JPH04307977A - 熱型赤外線センサの製造方法 - 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】

【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、半導体微細加工を利用して作製す
る技術が種々開発されている。この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
に温度感応膜を形成した構造となっている。すなわち、
温度感応膜で赤外線を受光し、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
に対して温度感応膜は熱容量が小さく、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、
温度感応膜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。この温度感応膜は、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、温度感応膜だけでなく
、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】また、赤外線センサの中でもボロメータ方
式のセンサでは、半導体からなる温度感応膜にサーミス
タ効果を利用しているが、このサーミスタ効果は、理論
的には半導体に熱が加えられたとき熱励起された自由キ
ャリアの数が増加し半導体の電気抵抗が低下する現象を
いう。このようなことから温度感応膜としては、微細加
工が容易であり、サーミスタ効果の大きいシリコンのよ
うな単結晶半導体薄膜を用いることが望ましい。このシ
リコン単結晶膜の形成は一般にエピタキシャル成長によ
り行われるが、微細な架橋構造の上に単結晶シリコン膜
を設けることは困難であり、可能であるとしてもコスト
がかかる。このため、従来は温度感応膜としてアモルフ
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（化学的気相成長法）により厚さ１μｍ程度の薄膜状
に形成していた。

【０００５】ところで、一般にシリコン半導体の温度感
応膜に導電性をもたせるために、一定の不純物、たとえ
ば砒素（Ａｓ）や燐（Ｐ）がドーピングされているが、
これは浅い不純物準位を形成し、サーミスタ定数（Ｂ定
数）を小さくさせてしまうため、サーミスタとして感度
が小さくなってしまうという問題があった。サーミスタ
定数を大きくするためには、温度感応膜を真性半導体に
した方がよい。このためには半導体のフェルミ準位Ｅｆ
　を禁制帯の中央付近に導入し、アクセプタを多く含む
場合には、その逆のドナーを導入するようにして補償し
てやるか、または、深い準位を持つ不純物（たとえばシ
リコンに対しては、金（Ａｕ）や銅（Ｃｕ）等を導入し
てフェルミ準位Ｅｆ　をその不純物が形成する深い準位
のところに固定させるようにすれば良い。しかし、これ
らの不純物量は、補償するという意味で極めて精度良く
制御されなければならない。従来、この不純物のドーピ
ングは高温（１０００℃以上）の熱拡散法により行われ
ていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
熱型赤外線センサでは、温度感応膜は架橋構造上に形成
されているため、上述のように不純物のドーピングを高
温の熱拡散法により行うと、ドーピング量の制御性が悪
く、結果としてサーミスタ定数および半導体の温度感応
膜の抵抗値の制御性が悪くなり、しかも温度感応膜が変
形し、さらに膜と電極との接触性が悪くなり、そのため
応答感度が低下し、製品の歩留りが悪くなるという問題
があった。

【０００７】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
ので、その目的は、半導体薄膜からなる温度感応膜を真
性的にさせることにより、サーミスタ定数および電気抵
抗値を大きくさせるとともに、作製上の制御性がよく、
応答感度が高く、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の製造方法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明による熱型赤外線
センサの製造方法は、半導体基板に形成される架橋部上
に温度感応膜を形成する工程と、前記温度感応膜にイオ
ン注入を行うことにより真性半導体もしくは真性に近い
半導体になるような不純物を導入する工程と、前記不純
物が導入された半導体基板を所定の温度で加熱する熱処
理工程と、前記温度感応膜上に電極を形成する工程とを
備えている。

【０００９】本発明の熱型赤外線センサの製造方法では
、熱拡散法に比較して不純物の正確なドーズ量と導入深
さを設定できるため、容易に真性半導体的性質を持たせ
ることができるとともに、その後の短時間の熱処理工程
により、薄い温度感応膜に一様に拡散させることができ
、不純物の均一な真性半導体または真性に近い半導体が
得やすくなる。さらに、サーミスタ定数および電気抵抗
値が大きくなり、かつ制御性がよく、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。

