(57)【要約】【課題】薄膜サーミスタの表面から基板表面にわたって形成される電極の断線を防止し、温度センサの特性の劣化を抑制した温度センサ及び製造方法を提供すること。【解決手段】表面にＳｉＯ２層３が形成されたシリコン基板２と、前記ＳｉＯ２層３の表面の一部にスパッタ成膜されたＭｎ３Ｏ４−Ｃｏ３Ｏ４系、Ｍｎ３Ｏ４−Ｃｏ３Ｏ４−Ｆｅ２Ｏ３系あるいはＭｎ３Ｏ４−Ｃｏ３Ｏ４−ＣｕＯ系の薄膜サーミスタ４と、該薄膜サーミスタ４の表面から前記ＳｉＯ２層３の表面にわたって形成された電極５、６とを備え、前記シリコン基板２の表面に凹部２Ａが形成され、該凹部２Ａを充填するように前記薄膜サーミスタ４が形成されている。【選択図】図１
2006261661.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に二酸化珪素層が形成された基板と、前記二酸化珪素層の表面の一部にスパッタ成膜されたＭｎ３Ｏ４−Ｃｏ３Ｏ４系、Ｍｎ３Ｏ４−Ｃｏ３Ｏ４−Ｆｅ２Ｏ３系あるいはＭｎ３Ｏ４−Ｃｏ３Ｏ４−ＣｕＯ系の複合金属酸化物膜と、該複合金属酸化物膜の表面から前記二酸化珪素層の表面にわたって形成された電極とを備える温度センサにおいて、
前記基板の表面に凹部が形成され、該凹部を充填するように前記複合金属酸化物膜が形成されていることを特徴とする温度センサ。
【請求項２】
前記基板が、シリコン基板であることを特徴とする請求項１に記載の温度センサ。
【請求項３】
平板状の基板に凹部を形成する凹部形成工程と、
前記基板の前記凹部を含む表面に二酸化珪素層を形成する二酸化珪素層形成工程と、
前記二酸化珪素層の上から前記凹部を充填するようにＭｎ３Ｏ４−Ｃｏ３Ｏ４系、Ｍｎ３Ｏ４−Ｃｏ３Ｏ４−Ｆｅ２Ｏ３系あるいはＭｎ３Ｏ４−Ｃｏ３Ｏ４−ＣｕＯ系の複合金属酸化物膜をスパッタ成膜するスパッタ工程と、
前記複合金属酸化物膜の表面から前記二酸化珪素層の表面にわたって電極を形成する電極形成工程とを備えることを特徴とする温度センサの製造方法。
【請求項４】
前記基板がシリコン基板であり、
前記凹部形成工程が、ウェットエッチングによって前記凹部を形成することを特徴とする請求項３に記載の温度センサの製造方法。
【請求項５】
前記基板がシリコン基板であり、
前記凹部形成工程が、ドライエッチングによって前記凹部を形成することを特徴とする請求項３に記載の温度センサの製造方法。
【請求項６】
前記基板がシリコン基板であり、
前記凹部形成工程が、前記基板の前記凹部を形成する凹部形成予定部を除く表面にシリコン窒化膜を形成し、シリコン局所酸化法によって前記凹部形成予定部を酸化した後、
前記シリコン窒化膜及び前記凹部形成予定部を除去することを特徴とする請求項３に記載の温度センサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば赤外線センサに用いる温度センサ及び製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、非接触で温度を測定できる赤外線検出素子の開発が盛んになってきている。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、高感度であることが要求される。赤外線検出素子には、熱電対を直列に接続したサーモパイル型、特定材料の焦電効果を利用した焦電型、特定金属酸化物の抵抗率温度依存性を利用したサーミスタ型の三種類がある（例えば、特許文献１から４参照）。
これらのうちサーミスタ型の赤外線検出素子は、高い直流出力が得られ、かつ、小型化、高集積化に適していることが知られており、低価格化も期待できることから各種装置の温度センサとして広く用いられている。特に、薄膜サーミスタを半導体基板上に形成し、各種配線などを施してセンサとしたものが注目されはじめている。
【０００３】
