第１
導電型層１６の面抵抗は１００［Ω／口］で、サーモパ
イルの内部抵抗は３５２（ＫΩ〕である。この内部抵抗
は、第１、第２導電型層を非直線にすることで、素子寸
法をそれ程度えずに調整する（大きくする）ことができ
る。

このサーモパイルは、室温において、熱電対の温接点と
冷接点の間に１〔Ｋ〕の温度差が生じたとき、８６（ｍ
Ｖ）の紛然起電力がある。これは、熱電対一対当り約０
．９（ｍＶ）であり、ｐ°シリコン／アルミニウム熱電
対に比べると１．８倍の出力電圧の向上である。

放射状配置のサーモパイルは、ｐ゛シリコン第２導電型
層１４を短辺３０〔μｍ〕、長辺１２０〔μｍ〕、長さ
１〔鵬〕の台形で、厚さ（拡散深さ）５〔μｍ〕とし、
ｎ゛シリコン第１導電型層１６を同様に短辺３０〔μｍ
〕、長辺１２０〔μｍ〕、長さ１〔■〕の台形で、厚さ
１〔μｍ〕とし、か−る第１、第２導電型層で構成され
る熱電対の９０対で構成した。このサーモパイルの内部
抵抗は２０９（ＫΩ〕で、紛然起電力は８０（ｍＶ）で
あった。

第２図に、電磁波吸収体層１９の部分の厚みを薄くした
サーモパイルを示す。全図を通してそうであるが、他の
図と同じ部分には同じ符号が付しである。本例では電磁
波吸収体１９の下部の単結晶シリコン基板１１をエツチ
ングして除去することにより、この部分の厚みを薄くし
ている。例えば薄い部分は１０数〔μｍ〕、厚い部分は
４００〔μｍ〕である。このサーモパイルは十字状配置
または放射状配置のもので、断面でみて中央に電磁波吸
収体層１９があり、その両側に第１、第２導電型層１４
．１６がある。２０はアイソレーション用の拡散領域、
２１は基板（こ−ではエビ層１２）コンタクト用拡散領
域である。

第３図に十字状配置のサーモパイルの、また第４図に放
射状配置のサーモパイルの平面図を示す。

第１、第２導電型層１４．１６は全て直列に接続され、
２５．２６がその両端に取付けられた端子である。

第５図にサーモパイルの製造工程を示す。先ず同図（１
）に示すよう単結晶シリコン基板１１（ウェハ上の１チ
ップ分）を用意し、同図（２）に示すようにこの上に第
１導電型のシリコンエピタキシャル層１２を成長させる
。次いで（３）熱処理し、表面にシリコン酸化膜（Ｓｉ
ｎ、膜）１３を形成する。

次に（４）ホトレジスト３１を塗布し、かつパターニン
グし、このパターニングしたホトレジストをマスクにエ
ツチングして（５）の状態にする。次いでホトレジスト
３１を除き、（６）の状態にする。

素子分離層（アイソレージジン）２０を形成するには、
上記（３）の熱処理で酸化膜を形成したのち、（４）′
　この酸化膜１３をホトリソグラフィでパターニングし
、これで開けた窓を通して不純物拡散を行ない、（５）
′の状態にする０次いで熱処理して、基板露出部を酸化
膜で覆う。その後は第５図（４）または（力′に移る。

第５図（７）の工程ではパターニングした酸化膜１３を
マスクに不純物拡散して複数本の第２導電型層１４を作
る。次は（９）に示すように、熱処理して表面に酸化膜
１３を形成させ、この上にＣＶＤ法によりシリコンを堆
積させて（１０）に示すように多結晶（または非晶質）
シリコン層３２を作る。

次は（１１）ホトレジスト３１を塗布し、かつパタニン
グし、このパターニングしたホトレジストをマスクにシ
リコン層３２をエツチングして（１２）に示す如く、（
複数本の）第１導電型層１６を作る。

第５図（７）′　は第５図（６）′から続くものであり
、この工程では酸化膜１３に窓をあけ、この窓を通して
不純物拡散して基板コンタクト用拡散層２１を作る。そ
の後、熱処理して露出部を酸化膜で覆い、（８）′　に
する。次いでホトレジストの塗布、そのパターニングを
行ない、（９）′の状態にする。これで前記（４）と同
じ状態になる。

