JPH0334478A - 赤外線センサ - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） この発明は、高検出感度を有するサーモパイル形の赤外
線センサに関する。

（従来の技術） 従来のサーモパイル形の赤外線センサとしては、例えば
第６図及び第７図に示すようなものがある（Ｐ、Ｍ、５
ａｒｒｏ他ｒＡＮ　　　ＩＮＦＲＡＲＥＤＳＥＮＳＩＮ
Ｇ　　　ＡＲＲＡＹ　　　ＢＡＳＥＤ　　　０ＮＩＮＴ
ＥＧＲＡＴＥＤ　　　５ＩＬＩＣＯＮ　　　ＴＨＥＲＭ
ＯＰ　　Ｉ　　ＬＥＳＪ　　ＴＲＡＮＳＤＵＣＥＲ３８
７ｐｐ、２２７〜２３０　　（１９８’７）　　）。

第６図及び第７図中、２１は半導体基板としてのｐ形シ
リコン基板、２２はｎ形エピタキシャル層であり、この
ｎ形エピタキシャル層２２の下側のｐ形シリコン基板部
及び周囲３方がエツチングで取除かれて片持梁２３が形
成されている。この肉薄とされて熱抵抗の大きい片持梁
２３により、基板領域（以下、基板領域というときもｐ
形シリコン基板と同一符号２１を用いる）から熱分離さ
れた熱分離領域が形成されている。片持梁２３の部分を
含むｎ形エピタキシャル層２２の表面にはシリコン酸化
膜２４が形成されている。

片持梁２３には、その先端部に赤外線吸収層２５が形成
され、この赤外線吸収層２５から固定部である基板領域
２１に向ってｐ形拡散層抵抗（ｐ形半導体抵抗層）２６
が３水平行に形成されている。そして、この３本のｐ形
拡散層抵抗２６がコンタクトホールを介してＡｌ配線２
７により直列に接続されてサーモパイル３０が構成され
ている。２８はｎ形エピタキシャル層２２にバイアス電
位を与えるためのｎ＋コンタクト領域である。

いま、このような構造のサーモパイル形赤外線センサの
赤外線吸収層２５へ赤外線が入射すると、このエネルギ
ーは熱に変換されて、片持梁２３の先端側の温度が上昇
し、基板領域２１側との間に温度差が生じる。片持梁構
造はその一辺が基板領域２１へ接続されているだけで周
りはＮ２雰囲気又は真空にすることができるので、片持
梁２３の先端部にある赤外線吸収層２５から基板領域２
１への熱抵抗を大きくすることができ、赤外線吸収層２
５で変換された熱により生じる温度差を大きくすること
ができる。この温度差によりサーモパイル３０の両端２
７ａ、２７ｂには起電力Ｖｏが生じる。いま赤外線セン
サーチップが真空状態で実装されていて、片持梁２３の
先端側で生じた熱はＳｔ（シリコン）の片持梁２３だけ
を通って流れるものと仮定すると、赤外線の入射エネル
ギーｐｏに対しサーモパイル３０の起電力ｖＯは次のよ
うに表される。

ｖｏｌｗｎ・αＰＩＩＲｏ　・ＰＯ・・・（１）ここで
ｎはサーモパイル３０を構成するｐ形波散層抵抗２６の
本数、αＰはｐ形波散層抵抗２６のゼーベック係数であ
り、Ａｌ配線２７のゼーベック効果については十分小さ
いので無視することができる。Ｒ，は片持梁２３の先端
部から基板領域２１へ到る熱抵抗であり、ここではＳｔ
片持梁２３の熱抵抗とその片持梁２３上に形成されたＡ
ｌ配線２７の熱抵抗の並列合成抵抗となり次のように表
される。

Ｒ□　−Ｌ／　（Ｋｓ　ｔ　−Ａｓ　Ｉ　＋ＫＡＬ　−
ＡＡＬ）・・・（２） ここでＬは片持梁２３部分の長さ、ＫＳ　Ｉ　。

ＫＡＬはそれぞれＳｉ、Ａｉの熱伝導率、ＡＳ　Ｉ　。

ＡＡＬはそれぞれＳｔ片持梁２３、Ａ吏配線２７の断面
積である。

いま片持梁２３が、長さＬ−２ｍｍ、幅４００μｍ１厚
さが１０μｍで、サーモパイル３０が１０本（ｎ　＝　
１０）のｐ形波散層抵抗２６で構成されている赤外線セ
ンサを考えると、ＫＳ　Ｉ　−１，４１（Ｗ／ｃｍ−Ｋ
）　、ＫＡＬ−２，３６（Ｗ／Ｃｍ−Ｋ）より、熱抵抗
Ｒ，は上記（２）式から次のような値となる。

