JPH087093B2 - 熱型赤外線センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は赤外線センサに関し、特
に赤外線を吸収して得られるダイヤフラムの温度上昇を
電気信号として取り出す熱型赤外線センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】熱型赤外線センサは、温度上昇を電気信
号に変換する方式の違いによって分類され、常温におい
て感度を有するため非冷却センサとして注目されてい
る。例えば、サーモパイル型センサは、複数個の熱電対
が直列に配列され、サーモパイルの熱起電圧を取り出す
ものである。また、ボロメーター型センサは抵抗体の抵
抗値の温度依存性を利用したものである。さらに、ＰＮ
接合型センサはＰＮ接合電流の温度依存性を利用したも
のである。これらのセンサは２次元情報として利用する
ために、２次元ＣＣＤ又は２次元ＭＯＳスキャナ等と組
み合わされた２次元イメージセンサとして開発が進んで
いる。

【０００３】上記ダイアフラムの構造について、白金を
感熱材料として選択した従来のボロメーター型センサ
は、例えば文献；トランスデューサーズ９１ー１９９１
インターナショナル ソリッドステート センサーズ
アンド アクチュエーターズコンファレンス誌 ６２
７ページ「ファブリケーション オブ マイクロボロメ
ータ オン シリコン サブストレート バイ アニソ
トロピック エッチング テクニーク」（ＴＲＡＮＳＤ
ＵＣＥＲＳ’９１ー１９９１ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｎａ
ｌ Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ
Ａｃｔｕａｔｏｒｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ「Ｆａｂ
ｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｉｃｒｏ−ｂｏｌｏｍｅｔ
ｅｒ ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ ｂ
ｙ Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ Ｅｔｃｈｉｎｇ Ｔｅｃ
ｈｎｉｑｕｅ」）に掲載されている。

【０００４】このダイヤフラムは、図５及び図６に示す
ように、中央に位置して赤外線吸収層２０ａを最上層に
有した正方形の赤外線吸収領域２０と、赤外線吸収領域
２０の４つの隅から外向き放射状に延びた梁２１と、梁
２１を通って赤外線吸収領域２０に導かれてつづら折り
に形成された白金線のボロメータ２２から成るセンス部
とで構成されている。ダイヤフラム２３の下方は空洞２
４になっており、主にダイヤフラム２３の中で温度上昇
の大きいセンス部での温度上昇を、感温材料であるボロ
メータ２２が感知し、感知温度に対応する信号を発生さ
せる。この信号は、シリコンＶＬＳＩ技術を活用してセ
ンサ部と並んでモノリシックに製作されたＣＣＤ又はＭ
ＯＳスキャナ等の信号処理回路によって２次元情報とし
て出力される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来のダイヤフラム２
３の下のシリコン基板２５は、異方性エッチングによっ
て下向きの四角錐台形にエッチングされ、空洞２４を形
成している。しかし、集積度を高めかつ受光面積を可能
な限り大きく取り最大感度を得るためには、ＣＣＤゲー
ト上又はＭＯＳスキャナ上にポリシリコン等からなる犠
牲層を介してダイヤフラム２３を形成し、後に、この犠
牲層を選択エッチングし空洞２４を形成することによ
り、ダイヤフラム２３を空洞上に浮かした構造にするこ
とが望ましい。

【０００６】ところで、従来のダイヤフラム構造では、
犠牲層をエッチングして空洞２４を形成した後、酸化膜
２６の圧縮応力が開放されるため、ダイヤフラム２３が
沈み犠牲層の下地に接触するという不具合が生じる。こ
のようなダイヤフラム２３では、接触部からの放熱によ
って期待どうりの温度上昇が得られなくなり高感度化の
点で好ましくない。

