JP3162097B2

JP3162097B2 - 熱型赤外線センサおよびその製造方法

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Publication number: JP3162097B2
Application number: JP08061991A
Authority: JP
Inventors: 清小松; 光照木村
Original assignee: Terumo Corp
Current assignee: Terumo Corp
Priority date: 1991-03-20
Filing date: 1991-03-20
Publication date: 2001-04-25
Anticipated expiration: 2016-04-25
Also published as: JPH04291969A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は非接触で被計測対象の温
度を計測する熱型赤外線センサおよびその製造方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】最近、非接触の体温計等に用いて好適な
熱型赤外線センサを、半導体微細加工技術を利用して作
製する技術が種々開発されている。熱型赤外線センサ
は、支持基板上に架橋部を形成し、さらにこの架橋部の
上に温度感応部を形成した構造となっている。すなわ
ち、温度感応部で赤外線を受光し、その赤外線による上
昇温度を電気抵抗の変化で測定し、赤外線量（熱量）を
知るものである。

【０００３】この熱型赤外線センサでは、微量な赤外線
に対して温度感応部は熱容量が小さく、しかもそこから
外部に伝達する熱量が小さければそれだけ温度上昇が大
きくなり、応答感度が高くなる。このため、一般には、
温度感応部を小さな架橋構造としたり、薄いダイヤフラ
ム構造とすることにより熱的容量を小さくし、これによ
り感度の向上を図っている。この温度感応部は、架橋部
上に形成された温度感応膜、この感応膜上に形成された
電極およびこの電極からボンディングパッドまでの配線
により構成されている。ここで、温度感応部だけでな
く、電極および配線も熱容量や熱伝達に寄与するため、
これらも可能な限り小さく、細かく、しかも薄く作る等
の工夫が必要になる。

【０００４】ところで、従来、この温度感応膜の電極お
よび配線の形成は、温度感応膜の一部に電極を重ね合わ
せ、さらにその電極の一部に配線を重ね合わせて電気的
な接触をとっている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うに温度感応膜上に電極および配線を重ね合わせると、
その部分に凹凸の段差が生じ、電極および配線に段切れ
を生じ易く、製品の歩留りが悪かった。

【０００６】また、電極および配線には一般に金属を使
用されるが、温度感応膜と電極、電極と配線との重合わ
せ部分では、段切れのような物理的な形状の欠陥が生ぜ
ず、互いの界面が電気的に理想的な接触（オーミックコ
ンタクト）状態になっている必要がある。しかし、温度
感応膜は高抵抗半導体の方が感度が大きいので、高抵抗
温度感応膜を用いると、従来の金属電極の場合にはオー
ミックコンタクトをとることが困難であった。さらに、
電気的に理想的な接触が可能な電極用金属は、一般に、
温度感応膜と合金を作り、この感応膜に深く入りこみ易
く、そのため電極間の寸法が設計通りにならず、結局、
抵抗値のばらつきの原因にもなっていた。

【０００７】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
ので、温度感応膜と電極との間の段切れの発生を防止で
きるとともに、その界面における接触不良を無くし、か
つ、電極間の寸法が設計通りになることで、製品の歩留
りを向上させることができる熱型赤外線センサおよびそ
の製造方法を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明による熱型赤外線
センサは、半導体材料により形成された支持部と、この
支持部上に形成された電気絶縁性の架橋部と、この架橋
部に形成されるとともに全体に第１のイオン注入がなさ
れた温度感応膜と、この温度感応膜内に形成されるとと
もに、第１のイオン注入領域と同一導電型の第２のイオ
ン注入により形成された高濃度不純物領域からなる電極
部と、この電極部から直接取り出されるとともに前記架
橋部上を通る配線とを備えている。