Ｒｏ　＝０．２／　（１，４１Ｘ　（４００Ｘ１０）Ｘ
１０−８＋２．３６ Ｘ　（１ｘ２０）ｘ１０４ｘｌＱ） −３，２７ｘ１０３　（Ｋ／Ｗ） したがって、例えばαＰ−１ｍＶ／にとするとＰＯ＝１
ｍＷの入射に対してＶｏ−３２，７ｍＶとなる。

次いで、このような片持梁式赤外線センサの製造方法に
ついて簡単に説明する。最初にバイポーラプロセスと同
様にｐ形シリコン基板２１にｎ形エピタキシャル層２２
を１０〜２０μｍ成長させ、ｐ形素子分離拡散（図示せ
ず）を片持梁２３を３方から取り囲むようにＵ字形にｐ
形シリコン基板２１に達するように行う。次にサーモパ
イル３０を構成するｐ形波散層抵抗２６を形成し、続い
てｎ＋コンタクト領域２８を形成する。次にウェハ裏面
にシリコン窒化膜等の耐エツチング性膜を被着する。コ
ンタクトホールのエツチング、Ａ又配線２７形成の後、
裏面の耐エツチング性膜に窓をあけて、ｎ形エピタキシ
ャル層２２を正電位にバイアスしながら、ｐ形シリコン
基板２１を裏面よりＫＯＨ，ＥＤＰ　（エチレンジアミ
ン・ピロカテコール水溶液）等の強アルカリ性の異方性
シリコンエツチング液でエツチングする（エレクトロケ
ミカルエツチング）。エツチングが進行してｎ形エピタ
キシャル層２２へ達すると、エツチングは停止するがＵ
字形に形成されたｐ形素子分離領域は引続きエツチング
され、第６図に示すような片持梁構造が完成する。

（発明が解決しようとする課題） 従来の赤外線センサにあっては、熱分離構造としてＳｉ
の片持梁を形成し、その先端部に赤外線吸収層を形成す
るとともに、この赤外線吸収層と基板領域との間の部分
にｐ形波散層抵抗及びＡｌ配線によりサーモパイルを形
成するようにしていたため、Ｓｔの片持梁部分の熱抵抗
を十分に大きくすることができず、赤外線の検出感度を
高めることが難しいという問題があった。

そこで、この発明は、熱分離構造部分の熱抵抗を十分に
大にして赤外線の検出感度を顕著に高めることのできる
赤外線センサを提供することを目的とする。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） この発明は上記課題を解決するために、半導体基板の基
板領域と、この基板領域から熱分離するように形成した
赤外線吸収部とを、ビーム状に形成した複数個のｐ形半
導体抵抗部及びｎ形半導体抵抗部で結合し、当該ｐ形半
導体抵抗部及びｎ形半導体抵抗部を交互に直列接続して
サーモパイルを形成してなることを要旨とする。

（作用） 熱分離構造がビーム状の複数個のｐ形半導体抵抗部及び
ｎ形半導体抵抗部で構成されて熱抵抗が十分大なる値と
され、かつ上記のｐ形半導体抵抗部及びｎ形半導体抵抗
部でサーモパイルが形成されて非常に高い熱変換効率が
得られる。したがって赤外線の検出感度が顕著に高めら
れる。

（実施例） 以下、この発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図ないし第４図は、この発明の一実施例を示す図で
ある。

まず、赤外線センサの構成を説明すると、第１図ないし
第３図中、１は半導体基板としてのｐ形シリコン基板、
２はｎ形エピタキシャル層であり、ｎ形エピタキシャル
層２の一部及びその下側のｐ形シリコン基板部が表面側
に至るまでエツチングで取除かれて、ビーム状の４本の
半導体抵抗部からなる片持梁部とこの片持梁部で基板領
域（以下、基板領域というときもｐ形シリコン基板と同
一符号１を用いる）から熱分離されるように支持された
赤外線吸収部２０とが形成されている。赤外線吸収部２
０等の部分を含むｎ形エピタキシャル層２の表面にはシ
リコン酸化膜３が形成されている。

