JPH05231947A

JPH05231947A - 赤外線検出素子

Info

Publication number: JPH05231947A
Application number: JP3811292A
Authority: JP
Inventors: Takayoshi Awai; 崇善粟井; Atsushi Sakai; 淳阪井; Koichi Aizawa; 浩一相澤; Takuo Ishida; 拓郎石田; Keiji Kakinote; 啓治柿手
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1992-02-25
Filing date: 1992-02-25
Publication date: 1993-09-07

Abstract

(57)【要約】【目的】膜形成時の残留応力による熱絶縁膜の歪みや
破壊が生じず、製造歩留りが高く、使用時には高い感度
および耐久性を示す赤外線検出素子を提供する。【構成】熱絶縁膜２０上に、一対の電極層３０、５０
および両電極層３０、５０の間に挟まれたサーミスタ層
４０を備えた赤外線検出素子において、熱絶縁膜２０が
酸化窒化シリコンからなることにより、残留応力が小さ
く、しかも、熱絶縁性に優れた熱絶縁膜２０を備えたも
のとなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、赤外線検出素子に関
し、詳しくは、温度変化に伴う抵抗が変化するサーミス
タを利用して、赤外線を検出する赤外線検出素子に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、サーミスタを利用した赤外線検出
素子の一般的な構造としては、基板上に形成された熱絶
縁膜の上に、サーミスタと一対の電極からなり、赤外線
が当たって、サーミスタの温度が上昇すると、サーミス
タの抵抗が変化するので、この抵抗変化を一対の電極で
検出して、赤外線が検知できるようになっている。検出
感度を高めるために、表面に赤外線吸収膜を設けて、サ
ーミスタの温度上昇および抵抗変化が迅速に行われるよ
うにしたものもある。

【０００３】赤外線検出素子は、物体や人体から放出さ
れる微弱な赤外線を検出するのに用いられることが多
く、このような用途では特に高感度が要求される。そこ
で、従来の赤外線検出素子では、基板の１部を堀り抜
き、この掘り抜いた中空部分を渡すように熱絶縁膜を形
成し、その上に電極およびサーミスタからなる赤外線検
出部を設置した、いわゆるダイアフラム構造のものがあ
る。この構造では、赤外線検出部で発生した熱が、基板
側に逃げ難くなるので、サーミスタの温度上昇および抵
抗変化が敏感に起こり、赤外線の検出感度が上昇する。

【０００４】このような赤外線検出素子は、静止物体や
静止人体から放射する赤外線を検出することも可能であ
り、振動により誤動作することもなく、衝撃にも強いと
いう利点を有している。また、半導体プロセスを利用し
て製造するので、大量生産が可能で、低コスト化を図る
こともできる。上記のような赤外線検出素子において
は、熱絶縁膜の熱抵抗をＲ、単位時間当たり単位面積に
入射する赤外線のエネルギーをＩ、赤外線吸収膜の面積
をＳとすれば、赤外線検出部の温度上昇ΔＴは、ΔＴ＝
ＲＩＳで表される。この式において、熱抵抗Ｒは、熱絶
縁膜の熱伝導率が小さい程、また、膜厚が薄い程大きく
なるので、温度上昇ΔＴすなわち検出感度を高めるに
は、熱絶縁膜の熱伝導率が小さく、膜厚が薄いほど好ま
しいことになる。熱伝導率の小さな熱絶縁膜の材料とし
て、従来一般的には、酸化シリコン膜が用いられてい
た。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記のよう
な従来の赤外線検出素子では、熱絶縁膜の歪みや破壊が
生じ易いという問題があった。これは、従来、熱絶縁膜
の材料として用いられていた酸化シリコン膜は、膜形成
時に大きな残留応力が生じ、この残留応力で、熱絶縁膜
自体に歪みを生じたり破壊してしまったりするのであ
る。

【０００６】このような問題を解決するため、熱絶縁膜
を、酸化シリコン膜と窒化シリコン膜とを交互に積層し
た複層構造にすることが提案されている。酸化シリコン
膜は圧縮の残留応力が生じるのに対し、窒化シリコン膜
は引張の残留応力が生じるので、両者の残留応力が相殺
されることによって、熱絶縁膜全体の残留応力が緩和さ
れるというものである。しかし、この場合、残留応力の
方向が異なる酸化シリコン膜と窒化シリコン膜との界面
には、大きな剪断応力が発生し、この剪断応力が両層の
剥離や熱絶縁膜の破壊を招く原因となり、満足できる性
能は得られなかった。また、窒化シリコン膜は、酸化シ
リコン膜に比べて熱伝導率が１桁以上も大きいので、こ
のような窒化シリコン膜を有する熱絶縁膜は、熱絶縁性
の点で劣るものであった。さらに、酸化シリコン膜と窒
化シリコン膜とを交互に堆積させる必要があるので、製
造工程が複雑になり作業時間や作業コストが増大すると
うい欠点もある。

