(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アモルファス半導体薄膜よりなる半導体抵抗層に電極を設けた薄膜サーミスタであって、前記半導体抵抗層は、厚み方向に均一なキャリア濃度を有し、且つ、前記半導体抵抗層と前記電極との接触部に形成される空乏層の幅が１０ｎｍ以下となるように前記キャリア濃度が設定されて成ることを特徴とする薄膜サーミスタ。
【請求項２】
アモルファス半導体薄膜よりなる半導体抵抗層に電極を設けた薄膜サーミスタの製造方法であって、前記半導体抵抗層を電極との接触部に形成される空乏層の幅が１０ｎｍ以下となるキャリア濃度に形成することを特徴とする薄膜サーミスタの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アモルファス半導体薄膜を用いた薄膜サーミスタおよびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
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。この種の赤外線検出素子としては、例えば焦電材料を使った焦電型のものや熱起電力を利用したサーモパイル型のものが開発されている。
しかしながら、焦電型の赤外線検出素子は、赤外線を熱エネルギとして吸収し、その結果生じる電荷量の変化（焦電効果）を検出するいわゆる微分型の検出素子であり、赤外線の変化分しか検出することができないという不具合があった。また、サーモパイル型の赤外線検出素子は、温度に比例した直流電圧が出力されるが、出力が小さいという不具合があった。
【０００３】
これらに対し、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、且つ、小型化、高集積化に適していることが知られており、各種装置の温度センサとしてサーミスタが広く用いられている。サーミスタの特性を表す値としてサーミスタ定数（Ｂ定数）が知られている。Ｂ定数は温度変化と抵抗変化との関係を示す値であり、Ｂ定数が大きいほど温度変化に対する抵抗変化が大きいことを意味するから、サーミスタとしてはＢ定数が大きいほうが望ましいと言える。
【０００４】
ところで、温度分布を検出することができるように多数のサーミスタを２次元配列したアレイセンサが提案されており、この種のアレイセンサを用いると温度分布を画像情報と同様に扱うことが可能になる。この種の用途に用いるサーミスタは高集積化する必要があるから、各サーミスタを小型化しなければならない。しかしながら、サーミスタ素子（サーミスタの半導体チップ）の体積が小さくなると１／ｆノイズが反比例して増加し、結果的にＳ／Ｎ比が低下するという問題が生じる。
【０００５】
アレイセンサなどに用いる小型のサーミスタ素子は、従来のように金属酸化物を焼結する方法では製造することができないから、基板上にプラズマＣＶＤ法によりアモルファス半導体薄膜を成膜し、このアモルファス半導体薄膜をサーミスタ素子として機能させる製造方法が考えられている。
また、プラズマＣＶＤ法により形成したアモルファス半導体薄膜は、太陽電池、薄膜トランジスタ、センサなどに活用されており、特にプラズマＣＶＤ法により形成したａ−Ｓｉ：Ｈ（水素化アモルファスＳｉ）やａ−ＳｉＣ：Ｈ（水素化アモルファスＳｉＣ）は、結晶シリコンに比べて光学的バンドギャップが大きく、可視光領域での光吸収係数が大きく、さらには薄膜かつ大面積のものが容易に形成できるから、太陽電池は重要な応用分野となっている。太陽電池に用いるアモルファス半導体薄膜を成膜する際には、不純物濃度が高くなると光学的バンドギャップが小さくなるから、一般に原料ガスに対するドーパントガスの混合量を少なくしてある。また、サーミスタ素子を形成する場合も、一般に不純物が低濃度であるほうがＢ定数が大きくなるから、この観点から見ると原料ガスに対するドーパントガスの混合量は少ないほうがよいことになる。なお、ａ−ＳｉＣ：Ｈを形成する際には、原料ガスを希釈する水素ガスにより希釈率を高めるのが一般的である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、１／ｆノイズはキャリア濃度に反比例するものであるから、ドーピング濃度が低いと１／ｆノイズが大きくなる。つまり、小型化し、かつＢ定数を大きくしようとすれば、１／ｆノイズが増加してＳ／Ｎ比が低下するという問題が生じるのである。
【０００７】