片持梁部の各ビームは、それぞれシリコン酸化膜３．３
ａで包まれたｐ形半導体抵抗４及びｎ形半導体抵抗５で
形成され、これらのｐ形半導体抵抗４及びｎ形半導体抵
抗５が、コンタクト部６を介して配線層７により交互に
直列接続されて２対のサーモカップルからなるサーモパ
イル１０が構成されている。ｎ形半導体抵抗５は、エツ
チングにより形成されたｎ形エピタキシャル層２のビー
ム状部分をｐ＋素子分離拡散領域８を用いて分離するこ
とにより形成されている。

また、赤外線吸収部２０は、ｐ＋素子分離拡散領域８及
びｐ”Ｆｌ込層９で囲まれたｎ形エピタキシャル層２の
島状領域上にシリコン酸化膜３を介してカーボンブラッ
ク等の赤外線吸収層１１が被着されることにより形成さ
れている。

次いで、第４図を用いて製造方法の一例を説明すること
により、その構成をさらに詳述する。なお、以下の説明
において、（ａ）〜（ｄ）の各項目記号は第４図の（ａ
）〜（ｄ）のそれぞれに対応する。

（ａ）　　（１００）面のｐ形シリコン基板１を準備し
、その主面にｐ＋埋込層９を形成後、ｎ形エピタキシャ
ル層２を成長させ、このｎ形エピタキシャル層２にｐ＋
素子分離拡散領域８とｐ形半導体抵抗４となるｐ形拡散
領域とを順次形成する。次に、サーモパイル１０を構成
するシリコン酸化膜３．３ａで包まれた半導体抵抗ビー
ムからなる片持梁部を次のようにして作製する。

即ち、ｎ形エピタキシャル層２の表面に形成したシリコ
ン酸化膜３上に耐酸化膜としてシリコン窒化膜１２をＬ
ＰＧＶＤにより堆積し、さらに反応性イオンエツチング
（ＲＩＥ）のマスクとしてシリコン酸化膜１３をＣＶＤ
により堆積して３層膜とする。

（ｂ）　　上記の３層膜を所要のパターンにパターニン
グし、ＲＩＥによりＳｉのエツチングを行い、垂直な満
１４を＜１１０＞方向に沿って形成する。

（Ｃ）満１４の内面をＫＯＨ等のアルカリ系異方性エツ
チング液でエツチングする。アルカリ系異方性エツチン
グ液でエツチングすると、（１１１）面で囲まれた菱形
状の断面になるまでエッチングが進行し、そこでエツチ
ングが停止する。これは（１１１）面のエツチング速度
が極めて遅いためである。このとき断面形状が逆三角形
の半導体抵抗ビームの幅は満１４のエツチング深さを調
整することにより容易に制御することができる。

（ｄ）＜びれ部が完全にシリコン酸化膜３ａになるまで
酸化処理を行い、その上側に酸化膜分離された三角柱状
の単結晶シリコン領域からなるｐ形及びｎ形の半導体抵
抗４．５を形成する。

このあと、シリコン窒化膜１２を除去して、コンタクト
エツチング、ｎ形半導体抵抗５及びｐ形半導体抵抗４へ
のオーミックをとるためのｎ＋又はｐｌのコンタクト部
イオン注入（図示せず）、配線層７の形成を行う。最後
に、裏面からシリコン窒化膜をマスクとしてＫＯＨ等の
アリカリ系異方性エツチング液でシリコン基板１を表面
側へ到るまでエツチングすることにより、第１図〜第３
図に示すような構造の赤外線センサを得る。ここでｐ形
及びｎ形の半導体抵抗４．５の部分はシリコン酸化膜３
ａで囲まれていることにより、また、赤外線吸収部２０
はｐ＋領域８．９で囲まれていることにより、ともにエ
ツチングされず、ビーム状の半導体抵抗部からなる片持
梁及びこれに支持された赤外線吸収部２０が形成される
。

次に、上述のように構成された赤外線センサの作用を説
明する。

赤外線吸収部２０へ赤外線が入射すると、そのエネルギ
ーが熱に変換されて温度上昇し、基板閉域１との間に温
度差が生じる。この温度差によりサーモパイル１０の両
端７ａ、７ｂに出力起電力Ｖｏが生じる。このとき、そ
の起電力ＶＯは、前記（１）式に示したように、片持梁
部の熱抵抗Ｒｏに比例して大になる。そして、この実施
例では、片持梁部が複数本の半導体抵抗ビームで構成さ
れて熱抵抗Ｒ，が極めて大なる値とされることにより、
起電力Ｖｏが増大して赤外線の検出感度が顕著に高めら
れる。

