JP2560824B2 - Infrared sensor manufacturing method - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明はサーモパイル型赤外線センサの製造方法に
関する。The present invention relates to a method for manufacturing a thermopile type infrared sensor.
（従来の技術） サーモパイル型赤外線センサでは２種類の熱電材料を
用いる。従来、理化学辞典（第４版）486ページによる
と、ビスマスとアンチモン、クロメルとコンスタンタ
ン、鉄とコンスタンタンの組合わせが用いられてきた。
また、P.M.SarroとA.W.V.Herwaardenの「Infrared Dete
ctor Based on an Integrated Silicon Thermopile」
（Proceedings of SPIE 807巻113ページから118ペー
ジ）によると、Ｐ型シリコンと、アルミニウムが使われ
ている。また、C.Shibata,C.Kimura and K.Mikamiの「F
ar Infrared Sensor with Thermopile Structure」（Pr
oceedings of the 1st Sensor Symposium 1981年211ペ
ージから255ページ）によると、テルルとインジウムア
ンチモンが使われている。２種類の熱電材料のうち両方
が金属の場合と、一方が半導体と他方が金属の組合せの
場合が従来あった。(Prior Art) Two types of thermoelectric materials are used in a thermopile infrared sensor. According to the Physics and Chemistry Dictionary (4th edition), page 486, combinations of bismuth and antimony, chromel and constantan, and iron and constantan have been used.
Also, PM Sarro and AWV Herwaarden's "Infrared Dete
ctor Based on an Integrated Silicon Thermopile ''
According to (Proceedings of SPIE 807, pages 113 to 118), P-type silicon and aluminum are used. In addition, C. Shibata, C. Kimura and K. Mikami's "F
ar Infrared Sensor with Thermopile Structure "(Pr
According to Oceedings of the 1st Sensor Symposium 1981, pages 211-255, tellurium and indium antimony are used. There have conventionally been cases where both of the two types of thermoelectric materials are metals, and where one is a semiconductor and the other is a combination of metals.
（発明が解決しようとする課題） 従来のサーモパイルは他のタイプの熱型センサである
焦電型に比較して感度が低いという欠点があった。ま
た、サーモパイルを一次元または二次元に配列し、赤外
線イメージセンサを構成する場合、MOSトランジスタやC
CDなどの走査回路とサーモパイルとを同一半導体チップ
上に形成する必要がある。しかし、従来使われてきた熱
電材料はシリコンICにおいては使われていない材料であ
り、半導体中にトラップレベルを形成したり、製造ライ
ンを汚染する可能性があり、シリコンICに適合しないと
いう欠点があった。(Problems to be Solved by the Invention) The conventional thermopile has a drawback in that it has lower sensitivity than the pyroelectric type which is another type of thermal sensor. When the thermopiles are arranged one-dimensionally or two-dimensionally to form an infrared image sensor, MOS transistors and C
It is necessary to form a scanning circuit such as a CD and a thermopile on the same semiconductor chip. However, the thermoelectric materials that have been used in the past are materials that are not used in silicon ICs, they may form trap levels in semiconductors and may contaminate the manufacturing line, and they have the drawback of not being compatible with silicon ICs. there were.
（課題を解決するための手段） 本発明の赤外線センサの製造方法は、基板の主面に設
けられたダイヤフラム領域と、このダイヤフラム領域に
一方の接点群を有し、前記ダイヤフラム領域外部に他方
の接点群を有し、熱電材料としてｐ型半導体とｎ型半導
体とを用いるサーモパイルとからなる赤外線センサにお
いて、半導体膜を形成し、その後、前記サーモパイルの
配線パターンに前記半導体膜をパターニングし、その
後、前記半導体膜にｐ型不純物とｎ型不純物とをそれぞ
れイオン注入することによって前記ｐ型半導体とｎ型半
導体とを形成することを特徴とする。(Means for Solving the Problems) A method for manufacturing an infrared sensor according to the present invention has a diaphragm region provided on a main surface of a substrate and one contact group in the diaphragm region, and the other of the contact regions outside the diaphragm region. In an infrared sensor having a contact group and comprising a thermopile using a p-type semiconductor and an n-type semiconductor as a thermoelectric material, a semiconductor film is formed, and then the semiconductor film is patterned into a wiring pattern of the thermopile, and thereafter, The p-type semiconductor and the n-type semiconductor are formed by ion-implanting a p-type impurity and an n-type impurity into the semiconductor film, respectively.