また、Ｂ定数を向上させるにはアモルファス半導体薄膜よりなる半導体抵抗層の活性化エネルギＥａを大きくする必要がある。ここで、活性化エネルギＥａと導電率σとの関係は一般に室温付近では次式のように表現される。
σ＝σ0 exp(−Ｅａ／ｋＴ）＝σ0 * exp(−Ｅａ0 ／ｋＴ）
ただし、σ0 は係数（pre-exponential pfactor ）、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度σ0 * は導電率のプリファクタ（prefactor ）、Ｅａ0 は０Ｋでの活性化エネルギである。また、Ｂ定数は−Ｅａ／ｋで求められる。つまり、上式によればＢ定数を大きくするために活性化エネルギＥａを大きくすると、導電率σが小さくなるから、Ｂ定数を大きくし、また、導電率σを大きくするには、prefactor σ0 * を大きくする必要がある。しかしながら、従来の薄膜サーミスタは、prefactor σ0 * の値が小さく、サーミスタ素子を小型化すると、抵抗値が高くなりすぎて測定が困難になるという問題があった。
【０００８】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、Ｂ定数を大きくしながらも１／ｆノイズが少なく且つ導電率が高く、結果的に小型で高Ｓ／Ｎ比が得られる薄膜サーミスタおよびその製造方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、アモルファス半導体薄膜よりなる半導体抵抗層に電極を設けた薄膜サーミスタであって、前記半導体抵抗層は、厚み方向に均一なキャリア濃度を有し、且つ、前記半導体抵抗層と前記電極との接触部に形成される空乏層の幅が１０ｎｍ以下となるように前記キャリア濃度が設定されて成ることを特徴とするものであり、前記半導体抵抗層と前記電極との接触部に形成される空乏層の幅が１０ｎｍ以下になるような高濃度にキャリア濃度を設定することにより、半導体抵抗層の導電率が高くなるとともに１／ｆノイズが少なくなり、また、半導体抵抗層のキャリア濃度が増加することによってダングリングボンド（未結合手）が増加し、フェルミレベルがバンド端に移動しにくくなりＢ定数の低下は抑制されるので、結果的に小型でＳ／Ｎ比を向上させることができる。また、キャリア濃度が高濃度になることにより良好な電極との良好なオーミック特性を実現することができ、しかも厚み方向に均一なキャリア濃度を有しているので、キャリア濃度の高い層を接触部に設ける多層構造に比べて構造が簡単になる。
【００１０】
請求項２の発明は、アモルファス半導体薄膜よりなる半導体抵抗層に電極を設けた薄膜サーミスタの製造方法であって、前記半導体抵抗層を電極との接触部に形成される空乏層の幅が１０ｎｍ以下となるキャリア濃度に形成することを特徴とし、キャリア濃度を高めることにより空乏層の幅を１０ｎｍ以下にすることが可能になるから、半導体抵抗層のキャリア濃度が増加することによって導電率が高くなるとともに１／ｆノイズが低減され、しかもダングリングボンド（未結合手）が増加してフェルミレベルがバンド端に移動しにくくなりＢ定数の低下は抑制されるので、結果的に小型で高Ｓ／Ｎ比の薄膜サーミスタを提供することが可能になる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の薄膜サーミスタを用いた赤外線検出素子の断面図を示し、単結晶シリコン基板よりなる支持基板１の主表面上および裏面上にＳｉＯ2 ／Ｓｉ3 Ｎ4 膜よりなる誘電体膜２が形成されるとともに、支持基板１の主表面側から断面Ｖ字状の凹所６を設けることにより上記誘電体膜２よりなる薄膜部２ａが形成されており、薄膜部２ａの上に薄膜サーミスタ１０が形成されている。薄膜サーミスタ１０は、薄膜部２ａ上に形成されたクロム（Ｃｒ）膜よりなる下部電極１１ａと、下部電極１１ａ上に形成されたｐ形ａ−ＳｉＣ：Ｈ薄膜よりなるサーミスタ素子８と、サーミスタ素子８上に形成されたＣｒ膜よりなる上部電極１１ｂとで構成されている。薄膜サーミスタ１０の上にはＳｉＯＮよりなる第２の保護膜４を介して赤外線吸収膜５が形成されている。ここに、薄膜部２ａ、薄膜サーミスタ１０、赤外線吸収膜５などにより構成される検出部Ａは、複数の支持梁部７によって支持基板１に支持されている。また、下部電極１１ａには第１のパッド電極１４ａが接続され、上部電極１１ｂには第２のパッド電極１４ｂが接続されている。なお、図１中の３はＳｉＯ2 膜よりなる第１の保護膜を示す。