アイソレーション２０と基板コンタクト２１を作るには
（１）〜（３）、（４）′〜（９）’、　（４）、　（
５）・・・・・・としても、また（１）〜（３）、（４
）′〜（６）’、　（４）〜（９）、　（７）’、　（
８）’、　００）・・・・・・としてもよく、工程の順
序は適宜変更できる。

アイソレーションして層１４の拡散に入る工程はバイポ
ーラトランジスタの工程と同じであり、サーモパイルと
その制御用バイポーラトランジスタ回路を同じ基板に作
る場合、有利である。

熱酸化で表面に絶縁層（酸化膜）を作る工程では下面に
も絶縁層（酸化膜）ができるが、これは適宜除去しまた
はそのま一残してよい。図では適宜図示を省略している
。

次は第５図０３）に示すように、絶縁膜１５ａ、１３に
窓開きする。第１、第２導電型層１４．１６は完全に重
なってはおらず、位置的にずれている（従って０３）、
　Ｃ３）’　などは単一平面での断面図ではない）ので
、これらへ同時に窓開きすることは可能である。第５図
（Ｃ）θ■′は、絶縁膜層１５ａを堆積せずに、絶縁膜
層１３だけに穴あけして、次の０４）に入る場合を示す
。この場合以後の工程図の１５ａを除いた図を考えれば
よい。次に金属（アルミニウム）を蒸着して０４）の状
態にし、これをパタニングして０ωに示すように金属Ｊ
１１７を作る。

右側の金属層１７は図示の第１、第２導電型層１４．１
６の一端を接続するものであり、左側の金属層１７．１
７は１つ手前の第１導電型層、１つ後の第２導電型金属
層と図示第１、第２導電型層１４．１６を接続するもの
である。次はＣＶＤ法に絶縁膜１８を形成し、０ωの状
態にする。

次は電磁波吸収体層１９を形成するが、これにはθ′７
１のようにホトレジスト３６を塗布し、パターニングし
、次いで００金を蒸着してリフトオフして電磁波吸収体
Ｎ（全黒）層に１９を残す、という工程をとる。その後
、ＣＶＤ法で保護膜（シリコン酸化膜または窒化膜）３
７を形成して０９）の状態にする。０９）′　はアイソ
レーション部分まで示したθ９の状態である。

次は電磁波吸収体層１９の部分の薄肉化を行なうが、こ
れにはＱＯのように裏面側の保護膜　７をパターニング
し、このパターニングした保護膜をマスクに異方性エツ
チングを行なって単結晶シリコン基板１１を図示のよう
に袴る。単結晶シリコン基板１１として（１００）基板
を用いるとこのエツチングで（１１１）面が現われ、図
示の如き凹部が形成される。　ＣＩ’、　　（２１）’
　はアイソレーション部まで含まれたＣ１．　（２１）
の状態を示す。なお１２Ｇ（２１）などでは上部の絶縁
Ｎ１３．・・・・・・などを省略している。

工程順は変更可能である。例えば０６）より［相］（２
１）０７）０８）の順にして、薄肉化の後に電磁波吸収
体を被着してもよい。

第２導電型層１４は後から形成してもよく、この場合の
製造工程を第６図に示す。この図の（１）は同（２）の
、単結晶シリコン基板１１上に第１導電型のシリコンエ
ピタキシャル層１２を成長させ、表面に絶縁膜１３を形
成するまでの工程を示す。次は絶縁膜１３に第１導電型
（ｎ゛）の多結晶（または非晶質）シリコン層を成長さ
せ、それをパタニングして複数本の第１導電型層１６を
形成して（４）の状態にするが、こ−までの工程を（３
）で示す。

この（４）の状態は第５図（１２）に相当するが、第２
導電型１！１４はない。５次いで熱処理またはＣＶＤに
より表面に絶縁膜１５ａを形成して（５）の状態にし、
次にホトリソグラフィにより絶縁膜１３に（６）のよう
に拡散窓をあける。この（６）も−平面での断面図では
なく、絶縁膜１３の上、下でずれている。アイソレーシ
ョン部まで含めると（６）は（６）′　の如くである。