さらに、この発明の赤外線センサの製造方法は、基板
主面に設けられたダイヤフラム領域と、このダイヤフラ
ム領域に一方の接点群を有し、前記ダイヤフラム領域外
部に他方の接点群を有し、熱電材料としてｐ型半導体と
ｎ型半導体とを用いるサーモパイルとからなる赤外線セ
ンサにおいて、第１導電型半導体膜を形成し、その後、
前記サーモパイルの配線パターンに前記第１導電型半導
体膜をパターニングし、その後、第１導電型とは反対導
電型の第２導電型半導体膜を形成し、その後、前記サー
モパイルの配線パターンに前記第２導電型半導体膜をパ
ターニングすることによって、前記サーモパイルを形成
することを特徴とする。Furthermore, the method for manufacturing an infrared sensor according to the present invention has a diaphragm region provided on the main surface of the substrate and one contact group in the diaphragm region, and the other contact group outside the diaphragm region. In the infrared sensor consisting of a thermopile using a p-type semiconductor and an n-type semiconductor as the above, a first conductivity type semiconductor film is formed, and thereafter,
The first conductive type semiconductor film is patterned on the thermopile wiring pattern, then a second conductive type semiconductor film having a conductivity type opposite to the first conductive type is formed, and then the second pattern is formed on the thermopile wiring pattern. The thermopile is formed by patterning a conductive type semiconductor film.
（実施例） 次に、この発明について図面を参照して説明する。Embodiment Next, the present invention will be described with reference to the drawings.
第１図（ａ）、（ｂ）は、それぞれこの発明の前提と
なるサーモパイル型赤外線センサの平面図と断面図であ
る。面方位（100）のシリコン基板１上にCVD法やプラズ
マCVD法で作成されたシリコン窒化膜２が形成されてお
り、窒化膜２の中央部分の下のシリコン基板が４角錐台
状にエッチングされ、空洞３が形成されている。空洞３
の上面を被っている膜をダイヤフラム４と呼ぶ。窒化膜
２の上に熱電材料としてのｎ型シリコン膜５とＰ型シリ
コン膜６とが形成されている。接点部７はアルミニウム
などの金属層を有しており、ｎ型シリコン膜５と接点部
７、ｐ型シリコン膜６と接点部７とはそれぞれオーミッ
クコンタクトをなしている。サーモパイルではダイヤフ
ラム４上の接点を温接点、ダイヤフラム領域４外部のシ
リコン基板上に設けられた接点を冷接点と呼んでいる。
これらの接点を多くするとサーモパイルの感度は向上す
るので、図のようなつづら折りのパターンになってい
る。ｎ型シリコン膜５とｐ型シリコン膜６と接点部７を
保護する目的でシリコン窒化膜やシリコン酸化膜の保護
膜８が形成されている。保護膜８と窒化膜２にはスリッ
ト９が形成されている。スリット９はダイヤフラム領域
４の対角線に位置している。このスリット９より異方性
エッチング液を用いて空洞３を形成する。保護膜８や窒
化膜２は異方性エッチング液からｎ型シリコン膜５とｐ
型シリコン膜６と接点部７を保護する目的がある。1 (a) and 1 (b) are a plan view and a sectional view of a thermopile type infrared sensor, which is a premise of the present invention. A silicon nitride film 2 formed by a CVD method or a plasma CVD method is formed on a silicon substrate 1 having a plane orientation (100), and the silicon substrate below the central portion of the nitride film 2 is etched into a truncated pyramid shape. , The cavity 3 is formed. Cavity 3
The film covering the upper surface of is called the diaphragm 4. An n-type silicon film 5 and a P-type silicon film 6 as thermoelectric materials are formed on the nitride film 2. The contact portion 7 has a metal layer such as aluminum, and the n-type silicon film 5 and the contact portion 7 make ohmic contact with the p-type silicon film 6 and the contact portion 7, respectively. In the thermopile, a contact on the diaphragm 4 is called a hot junction, and a contact provided on a silicon substrate outside the diaphragm region 4 is called a cold junction.