【０００９】本発明の熱型赤外線センサでは、温度感応
膜内に高濃度の不純物領域を形成し、これを電極部とし
ているので、従来のような電極部と温度感応膜との間の
段差がなくなる。したがって、高濃度不純物添加で低抵
抗化した配線部を温度感応膜から直接取り出すことがで
き、段切れが減少するとともに、高抵抗の温度感応膜か
らずらした領域で配線を取り出すことができるので、電
極間隔（高抵抗領域の寸法）を高精度で指定できる。ま
た、温度感応膜と電極部との間の界面の接触不良の問題
も解消され、オーミックコンタクトをとることが容易に
なり、応答感度が向上するとともに製品の歩留りを向上
させることができる。また、アルミニウム等金属による
電極を形成した場合には、エッチング等の工程が不要で
あるが、このような工程が簡略化される。さらに、従
来、温度感応膜上にたとえばアルミニウム電極を形成し
た場合には、その部分で入射した赤外線が反射して、そ
の分感度が低下していたが、本発明では金属電極が不要
になるため、そのようなおそれはなくなる。また、金属
電極が不要になるため、感応部の熱容量もその分少なく
なり、感度が向上する。

【００１０】温度感応膜全体に予め注入した不純物は、
膜自体を真性半導体に近づけるように補償し、かつ、抵
抗値調整のために導電性をもたせるためのもので、この
膜をｐ型に形成した場合には、電極部の不純物領域を同
じくｐ型不純物により形成し、高濃度のｐ⁺型領域とす
る。一方、予め注入した不純物を砒素（Ａｓ）等でｎ型
に形成した場合には、電極部の不純物領域を同じくｎ型
不純物により形成し、高濃度のｎ⁺型領域とする。

【００１１】また、温度感応膜中の電極部に接続させる
配線は、電極部の不純物領域がｐ⁺型でもｎ⁺型でも、
アルミニウム（Ａｌ）やチタン（Ｔｉ）等を選択しシン
タリングすれば、ｐ⁺型、ｎ⁺型領域との接触がオーミ
ックコンタクトとなり、接触状態が良好となる。

【００１２】また、本発明の熱型赤外線センサの製造方
法は、架橋部上に形成された温度感応膜全体にイオン注
入を行う第１のイオン注入工程と、第１のイオン注入が
なされた温度感応膜中に前記イオン注入領域と同一導電
型のイオン注入を行い、電極部となる高濃度不純物領域
を形成する第２のイオン注入工程と、架橋部を通る配線
を温度感応膜から直接取り出す工程とを含んでいる。

【００１３】本発明の熱型赤外線センサの製造方法で
は、微小で可能な限り薄くすることが望ましい温度感応
膜の形成プロセスになじみやすい。すなわち、電気計測
の制約から温度感応膜のインピーダンスは電極部の幅と
距離で設計されるが、フォトリソグラフィー、エッチン
グ等の電極部のパターンニングの精度や熱処理（シンタ
リング等）による拡散および合金化で製造誤差が生じ
る。イオン注入法は、熱拡散法に比較して横方向の拡散
および拡散深さが比較的少なく、低温（室温）で拡散を
行うことができるため、このような製造誤差をなくすこ
とができる。また、不純物の正確なドーズ量（添加量）
と導入深さを設定できるため、温度感応膜におけるサー
ミスタ定数および電気抵抗値の制御性がよく、応答感度
が向上するとともに、電気特性の再現性が向上する。

【００１４】この温度感応膜へのイオン注入の条件は次
のようである。第１のイオン注入工程は、温度感応膜を
温度に対して鋭敏にさせるためのもので、熱処理後には
できるだけ真性半導体に近い状態にさせるようにイオン
の種類およびそのドーズ量を調整する。イオン注入をし
ないで、その後の熱処理を行った場合、温度感応膜がｐ
型になれば、これを補償するｎ型の不純物をイオン注入
した方がよい。たとえば、１μｍ厚のシリコン（Ｓｉ）
薄膜が温度感応膜であり、アクサプタ濃度が１×１０¹⁶
個／ｃｍ³でｐ型であったときには、燐（Ｐ）を１×１
０¹³個／ｃｍ³のドーズ量でイオン注入すれば補償型真
性半導体となり、このドーズ量より少し多めにイオン注
入すれば、ｎ型半導体となる。実際には、シリコンの場
合、完全な真性半導体では抵抗が大きすぎて扱いにくい
ので、たとえば真性値から多少ｎ型的半導体になるよう
にして抵抗値の調整をした方がよい。第２のイオン注入
工程は、第１のイオン注入工程で形成される高抵抗の温
度感応膜のうちイオン注入用マスク直下の部分（温度感
応部）であるサーミスタ部とはオーミックコンタクトと
なるように高濃度不純物領域を形成し、電極部とするた
めのものである。サーミスタ部とオーミックコンタクト
を得るためには、同一の導電型にする必要がある。この
ため第１のイオン注入工程の結果、サーミスタ部がｎ型
的であれば、ｎ型の不純物となるイオンを注入すればよ
い。また、低抵抗化するためには、多量の不純物をイオ
ン注入すればよい。第２のイオン注入は、たとえば温度
感応膜が１μｍ厚のシリコンのとき、ｎ型の不純物とし
て燐（Ｐ）や砒素（Ａｓ）を２８０ｋｅＶで１×１０¹⁷
個／ｃｍ³のドーズ量で行えばよい。これは、ドーピン
グ効率を１００％とし、熱処理により厚さ方向に均一の
分布をさせたとき、１×１０²⁰個／ｃｍ³の高不純物濃
度に相当する。このとき熱処理は１１００°Ｃ、１時間
あれば十分である。