次に第６図（力に示すように、絶縁膜１５にあけた窓を
通して不純物を拡散し、複数本の第２導電型層１４を作
る。第２導電型層１４を作る工程で、同時に多結晶シリ
コンゲートのＭＯＳトランジスタのソースとドレインの
拡散頭載も自己整合で作ることが可能である。このよう
に第２導電型Ｊｌ１４を後で作る工程は、ＭＯＳ）ラン
ジスタを使った集積回路も同時にできる。その後、熱処
理またはＣＶＤにより絶縁膜１５ｂを形成し、（８）の
状態にする。また、アイソレーション２０と基板コンタ
クト２１を作るには、（１）〜（５）、第５図（４）′
〜（９）′（６）〜（８）としても、また、（１）〜（
５）、第５図（４）′　〜（６）′、（６）〜（８）、
第５図（７）′〜（８）′　としてもよく、工程の順序
は適宜変更できる。次は第５図面または０３）’　、　
０４）、　Ｏω、・・・・・・の工程に移る。（８）′
　は（８）をアイソレーション部まで含めて示す。

第７図（ａ）は第２導電型層１４と第１導電型層１６の
両端部を重なるように配置したものである。

第７図（ｂ）は、１４と１６と金属層１７の接続をイメ
ージした図である。この構造についても、第５図または
第６図の製造工程で作ることができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明では、ｐ型及びｎ型単結晶、
多結晶、非晶質シリコンをサーモパイルの熱電対として
用いるので、熱電対の起電力が、単結晶シリコンとアル
ミニウムの熱電対と比較すると１．８倍程度も大きくな
り、微弱な電磁波も検出可能な高感度サーモパイルを提
供することができる。また製造が容易であり、低コスト
化が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のサーモパイルの原理説明図、第２図は
電磁波吸収体層部分を薄肉化したサーモパイルの概略断
面図、 第３図は十字状配置のサーモパイルの概略平面図、 第４図は放射状配置のサーモパイルの概略平面図、 第５図は本発明のサーモパイルの製造工程の説明図、 第６図は本発明のサーモパイルの他の製造工程の説明図
、 第７図は本発明の他のサーモパイルの説明図である。 第１図で１４は第２導電型層、１６は第１導電型層、１
７はこれらの端部を接続する金属層、１９は電磁波吸収
体層である。 出　願　人　新日本製鐵株式会社

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、シリコン単結晶層に不純物を導入して形成された複
   数本の第２導電型層と、 該シリコン単結晶層の表面の絶縁層上に堆積させた多結
   晶または非晶質シリコン層で形成された複数本の第１導
   電型層と、 これら第１、第２導電型層をその両方の端部で接続して
   全体をジグザグ状にする金属層と、これら複数本の第１
   、第２導電型層の前記金属層で接続された一方の端部に
   、絶縁層を介して被着された、該端部の受光用の電磁波
   吸収体層とを備えることを特徴とするシリコンを使用し
   たサーモパイル。 ２、第１導電型のシリコン単結晶層に複数本の第２導電
   型の層を形成する工程と、 該シリコン単結晶層の表面に絶縁膜を形成し、その上に
   第１導電型の多結晶または非晶質シリコン層を堆積させ
   る工程と、 該第１導電型のシリコン層をパターニングして複数本の
   第１導電型層を形成する工程と、 これら第１、第２導電型層の両端部を、隣接するそれら
   の端部へ、絶縁層への窓開き、金属蒸着、パターニング
   で形成した金属層により接続して全体をジグザグ状の直
   列接続体にする工程と、該両端部の一方の温接点となる
   側に、絶縁膜を介して電磁波吸収体層を形成する工程と
   を有することを特徴とするシリコンを使用したサーモパ
   イルの製造法。 ３、第１導電型のシリコン単結晶層の表面に絶縁膜を形
   成し、その上に第１導電型の多結晶または非晶質シリコ
   ン層を堆積させる工程と、 第１導電型のシリコン層をパターニングして複数本の第
   １導電型層を形成する工程と、 表面に絶縁層を形成しかつパターニングして窓開きし、
   その窓を通してシリコン単結晶層に不純物を拡散して、
   複数本の第２導電型層を形成する工程と、 これら第１、第２導電型層の両端部を、隣接するそれら
   の端部へ、絶縁層への窓開き、金属蒸着、パターニング
   で形成した金属層により接続して全体をジグザグ状の直
   列接続体にする工程と、該両端部の一方の温接点となる
   側に、絶縁膜を介して電磁波吸収体層を形成する工程と
   を有することを特徴とするシリコンを使用したサーモパ
   イルの製造法。