【０００７】また、２次元イメージセンサの集積度を高
め、空間分解能を上げるためには、単位画素のサイズを
縮小する必要がある。一方、単位画素当たりの感度を向
上させるためには、単位画素当たりの受光量をできるだ
け大きくするとともに、ダイヤフラム２３の熱コンダク
タンスを小さくし、ダイヤフラム２３の温度上昇を最大
にする必要がある。ところが、従来のダイヤフラム２３
では、熱コンダクタンスを小さくするために梁２１の長
さを長くすれば、正方形の赤外線吸収領域２０が狭くな
って受光量が減ってしまい。反対に受光量を増やすため
に赤外線吸収領域２０を広くすれば、梁２１の長さが短
くなって、ダイヤフラム２３の熱コンダクダンスが大き
くなるというトレードオフの関係があり、ダイヤフラム
２３の温度上昇を大きくする点で不利であった。

【０００８】本発明は、上記問題点にかんがみなされた
もので、２次元イメージセンサの集積度を高めて空間分
解能を上げるため、熱コンダクタンスを小さくすると共
に、単位画素当たりの受光量をできるだけ大きくしてダ
イヤフラムの温度上昇を最大にし、ダイヤフラムの下地
への接触を防止する熱型赤外線センサの提供を目的とす
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１にかかる本発明は、画素サイズの４隅から
中心に向かって延びた４本の梁と、赤外線吸収領域及び
感熱材料を備え、前記梁に支えられたダイヤフラムとか
ら成る熱型赤外線センサにおいて、前記梁は中心近傍ま
で長く設定され、前記赤外線吸収領域は、前記梁の間で
画素サイズの周囲に向かって可及的に拡張されて略十字
形状に形成され、前記感熱材料は、低抵抗領域が前記梁
を通り、高抵抗領域のセンス部が前記梁の端部に囲まれ
た部分に配設された構成としてある。また、請求項２に
かかる本発明は、上記感熱材料の高抵抗領域のセンス部
が、上記赤外線吸収領域の周辺部に配設された構成とし
てある。また、請求項３にかかる本発明は、上記感熱材
料がボロメータであり、高抵抗領域のセンス部が低抵抗
領域に対して５倍以上の抵抗を有する構成としてある。
また、請求項４にかかる本発明は、上記梁が高い引張応
力層を酸化膜の下に備え、上記赤外線吸収領域の下に高
い引張応力層を酸化膜の上に備える構成としてある。

【００１０】

【作用】上記のように構成した本発明の熱型赤外線セン
サにおいては、赤外線吸収領域が画素サイズ内において
可及的に拡張されて受光する。梁は長く設定されてダイ
ヤフラムの熱コンダクタンスを小さくし、温度上昇を大
きくする。特に、請求項２に係る熱型赤外線センサにお
いては、高抵抗領域のセンス部が温度上昇の大きい赤外
線吸収領域の周辺にあるので、大きい信号を出力する。
また、請求項４に係る熱型赤外線センサにおいては、梁
の高い引張応力層に、ダイヤフラムの中央部を上に持ち
上げる力が作用する。赤外線吸収領域の高い引張応力層
の上に酸化膜があるので、赤外線吸収領域の周辺を上向
きに反らす力が作用する。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の第１実施例を図１及び図２に
もとづいて説明する。図１は第１実施例に係る赤外線セ
ンサの平面図であり、図２は図１のＡ−Ａ断面図であ
る。熱型赤外線センサは、画素サイズ１の４隅から中心
に向かって延びた４本の梁２と、赤外線吸収領域３及び
感熱材料であるボロメータ４を備え、梁２に支えられた
ダイヤフラム５とで構成されている。梁２は、中心近傍
まで長く設定され、図２に示すよに、２本にはボロメー
タ４の低抵抗領域４ａが通り、下層に高い引張応力の第
１窒化膜６を備えている。赤外線吸収領域３は、赤外線
吸収層３ａ及び第２窒化膜７が各梁２の間で画素サイズ
１の周囲に向かって可及的に拡張されて略十字形状に形
成される。高い引張応力の第２窒化膜７は、第３酸化膜
１３の上に設けられる。感熱材料であるボロメータ４
は、梁２を通る低抵抗領域４ａに接続した高抵抗領域４
ｂのセンス部が梁２の端部に囲まれた中央部分につづれ
折り状に配設される。