【００１５】なお、温度感応膜はアモルファスシリコン
（ａ−Ｓｉ）あるいはアモルファスゲルマニウム（ａ−
Ｇｅ）をスパッタリング法あるいはＣＶＤ法により形成
することができ、その厚さは０．５〜３μｍの薄膜状に
形成することが好ましい。

【００１６】基板としては、シリコン、ゲルマニウム等
の半導体基板が用いられるが、容易にしかも安価に手に
入れることが可能な単結晶シリコン基板を用いることが
好ましい。また、架橋部としては、シリコンオキシナイ
トライド (SiOxNy) 膜を用いることが好ましい。このシ
リコンオキシナイトライド膜はシリコン酸化膜とシリコ
ン窒化膜との両者の性質を持ち、そのため応力バランス
が良く、安定した架橋構造を形成することが可能とな
る。このシリコンオキシナイトライド膜の膜厚は０．１
〜５０μｍとすることが好ましい。０．１μｍ未満であ
れば、薄す過ぎて十分な強度を得ることができず、一方
５０μｍより厚くなると、熱容量が大きくなり、そのた
め感度が低下する。シリコンオキシナイトライド膜の成
膜は、具体的には、たとえばプラズマＣＶＤ法により行
われる。この方法では、使用ガスは、モノシラン( Ｓi
Ｈ₄)、窒素( Ｎ₂)および笑気ガス（Ｎ₂Ｏ）が用いられ
る。ここで、Ｎ₂とＮ₂Ｏとのガス流量比（Ｎ₂／( Ｎ
₂＋Ｎ₂Ｏ))を変化させることにより、シリコンオキシ
ナイトライド膜の化学量論的組成ｘ，ｙを制御すること
ができ、支持基板、特にシリコン基板との間の熱膨張係
数の差を実質的になくし、これにより応力による破損を
防止することができる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して具体
的に説明する。

【００１８】図２は本発明の一実施例に係る熱型赤外線
センサの平面構造を概略的に示し、また図１はその要部
である温度感応部を取り出して示す斜視図である。この
熱型赤外線センサでは、たとえば支持部となるシリコン
基板１１の中央部に空洞部１３が形成されるとともに、
シリコン基板１１の表面には、空洞部１３の上に幅１０
０μｍ、長さ２ｍｍ、膜厚２μｍの２本の架橋部１２
ａ、１２ａを有するシリコンオキシナイトライド膜１２
が形成されている。架橋部１２ａ、１２ａの中央部上部
にはそれぞれ温度感応膜１４が形成されている。この温
度感応膜１４は、たとえばアモルファスシリコン（ａ−
Ｓi)により形成され、しかも導電性を持たせるために不
純物たとえば砒素（Ａｓ）がドーピングされている。ま
た、温度感応膜１４内には２つの電極部１５ａ、１５ｂ
が互いに対向して形成されている。これらの電極部１５
ａ、１５ｂはたとえば砒素による高濃度不純物領域によ
り形成されている。これら電極部１５ａ、１５ｂにはそ
れぞれ配線１６の一端部が接続されており、この配線１
６の他端部は架橋部１２ａの両端部のボンディングパッ
ド１７に接続されている。これら配線１６はたとえばア
ルミニウム（Ａｌ）により形成されている。