Since the sensitivity of the thermopile is improved by increasing the number of these contacts, the pattern has a zigzag pattern as shown in the figure. A protective film 8 of a silicon nitride film or a silicon oxide film is formed for the purpose of protecting the n-type silicon film 5, the p-type silicon film 6 and the contact portion 7. Slits 9 are formed in the protective film 8 and the nitride film 2. The slit 9 is located on the diagonal of the diaphragm region 4. A cavity 3 is formed from this slit 9 using an anisotropic etching solution. The protective film 8 and the nitride film 2 are formed from the anisotropic etching solution and are combined with the n-type silicon film 5 and p
The purpose is to protect the type silicon film 6 and the contact portion 7.
この発明の第１の実施例の赤外線センサの製造方法を
第２図を用いて説明する。第２図において第１図と同一
記号は同一構成要素を示す。面方位（100）のシリコン
基板１上にCVD法あるいはプラズマCVD法により窒化膜２
を形成し、フォトレジスト工程によりダイヤフラム領域
よりやや大きな大きさにエッチングする。その後、CVD
法やスパッタ法や蒸着法により多結晶質のシリコン膜10
を形成し、フォトレジスト工程とエッチング工程により
サーモパイルのパターンを形成する。その後、フォトレ
ジスト11によりｎ型にドープしない部分を被い、リンの
イオン注入を行い、ｎ型シリコン膜５を形成する。この
様子を示したのが第２図（ａ）である。その後、フォト
レジスト12によりｐ型にドープしない部分を被い、ボロ
ンのイオン注入を行い、ｐ型シリコン膜６を形成する。
この際、リンをドープする領域とボロンをドープする領
域を一部オーバーラップさせた。この様子を示したのが
第２図（ｂ）である。なおｎ型、ｐ型のシリコン膜５、
６の不純物濃度は1013cm-3〜固溶限までの濃度を用いる
ことができる。出力インピーダンスを低くしたいときは
濃度を上げて抵抗を下げればよいし、熱電能を高くした
いときは濃度を下げて抵抗を上げればよい。その後、接
合部にアルミニウムや高融点金属やシリサイドなどの金
属領域13を形成し、ｎ型シリコン膜５と金属領域13、ｐ
型シリコン膜６と金属領域13との間をそれぞれオーミッ
ク接触ならしめる。さらに、CVD法やプラスマCVD法によ
り窒化膜や酸化膜の保護膜８を形成する。この様子を示
したのが第２図（ｃ）である。フォトレジスト工程を用
いて、保護膜８と窒化膜２をスリット状にエッチングす
る。水酸化カリウム溶液やヒドラジン溶液などのシリコ
ン異方性エッチング液をこのスリットから浸透させるこ
とにより、空洞３を形成する。空洞３を被う膜ダイヤフ
ラム領域４と呼ばれる。この様子を示すのが第２図
（ｄ）であり、サーモパイル型赤外線センサは出来上が
る。ここでは図示しなかったが、赤外線吸収層や外部引
出し電極も適宜形成される。A method of manufacturing the infrared sensor according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In FIG. 2, the same symbols as in FIG. 1 indicate the same components. A nitride film 2 is formed on a silicon substrate 1 having a plane orientation (100) by a CVD method or a plasma CVD method.
Is formed and is etched to a size slightly larger than the diaphragm region by a photoresist process. Then CVD
Polysilicon film 10 by sputtering, sputtering or vapor deposition
Then, a thermopile pattern is formed by a photoresist process and an etching process. After that, a portion which is not n-type doped is covered with a photoresist 11 and phosphorus ions are implanted to form an n-type silicon film 5. This is shown in FIG. 2 (a). After that, a portion not doped with p-type is covered with a photoresist 12 and boron ion implantation is performed to form a p-type silicon film 6.
At this time, the phosphorus-doped region and the boron-doped region were partially overlapped. This is shown in FIG. 2 (b). The n-type and p-type silicon films 5,
As the impurity concentration of 6, the concentration of 10 13 cm −3 to the solid solution limit can be used. If you want to lower the output impedance, you can raise the concentration and lower the resistance, and if you want to increase the thermoelectric power, you can lower the concentration and raise the resistance. After that, a metal region 13 of aluminum, refractory metal, silicide, or the like is formed at the junction, and the n-type silicon film 5 and the metal region 13, p are formed.