即ち、いま片持梁部の長さＬ−２ｍｍ、サーモパイル１
０が１０対の半導体抵抗ビームからなり、各ビームの幅
が１０μｍであるとする。ここでシリコン酸化膜３．３
ａによる熱伝導は、５ｉ０２の熱伝導率を０．０１４　
（Ｗ／ｃｍ−Ｋ）とすると、その値はＳｔの熱伝導率と
比較してほぼ２桁も小さいこと、さらにその膜厚が１μ
ｍ程度と薄いことから無視することができる。したがっ
て片持梁部の熱抵抗ＲＯは次式のような値となる。

Ｒ，−０，２／　［１，４１Ｘ　（１０×５・ｔａｎ５
４．７４゜ ｘ　１／２）ｘ　１０−８　Ｘ２０） −２，０２Ｘ１０８　　（Ｋ／Ｗ） このように、この実施例の片持梁部の熱抵抗ＲＯは従来
のものと比べると極めて大になり、非常に高い熱変換効
率が得られて赤外線の検出感度が顕著に高められる。

なお、第１図では、半導体抵抗ビームの数を４本として
２対のサーモカップルによりサーモパイル１０を構成し
たが、サーモカップルの対数を増すことによりサーモパ
イルの出力を増大して赤外線の検出感度を一層高めるこ
とができる。

次いで、第５図には、この発明の他の実施例を示す。

なお、第５図において前記第１図等における部材及び部
位等と同一ないし均等のものは、前記と同一符号を以っ
て示し、重複した説明を省略する。

この実施例の赤外線センサは、赤外線検出部２０の両側
と、これとそれぞれ対向する基板領域１との間に、熱分
離構造部を兼ねた２組のサーモパイル１０ａ、１０ｂが
形成され、これらのサーモパイルｌＱａ、１０ｂが電気
的に直列接続されている。

この実施例では、熱分離構造部の熱抵抗が半分になり、
サーモカップルの数が２倍になるので感度は変らないが
、機械的強度を大にすることができる。

なお、上記構成の他に、赤外線検出部２０の４辺と基板
領域１との間に４組のサーモパイルを形成することもで
きる。

また、上述の各実施例は、ｐ形シリコン基板ｎ形エピタ
キシャル層の構造となっているので、同一基板上に他の
バイポーラ素子等を集積することができ、周辺回路を一
体化したスマートセンサ化を容易に実現することができ
る。

［発明の効果］ 以上説明したように、この発明によれば、基板領域から
赤外線吸収部を熱分離する熱分離構造部を、ビーム状に
形成した複数個のｐ形半導体抵抗部及びｎ形半導体抵抗
部で構成し、かつこれらのｐ形半導体抵抗部及びｎ形半
導体抵抗部を交互に直列接続してサーモパイルを形成す
るようにしたため、熱分離構造部の熱抵抗が十分に大な
る値となり、非常に高い熱変換効率が得られて赤外線の
検出感度を顕著に高めることができるという利点かある
。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第４図はこの発明に係る赤外線センサの一
実施例を示すもので、第１図は平面図、第２図は第１図
のＡ−Ａ線断面図、第３図は第１図のＢ−Ｂ線断面図、
第４図は製造工程の一例を示す工程図、第５図はこの発
明の第２実施例を示す平面図、第６図は従来の赤外線セ
ンサの縦断面、第７図は同上従来例の平面図である。 １：ｐ形シリコン基板（半導体基板） ２：ｎ形エピタキシャル層、 ４：ｐ形半導体抵抗、 ５：ｎ形半導体抵抗、 １０．１０ａ、１０ｂ： ２０：赤外線吸収部。 サーモパイル、

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 半導体基板の基板領域と、この基板領域から熱分離する
   ように形成した赤外線吸収部とを、ビーム状に形成した
   複数個のｐ形半導体抵抗部及びｎ形半導体抵抗部で結合
   し、当該ｐ形半導体抵抗部及びｎ形半導体抵抗部を交互
   に直列接続してサーモパイルを形成してなることを特徴
   とする赤外線センサ。