【００１２】
以下、製造方法について説明する。
まず、支持基板１の主表面及び裏面それぞれにＳｉＯ2 ／Ｓｉ3 Ｎ4 膜よりなる誘電体膜２を形成し（つまり、Ｓｉ3 Ｎ4 膜を形成した後にＳｉＯ2 膜を形成し）、支持基板１の主表面側の誘電体膜２の全面に、蒸着装置（例えば、ＥＢ蒸着装置）などによってＣｒ膜を形成し、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術によって所定形状のＣｒ膜よりなる下部電極１１ａを形成する。次に、プラズマＣＶＤ装置（図２参照）によりｐ形ａ−ＳｉＣ：Ｈ薄膜を主表面側の全面を覆うように形成し、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術によってｐ形ａ−ＳｉＣ：Ｈ薄膜の不要部分を除去することによりサーミスタ素子８を形成し、その後、支持基板１の主表面側の全面を覆うようにＳｉＯ2 膜を形成して、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術によってＳｉＯ2 膜の不要部分を除去することによりＳｉＯ2 膜よりなる第１の保護膜３を形成する。その後、支持基板１の主表面側の全面を覆うようにＣｒ膜を形成し、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術によっ所定形状のＣｒ膜よりなる上部電極１１ｂを形成する。その後、支持基板１の主表面側の全面を覆うようにＳｉＯＮ膜よりなる第２の保護膜４を形成し、第２の保護膜４の上に赤外線吸収膜５を形成し、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術によって赤外線吸収膜５の不要部分を除去する。その後、第２の保護膜４及び第１の保護膜３の一部をエッチングして下部電極１１ａ，上部電極１１ｂそれぞれの表面の一部を露出させたコンタクトホールを形成し、該コンタクトホールが埋め込まれるように支持基板１の主表面側の全面にアルミニウム膜などの金属膜を蒸着装置によって形成し、金属膜の不要部分を除去することによって金属膜よりなるパッド電極１４ａ，１４ｂを形成する。さらにその後、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術によって検出部Ａを支持するための複数の支持梁部７を離間して形成し、支持梁部７同士の間に形成されたスリット部を通して支持基板１を主表面側からエッチングすることにより凹所６を形成する。以上説明した製造方法によって、図１に示す構造の赤外線検出素子が形成される。
【００１３】
図２に上記ｐ形ａ−ＳｉＣ：Ｈ薄膜を形成する際に用いる上記プラズマＣＶＤ装置よりなる成膜装置を示す。誘電体膜２、下部電極１１ａが形成された支持基板１はチャンバ２２に収納され、ヒータ２３により例えば２７０℃に加熱される。チャンバ２２には内部を真空に排気するための排出口２４と、成膜用のガスを導入する導入口２５とが設けられる。支持基板１はチャンバ２２とともに接地された電極２６ａの上に載置され、この電極２６ａに対向する電極２６ｂには高周波電源２７から高周波電圧（１３．５６ＭＨｚ）が印加される。これにより、両電極２６ａ，２６ｂの間にはグロー放電によるプラズマが生じ、成膜用のガスが分解されて活性種が生成され、活性種の気相反応により支持基板１の主表面側にｐ形ａ−ＳｉＣ：Ｈ薄膜が形成される。ここに、本実施形態では、原料ガスとしてモノシラン（ＳｉＨ4 ）とメタン（ＣＨ4 ）との混合ガスを用い、原料ガスを希釈するガスとして水素ガス（Ｈ2 ）を用い、ドーパントガスとしてはＨ2 希釈のジボラン（Ｂ2 Ｈ6 ）を用いている。
【００１４】
本発明では、サーミスタ素子８の厚み方向の両面にそれぞれ下部電極１１ａと上部電極１１ｂとを接触させた薄膜サーミスタ１０において、サーミスタ素子８と下部電極１１ａとの接触部、サーミスタ素子８と上部電極１１ｂとの接触部の両接触部に形成される空乏層の幅をそれぞれ１０ｎｍ以下にすることによって、１／ｆノイズを低減させる。ここに、本実施形態では、サーミスタ素子８の厚み方向のキャリア濃度を均一にして全体のキャリア濃度を高くすることにより、各接触部の空乏層の幅を調整する。そこで、原料ガスに対するドーパントガスの混合比に対する活性化エネルギＥａ、導電率σ、prefactor σ0 * 、１／ｆノイズの変化を測定した。その結果を、図３ないし図６に示す。なお、本実施形態では、ｐ形ａ−ＳｉＣ：Ｈの形成条件として、放電時に電極２６ｂに印加する高周波電力の電力密度を１１０ｍＷ／ｃｍ2 とし、放電圧力を０．９Ｔｏｒｒとした。なお、本実施形態では、放電電力密度を１１０ｍＷ／ｃｍ2 という比較的大きな値に設定することによって、チャンバ２２内に導入されたガスの分解が促進され、結果的にprefactor σ0 を高めることが可能になる。