【００１９】この熱型赤外線センサは、入射される赤外
線の量（熱量）に応じて温度感応膜１４の電気抵抗値が
変化するもので、その抵抗値の変化に応じて電極部１５
ａ、１５ｂおよび配線１６に流れる電流値またはボンデ
ィングパッド１７間の電圧値を信号処理回路（図示しな
い）により計測することにより、赤外線の量を検知する
ことができる。

【００２０】図３（ａ）〜（ｄ）および図４（ｅ）〜
（ｇ）は熱型赤外線センサの製造工程を表すものであ
る。まず、図３（ａ）に示すような面方位（１１０）の
シリコン基板１１を用意した。次に、このシリコン基板
１１上にプラズマＣＶＤ法により同図（ｂ）に示すよう
な膜厚２μｍのシリコンオキシナイトライド膜１２を形
成した。すなわち、シリコン基板１１を４５０℃に加熱
し、成膜条件として、圧力を０．４５toor、高周波出力
を４００W とし、反応ガスとして、モノシラン（Ｓi Ｈ
₄）を１５SCCM、窒素（Ｎ₂）を２０３SCCM、笑気ガス
（Ｎ₂Ｏ）を３２SCCM流し、シリコン基板１１上にシリ
コンオキシナイトライドを気相成長させた。

【００２１】続いて、シリコンをターゲットとしてスパ
ッタリングを行い、同図（ｃ）に示すように、シリコン
オキシナイトライド膜１２上にアモルファスシリコン
（ａーＳi)からなる温度感応膜１４を形成した。このス
パッタリングは、ガス流量をアルゴン（Ａｒ）＝２SCC
M、水素（Ｈ₂）＝１SCCM、成膜圧力を３×１０^-3Tor
r、高周波圧力を２００Ｗとして１０分間行った。

【００２２】次に、第１のイオン注入工程として、この
温度感応膜１４に、たとえば燐（Ｐ）１９を１×１０¹³
個／ｃｍ³のドーズ量でイオン注入をし、この後１１０
０°Ｃの温度で１時間の熱処理を行った。

【００２３】続いて、図３（ｄ）に示すように、反応性
イオンエッチング（ＲＩＥ）で温度感応膜１４のパター
ニングを行った。

【００２４】次に、図４（ｅ）に示すようにフォトレジ
スト１８でパターニングを行い、前記第１のイオン注入
と同じイオン種である燐（Ｐ）２０を１×１０¹⁷個／ｃ
ｍ³のドーズ量で第２のイオン注入を行い、温度感応膜
１４に高濃度不純物領域からなる電極部１５ａ、１５ｂ
を形成した。

【００２５】この後、フォトレジスト１８を除去し、同
図（ｆ）に示すように、電極部１５ａ、１５ｂにそれぞ
れ一端部が接続されるように、アルミニウム薄膜による
配線１６を形成した。

【００２６】続いて、上記温度感応膜１４と配線１６を
後述のヒドラジン水溶液から保護するため、図４（ｇ）
に示すようにシリコンオキシナイトライド膜２１を形成
した。

【００２７】次に、シリコンオキシナイトライド膜１
２、２１をパターンニングして図２に示したような架橋
部１２ａ、１２ａのパターンを形成した。このパターン
ニングはたとえば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）に
より、下地のシリコン基板１１が露出するまで行った。
このエッチングは、エッチングガスとして三ふっ化メタ
ン（ＣＨＦ₃）、フロン１４（ＣＦ₄）と酸素（Ｏ₂）
を用い、その流量をＣＨＦ₃＝３０SCCM、ＣＦ₄＝８SC
CM、Ｏ₂＝２SCCMとし、エッチング時の圧力を０．０８
Torr、高周波出力を３００Ｗとし、エッチング時間を４
０分とした。最後に、架橋部１２ａ、１２ａの下部のシ
リコン基板１１を選択的にエッチング除去して空洞部１
３を形成した。このエッチングはヒドラジン水溶液を用
いた異方性エッチングにより行った。なお、この異方性
エッチングは水酸化カリウム水溶液を用いて行うように
してもよい。

【００２８】このように本実施例においては、温度感応
膜１４内に高濃度不純物領域を形成してこれを電極部１
５ａ、１５ｂとし、配線１６を温度感応膜１４から直接
取り出すようにしたので、従来構造に比べて電極部１５
ａ、１５ｂと温度感応膜１４との間の段差がなくなり、
段切れの発生が減少する。同時に、温度感応膜１４と電
極部１５ａ、１５ｂとの間の界面における接触不良の問
題も解消され、オーミックコンタクトをとることが容易
になり、応答感度が向上するとともに製品の歩留りを向
上させることができる。