サーミスタ型の赤外線検出素子の一般的な構造は、基板と、基板の上面に形成された熱絶縁膜と、熱絶縁膜の上面に形成された薄膜サーミスタと、薄膜サーミスタの上面に形成された一対の電極とからなる。そして、照射された赤外線を受光してサーミスタの温度が変化すると、薄膜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を検知できるようになっている。ここで、検出感度を高めるために、表面に赤外線吸収膜を設けることで、薄膜サーミスタの温度変化と抵抗変化とが迅速に行われるように構成されている。
ここで、この場合に用いられる薄膜サーミスタについては、膜厚が０．０５μｍ〜０．２μｍのものが用いられている。そして、薄膜サーミスタが平面状の半導体基板上に形成されていることによって、平面視において薄膜サーミスタと熱絶縁膜との境界には、薄膜サーミスタの膜厚に応じた段差が形成されている。したがって、薄膜サーミスタの抵抗変化を検出するために一対の電極を外部回路に接続する際には、電極が薄膜サーミスタの上面から熱絶縁膜の上面にわたって段差を越えるように形成されることとなる。一対の電極の形成方法としては、薄膜サーミスタまたは熱絶縁膜の上面に電極を構成する金属膜を形成し、さらにその上面にフォトリソグラフィ技術などを用いて電極形状のマスクを形成した後、金属膜に対してウェットエッチングなどを用いたエッチング処理を行うことによって、所望の電極形状としている。
【特許文献１】特開２０００−３４０８４８号公報
【特許文献２】特開２０００−０６５６３９号公報
【特許文献３】特開平９−２８０９５７号公報
【特許文献４】特開２０００−２９２２５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来の温度センサには、以下の問題が残されている。すなわち、上記従来の温度センサは、フォトリソグラフィ技術やウェットエッチングなどを用いて電極を形成する際、形成された電極が段差を含む段差近傍においてオーバーエッチングされやすいために断線しやすくなり、温度センサの特性の劣化原因となることがある。
【０００５】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、薄膜サーミスタの表面から基板表面にわたって形成される電極の断線を防止し、温度センサの特性の劣化を抑制した温度センサ及び製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、本発明の温度センサは、表面に二酸化珪素層が形成された基板と、前記二酸化珪素層の表面の一部にスパッタ成膜されたＭｎ３Ｏ４−Ｃｏ３Ｏ４系、Ｍｎ３Ｏ４−Ｃｏ３Ｏ４−Ｆｅ２Ｏ３系あるいはＭｎ３Ｏ４−Ｃｏ３Ｏ４−ＣｕＯ系の複合金属酸化物膜と、該複合金属酸化物膜の表面から前記二酸化珪素層の表面にわたって形成された電極とを備える温度センサにおいて、
前記基板の表面に凹部が形成され、該凹部を充填するように前記複合金属酸化物膜が形成されていることを特徴とする。
【０００７】
また、本発明の温度センサの製造方法は、平板状の基板に凹部を形成する凹部形成工程と、前記基板の前記凹部を含む表面に二酸化珪素層を形成する二酸化珪素層形成工程と、前記二酸化珪素層の上から前記凹部を充填するようにＭｎ３Ｏ４−Ｃｏ３Ｏ４系、Ｍｎ３Ｏ４−Ｃｏ３Ｏ４−Ｆｅ２Ｏ３系あるいはＭｎ３Ｏ４−Ｃｏ３Ｏ４−ＣｕＯ系の複合金属酸化物膜をスパッタ成膜するスパッタ工程と、前記複合金属酸化物膜の表面から前記二酸化珪素層の表面にわたって電極を形成する電極形成工程とを備えることを特徴とする。
【０００８】