An ohmic contact is made between the type silicon film 6 and the metal region 13. Further, a protective film 8 of a nitride film or an oxide film is formed by the CVD method or the plasma CVD method. This is shown in FIG. 2 (c). The protective film 8 and the nitride film 2 are etched into a slit shape by using a photoresist process. A cavity 3 is formed by infiltrating a silicon anisotropic etching solution such as a potassium hydroxide solution or a hydrazine solution through this slit. It is referred to as the membrane diaphragm region 4 which covers the cavity 3. This state is shown in FIG. 2D, and the thermopile type infrared sensor is completed. Although not shown here, an infrared absorption layer and an external extraction electrode are also appropriately formed.
第３図を用いてこの発明による赤外線センサの第２の
製造方法を説明する。第１図、第２図と同一記号は同一
構成要素を示す。面方位（100）のシリコン基板１上にC
VD法あるいはプラズマCVD法によりシリコン窒化膜２を
形成し、フォトレジスト工程によりダイヤフラム領域よ
りやや大きな大きさにエッチングする。その後、CVD法
やスパッタ法や蒸着法により多結晶のシリコン膜を形成
し、ｎ型にドープする。フォトレジスト工程とエッチン
グ工程によりｎ型シリコン膜５を形成する。この様子を
示したのが第３図（ａ）である。その後図示されていな
いが、ｎ型シリコン膜５をシリコン窒化膜やシリコン酸
化膜でカバーし、再びシリコン膜を形成し、ｐ型にドー
プする。フォトレジスト工程とエッチング工程によりｐ
型シリコン膜６を形成する。接合部にアルミニウムや高
融点金属やシリサイドなどの金属領域14を形成し、ｎ型
シリコン膜５と金属領域14、ｐ型シリコン膜６と金属領
域14との間をそれぞれオーミック接触させる。この様子
を示したのが第３図（ｂ）である。その後、CVD法やプ
ラズマCVD法によりシリコン窒化膜やシリコン酸化膜の
保護膜８を形成する。さらに、フォトレジスト工程を用
いて、保護膜８と窒化膜２をスリット状にエッチングす
る。水酸化カリウム溶液やヒドラジン溶液などのシリコ
ン異方性エッチング液をこのスリットから浸透させるこ
とにより、四角錐台状の空洞３を形成する。空洞３を被
う膜はダイヤフラム領域４とよばれる。この様子を示す
のが第３図（ｃ）であり、サーモパイル型赤外線センサ
は出来上がる。ここでは図示しなかったが、赤外線吸収
層や外部取出電極も適宜形成される。A second method of manufacturing an infrared sensor according to the present invention will be described with reference to FIG. The same symbols as those in FIGS. 1 and 2 indicate the same components. C on the silicon substrate 1 with the plane orientation (100)
The silicon nitride film 2 is formed by the VD method or the plasma CVD method, and is etched to a size slightly larger than the diaphragm region by a photoresist process. After that, a polycrystalline silicon film is formed by the CVD method, the sputtering method, or the vapor deposition method, and the n-type is doped. The n-type silicon film 5 is formed by a photoresist process and an etching process. This is shown in FIG. 3 (a). Thereafter, although not shown, the n-type silicon film 5 is covered with a silicon nitride film or a silicon oxide film, a silicon film is formed again, and p-type doping is performed. P by photoresist process and etching process
A type silicon film 6 is formed. A metal region 14 of aluminum, refractory metal, silicide or the like is formed at the junction, and ohmic contact is made between the n-type silicon film 5 and the metal region 14 and between the p-type silicon film 6 and the metal region 14, respectively. This is shown in FIG. 3 (b). After that, a protective film 8 of a silicon nitride film or a silicon oxide film is formed by the CVD method or the plasma CVD method. Further, the protective film 8 and the nitride film 2 are etched into a slit shape by using a photoresist process. A silicon pyramidal cavity 3 is formed by infiltrating a silicon anisotropic etching solution such as a potassium hydroxide solution or a hydrazine solution through this slit. The membrane covering the cavity 3 is called the diaphragm region 4. This state is shown in FIG. 3C, and the thermopile type infrared sensor is completed. Although not shown here, an infrared absorption layer and an external extraction electrode are also appropriately formed.