【００１５】
図３の横軸はジボランのモノシランに対する混合比、縦軸は活性化エネルギＥａを示す。図３において◆はメタンのモノシランに対する混合比を０．３とした場合、▼は０．５とした場合、■は１．０とした場合、●は１．７とした場合、▲は３．０とした場合を示す。図３より明らかなように、原料ガスに対するドーパントガスの混合比を増加させたときに活性化エネルギＥａは低下する。つまり、原料ガスに対するドーパントガスの混合比を増加させたときにＢ定数は低下する。また、メタンのモノシランに対する混合比を大きくすることにより活性化エネルギＥａは増加する。
【００１６】
図４の横軸はジボランのモノシランに対する混合比、縦軸は導電率σを示す。図４において▼はメタンのモノシランに対する混合比を０．５とした場合、■は１．０とした場合、△は３．０とした場合を示す。図４より明らかなように、原料ガス（モノシラン及びメタン）に対するドーパントガスの混合比の増加に伴って導電率σが増加する。
【００１７】
図５の横軸はジボランのモノシランに対する混合比、縦軸はprefactor σ0 * を示す。図５において●はメタンのモノシランに対する混合比を０．３とした場合、▲は０．５とした場合、△は１とした場合を示す。図５より明らかなように、原料ガスに対するドーパントガスの混合比を増加させたときにprefactor σ0 * はおおむね上昇傾向を示す。ただし、図４および図５によって明らかなように、導電率σ、prefactor σ0 * を大きくする観点から言えば、モノシランに対するメタンの混合比はあまり高くしないことが望ましく、所望のＢ定数が得られるようにメタンを適量混合するのが望ましいと言える。
【００１８】
図６の横軸は活性化エネルギＥａ、縦軸は１／ｆノイズを示す。図６において▲はジボランのモノシランに対する混合比を０．２５ｖｏｌ％とした場合、■は１．０ｖｏｌ％とした場合、●は２．０ｖｏｌ％とした場合を示す。図６より明らかなように、同じ活性化エネルギＥａで比較すると、原料ガスに対するドーパントガスの混合比の増加に伴って１／ｆノイズが低下する。なお、ジボランのモノシランに対する混合比を増加させることにより上述のように活性化エネルギＥａが低下するので、図６において同じ活性化エネルギＥａで見た場合、形成条件としてメタンの流量を増加させてある。例えば、上記混合比が０．２５ｖｏｌ％で活性化エネルギＥａが０．４２ｅＶのときのメタンの流量は１００ｓｃｃｍであるのに対し、上記混合比が２．０％で活性化エネルギＥａが０．４２ｅＶのときのメタンの流量は１７０ｓｃｃｍないし３００ｓｃｃｍに増加させてある。
【００１９】
つまり、図４ないし図６を合わせて見ればわかるように、原料ガスに対するドーパントガスの混合比を増加させたときに、言い換えれば、ドーピング濃度を増加させたときに、導電率σおよびprefactor σ0 * が高くなるとともに１／ｆノイズが低下するのである。また、所望のＢ定数が得られるようにメタンを適量混合するのが望ましいと言える。また、Ｓ／Ｎ比を大きくするには原料ガスに対するドーパントガスの混合比は大きくするのが望ましく、例えば１％以上に設定するのが望ましい。
【００２０】
ところで、原料ガスとしてモノシランとメタンとの混合ガスを用いのは、アモルファス半導体薄膜中にカーボンが含まれることによって、図７に示すバンドギャップＥｇが大きくなり、Ｂ定数の低下が抑制されるからである。なお、図７においてＥC 及びＥV はバンド端（移動度端）を示し、ＥF はフェルミレベルを示す。
【００２１】
ただし、図４によって明らかなように、導電率σを大きくする観点から言えば、モノシランに対するメタンの混合比はあまり高くしないことが望ましく、所望のＢ定数が得られるようにメタンを適量混合するのが望ましいと言える。
ところで、アモルファス半導体薄膜のドーピング濃度を増加させると、膜中のダングリングボンド（未結合手）が増加し、フェルミレベルＥF が移動度端へ移動しにくくなるので、Ｂ定数の低下が抑制される。なお、水素希釈により膜中のダングリングボンドが減少することが知られているが、水素希釈濃度を抑えることで、Ｂ定数の低下を抑制することができる。
