(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、この半導体基板上に設けた熱伝導性の低いダイアフラムと、長尺状をなしかつ中間部分よりも幅の広いコンタクトを両端に有するｐ型半導体及びｎ型半導体からなる熱電対を複数対並列に配置して電気的に直列に接続してダイアフラム上に形成されたサーモパイルと、このサーモパイルの検知部の上に絶縁層を介して形成された熱吸収膜を備えた赤外線検出素子において、
サーモパイルを形成する熱電対のｐ型半導体とｎ型半導体との間隔を狭めるべく各々のコンタクトを相互に長手方向にずらせて配置してあること、熱電対のｐ型半導体及びｎ型半導体のうちの少なくともいずれか一方の半導体に、隣接する他方の半導体のコンタクトと所定の間隔をおいて嵌合するコンタクト逃げ部を設けたことを特徴とする赤外線検出素子。
【請求項２】
熱電対のｐ型半導体及びｎ型半導体のうちの電気伝導率の大きい方の半導体を電気伝導率の小さい方の半導体よりも長く設定した請求項１に記載の赤外線検出素子。
【請求項３】
電気伝導率の大きい方の半導体のコンタクトを電気伝導率の小さい方の半導体のコンタクトよりも大きく設定した請求項２に記載の赤外線検出素子。
【請求項４】
熱電対のｐ型半導体及びｎ型半導体のうちの電気伝導率の小さい方の半導体を電気伝導率の大きい方の半導体よりも長く設定し、電気伝導率の小さい方の半導体のコンタクトを電気伝導率の大きい方の半導体のコンタクトよりも大きく設定した請求項１に記載の赤外線検出素子。
【請求項５】
熱電対のｐ型半導体及びｎ型半導体の各中間部分の幅を互いに違えてあることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の赤外線検出素子。
【請求項６】
熱電対のｐ型半導体及びｎ型半導体のいずれもポリシリコンとしたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の赤外線検出素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、赤外線検出素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、赤外線検出素子には、サーモパイル型、焦電型およびボロメータ型があり、サーモパイル型の赤外線検出素子には、例えば、図６または図７に示すものがある。
【０００３】
図６および図７に示すサーモパイル型赤外線検出素子の違いは、マイクロマシニング技術の異方性エッチングの方法による。
【０００４】
図６の赤外線検出素子では、半導体基板の表面からエッチングを行って低い熱伝導性のダイアフラムを表面側に形成し、このダイアフラムの上にサーモパイルを形成している。
【０００５】
一方、図７の赤外線検出素子において、サーモパイルは半導体基板の表面に形成されているが、エッチングは裏面から実施されるようになっている。
【０００６】
ここでは図６の赤外線検出素子を説明する。図６に示すように、このサーモパイル型の赤外線検出素子Ｓ１は、半導体基板１０１と、この半導体基板１０１上に設けた熱伝導性の低いダイアフラム１０２と、このダイアフラム１０２上に形成されるサーモパイル１０４と、半導体基板１０１の中央部分に層間絶縁層１０３を介して形成された熱吸収膜１０５を備えている。
【０００７】
サーモパイル１０４は、長尺状をなしかつ中間部分よりも幅の広いコンタクト１１０ａを両端に有するｐ型ポリシリコン１１０およびこれと同じく長尺状をなしかつ中間部分よりも幅の広いコンタクト１１１ａを両端に有するｎ型ポリシリコン１１１をアルミニウム配線１１２で接続してなる熱電対１１３を複数対並列に配置し、そして、互いに隣接する熱電対１１３を電気的に直列に接続することによって形成されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記したような赤外線検出素子の場合、熱伝導性の低いダイアフラム１０２の厚さを一定とすると、熱電対１１３のｐ型ポリシリコン１１０およびｎ型ポリシリコン１１１の間隔を狭めて、配置する熱電対１１３の対数を増すと、ダイアフラム１０２からの熱伝導損失がポリシリコンより相対的に減り、出力信号が増加する。また、雑音に対する出力信号の比、いわゆるＳＮ比(Signal to Noise ratio)の性能も向上する。この際、熱電対１１３の対数を増やせなくても、ｐ型ポリシリコン１１０およびｎ型ポリシリコン１１１の間隔を狭めることで、熱損失を低減できるため、上記と同じように性能が向上する。