これらの発明によれば、複合金属酸化物膜が基板に形成された凹部を充填するように形成されているので、基板に凹部を形成しない状態で複合金属酸化物膜を形成する場合と比較して、複合金属酸化物膜の表面と二酸化珪素層の表面との間に段差がなく、より平滑になる。したがって、電極を複合金属酸化物膜の表面と二酸化珪素層の表面とにわたって滑らかに形成され、平面視における複合金属酸化物膜と二酸化珪素層との境界を含む境界近傍で、電極が断線することを回避できる。
【０００９】
また、本発明の温度センサは、半導体素子製造用の基板として、表面に熱酸化膜を形成したシリコン基板が広く用いられており、容易に入手することができる。また、各種半導体素子を一体形成して各種機能を付加した高性能な赤外線検出素子となる。
【００１０】
また、本発明の温度センサの製造方法は、前記基板がシリコン基板であり、前記凹部形成工程が、ウェットエッチングによって前記凹部を形成することが好ましい。
この発明によれば、例えばフッ酸と硝酸との混酸液などを用いたウェットエッチングによって、複合金属酸化物膜を充填するための凹部を基板に形成する。
【００１１】
また、本発明の温度センサの製造方法は、前記基板がシリコン基板であり、前記凹部形成工程が、ドライエッチングによって前記凹部を形成することが好ましい。
この発明によれば、ウェットエッチングよりも直進性の高いドライエッチングを用いて凹部を形成することで、より垂直性の高い凹部が形成される。したがって、凹部に複合金属酸化物膜を充填したときに、複合金属酸化物膜の表面と基板の表面との間がより平滑になり、電極の断線をより確実に回避できる。
【００１２】
また、本発明の温度センサの製造方法は、前記基板がシリコン基板であり、前記凹部形成工程が、前記基板の前記凹部を形成する凹部形成予定部を除く表面にシリコン窒化膜を形成し、シリコン局所酸化法によって前記凹部形成予定部を酸化した後、前記シリコン窒化膜及び前記凹部形成予定部を除去することが好ましい。
この発明によれば、凹部を形成する凹部形成予定部を除く表面にカバー層であるシリコン窒化膜を形成し、凹部形成予定部に対してシリコン局所酸化法（以下、ＬＯＣＯＳ（local oxidization of silicon）法と省略する。）を用いて酸化した後、シリコン窒化膜及び酸化した凹部形成予定部を除去することによって凹部を形成する。ここで、シリコン窒化膜は、例えば熱リン酸溶液に浸漬するか、六フッ化硫黄を用いたドライエッチングによって除去される。また、凹部形成予定部に形成された酸化シリコンは、例えば希フッ酸溶液あるいはバッファードフッ酸を用いたウェットエッチングによって除去される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の温度センサ及び製造方法によれば、複合金属酸化物膜の表面とシリコン基板の表面との間がより平滑となることによって、複合金属酸化物膜と二酸化珪素層との境界における電極の破断を回避できる。したがって、安定した特性を維持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明にかかる温度センサの一実施形態を図面に基づいて説明する。
本実施形態による温度センサ１は、赤外線検出素子として用いられるものであって、図１に示すように、シリコン基板２と、シリコン基板２の表面に形成された二酸化珪素層（以下、ＳｉＯ２層と省略する）３と、ＳｉＯ２層３の上面に形成された薄膜サーミスタ（複合金属酸化物膜）４と、薄膜サーミスタ４の表面及びＳｉＯ２層３の表面にわたって形成された一対の電極５、６とによって構成されている。
【００１５】
シリコン基板２の表面には、ドライエッチングによって平面視矩形状の凹部２Ａが形成されている。この凹部２Ａの深さは、薄膜サーミスタ４の厚さとほぼ同一となるように形成されており、例えば０．２μｍとなっている。
【００１６】
ＳｉＯ２層３は、シリコン基板２の表面を熱酸化することで形成されたものであって、層厚が０．１μｍ以上１．５μｍ以下となっている。