【０００７】そこで、この発明の課題は、このような従
来技術の問題点を解消し、膜形成時の残留応力による熱
絶縁膜の歪みや破壊が生じず、製造歩留りが高く、使用
時には高い感度および耐久性を示すことのできる赤外線
検出素子を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する、こ
の発明にかかる赤外線検出素子は、熱絶縁膜上に、一対
の電極層および両電極層の間に挟まれたサーミスタ層を
備えた赤外線検出素子において、熱絶縁膜が酸化窒化シ
リコンからなる。赤外線検出素子の基本的な構造は、従
来のサーミスタを利用した赤外線検出素子と同様の構造
が採用される。赤外線検出素子の赤外線検出部には、少
なくとも１層のサーミスタ層と、このサーミスタ層に取
り付けられた一対の電極層が、基板上に形成された熱絶
縁膜の上に設けられる。熱絶縁膜の下方で基板を堀り込
んでおいたり、赤外線検出部を基板に支持する熱絶縁膜
の幅を狭くしておくなど、赤外線検出部の熱が外部に逃
げ難い構造にしておいたり、サーミスタ層の上に、赤外
線の吸収率が高い赤外線吸収層や、特定の波長のみを選
択的に吸収するフィルタ層を形成しておくなど、通常の
赤外線検出素子に採用されている各種の構造を組み合わ
せて構成される。

【０００９】酸化窒化シリコンは、ＳｉＮＯで表される
物質であり、酸化シリコン（ＳｉＯ ₂）や窒化シリコン
（Ｓｉ₃Ｎ₄）と同様の薄膜形成手段で作製することが
できる。酸化窒化シリコンの作製に適した方法として
は、グロー放電分解法やイオンビームクラスター法など
が挙げられるが、その他の薄膜形成手段を適用すること
もできる。酸化窒化シリコンは、酸素と窒素の組成比に
より、各種の特性が違ってくるので、熱絶縁膜の目的や
要求性能に合わせて、膜形成時に、酸素と窒素の組成比
を適切な範囲に調整するのが好ましい。酸化窒化シリコ
ン膜の膜厚についても、必要に応じて、自由に変更でき
る。

【００１０】

【作用】酸化窒化シリコン膜は、膜形成時に発生する残
留応力が、酸化シリコン膜よりも小さいので、残留応力
による熱絶縁膜の歪みや破壊が生じ難い。また、熱伝導
率は、酸化シリコン膜と同様に小さいので、熱絶縁性に
優れている。酸化窒化シリコン膜を単層で用いれば、酸
化シリコン層と窒化シリコン層を交互に積層する場合の
ように、製造工程が複雑になったり作業に手間がかかる
ことはないとともに、複数の層間に生じる剪断残留応力
の問題も生じない。

【００１１】

【実施例】ついで、この発明の実施例について、図面を
参照しながら以下に説明する。図１および図２は、赤外
線検出素子の全体構造を表している。シリコンなどから
なる基板１０の表面に、酸化窒化シリコンからなる熱絶
縁膜２０が形成されている。熱絶縁膜２０の中央部分で
は、基板１０が下方側からエッチングなどで掘り込まれ
て欠除空間１２となっている。欠除空間１２の中央で熱
絶縁膜２０の上には、クロムなどの導体金属からなる電
極層３０、サーミスタ層４０、電極層５０および赤外線
吸収層６０が順番に積み重ねて形成されている。電極層
３０は、外側に延長されていて、この延長部３１の端部
に、基板１０の上部で接続用パッド３２が設けられてい
る。電極層５０も、電極層３０とは別の方向に延びる延
長部５１を備え、同様の接続用パッド５２が設けられて
いる。

【００１２】上記構造のように、サーミスタ層４０の両
面を電極層５０で挟んだサンドイッチ構造になっている
と、サーミスタ層４０の体積を大きくすることによっ
て、ノイズを低減できる利点を有している。つぎに、上
記実施例の赤外線検出素子を製造する方法の具体例につ
いて説明する。