【０００９】
ところが、上記した従来の赤外線検出素子Ｓ１では、サーモパイル１０４を製造する際のフォト工程において、熱電対１１３のｐ型ポリシリコン１１０およびｎ型ポリシリコン１１１の各々のコンタクト１１０ａ,１１１ａの大きさおよび間隔は、微細化技術限界(プロセスルール)で決定されてしまうことから、熱電対１１３のｐ型ポリシリコン１１０およびｎ型ポリシリコン１１１の間隔を狭めて半導体占有率(同型ポリシリコンの間隔に対するｐ型ポリシリコンとｎ型ポリシリコンの幅の加算値の比)を高めることができず、これに伴って、配置する熱電対１１３の対数を増すこともできず、したがって、性能を向上させることが困難であるという問題があり、この問題を解決することが従来の課題となっていた。
【００１０】
【発明の目的】
本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたもので、熱電対のｐ型半導体およびｎ型半導体の間隔を狭めて半導体占有率を高めると共に、配置する熱電対の対数を増して、性能を大幅に向上させた赤外線検出素子を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載した発明は、半導体基板と、この半導体基板上に設けた熱伝導性の低いダイアフラムと、長尺状をなしかつ中間部分よりも幅の広いコンタクトを両端に有するｐ型半導体及びｎ型半導体からなる熱電対を複数対並列に配置して電気的に直列に接続してダイアフラム上に形成されたサーモパイルと、このサーモパイルの検知部の上に絶縁層を介して形成された熱吸収膜を備えた赤外線検出素子において、サーモパイルを形成する熱電対のｐ型半導体とｎ型半導体との間隔を狭めるべく各々のコンタクトを相互に長手方向にずらせて配置してあること、熱電対のｐ型半導体及びｎ型半導体のうちの少なくともいずれか一方の半導体に、隣接する他方の半導体のコンタクトと所定の間隔をおいて嵌合するコンタクト逃げ部を設けたことを特徴としている。
【００１２】
ここで、熱電対のｐ型半導体とｎ型半導体との間隔(ピッチ)を狭めるとは、ダイアフラム上における半導体占有率を高めることであり、図５に示すように、熱電対１３のｐ型半導体１０からこれと隣接する熱電対１３のｐ型半導体１０までの距離をｗ、ｐ型半導体１０の幅をｗｐ、ｎ型半導体１１の幅をｗｎとした場合において、半導体占有率(ｗｐ＋ｗｎ)／ｗ  をできる限り１に近づけることが性能向上にとって望ましい。
【００１３】
本発明の請求項２に係わる赤外線検出素子は、熱電対のｐ型半導体およびｎ型半導体のうちの電気伝導率の大きい方の半導体を電気伝導率の小さい方の半導体よりも長く設定した構成とし、本発明の請求項３に係わる赤外線検出素子は、電気伝導率の大きい方の半導体のコンタクトを電気伝導率の小さい方の半導体のコンタクトよりも大きく設定した構成とし、本発明の請求項４に係わる赤外線検出素子は、熱電対のｐ型半導体およびｎ型半導体のうちの電気伝導率の小さい方の半導体を電気伝導率の大きい方の半導体よりも長く設定し、電気伝導率の小さい方の半導体のコンタクトを電気伝導率の大きい方の半導体のコンタクトよりも大きく設定した構成としている。
【００１４】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載した熱電対のｐ型半導体及びｎ型半導体の各中間部分の幅を互いに違えてある。
請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれか１項に記載した熱電対のｐ型半導体及びｎ型半導体をいずれもポリシリコンとしている。
【００１５】
上記した赤外線検出素子は、半導体基板と熱吸収領域との間の温度差、すなわち、熱電対のｐ型半導体およびｎ型半導体の各コンタクト間の温度差によって起電力が発生する現象(ゼーベック効果)を利用したものであり、この起電力(出力信号Ｓ)は、数式に示すように、熱電対の対数ｎと、ゼーベック係数αと、熱抵抗Ｒthと、入射する赤外線エネルギが熱吸収膜で吸収されて熱に変換されたエネルギＰで表わすことができる。