【００２９】また、本実施例においては、温度感応膜１
４に不純物を導入するに際し、熱拡散法に比較して拡散
深さが比較的少ないイオン注入法を用いるようにしたの
で、低温で不純物の拡散を行うことができる。したがっ
て、微小で薄い架橋構造を持つ温度感応部の形成プロセ
スになじみやすく、不純物のドーズ量と導入深さを正確
に設定できる。このため、サーミスタ定数および電気抵
抗値の制御性がよくなり、応答感度が向上するととも
に、電気特性の再現性が向上する。

【００３０】以上実施例を挙げて本発明を説明したが、
本発明は上記実施例に限定するものではなく、その要旨
を変更しない範囲で種々変更可能である。たとえば、上
記実施例においては、温度感応膜１４へのイオン注入を
行った後に、異方性エッチングを行い架橋部１２ａを形
成するようにしたが、架橋部１２ａを形成した後にイオ
ン注入を行うようにしてもよい。また、上記実施例にお
いては、第１のイオン注入工程の後に、電極形成のため
の第２のイオン注入を行ったが、電極部を先に形成した
後、さらにイオンを注入して温度感応部を形成してもよ
いことはいうまでもないが、作成の行い易さの点から、
上記実施例の方が有利である。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように請求項１記載の熱型
赤外線センサによれば、温度感応膜内に高濃度の不純物
領域を形成し、これを電極部とするようにしたので、電
極部と温度感応膜との間の段差がなくなり、段切れが減
少する。また、温度感応膜と電極部との間の界面の接触
不良の問題も解消され、オーミックコンタクトをとるこ
とが容易になり、応答感度が向上するとともに製品の歩
留りを向上させることができる。

【００３２】また、請求項２記載の熱型赤外線センサの
製造方法によれば、温度感応膜に予め不純物を導入する
工程および電極部の形成工程において、熱拡散法に比較
して拡散深さが比較的少ないイオン注入法を用いるよう
にしたので、製造工程が簡略化されるとともに、低温で
拡散を行うことができ、サーミスタ定数および電気抵抗
値の制御性がよくなり、応答感度が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る熱型赤外線センサの温
度感応部の構成を示す斜視図である。

【図２】本発明の一実施例に係る熱型赤外線センサの全
体構成を示す平面図である。

【図３】（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ熱型赤外線センサ
の製造工程を図２のＡ−Ａ線に沿って示す縦断面図であ
る。

【図４】（ｅ）〜（ｇ）は、それぞれ同じく熱型赤外線
センサの製造工程を図２のＡ−Ａ線に沿って示す縦断面
図である。

【符号の説明】

１１─シリコン基板１２─シリコンオキシナイトライド膜１２ａ─架橋部１３─空洞部１４─温度感応膜１５ａ、１５ｂ─電極（高濃度不純物領域）１６─配線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭53−42580（ＪＰ，Ａ) 特開昭50−113278（ＪＰ，Ａ) 特開平３−41330（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 37/02 G01J 1/02 G01J 5/02

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体材料により形成された支持部と、この支持部上に形成された電気絶縁性の架橋部と、この架橋部に形成されるとともに全体に第１のイオン注
入がなされた温度感応膜と、この温度感応膜内に形成されるとともに、第１のイオン
注入領域と同一導電型の第２のイオン注入により形成さ
れた高濃度不純物領域からなる電極部と、この電極部から直接取り出されるとともに前記架橋部上
を通る配線とを備えたことを特徴とする熱型赤外線セン
サ。
【請求項２】請求項１記載の熱型赤外線センサの製造
方法であって、前記架橋部上に形成された温度感応膜全体にイオン注入
を行う第１のイオン注入工程と、前記第１のイオン注入がなされた前記温度感応膜中に前
記イオン注入領域と同一導電型のイオン注入を行い、電
極部となる高濃度不純物領域を形成する第２のイオン注
入工程と、前記架橋部を通る配線を前記温度感応膜から直接取り出
す工程とを備えたことを特徴とする熱型赤外線センサの
製造方法。