JPH03287023A - 赤外線検出素子、赤外線検出装置およびその製造方法 - 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〕 この発明は、赤外線検出素子、赤外線検出装置およびそ
の製造方法に関し、詳しくは、温度による抵抗の変化を
利用して赤外線を検出する、いわゆるサーミスタ式熱変
換型の赤外線検出素子と、このような赤外線検出素子を
用いて電気的な検出信号を取り出す赤外線検出装置、お
よび、このような赤外線検出装置の製造方法に関するも
のである。

〔従来の技術〕

サーミスタ式熱変換型の赤外線検出素子としては、従来
、複数の酸化物からなるサー主スタ材料をセラミンクと
して焼成した後、電極形成や切断、研磨等の加工を行っ
て得られるサーミスタチップが用いられていた。また、
このような赤外線検出素子を用いて、各種のセンサや制
御器等に組み込む赤外線検出装置を構成するには、赤外
線の存在すなわち温度上昇に伴うサーミスタの抵抗値変
化を、所望の目的に利用可能な電気信号に変換する増＠
回路等の信号処理回路を前記サーミスタチップと組み合
わせていた。

Ｃ発明が解決しようとする課題〕 ところが、従来の赤外線検出素子に用いられているサー
ミスタチップは、かなり分厚いので熱容量が大きく、そ
のために応答速度が低いという欠点があり、改良が望ま
れている。

また、従来、このような目的に使用されていたサーミス
タは、一般に非常に高抵抗で、赤外線入射時の抵抗値変
化は極めて微小である。そのため、高インピーダンスで
高感度の増幅回路を、出来るだけ検出素子に近接して設
置し接続しておく必要があるが、実際の検出装置では、
増幅回路と検出素子を十分に近接させて設置することが
できないため、雑音が大きくなり、その結果、検出感度
が低くなるという問題もあった。

上記問題を解消するため、赤外線検出装置において、サ
ーミスタの抵抗値変化を目的に応じて利用可能な電気信
号に変換する信号処理回路を構成するＩＣの内部に、前
記したサーミスタを集積しておくことが考えられたが、
次のような理由で、実用化できなかった。

すなわち、サーミスタ材料には、純度の低い多成分から
なるセラミックが用いられているので、ＩＣ基板を、こ
のようなセラミックと一緒に熱処理すると、ＩＣ部分が
汚染されて、意図した機能が失われてしまうのである。

また、セラミックの焼成温度は、ＩＣプロセスでの熱処
理温度よりも高いので、セラミックの焼成を必要とする
サーミスタの作製工程と、ＩＣ作製工程とを、同じ基板
に混在させて行うことは実際上不可能であり、現実的で
はなかった。

そこで、この発明の課題は、従来のサーミスタ式の赤外
線検出素子が有していた前記問題点を解消し、応答速度
および検出感度が高いと同時に、製造工程をＩＣプロセ
スと共存させて、同一基板に赤外線検出素子とＩＣによ
る検出信号の処理回路とを近接させて配置することので
きる赤外線検出素子を提供することにある。また、この
ような赤外線検出素子を備えた赤外線検出装置およびそ
の製造方法を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決する、この発明のうち、請求項１記載の
赤外線検出素子は、平均粒径０．０１〜１゜Ｑｙｍ、膜
厚０．１〜５．　０μｍの多結晶シリコンからなる薄膜
抵抗体と、この薄膜抵抗体の表面を覆う複数の電極から
なる。

この発明では、赤外線の存在による温度上昇を抵抗値の
変化として示す抵抗体として、前記粒径および膜厚を備
えた多結晶シリコンを用いる。この多結晶シリコンから
なる薄膜抵抗体は、絶縁層が形成されたシリコン基板等
の表面に、５ｉＣＪ４の熱分解法等、通常のｉ膜形成技
術を用いて形成することができる。多結晶シリコンは、
従来のす〜ミスタのように不純物の多いものは好ましく
なく、不純物を添加しないものを用いる。

