JPH03196582A

JPH03196582A - シリコン単結晶を使用したサーモパイル及びその製造方法

Info

Publication number: JPH03196582A
Application number: JP1069094A
Authority: JP
Inventors: Hikari Sakamoto; 光坂本; Atsushi Kawasaki; 川崎　篤; Tomoshi Kanazawa; 金沢　智志; Shoichi Masui; 昇一桝井; Gen Hashiguchi; 原橋口
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1989-03-20
Filing date: 1989-03-20
Publication date: 1991-08-28

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
単結晶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、　Ｔｈｅｒ＋ｗｏｐ
ｉｌｅｓＦａｂｒｉｃａｔｅｄ　ｕｓｉｎｇ　５ｉｌｉ
ｃｏｎ　Ｐｌａｎａｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＋５ｅｎ
ｓｏｒｓ　ａｎｄ　Ａｃｔｕａｔｏｒｓ、　３．（１９
８２／８３）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５Ｘ１０−３（ΩＣａ＋）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１５
２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、これは導電型を逆にすることで満足させることが
できる。但し、作り方が問題である。即ちこれは、シリ
コン単結晶層に形成したｐ型車結晶ストリップとは絶縁
する必要があるが、絶縁膜上に単結晶層は形成しにくい
。シリコン基板上のシリコン酸化膜等の絶縁膜上にＣＶ
Ｄ法等によってシリコン薄膜を作るとこれは多結晶シリ
コンや非晶質シリコンになってしまい、いずれも単結晶
シリコンよりもゼーベック係数が小さい。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
法がある。また、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
に成長させる方法についても提案や研究開発報告例があ
るが、これらいずれの方法も、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、それを大きくすべく、製造法は
簡単な多結晶シリコンや非晶質シリコンを用いると、ア
ルミニウムよりは改善されるが、単結晶シリコン程では
ない。

それ故本発明は、製造法を工夫して、どちらも単結晶シ
リコンであり、但し導電型が異なるシリコンストリップ
を用いた熱電対を多数組合せた、熱起電力の大きいサー
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２つのシリコン単結晶層を用い、これらに互
いに導電型を異にする単結晶シリコンストリップを形成
し、これらの単結晶シリコン層をその表面の絶縁層で貼
り合せ、導電型を異にする単結晶シリコンストリップ相
互を接続してサーモパイルとする。

第１図で１４．１６が２つのシリコン単結晶層に形成さ
れた、導電型を異にする単結晶シリコンストリップであ
り、ニーでは第１、第２導電型層という。１３．１５は
２つのシリコン単結晶層の表面に形成された絶縁層（シ
リコン酸化膜）で、これらは貼り合わされ、ひいては２
つのシリコン単結晶層が貼り合わされる。

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もシリコン単結晶層により作られるが、この単結晶
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ｌｌ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、層
１４の各々は７１１２との間に形成されるｐｎ接合で絶
縁する。

第１、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１８を介して電
磁波吸収体層１９を配設する。

電磁波吸収体層１９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（下降）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（下降
）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があるが、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、第２導電型層１６．１４はｐ、ｎ
型シリコン単結晶層であるからゼーベック係数が大きく
、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、その総熱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（しておくとヒート
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、金属層１７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１Ｂ、１５．１３は、電磁波吸収
体層１９の熱を逃さないよう、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、単結晶シリコン基板ｌ
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１４はＰ゛型、第１導電型層１６はｎ゛型とす
る。また絶縁層１３，１５．１８はシリコン酸化膜、電
磁波吸収体層１９は金具とする。