【００１２】より具体的な数値を用いて製造過程を説明
する。先ず、凹凸のあるＣＣＤ構造（図示省略）の上
に、ＣＶＤ法によって第１ＢＰＳＧ膜８を成長させ、１
０００℃の熱処理によって第１ＢＰＳＧ膜８の表面を平
坦化する。その上に厚さ１μｍのポリシリコン犠牲層９
を成長させた後、フォトレジスト法及び選択エッチング
法によって、画素サイズ１となる縦横５０μｍのピッチ
で四角形のメサ型のポリシリコン犠牲層９を形成する。
この上に第２ＢＰＳＧ膜１０を成長させ、９５０℃の熱
処理によって平坦化した後、上記ポリシリコン犠牲層９
上のみフォトレジスト法を用いて選択的にエッチングし
て除去する。このポリシリコン犠牲層９上には、下から
順に、厚さ３００ÅのＣＶＤ法によって窒化膜を形成し
た後、これをフォトレジスト法及び選択エッチング法に
よって、４隅から中央に向かって幅５μｍの梁２の下層
に第１窒化層６を形成する。

【００１３】その上に厚さ１５００Åの第１酸化膜１
１、さらに低抵抗領域４ａ及び高抵抗領域４ｂから成る
ボロメータ４が、厚さ７００Å、幅０．５μｍの細長い
Ｎ型ポリシリコンによって形成される。その上に順次成
長した厚さ５００Åの第２酸化膜１２、厚さ１０００Å
の第３酸化膜１３が形成される。さらにＣＶＤ法によっ
て厚さ３００Åの第２窒化膜７を成長し、その上にスパ
ッタ法によってＮｉＣｒからなる赤外線吸収層３ａを堆
積した後、フォトレジスト法及び選択エッチング法によ
って、梁２の上を除去して、略十字形状の赤外線吸収領
域３を形成し、ダイヤフラム５を形成する。

【００１４】ボロメータ４の高抵抗領域４ｂの抵抗は、
低抵抗領域４ａの抵抗に対して５倍以上で１０倍以下と
なるようにフォトレジスト法を用いてイオン注入のドー
ズ量を変えて選択的に作り込む。イオン注入は、５００
の第２酸化膜１２を注入マスクとして用いてリンを加
速電圧６０Ｋｅｖで打ち込み、ドーズ量４Ｅ１４ｃｍ^-2
により高抵抗領域４ｂを、ドーズ量１Ｅ１６ｃｍ^-2によ
って低抵抗領域４ａをそれぞれ形成した。その後、図１
に示すように、第１窒化膜６と第２窒化膜７のない領域
に存在する第１酸化膜１１及び第２酸化膜１２に、下の
ポリシリコン犠牲層９に到達するスリット状のスルーホ
ール１４を形成する。このスルーホール１４を通してヒ
ドラジンエッチング液にてポリシリコン犠牲層９を除去
し、ダイヤフラム５下に空洞を形成して梁２によって支
えられたダイヤフラム５が形成される。

【００１５】上述したように形成されたダイヤフラム５
は、梁２の長さが長いため熱コンダクダンスが小さく、
かつ赤外線吸収領域３が梁２のある領域を除いて、ほぼ
画素サイズ１の面積一杯に広がるため、赤外線の受光量
が大きくなる。同一画素サイズ１、同一材料、同一梁２
幅で、３０μｍ角の赤外線吸収領域３を備えた図５に示
す従来例のダイヤフラムに比べて、ボロメータ４のセン
ス部は、より高い温度上昇を可能にし、実際に３．５倍
の感度が得られた。また、梁２の下層は、引張応力の高
い第１窒化層６が圧縮応力の高い第１酸化膜１１の下の
みにあるため、空洞形成後にはダイヤフラム５の中央部
を上に持ち上げる力が作用する。梁２の間の赤外線吸収
領域３では、第２窒化膜７が第３酸化膜１３の上のみに
あるため、この赤外線吸収領域３を上向きに反らす力が
作用する。したがって、ダイヤフラム５が空洞の下地で
ある第１ＢＰＳＧ膜８に接触することなく、温度上昇を
最大に保持できる。