（発明の効果） この発明の製造方法によるサーモパイル型赤外線セン
サでは両方の熱電材料に半導体を用いている。一般的に
半導体の熱電能の絶対値は金属の熱電能の絶対値に比較
して一桁程大きい。このため、この発明の赤外線センサ
は大きな感度を有することができる。(Effect of the Invention) In the thermopile type infrared sensor according to the manufacturing method of the present invention, semiconductors are used for both thermoelectric materials. Generally, the absolute value of the thermoelectric power of a semiconductor is one digit larger than the absolute value of the thermoelectric power of a metal. Therefore, the infrared sensor of the present invention can have high sensitivity.
ｐ型半導体膜とｎ型半導体膜の接合は整流性を示す。
結晶基板を用いた場合とは異なり、半導体膜を用いた接
合では理想状態の整流特性を作ることは難しい上に製造
ばらつきも大きい。さらにサーモパイルの出力インピー
ダンスが大きくなる。そこで、この発明の製造方法によ
るサーモパイル型赤外線センサでは、接点部に金属領域
を設け、ｐ型半導体と金属領域、ｎ型半導体と金属領域
とがオーミック接触し、その結果、ｐ型半導体とｎ型半
導体とがオーミック接触していることになり、製造ばら
つきがなくなり、サーモパイルの出力インピーダンスが
小さくすることができる。The junction between the p-type semiconductor film and the n-type semiconductor film exhibits a rectifying property.
Unlike the case where a crystal substrate is used, it is difficult to form an ideal rectification characteristic by junction using a semiconductor film, and there is a large manufacturing variation. Furthermore, the output impedance of the thermopile is increased. Therefore, in the thermopile type infrared sensor according to the manufacturing method of the present invention, a metal region is provided in the contact portion to make ohmic contact between the p-type semiconductor and the metal region and between the n-type semiconductor and the metal region, and as a result, the p-type semiconductor and the n-type Since it is in ohmic contact with the semiconductor, manufacturing variations are eliminated, and the output impedance of the thermopile can be reduced.
熱電材料として特にｎ型シリコンとｐ型シリコンを用
いた場合、シリコンIC技術に適合し、シリコンICと製造
ラインを共用でき、また、MOSトランジスタやCCDと同一
チップ上にサーモパイルを形成することが容易になる。Especially when n-type silicon and p-type silicon are used as thermoelectric materials, they are compatible with silicon IC technology, can share the manufacturing line with silicon ICs, and can easily form a thermopile on the same chip as MOS transistors and CCDs. become.
実施例で示した第１の製造方法では、サーモパイルの
パターンの形成が一回のフォトレジスト工程で行なえる
ため、工程が簡略になる長所がある。第２の製造方法で
はｐ型半導体膜とｎ型半導体膜との間にマージンとして
のギャップを必要としないため、より多数の接点を同一
面積のダイヤフラム上に集積することが可能となる。The first manufacturing method shown in the embodiment has an advantage that the process can be simplified because the thermopile pattern can be formed in one photoresist process. Since the second manufacturing method does not require a gap as a margin between the p-type semiconductor film and the n-type semiconductor film, it is possible to integrate a larger number of contacts on the diaphragm having the same area.
また第４図（ａ）、（ｂ）に示すように、空洞15の形
成をシリコン基板１の裏面より異方性エッチングを行な
う赤外線センサにおいても、この発明の効果は同様であ
る。第４図において、第１図と同一記号で示したものは
同一構成要素を示す。Further, as shown in FIGS. 4 (a) and 4 (b), the effect of the present invention is the same also in the infrared sensor in which the cavity 15 is formed by anisotropic etching from the back surface of the silicon substrate 1. In FIG. 4, the same symbols as in FIG. 1 indicate the same components.
ダイヤフラムとサーモパイルを一次元ないしは二次元
に配列し、MOSトランジスタやCCDなどの走査回路を同一
シリコン基板上に形成した赤外線イメージセンサにおい
ても、この発明の効果は同様である。The effect of the present invention is the same also in an infrared image sensor in which a diaphragm and a thermopile are arranged one-dimensionally or two-dimensionally and a scanning circuit such as a MOS transistor or CCD is formed on the same silicon substrate.