【００１３】まず、シリコン基板１０上に、グロー放電
分解法で、厚さ５０００Åの酸化窒化シリコンを積層し
て熱絶縁膜２０を形成する。成膜条件は、モノシラン、
アンモニア、窒素、一酸化炭素の混合ガスを使用し、ア
ンモニア、窒素、一酸化炭素の総量に対する一酸化二窒
素の割合を３０％、基板温度２５０℃、圧力１Torr、周
波数１３．５６MHz 、放電電力３０Ｗとする。

【００１４】熱絶縁膜２０の上に、電子ビーム蒸着法に
より、基板温度２００℃で厚さ５００Åのクロムを成膜
する。ついで、グロー放電分解法により、厚さ１μｍの
ｐ型ａ−ＳｉＣを成膜し、フォトリソ工程で、２×２mm
の正方形にパターン化して、サーミスタ層４０を形成す
る。成膜条件は、９００モル％のメタン、０．２５モル
％のジボランを加えた水素希釈のモノシランを用い、基
板温度１８０℃、圧力０．９Torr、周波数１３．５６KH
z 、放電電力２０Ｗとする。ついで、電子ビーム蒸着法
により、基板温度２００℃で厚さ５００Åのクロムを成
膜し、フォトリソ工程でパターン化を行って、上部側の
電極層５０を形成する。なお、この上部側電極層５０お
よび下部側電極層３０の寸法は、何れも１．９×１．９
mmとする。

【００１５】なお、電極層３０、５０の材料であるクロ
ムは、不純物が添加されているほうが、熱伝導率が小さ
くなり、検出感度が向上するので、前記材料の代わり
に、熱伝導率の小さいニッケルクロムを用いることもで
きる。つぎに、グロー放電分解法で、厚さ１μｍの酸化
シリコンを成膜し、フォトリソ工程で２×２mmの正方形
にパターン化して、赤外線吸収層６０を形成する。成膜
条件は、７００モル％の一酸化窒素を用い、基板温度２
５０℃、圧力１Torr、周波数１３．５６KHz 、放電電力
３０Ｗとする。つづいて、電子ビーム蒸着法で、アルミ
を成膜しパターン化して、接続用パッド５２を形成す
る。

【００１６】最後に、シリコン基板１０のうち、熱絶縁
膜２０とは反対側から、酸化窒化シリコンからなる熱絶
縁膜２０を残すようにして、水酸化カリウムで異方性エ
ッチングを行って、欠除空間１２を形成し、いわゆるダ
イアフラム構造の赤外線検出素子を製造する。欠除空間
１２により中空状態になった酸化窒化シリコン熱絶縁膜
２０の寸法は、図２のＬ＝２．５×２．５mmの正方形と
する。

【００１７】上記のような工程を経て製造された赤外線
検出素子は、熱絶縁膜２０の歪みや破壊は全く認められ
ず、実際に使用してみたところ、検出感度も良好で優れ
た品質性能を有することが確かめられた。

【００１８】

【発明の効果】以上に述べた、この発明にかかる赤外線
検出素子は、熱絶縁膜を酸化窒化シリコン膜で形成して
いることにより、膜形成時における残留応力が小さくな
るとともに、熱絶縁性などの熱絶縁膜としての性能や機
能にも優れたものとなる。その結果、熱絶縁膜の歪みや
破壊を防止して、製造歩留りを向上させ、使用時の耐久
性を高めることができる。しかも、製造工程は、従来の
酸化シリコン膜などと同様に行えるので、複層構造の熱
絶縁膜を形成するのに比べて、はるかに生産性が高く、
コスト的には安価になる。

【００１９】さらに、熱絶縁膜が歪みや破壊を起こし難
ければ、従来よりも、熱絶縁膜の厚みを薄くして、温度
変化に敏感な、赤外線検出感度の高い素子を製造するこ
とも可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例を示す赤外線検出素子の断
面図

【図２】同上の平面図

【符号の説明】

１０基板２０熱絶縁膜３０、５０電極層４０サーミスタ層６０赤外線吸収層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者石田拓郎大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内 (72)発明者柿手啓治大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】熱絶縁膜上に、一対の電極層および両電
極層の間に挟まれたサーミスタ層を備えた赤外線検出素
子において、熱絶縁膜が酸化窒化シリコンからなること
を特徴とする赤外線検出素子。