電極は、上記薄膜抵抗体の抵抗値を信号処理回路で検出
するための配線になると同時に赤外線の吸収体となって
ａｌ膜抵抗体の温度変化を良好にするために用いられる
。そのため、電極としては、抵抗値を検出する少なくと
も２個一対の電極が必要であるが、目的や用途によって
は、３個以上の電極が設けられる場合もある。また、赤
外線を良好に吸収して薄膜抵抗体に伝熱できるように、
薄膜抵抗体の表面の大部分を覆うように形成されるのが
好ましい。電極の具体的な形状や配置は、目的用途に合
わせて適当な構造が採用できる。

電極の材料は、配線としての機能を有する導電材料であ
るとともに赤外線吸収性の良好な材料が好ましい。具体
的には、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ。

Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄのうちの何れ
か１種の金属、前記金属のうちの複数の金属の合金、ま
たは、前記金属のうちの１種の金属と薄膜抵抗体を構成
する多結晶シリコンとのシリサイドの何れかが好ましい
。電極の形成は、通常の半導体プロセス等と同様の薄膜
形成技術や微細加工技術を用いて行われる。したがって
、電極の材料としては、このような電極形成方法に適し
たものが望ましい。

上記のような、薄膜抵抗体と電極で赤外線検出素子が構
成され、この赤外線検出素子は、従来の通常のサーミス
タ式赤外線検出素子と同様に、適当な基板や装置に組み
込まれて、赤外線センサ等として利用される。

赤外線検出装置として、上記のような赤外線検出素子を
、検出信号の処理回路と同じ基板に形成しておくことが
できる。すなわち、予め適当な半導体プロセス等を用い
て、ＩＣからなる信号処理回路が形成された基板に、薄
膜抵抗体および電極を形成し、電極の一部を信号処理回
路に接続するのである。

基板には、通常のＩＣと同様のシリコン基板その他の基
板材料が用いられる。信号処理回路は、薄膜抵抗体から
検出された信号を増幅したり、雑音を除去したり、適当
な加工を加える等、赤外線検出装置の利用目的や使用条
件に合わせて、検出信号を利用可能な電気信号に変換す
る回路であり、具体的な回路の構成は、通常の赤外線検
出装置における各種の信号処理回路と同様のものが利用
できる。基板への信号処理回路の作製は、通常の半導体
プロセスが適用される。

上記のようにして、信号処理回路が形成された基板の表
面に、前記したような方法でａｔ膜抵抗体を形成し、さ
らに、その上に電極を形成し、電極の一部が信号処理回
路の所定部分に接続されるようにすれば、赤外線検出装
置が出来上がる。赤外線検出装置は、さらに、外部回路
への接続端子やパーケフジ、あるいは、集光用のレンズ
等と組み合わせられて、赤外線検出センサ等の製品が構
成される。

〔作　　用〕

平均粒径０．０１〜１．Ｏｎ、膜厚０．１〜５．　Ｏｔ
ｎの多結晶シリコンからなる薄膜抵抗体は、抵抗の温度
係数が大きく、微弱な赤外線輻射に対しても抵抗値変化
が大きいので、サーミスタとしての機能を良好に果たす
ことができる。しかも、従来のサーミスタのように不純
物が多く含まれるものではないので、半導体プロセスに
よって作製される信号処理回路と同し基板に共存させて
作製しても、不純物による信号処理回路への悪影響が生
しない多結晶シリコンは、薄膜形成技術を利用して、前
記のような極めて薄い膜状の抵抗体を形成できる。

薄膜抵抗体の表面を電極で覆っていることにより、電極
で抵抗値を測定するだけでなく、電極が赤外線を吸収し
て、薄膜抵抗体の温度上昇を効率良く行わせ、ａｆ膜抵
抗体の抵抗値の変化を大きくすることができる。すなわ
ち、多結晶シリコンからなる薄膜抵抗体に直接赤外線を
吸収させて温度上昇させるよりも、赤外線に対する反射
率が低い、すなわち赤外線の吸収性の高い金属薄膜から
なる電極に赤外線を吸収させ、この電極から薄膜抵抗体
に伝熱させたほうが、薄膜抵抗体の温度上昇が大きくな
るのである。