第１図（ａ）、（ｂ）はそれぞれこの発明の前提となる
赤外線センサの平面図と断面図、第２図はこの発明の第
１の実施例による赤外線センサの製造方法を示す断面
図、第３図はこの発明の第２の実施例による赤外線セン
サの製造方法を示す断面図、第４図（ａ）、（ｂ）はそ
れぞれこの発明の他の前提となる赤外線センサの平面図
と断面図である。 図において、 １……シリコン基板、４……ダイヤフラム領域、５……
ｎ型シリコン膜（ｎ型半導体）、６……ｐ型シリコン膜
（ｐ型半導体）、７……接点部、13,14……金属領域。1 (a) and 1 (b) are respectively a plan view and a sectional view of an infrared sensor which is a premise of the present invention, and FIG. 2 is a sectional view showing a method for manufacturing an infrared sensor according to a first embodiment of the present invention, FIG. 3 is a cross-sectional view showing a method of manufacturing an infrared sensor according to a second embodiment of the present invention, and FIGS. 4 (a) and 4 (b) are plan views and cross-sections of an infrared sensor which is another prerequisite of the present invention. It is a figure. In the figure, 1 ... Silicon substrate, 4 ... Diaphragm region, 5 ...
n-type silicon film (n-type semiconductor), 6 ... p-type silicon film (p-type semiconductor), 7 ... contact part, 13, 14 ... metal region.
Claims (2)
と、このダイヤフラム領域に一方の接点群を有し、前記
ダイヤフラム領域外部に他方の接点群を有し、熱電材料
としてｐ型半導体とｎ型半導体とを用いるサーモパイル
とからなる赤外線センサを製造する方法であって、半導
体膜を形成し、その後、前記サーモパイルの配線パター
ンに前記半導体膜をパターニングし、その後、前記半導
体膜にｐ型不純物とｎ型不純物をそれぞれイオン注入す
ることによって前記ｐ型半導体とｎ型半導体とを形成す
ることを特徴とする赤外線センサの製造方法。1. A diaphragm region provided on a main surface of a substrate, and one contact group in the diaphragm region, and the other contact group outside the diaphragm region, wherein a p-type semiconductor and an n-type are used as thermoelectric materials. A method for manufacturing an infrared sensor comprising a thermopile using a semiconductor layer, comprising: forming a semiconductor film; then patterning the semiconductor film on a wiring pattern of the thermopile; and thereafter forming a p-type impurity on the semiconductor film. A method for manufacturing an infrared sensor, comprising forming the p-type semiconductor and the n-type semiconductor by ion-implanting each of n-type impurities.
と、このダイヤフラム領域に一方の接点群を有し、前記
ダイヤフラム領域外部に他方の接点群を有し、熱電材料
としてｐ型半導体とｎ型半導体とを用いるサーモパイル
とからなる赤外線センサを製造する方法であって、第１
導電型半導体膜を形成し、その後、前記第１導電型半導
体膜を前記サーモパイルの配線パターンにパターニング
し、その後、第１導電型とは反対導電型の第２導電型半
導体膜を形成し、その後、前記サーモパイルの配線パタ
ーンに前記第２導電型半導体膜をパターニングすること
によって、前記サーモパイルを形成することを特徴とす
る赤外線センサの製造方法。2. A diaphragm region provided on the main surface of the substrate, and one contact group in the diaphragm region, and the other contact group outside the diaphragm region. The p-type semiconductor and the n-type are used as thermoelectric materials. A method of manufacturing an infrared sensor including a thermopile using a semiconductor, comprising:
A conductive type semiconductor film is formed, then the first conductive type semiconductor film is patterned into a wiring pattern of the thermopile, and then a second conductive type semiconductor film having a conductive type opposite to the first conductive type is formed, and thereafter. A method for manufacturing an infrared sensor, comprising forming the thermopile by patterning the second conductive type semiconductor film on a wiring pattern of the thermopile.
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|---|---|---|---|
| JP1040769A JP2560824B2 (en) | 1989-02-20 | 1989-02-20 | Infrared sensor manufacturing method |
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1989
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| JPH02219286A (en) | 1990-08-31 |
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