この熱酸化法は、シリコンと酸素や水蒸気とを高温で反応させて形成するものである。このような熱酸化法として、例えば窒素をキャリアガスとして酸素ガスを流すドライＯ２酸化法、加熱水を通して酸素を供給するウェットＯ２酸化法、スチームによるスチーム酸化法、水素ガスと酸素ガスとを外部で燃焼させて発生した水蒸気を供給するパイロジェニック酸化法、酸素ガスを液体窒素を通して窒素ガスをキャリアとして流すＯ２分圧酸化法、あるいは窒素ガスと酸素ガスとを一緒に塩素ガスを添加した塩酸酸化法などがある。
なお、熱酸化法で形成されるＳｉＯ２層３の厚さは、酸化処理温度や時間、あるいは酸素ガスやスチームの流量などによって設定される。したがって、これらの要因を制御することで、厚さ０．１μｍ以上１．５μｍ以下のＳｉＯ２層３が形成されている。
【００１７】
薄膜サーミスタ４は、（Ｍｎ、Ｃｏ）３Ｏ４、（Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ）３Ｏ４、あるいは（Ｍｎ、Ｃｏ、Ｃｕ）３Ｏ４のスピネル構造の複合金属酸化物によって構成されており、シリコン基板２に形成された凹部２Ａを充填するように形成されている。ここで、薄膜サーミスタ４が（Ｍｎ、Ｃｏ）３Ｏ４によって構成されている場合には、ＭｎとＣｏとのモル比が４：６程度であることが好ましい。また、薄膜サーミスタ４が（Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ）３Ｏ４によって構成されている場合には、Ｍｎ：Ｃｏ：Ｆｅのモル比が（２０〜６０）：（２〜６５）：（９〜４０）程度であることが好ましい。そして、薄膜サーミスタ４が（Ｍｎ、Ｃｏ、Ｃｕ）３Ｏ４によって構成されている場合には、Ｍｎ：Ｃｏ：Ｃｕのモル比が（３５〜６０）：（２〜６５）：（１〜４０）程度であることが好ましい。これらの複合金属酸化物は、温度が上昇するとその抵抗値が低くなる、いわゆる負特性を有している。
また、この薄膜サーミスタ４の膜厚は、例えば０．２μｍとなっている。
【００１８】
一対の電極５、６は、薄膜サーミスタ４の表面からＳｉＯ２層３の表面にわたるように形成されており、Ｃｒ（クロム）薄膜によって構成されている。そして、電極５、６は、それぞれ薄膜サーミスタ４の表面に形成された櫛型電極部１１、１２と、櫛型電極部１１、１２のそれぞれと外部回路とを接続するためのパッド部１３、１４とを備えている。
【００１９】
次に、このように構成された温度センサ１の製造方法について説明する。
まず、シリコン基板２の表面であって、薄膜サーミスタ４を形成する所定位置を除いた部分にフォトリソグラフィ技術を用いてフォトレジスト層を形成する。そして、このフォトレジスト層をマスクとしたドライエッチングを行うことにより、シリコン基板２に深さ０．２μｍの凹部２Ａを形成する（図２（ａ）参照）。次に、マスクとしたフォトレジストを除去した後、熱酸化法によって、シリコン基板２の表面に層厚が０．１μｍ以上１．５μｍ以下のＳｉＯ２層３を形成する（図２（ｂ）参照）。
【００２０】
そして、フォトリソグラフィ技術を用い、シリコン基板２の表面であって、凹部２Ａを除いた部分にフォトレジスト層を形成する。次に、凹部２Ａ及びフォトレジスト層の上面に（Ｍｎ、Ｃｏ）３Ｏ４、（Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ）３Ｏ４、あるいは（Ｍｎ、Ｃｏ、Ｃｕ）３Ｏ４のスピネル構造の複合金属酸化物膜を、膜厚が０．２μｍとなるようにスパッタ法によって形成し、フォトレジスト層を除去することで凹部２Ａのみに薄膜サーミスタ４がこの凹部２Ａを充填するように形成する（図２（ｃ）参照）。
【００２１】