【００１０】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により形成し、これを熱処理等で多
結晶化あるいは単結晶化させる。あるいはＣＶＤ法によ
り多結晶化させて形成してもよく、その厚さは１μｍ程
度の薄膜状とすることが好ましい。

【００１１】この温度感応膜へのイオン注入の条件は、
その後の熱処理の結果、半導体薄膜から成る温度感応膜
が、真性半導体的または真性半導体に近い性質になるよ
うにさせるもので、イオン注入しないときにｐ型になっ
ているならｎ型不純物を、ｎ型になっているならｐ型不
純物を注入し、補償型半導体とすればよく、また、真性
半導体に近い状態にさせるときには、温度感応膜がシリ
コン半導体ならば、金（Ａｕ）や銅（Ｃｕ）のように深
い準位を形成する不純物をイオン注入し、半導体のフェ
ルミ準位が禁制帯幅の中央付近にピン止めされるように
すればよい。

【００１２】たとえば、イオン注入しないで熱処理工程
を行った後に、１μｍ厚のシリコンの温度感応膜のアク
セプタ濃度が、１×１０１６個／ｃｍ３　であったとす
れば、ｎ型不純物である燐（Ｐ）を１×１０１３個／ｃ
ｍ２　のドーズ量でイオン注入すればよい。一般に、８
５０°Ｃ以上の熱処理で、ドーピング効率１００％とな
るので、上記計算ではドーピング効率を１００％として
いるが、実際には、実験的に調整する必要がある。また
、上記のようにアクセプタ濃度が１×１０１６個／ｃｍ
３　の場合に、金や銅を１×１０１６個／ｃｍ３　以上
の濃度になるように、たとえば５×１０１３個／ｃｍ２
　のドーズ量でイオン注入してもよい。

【００１３】熱処理工程には３つの目的がある。１つは
イオン注入不純物を１μｍ程度の薄い温度感応膜中に均
一に不純物拡散させることで、このためには９００°Ｃ
、３０分程度あれば充分である。もう１つは、注入不純
物を１００％活性化させるため、すなわちドーピング効
率を１００％にするためで、このためには８５０°Ｃ以
上あればよい。さらに、他の１つは、イオン注入により
荒れた温度感応膜表面のアモルファス層を結晶化させる
こと、またスパッタ形成した温度感応膜の場合は、一般
にアモルファス状態になっているので、これを結晶化さ
せるためのもので、１０５０°Ｃ、１時間程度の熱処理
をすると結晶化できる。これらの３つの目的を一回で得
るためには、１１００°Ｃ、１時間の熱処理を行えばよ
い。

【００１４】温度感応膜上に電極を形成する工程は、た
とえばチタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）、モリブデン（Ｍ
ｏ）等の低抵抗のシリサイドを形成させるなどして、オ
ーム性電極を形成できるようにする。たとえば、チタン
を５００Å厚程度に蒸着し、フォトリソグラフィーによ
り必要な電極形状にパターン形成した後、６５０°Ｃで
シンタリングし、その後未反応のチタンおよびその酸化
物をエッチング除去してアルミニウム等で電極を形成す
るとよい。

【００１５】なお、半導体基板としては、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、そのため前記理由で感度が低下する。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（　ＳｉＨ４）、窒素（　Ｎ
２）および笑気ガス（Ｎ２　Ｏ）が用いられる。ここで
、Ｎ２　とＮ２　Ｏとのガス流量比（Ｎ２　／（　Ｎ２
　＋Ｎ２　Ｏ））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。

【００１６】

【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。

【００１７】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
である温度感応膜を取り出して示す斜視図である。