第２導電型層Ｉ４の寸法は例えば長さ１〔順〕、幅３０
〔μｍ〕、厚さ（拡散深さ）５〔μｍ〕とし、第１導電
型層１６の寸法は長さｌ（ｍｍ）、幅３０〔μｍ〕、厚
さ１０μｍ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（ａ”）の面積を持つ金具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４ｘ４（ｍｕ）の大きさ
で、ウェハ上のスクライブラインから０．５〔鵬〕内側
に形成される。ｐ０シリコンからなる第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の抵抗率は３．５Ｘ１０−’（０ｃｍ
）で、サーモパイルの内部抵抗は４３．２（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、素子寸法をそれ程変えずに調整する（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、１１２
　（ｍＶ）の総熱起電力がある。これは、熱電対一対当
り１．１７（ｍＶ）であり、ｐ゛シリコン／アルミニウ
ム熱電対に比べると２倍以上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°シリコンの第２導電
型層１４を短辺３０〔μｍ〕、長辺１２０〔μｍ〕、長
さ１　（ｉｎ）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　　（ｍｍ）の台
形で、厚さ１０（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２５．７（ＫΩ〕で、総熱起電力は
１０５１０５（であった。

第２図に、電磁波吸収体層１９の部分の直下のシリコン
基板１１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シている。例えば薄い部分は１
０数Ｃμｍ〕、厚い部分は４００　Ｃμｍ）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
、断面でみても中央に電磁波吸収体層１９があり、その
両側に第１１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（アイソレーション）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。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（７）′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第２導電型層１４を作る。その
後、酸化膜１３はウォッシュアウト（８）の状態にする
。次は（９）に示すように、熱処理して表面に酸化膜１
３を形成させ、また第１導電型の単結晶シリコン３２を
用意し、これを熱処理して表面に酸化膜１５を形成する
。これらは貼り合わせて０口）の状態にする。貼り合わ
せは、酸化膜１３゜１５を純水でぬらしたのち重ね合せ
、２００（’Ｃ）でベーキングした後、８００〜１００
０　（”Ｃ）の温度で３０〜６０分間熱処理することに
より可能である。

酸化膜１３．１５の厚みは１０００　［人］、単結晶シ
リコン３２の厚みは４００〔μｍ〕である。次に表面の
酸化膜を除いて（１１）の状態にする。

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）〜（８
）・・・・・・とじても、また（１）〜（３）、（４）
′〜（６）’、　（４）〜（力、　（７）’、　（８）
・・・・・・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。

また工程（１１）では（１０′に示すように下面の絶縁
層１３は残すようにしてもよい。

次は第５図０２）に示すように、単結晶シリコン３２を
１０Ｃμｍ〕程度の薄膜にする。これはラッピングとエ
ツチングで行なう。次に窒化処理して表面にシリコン窒
化膜３３を形成し、側の状態にする。θ■′に示すよう
に、これはシリコン酸化膜３４でもよい。シリコン窒化
膜３３はホトリソグラフィでパターニングし、０４）に
示すようにパターニングした窒化膜３３をマスクに単結
晶シリコン３２をエツチングして第１導電型層１６にす
る。

窒化膜３３は除いて０９の状態にし、熱処理またはＣＶ
Ｄを行なって表面に酸化膜１８を形成して０６）の状態
にする。工程０５）は、（４）′〜（８）’、　００’
　の工程を行なったものは省略してよい。

次は第５図θ′７）に示すように、絶縁膜１Ｂ、１５゜
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０
７）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。次に金属（アル
ミニウム）を蒸着してθ印の状態にし、これをパターニ
ングして０９）に示すように金属１ｉ１７を作る。右側
の金属層１７は図示の第１、第２導電型層１４．１６の
一端を接続するものであり、左側の金属層１７．１７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、１２Ｇ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（２１
）のようにホトレジスト３６を塗布し、パタニングし、
次いで（２２）金を蒸着してリフトオフして電磁波吸収
体（金具）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（２３）の状態にする。（２３）　’　は
アイソレーション部分まで示した（２３）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（２４）のように裏面側の保護膜３７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
ように祷る。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。（２４）’、　（２５
）’　はアイソレーション部まで含まれた（２４）、　
（２５）の状態を示す。なお（２４）　（２５）などで
は上部の絶縁層１３，１５．・・・・・・などを省略し
ている。