【００１６】次に、第２実施例を図３及び図４にもとづ
いて説明する。図３は第２実施例に係る赤外線センサの
平面図であり、図４は図３のＢ−Ｂ断面図である。ボロ
メータ４であるポリシリコンの配置形状を除けば、上記
第１実施例と全く同じである。ポリシリコンのセンス部
である高抵抗領域４ｂは、第１実施例のダイヤフラム５
の中央部よりも熱抵抗が加わった分、さらに温度上昇の
大きい赤外線吸収領域３の周辺部に配置され、低抵抗領
域４ａが高抵抗領域４ｂ間に配置されている。これによ
り、第１実施例のボロメータ出力信号よりさらに大きい
信号が出力される。実際に従来型に比べて約５倍の感度
が得られた。

【００１７】次に、他の実施例の要点を例示して説明す
る。上記第１，第２実施例において、ポリシリコンのボ
ロメータを用いたが、ポリシリコンの代わりに白金等の
他導電体のボロメータを用いることができる。また、ボ
ロメータの代わりに感熱材料として、ポリシリコンのＰ
Ｎダイオードをセンス部に用いた、ＰＮ接合型センサを
採用できることは当然である。更に、ダイヤフラムを上
向きにして支えるために、窒化膜の代わりに酸化膜より
引張応力の高い層を用いることもできる。

【００１８】

【発明の効果】以上のように請求項１及び請求項３に係
る熱型赤外線センサによると、赤外線吸収領域がほぼ画
素サイズ一杯に取れるため、受光量が最大にできると共
に、梁の長さを長くできるため、ダイヤフラムの熱コン
ダクタンスを小さくでき、ダイヤフラムの温度上昇を大
きくできる。また、請求項２に係る熱型赤外線センサに
よると、画素サイズの周辺寄りの赤外線吸収領域におい
て感熱材料のセンス部を設けたため、より高い感度が実
現できる。さらに、請求項４に係る熱型赤外線センサに
よると、梁の下層に引張応力の高い層を設け、赤外線吸
収領域の下層に酸化膜の上に引張応力の高い層を設けた
ため、ダイヤフラムが下地に接触することなく最大の温
度上昇を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施例に係る赤外線センサの平面図であ
る。

【図２】図１のＡ−Ａ断面を示す断面図である。

【図３】第２実施例に係る赤外線センサの平面図であ
る。

【図４】図３のＢ−Ｂ断面を示す断面図である。

【図５】従来例の赤外線センサの平面図である。

【図６】図５のＣ−Ｃ断面を示す断面図である。

【符号の説明】

１ 画素サイズ ２ 梁 ３ 赤外線吸収領域 ４ ボロメータ ４ａ 低抵抗領域 ４ｂ 高抵抗領域 ５ ダイヤフラム ６，７ 第１，第２窒化膜

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 画素サイズの４隅から中心に向かって延
   びた４本の梁と、赤外線吸収領域及び感熱材料を備え、
   前記梁に支えられたダイヤフラムとから成る熱型赤外線
   センサにおいて、 前記梁は中心近傍まで長く設定され、 前記赤外線吸収領域は、前記梁の間で画素サイズの周囲
   に向かって可及的に拡張されて略十字形状に形成され、 前記感熱材料は、低抵抗領域が前記梁を通り、高抵抗領
   域のセンス部が前記梁の端部に囲まれた部分に配設され
   ることを特徴とする熱型赤外線センサ。
2. 【請求項２】 上記感熱材料の高抵抗領域のセンス部
   が、上記赤外線吸収領域の周辺部に配設されることを特
   徴とする請求項１に記載された熱型赤外線センサ。
3. 【請求項３】 上記感熱材料がボロメータであり、高抵
   抗領域のセンス部が低抵抗領域に対して５倍以上の抵抗
   を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載
   された熱型赤外線センサ。
4. 【請求項４】 上記梁が高い引張応力層を酸化膜の下に
   備え、上記赤外線吸収領域の下に高い引張応力層を酸化
   膜の上に備えることを特徴とする請求項１，請求項２又
   は請求項３に記載された熱型赤外線センサ。