特に、先に挙げたような特定の電極材料を用いれば、通
常の電極材料であるＡｕやＡＩに比べて、赤外線の吸収
性を極めて良好にでき、薄膜抵抗体の抵抗値変化を格段
に大きくできる。

上記のような薄膜抵抗体および電極は、通常の半導体プ
ロセスと同様の薄膜形成技術や微細加工技術を用いて、
基板上に順次作製できるので、信号処理回路と同し基板
に、同しような製造工程あるいは処理条件で赤外線検出
素子を形成することができる。

このようにして、同し基板に、赤外線検出素子と信号処
理回路とが形成および接続された赤外線検出装置は、ａ
！膜抵抗体と信号処理回路を近接させて配置でき、薄膜
抵抗体と信号処理回路を接続する電極の長さも短くでき
る。

〔実　施　例〕

ついで、この発明の実施例を、図面を参照しながら以下
に詳しく説明する。

第１図は、この発明にかかる赤外線検出素子および装置
の模式的な断面構造を示している。

基板１は、通常の半導体基板と同様のシリコン基板が用
いられる。基板１の内部には、通常の半導体プロセスを
用いて信号処理回路２が形成されている。信号処理回路
２の具体的構造や回路構成は、通常の赤外線検出装置と
同様の増幅回路その他の回路を備えていればよく、詳細
な説明は省略する。

信号処理回路２を備えた基板ｌの表面には、シリコン酸
化ＩＰｊｉ３が形成されている。このシリコン酸化１１
１！３は、信号処理回路２を保護していると同時に、そ
の上に形成される薄膜抵抗体が基板と電気的に短絡する
のを防いでいる。シリコン酸化膜３の厚みや形成手段は
、通常の半導体装置と同様でよい。

シリコン酸化膜３の上には、多結晶シリコンからなる薄
膜抵抗体４が形成されている。薄膜抵抗体４の形成方法
は、例えば、基板温度６５０℃で３０分間、５ｉＣ１，
を熱分解させて、シリコン酸化膜３の上に約０．６　ｔ
ｒｍの厚さまで多結晶シリコンを成長させた後、所定の
パターン形成を行う。

上記のようにして形成される多結晶シリコン膜のシート
抵抗値は、１〜２ＭΩ／口になる。また、温度係数は負
の値を示し、次式のように定義される。

Ｒ＝Ｒ＊　　・ｅｘｐ（Ｂ／Ｔ）　　　　−（１１ここ
で、Ｒは温度Ｔにおける抵抗値、Ｒｏは温度Ｔ、におけ
る抵抗値、ＴおよびＴ、は絶対温度、Ｂはその抵抗体に
固有な温度係数を表す。この発明に用いる多結晶シリコ
ン膜では、上記温度係数Ｂが、２５〜１２５℃の温度範
囲で約５０００［”Ｋコである。

薄膜抵抗体４のパターン形成は、シリコン酸化膜３の上
に形成された多結晶シリコン膜に対し、ホトレジストを
用いて所定の部分を覆った後、トＩＦ　＋　ＨＮ　Ｏｓ
水溶液で不要部分をエツチング除去すれば、必要な形状
および位置に薄膜抵抗体４を形成することができる。

薄膜抵抗体４の上には、ＮｉＣｒ等からなる一対の電極
５が形成されている。電極５は、薄膜抵抗体４の表面の
大部分を覆って薄膜抵抗体４に接続されており、左右の
電極５．５が、薄膜抵抗体４の上面でわずかな間隔をあ
けて対向している。

電極５の他端は、シリコン酸化Ｆｉ！３を貫通して信号
処理回路２に接続されている。このような電極５の形成
は、通常の半導体装置等における電極形成技術を用いて
行える。例えば、信号処理回路２と電極５を接続する個
所のシリコン酸化膜３を常法によって除去した後、Ｎｉ
とＣｒを別々のボートから同時に抵抗加熱により蒸着す
ることにより、ＮｉＣｒ薄膜を形成させることができる
。Ｎ１ＣｒａＥ膜の厚みは、約０．５μ程度に形成され
る。