【００１６】
Ｓ＝Ｐ・Ｒ＝ｎ・α・ΔＴ＝ｎ・α・Ｒth・Ｐ・・・数式
【００１７】
但し、Ｒは感度、ΔＴは半導体基板と熱吸収領域との温度差を示す。
【００１８】
つまり、熱電対の対数を増すと、熱抵抗が小さくなるが、対数を増す分の効果がこれを優り、感度Ｒが向上して、高い出力信号Ｓが得られることが分かる。
【００１９】
【発明の作用】
請求項１に記載した赤外線検出素子は、上記した構成としているので、熱電対のｐ型半導体及びｎ型半導体の間隔が狭まる分だけ半導体占有率が高まることとなって、ダイヤフラムからの熱損失が相対的に低減され、加えて、両半導体の間隔を狭め得るのに伴って、配置する熱電対の対数を増し得ることとなり、その結果、性能の向上が図られることとなる。
また、熱電対のｐ型半導体及びｎ型半導体の各幅を個別に設定し得ることとなり、その結果、ＳＮ比の向上を図ることができる。
【００２０】
本発明の請求項２および３に係わる赤外線検出素子は、上記した構成としたため、ｎ型半導体とｐ型半導体の構成において、電気伝導率の大きい方の半導体を電気伝導率の小さい方の半導体よりも長くしたり、電気伝導率の大きい方のコンタクトを電気伝導率の小さい方のコンタクトよりも大きく設定したりすることによる電気抵抗の増分が、半導体全体の総抵抗に比して極僅かに抑えられ、ノイズの増分が抑えられることとなり、本発明の請求項４に係わる赤外線検出素子においても、対数が増すと、コンタクト抵抗が増すが、コンタクトのサイズを大きくしているので、抵抗の低減が図られることとなる。
【００２１】
請求項５に記載した赤外線検出素子は、上記した構成としているので、より一層半導体占有率が高まることとなって、熱の逃げを妨げ得ることとなるのに加えて、より多くの熱電対を配置し得ることとなり、したがって、大幅な性能の向上が図られることとなる。
【００２２】
請求項６に記載した赤外線検出素子は、上記した構成としたため、熱電対の半導体に、Ｂｉ(ビスマス)や、Ｓｂ(アンチモン)や、Ｔｅ(テルル)などからなる化合物半導体を用いたり、単結晶シリコンやアモルファスシリコンを採用したりした場合と比較して、シリコンのＣＭＯＳ工程との両立性があり、製造が簡単でしかも低コストでなされることとなる。
【００２３】
【発明の効果】
本発明の請求項１に係わる赤外線検出素子によれば、熱電対のｐ型半導体及びｎ型半導体の間隔を狭めることができるので、半導体占有率が高まる分だけ余分な熱の逃げを阻止したり、多数の熱電対を配置したりすることが可能となり、その結果、性能の向上を実現することができるという非常に優れた効果がもたらされる。
また、性能のより一層の向上及びノイズの大幅な低減を実現でき、ＳＮ比を向上させることが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。
【００２４】
本発明の請求項２および３に係わる赤外線検出素子は、上記した構成としたため、電気抵抗の増分を少なく抑えることができ、ノイズの増分を抑えて性能を向上させることが可能であり、とくに、熱電対の対数が増すと、コンタクト抵抗も増すが、コンタクトのサイズを大きくすることで、抵抗の低減を実現することができるという非常に優れた効果がもたらされ、本発明の請求項４に係わる赤外線検出素子は、上記した構成としたから、請求項１に係わる赤外線検出素子と同じ効果が得られるのに加えて、熱電対の対数を増すことによるコンタクト抵抗の増分を少なく抑えることが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。
【００２５】
請求項５に記載した赤外線検出素子によれば、上記した構成としているので、性能のより一層の向上及びノイズの大幅な低減を実現でき、ＳＮ比を向上させることが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。
【００２６】
請求項６に記載した赤外線検出素子によれば、上記した構成としたため、シリコンのＣＭＯＳプロセスとの両立が可能となって、簡単かつ安価に製造することが可能になるという非常に優れた効果がもたらされる。
【００２７】
【実施例】
以下、本発明を図面に基づいて説明する。