工程順は変更可能である。例えば（１１）″または（１
３）’の工程を経たものは（２２）より（２４）へ移っ
てよい、また（２０）より（２４）　（２５）　（２１
）　（２２）の順にして薄肉化の後にｉｉｔｍ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
成し、また第１導電型の単結晶シリコン基板３２を用意
し、その表面に絶縁膜１５を形成するまでの工程を示す
。この第６図（２）は第５図（９）に相当するものであ
るが、エビ層１２に第２導電型層１４が形成されていな
い点が異なる。

この第６図（２）の状態で側基板の貼り合せ、単結晶シ
リコン基板３２の薄層化、及びバターニングを行なう。

これを工程（３）で示す。こうして（４）の状態になり
、これは第５図（１５）に相当するが、やはり第２導電
型層１４はない。１次いで熱処理またはＣＶＤにより表
面に絶縁膜１８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１５．１３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１５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。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）、　（７）として
も、また、（１）〜（５）。

第５図（４）′〜（６）’、　（６）〜（８）９第５図
（力’、（８）’としてもよく、工程の順序は適宜変更
できる。

次に第６図（７）に示すように、絶縁膜１５．１３にあ
けた窓を通して不純物を拡散し、第２導電型層１４を作
る。その後、熱処理またはＣＶＤにより絶縁膜３８を形
成し、（８）の状態にする。これは第５図（１６）と同
じ状態であり、以後第５図（１７）　。

・・・・・・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。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明では、Ｐ型及びｎ型単結晶シ
リコンをサーモバ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２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バイルを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のサーモバイルの原理説明図、第２図は
電磁波吸収体層部分を薄肉化したサーモバイルの概略断
面図、第３図は十字状配置のサーモバイルの概略平面図、第４図は放射状配置のサーモバイルの概略平面図、第５図は本発明のサーモバイルの製造工程の説明図、第６図は本発明のサーモバイルの他の製造工程の説明図
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。第１図（１） ■＋第５図（Ｑ）Ｎ５図（ｂ）Ｎ５図（Ｃ）第５図（ｄ）７第５図（ｅ）Ｎ６図（Ｑ）Ｈ６図（ｂ）

Claims

【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、表面の絶縁層で該シリコン単結晶層に貼り合わされた他
のシリコン単結晶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、該端部の加熱用の電磁波
吸収体層とを備えることを特徴とするシリコン単結晶を
使用したサーモパイル。２、複数本の第１、第２導電型層の、金属層で接続され
た温接点となる一方の端部と冷接点となる他方の端部と
の間は、直線状または非直線状であることを特徴とする
請求項１記載のシリコン単結晶を使用したサーモパイル
及びその製造方法。３、複数本の第１、第２導電型層が互いに平行に延び、
４個のかゝる組が温接点側で対向して十字状に配設され
、四角形に並んだ温接点群の上に絶縁層を介して四角形
の電磁波吸収体層が被着され、かつ全ての第１、第２導
電層がジグザグ状に直列接続されたことを特徴とする請
求項１記載のシリコン単結晶を使用したサーモパイル。４、複数本の第１、第２導電型層が、温接点側で対向し
て放射状に延び、円形に並んだ温接点群の上に絶縁層を
介して円形の電磁波吸収体層が被着され、かつ全ての第
１、第２導電層がジグザグ状に直列接続されたことを特
徴とする請求項１記載のシリコン単結晶を使用したサー
モパイル。５、電磁波吸収体層を被着した部分直下のシリコン基板
の厚みを薄くすることを特徴とする請求項１〜４記載の
シリコン単結晶を使用したサーモパイル。６、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、また複数本の第２導電型の層を形成したシリコン
単結晶層の表面に絶縁膜を形成し、これらを該絶縁膜で
被着させて貼り合わせる工程と、該第１導電型のシリコン単結晶層を薄膜化し、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単結晶を使用したサ
ーモパイルの製造法。７、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、また第１導電型のシリコン単結晶層の表面に絶縁
膜を形成し、これらを該絶縁膜で被着させて貼り合わせ
る工程と、第１導電型のシリコン単結晶層を薄膜化し、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、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単結晶を使用したサ
ーモパイルの製造法。