この１ｉＪｉｃｒ薄膜を、ＨＣ１水溶液を用いてホトエ
ツチングすることにより、所定のパターンを有する電極
５が形成される。

以上のような構造を備えた赤外線検出素子および赤外線
検出装置は、電極５．５の表面に入射した赤外線が、電
極５．５に吸収されることによって、電極５．５および
その下の薄膜抵抗体４の温度が上昇し、その結果、薄膜
抵抗体４の抵抗値が変化する。この抵抗値の変化すなわ
ち検出信号が電極５，５を通じて信号処理回路２に入力
され、増幅等の適当な処理加工を施されて所定の利用可
能な電気信号に変換された後、出力される。

赤外線検出素子および赤外線検出装置の具体的構造は、
上記のような機能が発揮できれば、図示した構造に限ら
ず、任意の形状あるいは配置構造に変更することができ
る。

〔発明の効果〕

以上に述べた、この発明にかかる赤外線検出素子、赤外
線検出装置およびその製造方法によれば、抵抗体として
、前記のような多結晶シリコンからなる薄膜抵抗体を用
いていることにより、サーミスタとして良好な機能を発
揮できると同時に、半導体プロセスによって作製される
信号処理回路と共存させて同し基板に形成することが可
能になった。すなわち、薄膜抵抗体を含む赤外線検出素
子部分と信号処理回路部分を、ひとつのチップに集積で
きることになるのである。

薄膜抵抗体および電極からなる赤外線検出素子と信号処
理回路とを同し基板に、通常の半導体プロセスと同様の
薄膜形成技術や微細加工技術を用いて形成できれば、赤
外線検出素子と信号処理回路を近接させて配置でき、検
出素子と信号処理回路をつなぐ配線距離も短くできるこ
とになり、赤外線検出装置の全体構造を小型化できると
同時に、赤外線検出素子の感度を向上させたり、雑音を
低減させたりすることができる。しかも、製造工程は、
薄膜抵抗体の製造工程と電極および信号処理回路の製造
工程とを分ける必要がないので、作業工程が簡略化され
能率的に生産することができる。

この発明における多結晶シリコンからなる薄膜抵抗体は
、従来のセラミック等からなるサーミスタに比べて、は
るかに薄いので、熱容量が小さく、赤外線に敏感に反応
するようになり、応答速度が非常に高くなる。

薄膜抵抗体の表面を覆う電極が赤外線を吸収して、薄膜
抵抗体の温度上昇を促進させるので、赤外線の検出感度
が向上する。なお、従来の赤外線検出素子において、電
極上に黒化膜を塗布して赤外線の吸収性を向上させるこ
とが行われていたが、この発明のように、電極自体の赤
外線吸収性が良好であれば、黒化膜の塗布工程が省略で
き、製造の簡略化およびコスト低減に有効となる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明にかかる実施例の赤外線検出装置を示
す模式的断面図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　平均粒径０．０１〜１．０μｍ、膜厚０．１〜５．
   ０μｍの多結晶シリコンからなる薄膜抵抗体と、この薄
   膜抵抗体の表面を覆う複数の電極からなる赤外線検出素
   子。 ２　電極が、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ
   、Ｗ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄのうちの何れか１種の金属、前
   記金属のうちの複数の金属の合金、または、前記金属の
   うちの１種の金属と薄膜抵抗体を構成する多結晶シリコ
   ンとのシリサイドの何れかで形成されてなる請求項１記
   載の赤外線検出素子。 ３　請求項１または２記載の赤外線検出素子が、検出信
   号の処理回路と同じ基板に形成されていて、電極がこの
   信号処理回路に接続されている赤外線検出装置。 ４　請求項３記載の赤外線検出装置を製造する方法であ
   って、内部に信号処理回路が形成された基板の表面に、
   薄膜抵抗体を形成した後、電極を形成して、電極が薄膜
   抵抗体の表面を覆うとともに電極の一部が信号処理回路
   に接続されるようにする赤外線検出装置の製造方法。