その後、薄膜サーミスタ４に対して６００℃±５０℃の温度範囲で１時間熱処理を施す。一般に複合金属酸化物で構成された薄膜サーミスタは、このような熱処理を施すことによって赤外線センサとして最適な電気特性を発揮するようになる。例えば二酸化珪素層の上面に厚さ０．２μｍのＭｎ３Ｏ４−Ｃｏ３Ｏ４（４０ｍｏｌ％：６０ｍｏｌ％）複合金属酸化物をスパッタ成膜し、６００℃±５０℃の温度範囲で１時間熱処理を施した場合、抵抗値及びＢ定数のＢ２５／５０値がバルク・レベルと同等となることがわかっている。
【００２２】
次に、薄膜サーミスタ４またはＳｉＯ２層３の表面に電極５、６を形成するためのＣｒ薄膜を形成する。そして、Ｃｒ薄膜の表面であって櫛型電極部１１、１２及びパッド部１３、１４を形成する所定位置に、フォトリソグラフィ技術を用いてフォトレジスト層を形成する。次に、フォトレジスト層をマスクとし、硝酸セリウムアンモニウム溶液を用いたウェットエッチングを行うことによって、櫛型電極部１１、１２及びパッド部１３、１４を形成する（図２（ｄ）参照）。このとき、レジスト除去液によって残存したフォトレジスト層を除去する。以上のようにして温度センサ１を製造する。
【００２３】
以上より、本実施形態の温度センサ１によれば、薄膜サーミスタ４の表面とシリコン基板２の表面との間をより平滑にすることで、薄膜サーミスタ４とＳｉＯ２層３との境界における電極５、６の破断を回避できる。したがって、温度センサの特性の劣化が抑制され、安定した特性を維持することができる。
【００２４】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態では、ＳｉＯ２層は、シリコン基板の上面に形成されているが、アルミナやガラス基板上に化学気相成長法（ＣＶＤ法）などを使用して形成されたものであっても利用することができる。
【００２５】
また、ドライエッチング法によってシリコン基板の所定位置に凹部を形成しているが、例えばフッ酸（ＨＦ）と硝酸（ＨＮＯ３）との混酸液を用いたウェットエッチングや、ＬＯＣＯＳ法を用いて凹部を形成してもよい。
ここで、ウェットエッチングを用いてシリコン基板に凹部を形成する際には、凹部を形成する凹部形成予定部を除いたシリコン基板の表面にフォトレジスト層によるマスクを形成し、エッチャントであるＨＦとＨＮＯ３との混酸液（例えば、ＨＦ：ＨＮＯ３＝１：５）に浸すことによって凹部を形成する。その後、残存したフォトレジスト層を除去し、上述と同様にして温度センサを製造する。
また、ＬＯＣＯＳ法を用いてシリコン基板に凹部を形成する際には、凹部形成予定部を除いたシリコン基板の表面にカバー層であるシリコン窒化膜を形成し、凹部形成予定部に対してＬＯＣＯＳ法を用いて酸化した後、シリコン窒化膜及び酸化した凹部形成予定部を除去することによって凹部を形成する。ここで、シリコン窒化膜は、例えば熱リン酸溶液に浸漬するか、六フッ化硫黄（ＳＦ６）を用いたドライエッチングによって除去される。また、凹部形成予定部に形成された酸化シリコンは、例えば希フッ酸溶液あるいはバッファードフッ酸を用いたウェットエッチングによって除去される。その後、上述と同様にして温度センサを製造する。これらの方法を用いて凹部を形成すると、ドライエッチング法を用いて凹部を形成することと比較して、凹部の傾斜面の垂直性が低くなるが、同様に複合金属酸化物膜の表面とシリコン基板の表面との間を平滑にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施形態における温度センサを示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ矢視断面図である。
【図２】図１の温度センサの製造手順を示す説明図である。
【符号の説明】
【００２７】
１  温度センサ
２  シリコン基板
２Ａ  凹部
３  ＳｉＯ２層（二酸化珪素層）
４  薄膜サーミスタ（複合金属酸化物膜）
５、６  電極
【図１】
2006261661.tif 000003
【図２】
2006261661.tif 000004