【００２８】
図１は本発明に係わる赤外線検出素子の一実施例を示している。
【００２９】
図１(ａ)の平面図および図１(ｂ)の断面図に示すように、このサーモパイル型赤外線検出素子Ｓｅは、半導体基板１と、この半導体基板１上に空洞６を介して設けた熱伝導性の低いダイアフラム２と、このダイアフラム２上に形成されるサーモパイル４と、半導体基板１の中央部分に層間絶縁層３を介して形成された熱吸収膜５を備えている。
【００３０】
サーモパイル４は、長尺状をなしかつ中間部分よりも幅の広いコンタクト１０ａを両端に有するｐ型ポリシリコン(ｐ型半導体)１０およびこれと同じく長尺状をなしかつ中間部分よりも幅の広いコンタクト１１ａを両端に有するｎ型ポリシリコン(ｎ型半導体)１１をアルミニウム配線１２で接続してなる熱電対１３を複数対並列に配置し、そして、互いに隣接する熱電対１３を電気的に直列に接続することによって形成されている。
【００３１】
この場合、サーモパイル４を形成する熱電対１３のｐ型ポリシリコン１０およびｎ型ポリシリコン１１のうちの電気伝導率の大きい方のポリシリコン(この実施例ではｎ型ポリシリコン１１)を電気伝導率の小さい方のポリシリコン(この実施例ではｐ型ポリシリコン１０)よりも長くして、両ポリシリコン１０,１１の各コンタクト１０ａ,１１ａが相互に長手方向にずれるようにして配置することにより、両ポリシリコン１０,１１の間隔Ｐが狭まるようにしてあり、この実施例において、電気伝導率の大きい方のｎ型ポリシリコン１１のコンタクト１１ａは、電気伝導率の小さい方のｐ型ポリシリコン１０のコンタクト１０ａよりも大きく設定してある。
【００３２】
なお、ポリシリコン１０,１１の実際の長さ(赤外線検出素子Ｓｅの実際の縦横長さ)は、間隔Ｐに比して格段に大きいため、図１において、紙面の都合上ポリシリコン１０,１１の長さと間隔Ｐとをスケールを変えて表している。
【００３３】
この赤外線検出素子Ｓｅでは、熱電対１３のｐ型ポリシリコン１０およびｎ型ポリシリコン１１の間隔Ｐを狭めて、ダイアフラム２上に多数の熱電対１３を配置するようにしているので、その分だけ半導体占有率が高まることとなって、余分な熱が逃げてしまうのを回避し得ることとなるうえ、性能の大幅な向上が図られることとなる。
【００３４】
また、上記した赤外線検出素子Ｓｅでは、熱電対１３の電気伝導率の大きい方のｎ型ポリシリコン１１を電気伝導率の小さい方のｐ型ポリシリコン１０よりも長くすることで、両ポリシリコン１０,１１の各コンタクト１０ａ,１１ａを相互に長手方向にずらすようにしていることから、このｎ型ポリシリコン１１のコンタクト１１ａをｐ型ポリシリコン１０のコンタクト１０ａよりも大きく設定していることとも相俟って、この処置による電気抵抗の増加が、両ポリシリコン１０,１１全体の総抵抗に比して極めて少なく抑えられることとなり、その結果、ノイズの増分を少なく抑えられることとなる。
【００３５】
上記した実施例では、図２(ａ)にも示すように、熱電対１３のｎ型ポリシリコン１１をｐ型ポリシリコン１０よりも長くすることによって、両ポリシリコン１０,１１の各コンタクト１０ａ,１１ａを長手方向にずらして両ポリシリコン１０,１１の間隔Ｐを狭める場合を示したが、これに限定されるものではなく、例えば、図２(ｂ)に示すように、同じ長さのｐ型ポリシリコン１０およびｎ型ポリシリコン１１を全体的に千鳥状に配置して、両ポリシリコン１０,１１の各コンタクト１０ａ,１１ａが長手方向にずれるようにしてもよい。
【００３６】
また、図２(ｃ)に示すように、ｐ型ポリシリコン１０よりも長くしたｎ型ポリシリコン１１の中間部分に、隣接するｐ型ポリシリコン１０のコンタクト１０ａと所定の間隔をおいて嵌合するコンタクト逃げ部１１ｂを設けたり、図２(ｄ)に示すように、熱電対１３のｐ型ポリシリコン１０およびｎ型ポリシリコン１１の各中間部分の幅を互いに違えたりする構成としてもよく、前者の場合には、より一層ポリシリコン１０,１１の半導体占有率が高まることとなって、余分な熱の逃げを阻止し得ることとなるうえ、より多くの熱電対を配置し得ることとなって、大幅な性能の向上が図られ、後者の場合には、熱電対１３のｐ型ポリシリコン１０およびｎ型ポリシリコン１１の各幅を個別に設定し得ることとなって、ＳＮ比の向上が図られることとなる。
【００３７】