【００２２】
図８は薄膜サーミスタ１０のＩ−Ｖ特性を示し、図８において▲１▼はジボランのモノシランに対する混合比を０．２５ｖｏｌ％とした場合、▲２▼は１．０ｖｏｌ％とした場合を示す。図８から、ジボランのモノシランに対する混合比を１．０ｖｏｌ％にすることにより０．２５ｖｏｌ％の場合に比べて良好なオーミック特性が得られていることが確認された。ところで、金属−半導体接触において空乏層の幅が１０ｎｍ以下になると、熱励起による伝導に加えてキャリアのトンネルによる伝導が起こり、このトンネルによる伝導は印加電圧に依存しないので、良好なオーミック特性が得られる。つまり、本実施形態では、ジボランのモノシランに対する混合比を１．０ｖｏｌにすることにより、サーミスタ素子８と下部電極１１ａとの接触部に形成される空乏層の幅が１０ｎｍ以下になっているものと考察される。
【００２３】
上述した実施形態においては、原料ガスとしてモノシランとメタンガスとの混合ガスを用い、ドーパントガスとしてジボランを用いているが、原料ガスにはシリコン含有ガスとカーボン含有ガスとの混合ガスであれば他の組み合わせを用いることができる。またドーパントガスにも周知の各種の物質を用いることが可能であり、ｎ形ａ−ＳｉＣ：Ｈ薄膜よりなるサーミスタ素子８を形成する場合には、ドーパントガスとして例えばホスフィン（ＰＨ3 ）を用いればよい。
【００２４】
【発明の効果】
請求項１の発明は、アモルファス半導体薄膜よりなる半導体抵抗層に電極を設けた薄膜サーミスタであって、前記半導体抵抗層は、厚み方向に均一なキャリア濃度を有し、且つ、前記半導体抵抗層と前記電極との接触部に形成される空乏層の幅が１０ｎｍ以下となるように前記キャリア濃度が設定されているので、前記半導体抵抗層と前記電極との接触部に形成される空乏層の幅が１０ｎｍ以下になるような高濃度にキャリア濃度を設定することにより、半導体抵抗層の導電率が高くなるとともに１／ｆノイズが少なくなり、また、半導体抵抗層のキャリア濃度が増加することによってダングリングボンド（未結合手）が増加し、フェルミレベルがバンド端に移動しにくくなりＢ定数の低下は抑制されるから、結果的に小型でＳ／Ｎ比を向上させることができるという効果がある。また、キャリア濃度が高濃度になることにより良好な電極との良好なオーミック特性を実現することができ、しかも厚み方向に均一なキャリア濃度を有しているので、キャリア濃度の高い層を接触部に設ける多層構造に比べて構造が簡単になるという効果がある。
【００２５】
請求項２の発明は、アモルファス半導体薄膜よりなる半導体抵抗層に電極を設けた薄膜サーミスタの製造方法であって、前記半導体抵抗層を電極との接触部に形成される空乏層の幅が１０ｎｍ以下となるキャリア濃度に形成するので、半導体抵抗層のキャリア濃度が増加することによって導電率が高くなるとともに１／ｆノイズが低減され、しかもダングリングボンド（未結合手）が増加してフェルミレベルがバンド端に移動しにくくなりＢ定数の低下は抑制されるから、結果的に小型で高Ｓ／Ｎ比の薄膜サーミスタを提供することが可能になるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の薄膜サーミスタを利用した赤外線検出素子の断面図である。
【図２】本発明におけるアモルファス半導体薄膜の製造装置を示す概略構成図である。
【図３】実施形態における原料ガスに対するドーパントガスの混合比と活性化エネルギとの関係を示す図である。
【図４】実施形態における原料ガスに対するドーパントガスの混合比と導電率との関係を示す図である。
【図５】実施形態における原料ガスに対するドーパントガスの混合比とプリファクタ（prefactor ）との関係を示す図である。
【図６】実施形態における活性化エネルギと１／ｆノイズとの関係を示す図である。
【図７】アモルファス半導体薄膜の状態密度の説明図である。
【図８】実施形態における薄膜サーミスタのＩ−Ｖ特性図である。
【符号の説明】
８  サーミスタ素子
１０  薄膜サーミスタ
１１ａ  下部電極
１１ｂ  上部電極
【図１】
0003711740.tif 000002
【図２】
0003711740.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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