【００１８】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１００μｍ、長さ２ｍｍ、膜厚２μｍの２
本の架橋部１２ａ、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、１２
ａ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、たとえばスパッタリン
グされたアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）を熱処理に
より多結晶化して形成され、しかも真性的性質を持たせ
るために不純物、たとえば燐（Ｐ）がドーピングされて
いる。また、温度感応膜１４上には２つの電極１５ａ、
１５ｂが互いに対向して形成されている。これらの電極
１５ａ、１５ｂはたとえばチタンシリサイド膜により形
成されている。また、電極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１６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１５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（公知のため図示せず）
で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）はこの熱型赤外線センサの製造工程を表すものであ
る。なお、図３（ａ）〜（ｄ）および図４（ｅ）〜（ｇ
）は図２のＡ−Ａ線に沿う断面構造を表している。

【００２１】まず、図３（ａ）に示すような面方位（１
１０）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　Ｈ４　）を１５ＳＣＣＭ、窒素（Ｎ２　
）を２０３ＳＣＣＭ、笑気ガス（Ｎ２　Ｏ）を３２ＳＣ
ＣＭ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。

【００２２】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およびシリコン基板１１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）＝２ＳＣＣＭ、水素（Ｈ２　）＝１ＳＣ
ＣＭ、成膜圧力を３×１０−３Ｔｏｒｒ、高周波圧力を
２００Ｗとして１０分間行った。

【００２３】続いて、温度感応膜１４に真性的性質を持
たせるために、同図（ｄ）に示すように、温度感応膜１
４に不純物、たとえば燐（Ｐ）のイオン注入を行った。 このイオン注入は、たとえば燐を１×１０１３個／ｃｍ
２　のドーズ量で行い、この後１１００°Ｃ、１時間の
熱処理を行った。

【００２４】次に、図４（ｅ）に示すように、温度感応
膜１４のパターニングを行った。続いて、同図（ｆ）の
ように、たとえば蒸着法により温度感応膜１４およびシ
リコン基板１１の表面にチタン膜を形成した後、パター
ニングして互いに対向させて電極１５ａ、１５ｂを形成
した。続いて、６５０°Ｃ、５分間のシンタリングによ
り、チタンシリサイド膜を形成し、エッチング液により
未反応チタンおよびその酸化膜を除去した。

【００２５】次に、アルミニウムを真空蒸着により約１
０００Å厚に形成し、同図（ｇ）に示すようにエッチン
グによりパターン化して配線１６を形成した。

【００２６】続いて、シリコンオキシナイトライド膜１
２をパターニングして図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（ＣＨＦ
３　）、フロン１４（ＣＦ４　）と酸素（Ｏ２　）を用
い、その流量をＣＨＦ３　＝３０ＳＣＣＭ、ＣＦ４　＝
８ＳＣＣＭ、Ｏ２　＝２ＳＣＣＭとし、エッチング時の
圧力を０．０７５Ｔｏｒｒ、高周波出力を３００Ｗとし
、エッチング時間を４０分とした。

【００２７】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に不純物を導入するに際し、熱拡散法に比較して
不純物のドーズ量と導入深さを正確に設定できるので、
真性半導体的性質を容易に持たせることができるととも
に、均一に導入できる。このため、サーミスタ定数およ
び電気抵抗値を大きくでき、かつ制御性がよくなり、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。

【００２９】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。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように本発明の熱型赤外線
センサの製造方法によれば、温度感応膜に不純物を導入
するに際してイオン注入法を用いるようにしたので、ド
ーズ量を正確に設定でき、このため半導体が真性化しや
すく、かつ薄い温度感応膜に不純物が均一に分布しやす
い。このため、サーミスタ定数および電気抵抗値が大き
くなるとともに制御性がよくなり、さらに応答感度が向
上するとともに、電気特性の再現性が向上し、製造歩留
りが向上する。

【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構
成を示す平面図である。

【図３】第１図の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】第１図の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 １５、１５ｂ─電極 １６─配線

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　半導体基板に形成される架橋部上に温
   度感応膜を形成する工程と、前記温度感応膜にイオン注
   入を行うことにより真性半導体もしくは真性に近い半導
   体になるような不純物を導入する工程と、前記不純物が
   導入された半導体基板を所定の温度で加熱する熱処理工
   程と、前記温度感応膜上に電極を形成する工程とを備え
   たことを特徴とする熱型赤外線センサの製造方法。