そこで、図２(ａ)のポリシリコン配置パターン(図１に示した赤外線検出素子Ｓｅのポリシリコン配置パターン)を採用してポリシリコン１０,１１の間隔Ｐを2.2μｍとしたときの相対ＳＮ比と、図２(ｂ)のポリシリコン配置パターンを採用してポリシリコン１０,１１の間隔Ｐを2.2μｍとしたときの相対ＳＮ比と、図２(ｃ)のポリシリコン配置パターンを採用してポリシリコン１０,１１の間隔Ｐを2.1μｍとしたときの相対ＳＮ比と、図２(ｄ)のポリシリコン配置パターンを採用してポリシリコン１０,１１の間隔Ｐを2.1μｍとしたときの相対ＳＮ比と、従来のポリシリコン配置パターンを採用してポリシリコンの間隔Ｐを2.6μｍとしたときの相対ＳＮ比とを比較したところ、図３に示す結果を得た。
【００３８】
なお、いずれの場合も、ポリシリコン１０,１１の長さを約40μｍとし、コンタクト１０ａ,１１ａを一辺が1.8μｍの正方形とし、ポリシリコンの中間部分の幅を1.0μｍとしている(但し、図２(ｄ)のポリシリコン配置パターンでは、ｐ型ポリシリコン１０の幅を1.8μｍ、ｎ型ポリシリコン１１の幅を0.8μｍとしている)。
【００３９】
図３のグラフにおいて、(a),(b),(c),(d)は、図２(ａ),図２(ｂ),図２(ｃ),図２(ｄ)にそれぞれ対応(従来例は(従)で示す)し、数字は、各ポリシリコン配置パターンを採用した際に配置可能な熱電対の対数を示しており、したがって、図３のグラフから、図２(ａ)〜図２(ｄ)の各ポリシリコン配置パターンを用いると、従来の各ポリシリコン配置パターンを用いたときと比較して、熱電対の対数が増えて、相対ＳＮ比が１％〜１３％向上することが判り、本発明に係わる赤外線検出素子では、性能が大幅に向上することが実証できた。
【００４０】
なお、本発明に係わる赤外線検出素子の詳細な構成は、上記した実施例に限定されるものではなく、他の構成として、例えば、図４に示すように、サーモパイル４を形成する熱電対２３のｐ型ポリシリコン２０およびｎ型ポリシリコン２１のうちの電気伝導率の小さい方のｐ型ポリシリコン２０を電気伝導率の大きい方のｎ型ポリシリコン２１よりも長くして、両ポリシリコン２０,２１の各コンタクト２０ａ,２１ａが相互に長手方向にずれるようにして配置することにより、両ポリシリコン２０,２１の間隔Ｐを狭めるようにしてもよく、この際、電気伝導率の小さい方のｐ型ポリシリコン２０のコンタクト２０ａを電気伝導率の大きい方のｎ型ポリシリコン２１のコンタクト２１ａよりも大きく設定することで、熱電対１３の対数を増すことによるコンタクト抵抗の増分を少なく抑え得ることとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる赤外線検出素子の一実施例を示す平面説明図（ａ）および断面説明図(ｂ)である。
【図２】図１の赤外線検出素子で採用したポリシリコン配置パターン説明図(ａ)および他のポリシリコン配置パターン説明図(ｂ),(ｃ),(ｄ)である。
【図３】図２におけるポリシリコン配置パターンを採用した際の相対ＳＮ比とポリシリコンの間隔との関係を示すグラフである。
【図４】図２におけるポリシリコン配置パターンとはさらに異なるポリシリコン配置パターン説明図である。
【図５】本発明に係わる赤外線検出素子のポリシリコン半導体占有率について説明する図である。
【図６】従来の赤外線検出素子を示す平面説明図（ａ）および部分断面説明図（ｂ）である。
【図７】従来の他の赤外線検出素子を示す平面説明図（ａ）および部分断面説明図（ｂ）である。
【符号の説明】
Ｓｅ  赤外線検出素子
１  半導体基板
２  ダイアフラム
３  層間絶縁層
４  サーモパイル
５  熱吸収膜
１０ ｐ型ポリシリコン(ｐ型半導体)
１０ａ コンタクト
１１ ｎ型ポリシリコン(ｎ型半導体)
１１ａ コンタクト
１１ｂ コンタクト逃げ部
１３  熱電対
【図１】
0004497393.tif 000002
【図２】
0004497393.tif 000003
【図３】
0004497393.tif 000004
【図４】
0004497393.tif 000005
【図５】
0004497393.tif 000006
【図６】
0004497393.tif 000007
【図７】
0004497393.tif 000008